DE2353831C3

DE2353831C3 - Vorrichtung zum Bestimmen der Fluglage eines Flugzeuges

Info

Publication number: DE2353831C3
Application number: DE2353831A
Authority: DE
Inventors: Maynard Luther Silver Spring Hill, Md. (V.St.A.)
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 1972-10-27
Filing date: 1973-10-26
Publication date: 1979-10-04
Also published as: IT1030563B; SE396340B; CA1033029A; FR2204795B1; GB1407760A; FR2204795A1; JPS4994098A; DE2353831B2; BE806584A; DE2353831A1; US4091326A; US3868074A; JPS5432240B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Fluglage eines Flugzeuges mit einer außen am Flugzeug vorgesehenen Sondenanordnung.

Nach den US-PS'en 35 25 866 und 32 76 725 sind Fluglagenanzeigevorrichtungen mit Sonden bekannt, die für Satelliten bestimmt sind. Die hierbei vorgesehenen Sonden sind lonensonden, die die Ionendichte ermitteln, die beim Auftreffen der Ionen auf die lonensonden bei sehr hohen Fluggeschwindigkeiten erzeugt wird. Diese Fluglagenanzeigevorrichtungen arbeiten nur bei sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegenden Flugobjekten, da man die positiven Ionen im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Flugkörpers, wie zum Beispiel des Satelliten, als stillstehend betrachten kann, und alle die in den US-PS'en beschriebenen Vorrichtungen auf dieser Annahme basieren.

Aus der US-PS 24 54 630 ist eine Methode zur Feldstärkenmessung des elektrostatischen Feldes ganz allgemein beschrieben. Hierbei werden die Feldstärkenkomponenten in vertikaler und horizontaler Richtung gemessen und hieraus die Resultierende gebildet, die die Feldstärke nach den Grundprinzipien der Vektoranalyse darstellt. Die dort beschriebene Feldstärkenmessung verfolgt den Zweck einer absoluten Messung und Ermittlung der Feldstärke an einem bestimmten Punkt. Eine hierfür erforderliche Vorrichtung ist äußerst kompliziert, nimmt viel Platz in Anspruch und verbraucht viel Energie, so daß sich insbesondere Schwierigkeiten bei kleineren Flugzeugen aufgrund des zur Verfügung stehenden Einbauraumes und bei größeren Flugzeugen im Hinblick auf die nach Möglichkeit vollständig auszunutzende Zuladung ergeben.

Bekanntlich ist in der Erdatmosphäre ein elektrostatisches Feld vorhanden. Nach neueren wissenschaftlichen

Erkenntnissen hat dieses elektrostatische Feld einen vertikalen Potentialgradienten und die Potentialänderung pro Meter nimmt mit zunehmender Höhe ab. In jeder Höhe oder in jedem Abstand von der Erdoberfläche verlaufen jedoch die Äquipotentiallinien und -ebenen im wesentlichen horizontal, insbesondere, wenn man die Größe eines Flugzeuges beispielsweise im Verhältnis zu der Länge der Äquipotentiallinien betrachtet.

Auf der Grundlage dieser Erkenntnis und unter Ausnutzung der Äquipotentiallinien und -ebenen des elektrostatischen Feldes in der Erdatmosphäre liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit möglichst einfachem Aufbau und vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, wie ι s zum Beispiel zur Ausrichtung oder Stabilisierung des Flugzeuges oder zum Umfahren von Hindernissen in der Flugbahn zu schaffen. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung mit geringem Energiebedarf störungssicher arbeiten und platzsparend in einem Flugzeug untergebracht werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet -sich eine Vorrichtung zum Bestimmen der Fluglage eines Flugzeuges mit einer außen am Flugzeug vorgesehenen Sondenanordnung dadurch aus, daß die aus Spannungssonden bestehende Sondenanordnung zum Messen des Spannungspotentials des elektrostatischen Feldes der Erdatmosphäre an einem ersten vorgewählten Punkt gegenüber einem zweiten vorgewählten Punkt ausgebildet ist, wobei die vorgewählten Punkte im Abstand so voneinander auf einer Bezugslinie angeordnet sind, und daß eine mit der Sondenanordnung verbundene Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals vorgesehen ist, das der Differenz zwischen den gemessenen Spannungspotentialen des elektrostati- J'> sehen Feldes an dem ersten und dem zweiten vorgewählten Punkt proportional ist, und den Winkel zwischen der genannten Bezugslinie und einer der in dem elektrostatischen Feld der Erde vorhandenen Äquipotentiallinien anzeigt. -">

