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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Sichtverbesserungssystem.
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Moderne
mit hoher Geschwindigkeit betriebene Ultraschallflugzeuge und Raumfahrzeuge
haben großenteils
Fenster, um für
den Piloten visuelle Information vorzusehen, damit diese auf konventionellen
Landebahnen landen können.
Die stromlinienförmige
Ausgestaltung dieser Fahrzeuge mit flachen Auftreffwinkeln auf den
Außenoberflächen (um
so minimale Störungen
der Strömungslinien
zu verursachen) ermöglichen
einen effizienten Flug in der Atmosphäre. Diese langen flachen Oberflächen mit
minimaler Störung
der Strömungslinien
würden
große Flächen konventioneller
Fenster oder Scheiben (also durchsichtige Materialien) nötig machen,
und zwar selbst für
eine marginale Sicht des Piloten zur Landebahn und den Navigationshilfsmitteln,
wie beispielsweise Baken und stroboskopartig betriebene Landehilfen.
Die transparenten Scheibenmaterialien sind schwerer als die Materialien
der Außenhaut
des Fluggerätes
oder sie sind nicht geeignet, schädliche Strahlung zurückzuhalten
und thermische Energie abzuhalten. Lange, abfallende Flächen für die nach vorne
weisenden transparenten Materialien sind notwendig, um die Strömungslinien
aufrecht zu erhalten. Dies reduziert aber die optische Qualität von dem, was
der Pilot sehen kann.
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Aus
Gründen
der Gewichtsminimierung und der Bewahrung der Strömungslinien
ist für
moderne Überschallflugzeuge
ein Hauptkonstruktionskriterium dem Piloten die Sicht "aus dem Fenster" zu ermöglichen.
Das derzeitige Überschallflugzeug
Concord sieht dafür
eine "Herabfallnase" vor, bei der der
Nasenabschnitt während
das mit niedriger Geschwindigkeit vor sich gehenden Startens und
Landens vor dem Cockpit und der Flugmannschaft nach unten verschwenkt
wird. Das Rockwell-XB-70 Flugzeug verwendet eine lange Windschutzscheibenrampe, welche
die vordere Hauptscheibe abdeckt, um die Stromlinien zu bewahren
und um die notwendige Sicht für
den Piloten zur Landebahn vorzusehen, wenn die Rampenabdeckung entfernt
ist. Die X-15-Überschalltestfahrzeuge
verwenden bewegliche Hauben, um den Piloten die Sicht nach Außen zu geben,
wobei aber beim Hochgeschwindigkeitsflug die Stromlinien des Fluggeräts bewahrt
werden.
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Die
beiden letztgenannten Geräte
wurden entsprechend der Norm MIL-STD-850 konstruiert, wobei diese
Normen in ähnlicher
Weise für
die SST, Concord und kommerzielle Transportflugzeuge gelten. Für die nächste Generation Überschall-, trans-atmosphärischer
Raumfahrzeuge und Militärflugzeuge
mit hoher Mach-Zahl sind die obigen Sichtlösungen nicht brauchbar. Hohe
aerodynamische Belastungen, thermodynamische Betrachtungen und Gewichtsnachteile
sind mit den durchsichtigen Materialien verbunden.
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Alternativen
für direkte
Sichtsysteme sind Periskope, Radar, Fernsehkameras, Brennebenensensoren
und anderes, wobei keines dieser Mittel den Piloten das notwendige "Gefühl" vermittelt, welches
notwendig ist, um ihr Fluggerät
mit einer Geschwindigkeit bis zu 200 Meilen pro Stunde auf Betonlandebahnen
zu landen, die nur wenige Fluggerätlängen breit sind.
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Zum
Stand der Technik sei noch auf die
DE 296
862 sowie die US-1
365 247 hingewiesen.
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Die
DE 296 862 zeigt eine Spiegelanordnung für ein Kraftfahrzeug.
Die Spiegelanordnung besteht aus zwei oder mehreren drehbar angeordneten
Spiegeln. Diese Spiegel sind sowohl in ihrer Entfernung als auch
in ihrer Neigung zueinander verstellbar und können durch einen Fußtritt bewegt
werden. Der eine Spiegel ist so angebracht, daß der vor dem Wagen liegende
Teil der Fahrbahn sichtbar wird. Dieses Bild wird zu dem zweiten,
vor dem Fahrer angebrachten Spiegel reflektiert, ohne daß dabei
der erste Spiegel vom Regen beschlagen werden kann. Dabei sind die Spiegel
durch ein an ihrer Unterkante angebrachtes Gewicht bestrebt, sich
immer in die Vertikale einzustellen. Durch den erwähnten Fußtritt erfolgt
das Aufrichten aus der Vertikalposition in eine gewünschte Neigung.
