DE281952C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVe 281952 KLASSE 42 c. GRUPPE

ANSCHUTZ & CO. in NEUMUHLEN b. KIEL. Künstlicher Horizont.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 6. März 1913 ab.

Um bei der Navigation den geographischen Ort des Schiffes zu bestimmen, mißt man gewöhnlich den Höhenwinkel von Himmelskörpern gegen den Horizont. Ist die Beobachtung des natürlichen Horizontes nicht möglich, so kann man sich eines sogenannten künstlichen Horizontes bedienen. Derselbe besteht gewöhnlich aus einem Flüssigkeitsspiegel, doch wurden auch schon zahlreiche Versuche mit Kreiselapparaten gemacht, bei denen die Rotationsachse senkrecht steht und der Schwerpunkt entweder oberhalb oder unterhalb der Unterstützungslinie oder in derselben liegt.

Ein Flüssigkeitsspiegel sucht sich senkrecht zu der Resultante von Erdschwere und augenblicklichem Beschleunigungsdruck einzustellen, so daß er nur bei völlig ruhig liegendem Schiff brauchbar ist.

Der Kreiselapparat wird von den Schiffsbewegungen weniger beeinflußt, da der einzelne Beschleunigungsdruck nur einen sehr geringen Ausschlag zur Folge hat und sich die in ihrer Richtung entgegengesetzten Beschleunigungsdrücke während einer ganzen Präzessionsperiode des Kreisels gegenseitig aufheben.

Um die erforderliche Genauigkeit zu erhalten, ist es notwendig, eine lange Präzessionsperiode zu wählen, zu welchem Zwecke der Schwerpunkt möglichst nahe an den Unterstützungspunkt gerückt werden müßte.

Um Fehler infolge der Eigenpräzession auszuschalten, muß jede Beobachtung nach einer halben Präzessionsperiode wiederholt werden.

Hierfür ist aber eine möglichst kurze Präzessionsdauer erwünscht, welche einen möglichst großen Abstand zwischen Schwerpunkt und Unterstützungspunkt bedingen würde. Die bisher bekannten Apparate leiden an dem Übelstand, daß sie nur eine der beiden einander widerstrebenden Forderungen erfüllen.

Die vorliegende Erfindung sucht diese Schwierigkeit dadurch zu vermeiden, daß der künstliche Horizont in zwei zueinander senkrechten Ebenen verschiedene Genauigkeitsgrade erhält und so eingerichtet wird, daß die Ebene der größten Genauigkeit in die Richtung des zu beobachtenden Himmelskörpers gedreht werden kann.

Konstruktiv wird dieses dadurch erreicht, daß die beiden Kardanachsen in verschiedener Höhe über dem Schwerpunkt liegen und der ganze Apparat so drehbar angeordnet ist, daß die dem Schwerpunkt näherliegende Kardanachse stets in die Beobachtungsrichtung gebracht werden kann. Die mit Bezug auf diese Achse wirkenden Beschleunigungsdrücke greifen also an einem kurzen Hebelarm an und rufen daher nur eine geringe Präzessionsbewegung hervor. Diese erfolgt nach den Kreiselgesetzen um die zur Beobachtungsrichtung senkrecht liegende Kardanachse, also in der Richtung, in der eine große Genauigkeit erforderlich ist. Anderseits ist das Moment, mit dem die im Schwerpunkt angreifenden Kräfte bezüglich der zur Beobachtungsrichtung senkrecht liegenden Achse wirken, verhältnismäßig groß, so daß

ein schnelles Einschwingen, wie es für eine rasche Folge der Beobachtungen erwünscht ist, erzielt wird.