Durch die Bestimmung einer horizontalen Äquipotentiallinie oder -ebene in der Atmosphäre kann man eine Bezugslinie oder Bezugsebene beispielsweise für die Stabilisierung der Fluglage eines Flugzeuges oder für die Anzeige einer Turbulenz im Luftraum nach der ·· "> Erfindung schaffen. Durch die Bestimmung von geneigten Äquipotentiallinien oder -ebenen in der Nähe von Objekten kann man erfindungsgemäß eine Bezugsebene oder -linie mit der Vorrichtung ermitteln, nach deren Maßgabe man Hindernisse im Luftraum umfah- ^r> <> ren kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf dem Grundprinzip der relativen Messung und Bestimmung von Äquipotentiallinien und -ebenen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Äquipotentiallinien oder -ebenen im Bereich des '<"> vertikalen Potentialgradienten des elektrostatischen Feldes der Erdatmosphäre kontinuierlich bestimmt und die Vorrichtung liefert ein Gleichspannungssignal, das zur Ausführung verschiedener Funktionen weiterverarbeitet und gegebenenfalls verstärkt werden kann. Das «' hierbei erhaltene Ausgangssignal mit Gleichspannung kann unmittelbar in automatischen Pilotenanlagen verarbeitet werden, so daß dieselben hierdurch wesentlich vereinfacht werden können. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung nur wenige und leichte einzelne ^hr> Bauteile, wie zum Beispiel die Spannungsmeßsonden, umfaßt, kann die erfindjiigsgemäße Vorrichtung auch bei gedrängten Platzverhältnissen ohne Schwierigkeiten selbst nachträglich eingebaut werden, ohne daß das Eigengewicht des Flugzeuges stark beeinflußt wird, so daß sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtungen eine beachtliche Gewichtsersparnis erzielen läßt

Bevorzugte Weiterbildungen nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 2 ist die Einrichtung zum Erzeugen des Ausgangssignales mit einer Stabilisierungseinrichtung gekoppelt, die nach Maßgabe des ermittelten Ausgangssignales die Fluglage des Flugzeuges derart verändert, daß das Ausgangssignal gleich Null ist und sich die Bezugslinie mit der Äquipotentiallinie deckt Wenn die beiden Spannungsmeßsonden dieselbe Spannung ermitteln, so daß die Differenzspannung Null ist liegen die Spannungsmeßsonden auf einer horizontalen Äquipotentiallinie. Sobald mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Spannungsdifferenz ermittelt wird, kann man die entsprechenden Steuerruder oder -klappen mit Hilfe der Stabilisierungseinrichtung der.v.i betätigen, daß dieser Differcnzwcrt Null wird, und das Flugzeug nunmehr wieder seine gewünschte Fluglage einnimmt

Nach den Ansprüchen 3 bis 9 werden bevorzugte Anordnungen der Spannungsmeßsonden wiedergegeben, die für spezielle Anwendungszwecke wesentliche Vereinfachungen der Signalverarbeitung und Ermittlung ergeben.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 10 wird das Ausgangssignal der Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales mit Hilfe eines Differenzverstärkers verstärkt, um als Steuersignal entsprechenden angeschlossenen Steuereinrichtungen zugeführt zu werden.

Bei den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12 werden mindestens zwei Spannungssondenpaare in bevorzugter Lage einander zugeordnet, um eventuell auftretende Spannungsdifferenzwerte auf Null abzugleichen.