Die Kraftübertragung
erfolgt dabei durch eine Schnur, die an der Oberkante beider Spiegel
befestigt ist und durch den Fußtritt
angezogen werden kann.
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Die
US-1,365,247 beschreibt ebenfalls für ein Kraftfahrzeug eine Reflexionsvorrichtung,
die aus drei Spiegeln besteht. Bei dieser Anordnung wird das Bild
eines sich hinter dem Fahrzeug befindenden Objektes zunächst durch
ein Rückreflexionsspiegel
zu einem nach vorne weisenden Spiegel reflektiert und sodann wiederum
auf eine nach hinten weisende Spiegeloberfäche rückreflektiert, um so den Kraftfahrzeugführer mit
Rücksicht
zu versorgen. Die Spiegel können
dann, wenn sie nicht benutzt werden, zusammengeklappt werden.
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Die
Erfindung bezweckt, ein Sichtverbesserungssystem für ein Hochleistungsfluggerät anzugeben,
welches die oben genannten Nachteile des Stands der Technik nicht
aufweist. Insbesondere sollen gute Sichtverhältnisse ohne hohen Gewichtsaufwand
erreicht werden.
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Um
dies zu erreichen sieht die Erfindung ein Sichtverbesserungssystem
gemäß Anspruch
1 vor. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart. Erfindungsgemäß wird eine
Kombination von zwei ebenen Spiegeln verwendet.
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Infolge
der geometrischen Beziehung zwischen den beiden Spiegeln geht das
Sichtfeld nicht vom Punkt der tatsächlichen Augenposition aus,
sondern vielmehr von einem scheinbaren Auge (das virtuelle Auge
des externen Spiegels) unmittelbar hinter dem externen Spiegel,
wie dies in 2 gezeigt ist. Die tatsächliche
Winkelbeziehung zwischen dem Piloten und den beobachteten Objekten
ist infolgedessen nur um einen kleinen Parallaxenfaktor gegenüber dem
Normalen versetzt.
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Das
durch die Spiegel vorgesehene Bild bietet eine "Eins zu eins"-Korrelation zwischen der Darstellung
des Piloten am Cockpitspiegelsystem und der tatsächlichen äußeren Umgebung. Die Bilder
erscheinen am Cockpitspiegel nicht nur mit der richtigen Größe und dem
richtigen Abstand, sondern auch mit ihrer richti gen räumlichen
Orientierung bezüglich des
Fluggeräts
und zueinander. wenn somit ein Pilot oder ein Mitglied der Mannschaft
vier Grad nach links und zwei Grad nach unten blickt, so sieht er,
was tatsächlich
vier Grad links und zwei Grad unterhalb seines Flugzeugs liegt.
Er ist in der Lage, sein Gesichtsfeld dadurch zu erweitern, daß er sich
in irgendeiner Richtung beugt, wie er dies auch tun würde, wenn eine
durchsichtige Scheibe in voller Größe vorhanden wäre. Es ergibt
sich kein Nachteil hinsichtlich Klarheit, räumlicher Orientierung oder
scheinbarer Bildgröße.
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Das
erfindungsgemäße Sichtverbesserungssystem
sieht eine hohe Auflösung
und ein nichtverformtes dreidimensionales Farbbild der Vorwärtsbewegungsbahn
des Fluggeräts
vor. Die Konstruktion und Geometrie der verwendeten Optik ist außerordentlich
einfach, wobei bereits vorhandene Technologie eingesetzt werden
kann und wenig Entwicklung zur Anpassung an unterschiedliche Flugfahrzeuge nötig ist.
Die Spiegel liefern eine genaue Echtbilddarstellung, die dem Piloten
als eine Darstellung erscheint, wie er sie von der scheinbaren Augenposition
aus hätte.
Alle Informationen hinsichtlich des Tiefengefühls sind beibehalten. Die Spiegel
können
in Verbindung mit kleinen Seitenfenstern verwendet werden, so daß die Sicht
des Piloten ein zusammengesetztes Panorama sein könnte mit
nach vorne gerichtetem Raumvolumen.