Der künstliche Horizont nach der vorliegenden Erfindung besitzt ferner noch eine Vorrichtung, durch die man den Schwerpunkt des beweglichen Apparates gegen die Kreiselachse verschieben kann. Durch diese Verschiebung des Schwerpunktes wird der Kreisel zu einer Präzession ίο gezwungen, die man nach Größe und Richtung so bemessen kann, daß die Kreiselachse, die an sich ihre Richtung im Weltraum beibehalten würde, die Bewegung der Erde mitmacht und stets senkrecht zur Erdoberfläche bleibt. Die Zeichnung gibt eine Ausführungsform der Erfindung schemätisch wieder, und zwar sind Fig. 1 und 2 um 90 ° gegeneinander versetzte Durchschnitte durch den Apparat, Fig. 3 eine Draufsicht, und Fig. 4 eine Einzelheit. Mit ι ist ein Fuß bezeichnet, der an einer geeigneten Stelle des Schiffes oder auf einem transportablen Gestell befestigt ist. In ihm ist mittels eines zylindrischen Zapfens 2 ein Gehäuse 3 drehbar gelagert, das zweckmäßigerweise einen Zeiger 4 über einer an dem Fuß 1 befestigten' Teilung 5 trägt, so daß man an dieser Stelle die Winkelverschiebungen zwischen dem festen Fuß ι und dem drehbaren Gehäuse 3 ablesen kann. In dem Gehäuse 3 ist mittels Pfannen und Schneiden 6 ein Ring 7 um die gedachte Achse 6-6 drehbar aufgehängt, der seinerseits in Pfannen und Schneiden 8 eine allseitig geschlossene Büchse 9 trägt, die um die gedachte Achse 8-8 schwingen kann.

Die Aufhängung der Büchse 9 innerhalb des Gehäuses 3 ähnelt, wie aus Fig. 3. hervorgeht, einer gewöhnlichen kardanischen Aufhängung; sie unterscheidet sich aber von jener — und darin besteht ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung — dadurch, daß die gedachte Drehachse 6-6 sich nicht mit der gedachten Drehachse 8-8 schneidet. Wie beim Vergleich der Fig. 1 und 2 ersichtlich, liegen die beiden Achsen vielmehr in verschiedenen Ebenen, so daß der Schwerpunkt der Büchse 9 und der damit fest verbundenen Teile nur ein klein wenig unterhalb der Achse 8-8 liegt, jedoch bedeutend weiter (beispielsweise zweibis zehnmal so weit, je nach Art des Schiffes und der geforderten Genauigkeit) unterhalb der Achse 6-6. Bei nicht laufendem Kreisel würde also die Büchse 9 um die Achse 6-6 eine andere Schwingungszeit aufweisen als beim Pendeln um die Achse 8-8. Die Büchse 9 trägt in Kugellagern 10 und 11 den Kreisel 13, der in der Zeichnung punktiert angedeutet ist. Er wird durch einen Motor beliebiger Art dauernd in Rotation gehalten. Der Motor ist durch die Büchse verdeckt und daher in der Zeichnung nicht zu sehen. Die Büchse 9 trägt ferner an ihrem oberen Ende einen Spiegel 14, der genau senkrecht zur Achse des Kreisels aufgesetzt ist. Ferner ist auf ihr ein Ring 15 drehbar angebracht, der als Träger des Reguliergewichtchens 16 dient, mittels dessen der Systemschwerpunkt aus der Kreiselachse heraus verlegt und diese zu einer die Wirkung der Erddrehung kompensierenden Präzession gezwungen werden soll. Das Gewicht 16 ist mit einem Schraubengewinde auf einer an dem drehbaren Ring 15 befestigten Schraube 17 gelagert und kann durch Drehen auf ihr verstellt werden. Seine Stellung und seine Entfernung von der Achse des Kreisels 13 wird an einer Skala 20 abgelesen.

Mit der Büchse 9 fest verbunden ist noch.ein ringförmiges Gefäß 21, das in Fig. 1 und 2 teilweise geschnitten dargestellt ist. Dieses Gefäß ist zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt, wie Quecksilber, öl o. dgl., und enthält ferner eine Anzahl von Scheidewänden 22, die unten kleine Durchflußöffnungen von regulierbarer Größe besitzen. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Präzessionsbewegungen des Kreisels um die Lotlinie stark abgedämpft werden, falls nämlich eine erhebliche Phasenverschiebung zwischen den Präzessionsbewegungen der Kreiselachse und der Verschiebung der Flüssigkeit innerhalb der Röhre 21 besteht. Nach dem Energiesatze muß dem Kreisel eine gewisse Menge Arbeit entnommen werden, um seine Präzession zu dämpfen. Bei vorstehend beschriebener Anordnung verzehren die Reibungskräfte während des Durchströmens der Flüssigkeit durch die engen Öffnungen in den Scheidewänden 22 den erforderlichen Energiebetrag.