Alle diese Ausführungsformen der erfindung.'.gemäßen Vorrichtung zeigen auf, daß man durch die entsprechende Wahl der Anordnung und Zuordnung dei Spannungsmeßsonden nahezu jede beliebige Navigationsfunktion bei einem Flugzeug steuern kann. Demzufolge ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vielseitig verwendbar und kann die unterschiedlichsten Aufgaben im Rahmen der Flugnavigation übernehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen für die Verwendung an Bord eines Flugzeuges geeigneten Differenzspannungsmesser für elektrostatische Spannungen,

F i g. 2 ein ausführliches Schaltschema des Differenzspannungsmessers nach F i g. 1,

Fig.3 schematisch Flugzeuge in verschiedenen Querneigungslagen,

Fig.4 schematisch Flugzeuge in verschiedenen Längsneigungslagen,

Fig.5 eine idealisierte schematische Darstellung einer aus zwei Differenzspannungsmessern für elektrostatische Spannungen bestehenden Vorrichtung zum Bestimmen einer Äquipotentialebene,

Fig.6 eine idealisierte schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Äquipotentialebene mit zusätzlichen Spannungsmeßsonden für eine automatische Verstärkungsregelung und

F i g. 7 ein ausführliches Schaltschema der Vorrichtung zum Bestimmen der Rollgeschwindigkeit eines Flugkörpers

Gemäß den F i g. I und 2 besitzt ein Differenzspan-

nungsmesser 10 für elektrostatische Spannungen zwei Sonden 12 und einen Differenzspannungsverstärker 14. Die Sonden 12 sind beispielsweise an den Flügelspitzen eines Flugzeuges 16 montiert. Das Ausgangssignal des Spannungsmessers 10 bzw. des Verstärkers 14 wird an eine bekannte servomechanische Vorrichtung 18 angelegt, die eine bestimmte Funktion ausführt, z. B. mit Hilfe des Querruders 20 eine Stabilisierung des Flugzeuges 16 um seine Längsachse bewirkt. Die Sonden 12 können aus Metallblöcken 22 bestehen, die mit einer Schicht 24 aus einem radioaktiven Metall oder einem radioaktiven Metallsalz überzogen sind, damit infolge der Emission von Alphateilchen und der dadurch bewirkten Ionisation der Luft die Leitfähigkeit der Luft in der Nähe der Sonden erhöht und dadurch der elektrische Kontakt zwischen den Sonden und der Luft verbessert wird. Die Sonden 12 können auch von leitenden nadelartigen Spitzen oder dünnen zugespitzten Metalldrähten, Chemikalien-Sprühnebeln, heißen Gasen usw. gebildet werden. Die Sonden sprechen schnell auf Veränderungen der elektrostatischen Spannung in der Atmosphäre an. Die von den Sonden 12 gemessene Spannung wird an den Differenzspannungsverstärker 14 angelegt.

Wie besonders aus der F i g. 2 hervorgeht, sind die Sonden 12 mit dem Verstärker 14 durch Koaxialkabel oder andere elektrische Verbindungen 26 verbunden, die einen hohen Isolationswiderstand besitzen, so daß Kriechwege vermieden werden. Der Differenzspannungsverstärker 14 umfaßt zwei Operationsverstärker 28a und 286, an deren Eingänge je eine der Sonden 12 angeschlossen ist. An die Verbindung zwischen jeder Sonde und dem dazugehörigen Verstärker ist eine Reihenschaltung angeschlossen, die aus einem Widerstand 30a oder 306 und einem Potentiometer 32 besteht. Die Operationsverstärker 28a und 286 haben eine hohe Eingangsimpedanz. Der Ausgang des Verstärkers 28a wird über den Widerstand 34 an den Minuspol des Verstärkers 2Sb angelegt, dessen Pluspol direkt an den Widerstand 306 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 286 ist das Ausgangssignal des f fl

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zwischen den von den beiden Sonden 12 gemessenen Spannungen proportional. Wenn die Sonden 12 auf ein und derselben Äquipotentiallinie oder -ebene liegen, ist die Spannungsdifferenz gleich Null. Wenn eine der Sonden 12 oberhalb der anderen Sonde liegt, wird ein Spannungsdifferenzsignal erzeugt, daß dem Höhenunterschied zwischen den Sonden proportional ist. Diese Spannungsdifferenz ist auf den vertikalen elektrostatischen Fotentialgradienten zurückzuführen, der in der Erdatmosphäre vorhanden ist. Man erkennt, daß der Differenzspannungsmesser 10 für elektrostatische Spannungen zu verschiedenen Funktionen herangezogen werden kann, u. a. zur Stabilisierung eines Flugkörpers um seine Quer- oder Längsachse. Wenn man die Sonden 12 von dem Verstärker 14 trennt, kann man den Widerstand 30a so einstellen, daß bei 36 eine Spannung von 0 Volt vorhanden ist, und kann man den Widerstand 306 so einstellen, daß ein gewünschtes Ausgangssignal erhalten wird, das einem neutralen horizontalen Gradienten entspricht. Wenn man die beiden Sonden 12 an den einander entgegengesetzten Flügelspitzen des Flugzeuges 16 anordnet, ist der Ausgang des Spannungsmessers dem Querneigungswinkel des Flugzeuges 16 proportional. Wenn man die Sonden 12 eines Spannungsmesser? 10 längs der Längsachse des Flugzeuges 16 anordnet ist der Ausgang des Spannungsmessers 10 dem Längsnei gungswinkel des Flugzeuges proportional. Die Aus gangssignale der an Bord des Flugzeuges 16 vorgesehe nen Spannungsmesser 10 können dann gesiebt und ar

"> die servomechanische Vorrichtung 18 angelegt werden Auf diese Weise kann man eine Stabilisierung de: Flugkörpers um seine Quer- oder Längsachse bewirken Mit Hilfe von zwei miteinander kombinierten Spannungsmessern 10 kann man einen Flugkörper um seine

in Quer- und Längsachse stabilisieren.

Fig.3 zeigt drei mit Spannungsmessern versehene Flugzeuge 50a. 506 und 50c in dem elektrostatischen Feld E Die Sonden 12 sind an den Flügelspitzen jedes Flugzeuges erkennbar. Das Feld Ehat einen vertikalen

i^r> Gradienten, wobei die Veränderung des elektrostatischen Potentials pro Meter in der Atmosphäre mil zunehmender Höhe abnimmt. Infolgedessen sind die Kraftlinien 52 des elektrostatischen Spannungsfeldes f parallele Linien, die in der Nähe der Erdoberfläche 54

2t) kleinere Abstände voneinander haben. Im Bereich von Bergen 57 oder ähnlichen Hindernissen sind die Linier 52 verformt und geneigt. Man erkennt, daß das Flugzeug 50a horizontal fliegt und die Flügelspitzen des Flugzeuges auf einer Linie 56 liegen, die zu der

:> Erdoberfläche 54 parallel ist. Die Sonden 12 brauchen nicht unbedingt an den Flügelspitzen des Flugzeuges 50a angeordnet sein, sondern können sich nahe beieinander in einem kleinen Gehäuse befinden, das praktisch an jeder Stelle des Flugzeuges angeordnet

i'i sein kann. Die Sonden 12 sind im wesentlichen auf der horizontalen Linie 56 angeordnet. Im allgemeinen erzielt man bei einem größeren Abstand der Sonden 12 voneinander eine größere Empfindlichkeit gegenüber einer Neigung des Flugzeuges. Bei der für das Flugzeug

<~> 50a dargestellten Querneigungslage messen beide Sonden dieselbe elektrostatische Spannung, so daß der mit den Sonden 12 versehene Spannungsmesser ein Ausgangssignal erzeugt, das der Spannungsdifferenz Null entspricht und anzeigt, daß das Flugzeug den

i" Querneigungswinkel Null hat. Dagegen ist das Flugzeug 506 nach links geneigt, weil seine linke Flügelspitze wciiigci weil vuii tier Erdoberfläche enuernt ist ais seine rechte Flügelspitze. In dieser Fluglage wird ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Höhenunterschied

■*■'> zwischen den an den Flügelspitzen vorhandenen Sonden 12 proportional ist. Dieser Höhenunterschied zwischen den Sonden ist dem Querneigungswinkel θ zwischen der horizontalen Linie 56 und der die Sonden 12 verbindenden Geraden proportional. Dagegen ist das