Hierzu sei bemerkt, daß eine auf ähnlichen Grundlagen beruhende Dämpfung der Schwingungen von Kreiselkompassen um die Horizontalebene bereits bekannt ist, beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 241096.

Die Büchse 9 nebst Kreisel, Spiegel, Reguliergewicht und Dämpfungsgefäß, welche Teile im nachstehenden als bewegliches System bezeichnet werden sollen, kann durch eine Glasscheibe 12 des Gehäuses 3 hindurch beobachtet werden. Es kann aber auch während dieser Beobachtung die Glasscheibe 12 entfernt werden. Schließlich trägt das Gehäuse 3 an den Endpunkten eines Durchmessers eine Visiervorrichtung bekannter Art, die aus einem Stift 18 und einer geschützten Platte 19 besteht.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Zunächst sei der Schwerpunkt des beweglichen Systems so abgeglichen, daß der Spiegel horizontal steht, wenn der Kreisei nicht läuft und das Reguliergewicht für die Breite von 90 ° eingestellt ist. Der Kreisel werde nun in Tätigkeit gesetzt, und seine Achse komme nach Vollführung einiger an Amplitude rasch abnehmender Schwingungen in der Lotlinie des

Aufstellungsortes zur Ruhe. Die tägliche Rotation der Erde bewirkt nun, daß diese Lotlinie nur mit Bezug auf die Erde feststeht, während sie mit Bezug auf den Weltraum ständig eine mehr oder minder große Winkeldrehung erleidet. Diese Drehung der Lotlinie ist am größten am Äquator und nimmt in den höheren Breiten ab, um schließlich am Pole selbst zu Null zu werden. Wenn nun die Achse des Kreisels keine

ίο Relativbewegung zur Erdoberfläche ausführen soll, so muß sie im Räume eine Präzession vollführen, die dem Betrage und der Richtung nach der Drehung der Lotlinie des Aufstellungsortes gleich ist. Zur Herbeiführung einer solchen Prä-Zession muß auf den Kreisel ein Drehmoment von bestimmter Größe und Richtung ausgeübt werden, und dies geschieht durch das einseitig wirkende, einstellbare Übergewicht. Die deutsche Patentschrift 178814 beschreibt eine ähnliche Anordnung, bei der unter der Wirkung eines

Übergewichtes ein Kreisel an der Drehung der Horizontalebene des Aufstellungsortes um die Lotlinie teilnimmt.

Eine einfache Überlegung ergibt, daß die Präzessionsbewegung der Kreiselachse immer • nach Osten hin erfolgen muß. Das Übergewicht ist also, je nach der Drehrichtung des Kreisels, nördliph oder südlich anzubringen. Um es jederzeit in diese Himmelsrichtung einstellen zu können, ist es vermittels des Ringes 15 an der Büchse 9 drehbar angeordnet. Wird der Apparat unter verschiedenen geographischen Breiten gebraucht, so ändert sich die Größe des erforderlichen Drehmomentes. Zu diesem Zwecke kann das Gewicht mittels der Schraube 17 verschoben werden. Damit das Gewicht bequem eingestellt werden kann, ist an dem Ringe 15 neben der Schraube 17 die Teilung 20 befestigt, die am besten gleich die Bezeichnung der verschiedenen geographischen Breiten trägt.