~>'< Flugzeug 50c nach rechts geneigt. Infolge ies Höhenunterschiedes zwischen den an den Flügelspitzen des Flugzeuges angeordneten Sonden 12 ist df?r Ausgang des Spannungsmessers dem Querneigungswinlcel des P]ufr7Pll(rPK nrnnrirtirma! W<»«n ***;»n dSH

·"■> Querneigungswinkel des nach links geneigten Flugzeuges 506 als positiv und den Querneigungswinkel des nach rechts geneigten Flugzeuges 50c als negativ bezeichnet zeigt der Ausgang des Spannungsmessers 10 nicht nur den Betrag, sondern auch das Vorzeichen des ° Querneigungswinkels θ an. Wie vorstehend angegeben wurde, kann man den Ausgang des Differenzspannungsmessers an eine bekannte servomechanische Regelungsvorrichtung anlegen, die dazu dient das Flugzeug 506 oder 50c automatisch in einer horizontalen

"■"> Querlage zu halten.

In der F i g. 4 sind die Flugzeuge 50a, 506 und 50c in dem elektrostatischen Feld E der Erde in einer Seitenansicht gezeigt so daß der Längsneigungswinkel

Φ des Flugzeuges gegenüber einer horizontalen Linie 60 erkennbar ist. Die Längsachse des Flugzeuges 50a ist zu der horizontalen Linie 60 und damit zu der Erdoberfläche 34 parallel. Da die Sonden 12 im wesentlichen auf der Längsachse des Flugzeuges 50a angeordnet sind, messen sie dieselbe elektrostatische Spannung und erlogt der mit den Sonden 12 versehene Spannungsmesser ein Ausgangssignal, das der Spannungsdifferenz Null entspricht und anzeigt, daß das Flugzeug den Längsneigungswinkel Null hat. Das Flugzeug 50b befindet sich im Sturzflug, so daß es vorwärtsgeneigt ist. Infolgedessen befinden sich die am Bug und Heck des Flugzeuges 506 angeordneten Sonden 12 in verschiedenen Höhen. Die am Bug des Flugzeuges 50i» angeordnete Sonde 12 mißt eine stärker negative elektrostatische Spannung als die zum Heck des Flugzeuges hin angeordnete Sonde 12. Diese gemessene das Flugzeug in einer horizontalen Fluglage in der von den beiden Spannungsmessern 10 bestimmten Äquipotentialebene gehalten. Wenn gemäß F i g. 3 infolge von Hindernissen, wie Bergen, der elektrostatische Potentialgradient geneigt ist, kann man aufgrund der Bestimmung der geneigten Äquipotentialebene verhindern, daß ein Flugkörper gegen das Hindernis fliegt. Beispielsweise kann ein Flugzeug, das über einem im wesentlichen ebenen Teil der Erdoberfläche im Horizontalflug stabilisiert ist, über einen Berg oder Hügel fliegen, der eine Neigung des Potentialgradienten bewirkt, Wenn man die Äquipotentialebene brstimmt, die infolge des Hindernisses geneigt ist, und das Flugzeug in Bezug auf die geneigte Äquipotentialebene stabilisiert, schlägt das Flugzeug automatisch einen Kurs ein, auf dem es das Hindernis über- oder umfliegt.
Auch mit Hilfe des in Fig.6 gezeigten Systems 70

Spannungsdifferenzmessers angezeigt, der mit den Sonden 12 versehen ist. Dieses Ausgangssignal ist dem Längsneigungswinkel Φ zwischen der horizontalen Linie 60 und der Längsachse des Flugzeuges proportional. Das Flugzeug 50c befindet sich im Steigflug, d. h., es ist rückwärtsgeneigt. Infolge des Höhenunterschiedes zwischen den an dem Flugzeug vorgesehenen Sonden 12 ist der Ausgang des Spannungsmessers dem Längsneigungswinkel des Flugzeuges proportional. Man kann dann den Ausgang des Spannungsmessers als Anzeige des Betrages und des Vorzeichens des L^iigsneigungswinkels Φ des Flugzeuges an eine servomechanische Einrichtung anlegen, die zur automatischen Stabilisierung des Flugzeuges dient.

In F i g. 5 sind schematisch zwei Differenzspannungsmesser 10 für elektrostatische Spannungen dargestellt. Mit Hilfe dieser Spannungsmesser kann man im Bereich des elektrostatischen Potentialgradienten in der Atmosphäre eine Äquipotentialebene bestimmen. Man kann annehmen, daß je zwei der in F i g. 5 gezeigten Sonden 12 auf einer sie verbindenden Linie oder Achse liegen. Wenn diese Achsen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, beispielsweise unter dem in F ie. 5 gezeigten Winkel von 90°. wird eine Äquipotentiallinie von jedem Spannungsmesser 10 bestimmt, dessen Ausgang Null ist. Wenn beide Spannungsmesser 10 den Ausgang Null haben, ist an jedem Punkt der Ebene, in der die vier Sonden 12 liegen, im wesentlichen dasselbe elektrostatische Potential vorhanden. Da die Messung mittels der Spannungsmesser 10 in einem örtlich begrenzten Bereich erfolgt, ist die Äquipotentialebene gewöhnlich zur Erdoberfläche parallel, so daß eine künstliche horizontale Ebene bestimmt wird, die als Flugkörpers um seine Quer- und Längsachse erzielen.

Ein Deltaflügelflugzeug 65 ist mit drei Sonden 12 versehen, von denen zwei auf einer Linie im hinteren Teil des Flugzeuges 65 und die dritte Sonde 12 im vorderen Teil des Flugzeuges angeordnet sind. Die vordere Sonde 12 braucht nicht auf derselben Horizontalebene zu liegen wie die beiden anderen Sonden 12, weil ebenso wie bei den anderen vorstehend beschriebenen, zur Stabilisierung dienenden Spannungsmessern der Differenzspannungsverstärker 14 auf eine Spannung Null eingestellt werden kann und es daher nicht erforderlich ist, daß alle Sonden 12 auf der zu bestimmenden Äquipotentialebene liegen. Die beiden hinteren Sonden 12 werden zur Stabilisierung des Flugzeuges um seine Längsachse herangezogen. Die vordere Sonde 12 wird zur Stabilisierung des Flugzeuges um seine Querachse herangezogen und ist auf die elektrische Mitte zwischen den hinteren Sonden 12 bezogen. Die hinteren Sonden 12 sind mit einem Differenzspannungsverstärker der vorstehend beschriebenen Art verbunden, der ein Ausgangssignal an eine servomechanische Vorrichtung 72 zur Stabilisierung der Querneigung des Flugzeuges 65 um seine Längsachse abgibt. Da unabhängig von der Längsneigung die Summe der auf die elektrische Mitte bezogenen Spannungen, die von den beiden hinteren Sonden 12 gemessen werden, im wesentlichen gleich Null ist, wird zur Bestimmung des Längsneigungswinkels des Flugzeuges die von der vorderen Sonde 12 gemessene Spannung auf diese Mittelspannung bezogen, so daß die vordere Sonde 12 auf die elektrische Mitte zwischen den hinteren Sonden 12 bezogen ist, die anstelle einer zusätzlichen Sonde 12 herangezogen werden, deren

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de; werden kann, beispielsweise für die Stabilisierung des Flugzeuges, für die gyroskopische Äbdrifikorrektur, zur Turbulenzanzeige und zur Lenkung von unbemannten Flugzeugen. Diese beiden Sonden 12 jedes Spannungsmessers 10 sind mit einem Differenzspannungsverstärker 14 der vorstehend beschriebenen Art verbunden. Man kann den Ausgang jedes Verstärkers 14 zu einer gewünchten Funktion heranziehen. Beispielsweise kann man mit Hilfe der Ausgangssignale der Spannungsmesser 10 in Fig.5 ein Flugzeug in einer horizontalen Fluglage halten, wobei das Signal eines der Spannungsmesser zur Steuerung einer servomotorischen Vorrichtung verwendet wird, die den Längsneigungswinkel Null aufrechterhält, und der zweite Spannungsmesser 10 zum Aufrechterhalten des Querneigungswinkels Null herangezogen wird. Daher wird ändert, und zwar unabhängig davon, ob das Flugzeug horizontal iiegi oder quergeneigt ist rvian erhält auf diese Weise ein dem Längsneigungswinkel des Flugzeuges 65 proportionales Ausgangssignal, das einer servomechanischen Vorrichtung 74 zugeführt wird, die zur Steuerung der Längsneigung dient und durch das Signal zum Aufrechterhalten einer gewünschten Längsneigung veranlaßt wird.