. Die Drehbarkeit des Gehäuses 3 im Fuße 1 gestattet, den ganzen Apparat vor den Beobachtungen unter Zuhilfenahme der Peilvorrichtung 18 und 19 so einzustellen, daß die Kardanachse 8-8 möglichst genau mit der Richtung des anvisierten Himmelskörpers übereinstimmt. Da der Schwerpunkt des beweglichen Systems, in dem die infolge der Bewegungen des Schiffes auf den Apparat wirkenden Beschleunigungsdrücke angreifen, dicht unter dieser Achse liegt, wird auf diese Weise der störende Einfluß dieser Beschleunigungsdrücke so klein als möglich gehalten. Jeder beliebige Beschleunigungsdruck läßt sich nämlich in drei zueinander rechtwinklige Komponenten zerlegen: Die senkrechte Komponente löst keine Präzessionsbewegung aus, so lange der Schwerpunkt'des beweglichen Systems genau innerhalb der senkrechten Achse des Systems sich befindet. Die eine horizontale Komponente in Richtung der Achse 8-8 bewirkt nach den Kreiselgesetzen eine Kantung des Spiegels um die Achse 8-8, und die dritte Komponente in Richtung der Achse 6-6 eine Kantung um diese Achse. Wie oben erwähnt, liegt nun der Schwerpunkt des beweglichen Systems nur sehr wenig unterhalb der Achse 8-8. Die Komponente eines Druckes, die in Richtung der Achse 6-6 wirkt und bei nichtlaufendem Kreisel diesen um 8-8 kanten würde, greift also nur mit einem entsprechend kleinen Hebelarm am Kreisel an. Die hierdurch ausgelöste Kantung des laufenden Kreisels um die Achse 6-6 wird also gleichfalls sehr gering bleiben und außerdem so langsam verlaufen, daß der Kreisel von periodisch die Richtung wechselnden Drücken, z. B. Schlingern, so gut wie gar nicht beeinflußt wird.

Anders verhält es sich mit derjenigen Komponente etwaiger Drücke, die in der Richtung der Achse 8-8 auf den Kreisel wirkt. Diese greift mit einem größeren Hebelarm am beweglichen System an und erzeugt einen größeren Ausschlag desselben um die Achse 8-8 . Da aber, wie oben gesagt, der zu beobachtende Stern in der Richtung der Achse 8-8 liegt, so wird, da hier nur der Kosinus des Fehlerwinkels in der Gleichung auftritt, kein wesentlicher Meßfehler entstehen, wenn die Drehung des Spiegels um die Achse 8-8 nicht allzu groß wird. In anderen Worten ausgedrückt, erhält der Spiegel durch die Lagerung der Achsen 6-6 und 8-8 in verschiedener Höhe zwei verschiedene Genauigkeitsgrade, und zwar einen sehr hohen in der Richtung, in der beobachtet wird, und einen weniger hohen in der dazu senkrechten Riehtung, wo man Ungenauigkeiten in Kauf nehmen kann. Durch die Tieflegung des Schwerpunktes des beweglichen Systems in der einen Ebene wird aber die Periode für die vollständige Präzession des Kreisels bedeutend abgekürzt. Sie ist nämlich bei laufendem Kreisel gleich dem geometrischen Mittel aus der Schwingungszeit, die der Kreisel haben würde, wenn beide kardanischen Achsen in derselben Höhe wie 6-6 liegen würden, und der für die Lage beider Kardanachsen in der Höhe der Achse 8-8 gültigen Schwingungszeit. Durch die beschriebene Anordnung wird also ein verhältnismäßig schnell einschwingender Kreisel hergestellt, ohne daß seine Genauigkeit hinter der eines außerordentlieh langsam schwingenden Kreisels zurückbliebe.

Durch die neue Anordnung gewinnt man aber noch einen weiteren bedeutenden Vorteil. Offenbar ist die Einstellung eines Pendels in die Lotlinie um so genauer, je tiefer der Schwerpunkt unter dem Aufhängepunkt liegt, weil die Reibung in den Schneiden oder kleine Fabrikationsfehler dann um so geringere Fehlerwinkel ergeben. Nun liegt bei der angegebenen Konstruktion

der Schwerpunkt viel tiefer unter den Schneiden 6-6 wie unter den Schneiden 8-8. Der Spiegel wird also genauer senkrecht zu den Schneiden 6-6 in der Horizontalebene stehen. Dies ist aber die Richtung, in der die Höhe des Objektes über dem Horizont gemessen werden soll.