Wenn man zur Stabilisierung eines Flugzeuges die beiden anhand der Fig.5 beschriebenen Spannungsmesser oder das in Fig.6 gezeigte System mit drei Sonden verwendet, muß bei Flughöhen über etwa 1000 m die Signal verstärkung geregelt werden. Beispielsweise beträgt 3000 m über der Erdoberfläche die Amplitude der Ausgangssignale eines Spannungsmessers nur etwa ein Fünftel der Amplitude in einer

Flughöhe von 900 m erhaltenen Signale. Diese Abnahme der Signalstärke ist darauf zurückzuführen, daß der elektrostatische Potentialgradient mit zunehmender Höhe abnimmt. Er beträgt auf Seehöhe etwa 180 V/m und in 6000 m Höhe nur noch 10-20 V/m. Daher muß durch eine Verstärkungsregelung für eine Signalkorrektur gesorgt werden, damit die Abnahme des elektrostatischen Potentialgi-adienten in großen Flughöhen kompensiert wird. Zu dieser Verstärkungsregelung kann man verschiedene bekannte Einrichtungen verwenden. Gemäß F i g. 7 sind zwei zusätzliche Sonden 12c vorgesehen, die den elektrostatischen Potentialgradienten in der jeweiligen Flughöhe des Flugzeuges messen. Dieser Meßwert wird dann zum Regeln der Verstärkung von Rückführungssignalen verwendet, die von der Vorrichtung erzeugt werden, die von den beiden Spannungsmessern 10 gebildet wird und zum Bestimmen der Äquipotentialebene dient. Die Sonden \?C Sind Huf einer yprtiknlpn Arhcp antrprvrHnpt rlip

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rechtwinklig ist zu den horizontalen Achsen, auf denen die Sonden 12 der Spannungsmesser 10 angeordnet sind. Die Sonden 12c sind in einem solchen Vertikalabstand voneinander angeordnet, daß der Störpegel vernachlässigbar ist; dieser Abstand beträgt etwa 30 cm oder mehr. Die Sonden 12c messen dauernd den örtlichen Potentialgradienten, der an einen Spannungsmesser 80 angelegt wird, dessen Ausgangssignal zur Steuerung von bekannten elektronischen Einrichtungen 82 zur Verstärkungsregelung herangezogen wird. Die auf einer vertikalen Achse liegenden Sonden 12cdienen to nicht nur zur Kompensation der Abnahme der Signalstärke in großen Flughöhen, sondern sprechen auch auf kleine örtliche Veränderungen des elektrostatischen Potentialgradianten an; derartige Veränderungen treten oft infolge von Inversionen in der Atmosphäre oder einer überstarken Ionisation der Atmosphäre auf. Wenn man daher zusätzlich zu der von den Spannungsmessern 10 gebildeten Vorrichtung zum Bestimmen einer Äquipotentialebene die Sonden 12c verwendet, wird der Rauschabstand der Vorrichtung zum Bestimmen der Äquipotentialebene verbessert. Außerdem kann man die Sonden 12c in Kombination mit dem Spannungsmesser 80 zum Messen von örtlichen Veränderungen des elektrostatischen Potentialgradienten verwenden. Derartige Veränderungen können das Vorhandensein von radioaktivem Material auf oder unter der Erdoberfläche oder von Verunreinigungsquellen usw. anzeigen.

Fig. 7 zeigt eine Einrichtung für eine unverzögerte und genaue automatische Verstärkungsregelung. In den HlPlStPf! F?.!|pp ¹⁷PnC!¹⁷* für die Vprstärlcunffsrpiyplnncr pin Durchschnittswert des elektrostatischen Potentialgradienten. Daher ist es im allgemeinen nicht notwendig, die Sonden 12c auf einer kardanisch aufgehängten, durch einen rückgeführten Servomechanismus stabilisierten Plattform auf einer vertikalen Achse zu halten. Man kann zur Verstärkungsregelung auch nur eine einzige Sonde 12c verwenden, die ober- oder unterhalb der durch die Spannungsmesser 12c bestimmten Äquipotentialebene angeordnet sind. Der Ausgang dieser einzigen Sonde 12c wird dann mit dem Nullausgang der Spannungsmesser 10 verglichen, welche die Äquipotentialebene bestimmen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Fluglage eines Flugzeuges mit einer außen am Flugzeug vorgesehenen Sondenanordnung, dadurch gekenn- zeichnet, daß die aus Spannungssonden bestehende Sondenanordnung zum Messen des Spannungspotentials des elektrostatischen Feldes der Erdatmosphäre an einem ersten vorgewählten Punkt gegenüber einem zweiten vorgewählten Punkt ausgebildet ist, wobei die vorgewählten Punkte im Abstand voneinander auf einer Bezugslinie angeordnet sind, und daß eine mit der Sondenanordnung verbundene Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales vorgesehen ist, ^> das der Differenz zwischen den gemessenen Spannungspotentialen des elektrostatischen Feldes an dem ersten und dem zweiten vorgewählten Punkt proportional ist und den Winkel zwischen der genannten Bezugslinie und einer der in dem elektrostatischen Feld der Erde vorhandenen Äquipotentiallinien anzeigt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Ausgangssignales mit einer Stabilisierungseinrichtung gekoppelt ist, die nach Maßgabe des ermittelten Ausgangssignales die Fluglage des Flugzeuges derart verändert, daß das Ausgangssignal Null ist und sich die Bezugslinie mit der Äquipotentiallinie deckt. w

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenanordnung wenigstens zwei Spannung>„sonder. an wenigstens zwei verschiedenen Stellen ah/ Flugzeug umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekenn- ■»■» zeichnet, daß die Spannungssonden auf einer zur Längsachse des Flugzeuges parallelen Linie angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssonden auf einer Linie ^4(l angeordnet sind, die zur Längsachse des Flugzeuges einen Winkel einschließt

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel kleiner als 45° ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- ⁴'> zeichnet, daß die Spannungssonden auf einer zur Querachse des Flugkörpers parallelen Linie angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssonden auf einer Linie ^V] angeordnet sind, die zur Querachse des Flugzeuges einen Winkel einschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel kleiner als 45° ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden ^Y> Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales einen Differenzverstärker umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenanordnung zwei ^M) Spannungssondenpaare umfaßt, die Spannungssonden des ersten Paares auf einer im wesentlichen zur Längsachse des Flugzeuges parallelen Linie und die Spannungssonden des zweiten Paares auf einer im wesentlichen zur Querachse des Flugzeuges paralle- ^br' len Linie angeordnet sind, daß die Spannungssonden jedes Spannungssondenpaares im Abstand voneinander im wesentlichen auf einer Horizontalebene des Flugzeuges liegen, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales zwei Differenzverstärker umfaßt, die mit den Spannungssonden je eines Sondenpaares elektrisch derart geschaltet sind, daß jeder Differenzverstärker ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz zwischen den von den beiden Sonden des zugeordneten Spannungssondenpaares gemessenen Potential entspricht und daß die Stabilisierungseinrichtung die Stellung mii.-destens einer Sonde jedes Sondenpaares so verändert, daß das Ausgangssignal Null ist und das Flugzeug in der die Spannungssonden umfassenden Äquipotentialebene stabilisiert ist, sobald die Ausgangssignale beider Differenzverstärker Null sind.

IZ Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssondenanordnung zusätzlich zwei weitere, in Vertikalrichtung im Abstand angeordnete Spannungssonden aufweist, wobei jeweils eine Spannungssonde oberhalb und die andere unterhalb der im wesentlichen in einer Horizontalebene liegenden zwei Spannungssondenpaaren angeordnet ist, und daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales mit diesen zwei weiteren Spannungssonden verbunden ist, die ein dem Potentialgradienten proportionales Ausgangssignal erzeugt, nach dessen Maßgabe die von den Differenzverstärkern erzeugten Ausgangssignale zur Verstellung der Lage der Spannungssonden jedes Spannungssondenpaares verstärkbar sind.