Ferner macht sich der Vorteil einer kürzeren Schwingungszeit gegenüber den bereits bekannten Konstruktionen besonders dadurch fühlbar, daß die oben beschriebene Dämpfungsvorrichtung den Kreisel nach wenigen Schwingungen in der Lotlinie zur Ruhe bringt. Ist nun die Zeit für eine ganze Schwingung des Kreisels an sich kurz, so wird die Zeit vom Anstellen des Motors bis zur Betriebsbereitschaft des Apparates ganz bedeutend kürzer sein als bei langsam schwingenden Kreiseln.

An Stelle der beschriebenen Ausführungsform können auch andere Anordnungen getroffen werden, um dem beweglichen Sj^stem dem Erfindungsgedanken gemäß verschiedene Schwingungszeiten mit Bezug auf die beiden Kardanachsen zu geben. So können z. B. die kardanischen Achsen in ein und derselben Ebene und der Schwerpunkt des beweglichen Systems an sich ziemlich weit unterhalb ihres Schnittpunktes liegen; es kann dann mit dem beweglichen System eine freie Flüssigkeitsoberfläche geeigneter Form verbunden werden, die genau . so wirkt, als ob der Schwerpunkt des beweglichen Systems mit Bezug auf eine Ebene höher gerückt wäre.

Man könnte auch die Schneiden 6-6 und 8-8, die nach obiger Beschreibung das ganze Gewicht des beweglichen Systems zu tragen haben, durch einen Schwimmer entlasten, der in eine Flüssigkeit eintaucht, oder man könnte das bewegliche System selbst als Schwimmkörper ausbilden und auf einer Flüssigkeit schwimmen lassen. Dann müßte dem Schwimmkörper eine solche Form gegeben werden, daß das Metazentrum in der Ebene der Schneiden 8-8 bedeutend höher liegt als in der Ebene der Schneiden 6-6.

Ferner kann eine andere Art der Dämpfung für die Schwingungen des Kreisels gewählt werden. So kann z. B. am beweglichen System ein Hilfspendel befestigt werden, das bei Ausschlägen des Kreisels gegen die Senkrechte äußere Drehmomente um eine der Kardanachsen auslöst, die den Schwingungen des beweglichen Systems entgegenwirken.

Claims (5)

Patent-Ansprüche:

1. Künstlicher Horizont, bei dem die wagerechte Lage eines Spiegels durch einen umlaufenden Kreisel mit senkrecht gestellter Achse aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungspunkte in der einen Vertikalebene derart angeordnet sind, daß ihre Verbindungslinie dicht über dem Schwerpunkte liegt, und daß gleichzeitig die Unterstützungspunkte in der zur ersten senkrechten Vertikalebene derart angeordnet sind, daß ihre Verbindungslinie um ein Mehrfaches dieses Betrages über dem Schwerpunkt zu liegen kommt.

2. Künstlicher Horizont nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzessionsbewegungen des Kreisels um die senkrechte Achse in an sich bekannter Weise durch die Verschiebungen einer Flüssigkeit innerhalb eines am beweglichen System befestigten Gefäßes gedämpft werden.

3. Künstlicher Horizont nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzessions^: bewegungen des Kreisels um die Senkrechte durch äußere Kräfte gedämpft werden, die bei Verschiebungen des Kreisels gegen ein am Kreisel angebrachtes Hilfspendel in Tätigkeit treten.

4. Künstlicher Horizont nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche System mit einem um die Achse des Kreisels drehbaren und radial hierzu verschiebbaren Reguliergewicht ausgestattet ist, das dem Kreisel eine Präzessionsbewegung verleiht, die der Drehgeschwindigkeit der Lotlinie des Aufstellungsortes im Räume gleichkommt. .

5. Künstlicher Horizont nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reguliergewicht längs einer Skala verschiebbar ist", deren Teilstriche mit den betreffenden geographischen Breiten bezeichnet sind, so daß das Reguliergewicht ohne jede Umrechnung direkt der betreffenden geographischen Breite entsprechend eingestellt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.