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Eine
der signifikanten Vorteile innerhalb des Sichtverbesserungssystems
besteht darin, dass die Notwendigkeit für große nach vorne weisende durchsichtige
Materialien oder Scheiben, d. h. "Windschutzscheiben" bei Hochleistungsflugkörpern und Flugzeugen
vermieden werden kann, wobei die Vorteile der dreidimensionalen
Betrachtung zu kritischen Perioden des Flugs, wie beispielsweise
beim Landen und Starten, beibehalten werden.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
geschnittene Seitenansicht eines Sichtverbesserungssystems mit dem
externen Spiegel, angeordnet für
Niedriggeschwindigkeitsbetrieb;
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2 eine
schematische Ansicht des Lichtpfades im Sichtverbesserungssystem;
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3 drei Ansichten des externen Spiegels in
einer Folge von Positionen;
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4 eine
nach vorwärts
sehende Ansicht des Sichtverbesserungssystems für ein Flugzeug mit Tandem-
oder Einzelsitz;
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4a eine
bildliche Darstellung der durch den Innenspiegel dargestellten Anzeige;
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5 eine
schematische Ansicht möglicher Positionen
für die
Anordnung des externen Spiegels längs des Umfangs des Fahrzeugkörpers;
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6 einen
Schnitt des Grundsystems der Erfindung, verbessert durch ein System
für die
Beobachtung mit aufrechtem Kopf;
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7 schematische
Ansichten des winkelmäßig einstellbaren
externen Spiegelsystems;
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8 eine
externe Spiegelkonfiguration hinter einer transparenten, durchsichtigen
Kappe.
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Im
folgenden sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben. 1 zeigt die Gesamtanordnung
des Sichtverbesserungssystems 10 der Erfindung. Der Pilot 20 eines Hochleistungs-Fluggeräts ist an
den Steuermitteln seines Flugzeugs zusammen mit einem Paar von Spiegeln
gezeigt, und zwar einem externen oder oberen Siegel 12 und
einem unteren Spiegel oder Cockpitspiegel 14, wobei die
Spiegel derart angeordnet sind, daß die sich vor dem Flugzeug
darstellende Szene vom oberen Spiegel 12 zum unteren Spiegel 14 reflektiert
wird, wo die Darstellung zur visuellen Information hinsichtlich
der Steuerung des Flugzeugs verwendet wird.
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Die
Spiegel 12 und 14 sind annähernd parallel, obwohl der
Spiegel 14 auf einer einstellbaren Basis 22 angeordnet
werden kann, und zwar zur individuellen Feineinstellung durch den
Piloten mit dem oberen Spiegel (vgl. 3).
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Im
Betrieb wird ein Gesichtsfeld im externen Spiegel 12 auf
den Cockpitspiegel 14 reflektiert, und zwar durch eine
Scheibe 18 (transparentes Material), die durchsichtig ist
und geschützt
wird gegenüber
der Hochgeschwindigkeitsluft durch die Rückseite 24 des externen
Spiegels 12, wenn das Sichtsystem im Rumpf verstaut ist.
Der externe Spiegel 12 wird durch irgendwelche zweckmäßigen Mittel
betätigt
und kann in einer stromlinienförmigen
Verpackung enthalten sein, und zwar mit nach vorne weisenden Scheiben und
könnte
ferner mit elektrischen Motoren oder anderen Mitteln betätigt werden.
Das vereinfachte Anwendungssystem 16 ist nur aus Gründen der
Veranschaulichung gezeigt, wobei aber jede Art von Anwendungssystem
einsetzbar ist, wie es in Hochgeschwindigkeits-Fluggeräten verwendet wird. Wenn ein
solches Verbesserungssystem während
der ganzen Zeit verwendet werden muß, so kann der nach vorne weisende
externe Spiegel 12 in eine permanente Position hinter Scheiben
(vgl. 8) eingebaut sein oder kann nach Wunsch des Fahrzeugführers orientiert
werden, wie dies in 7 dargestellt ist.
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Dem
mit aerodynamischen Oberflächen
und Eigenschaften der Luftströmung
bei hohen Geschwindigkeiten vertrauten Fachmann ist klar, daß merkliche
bauliche Halterungsmittel für
die externen Spiegelelemente für
das Sichtverbesserungssystem 10 der Erfindung erforderlich
sind, um Vibration und Biegung desselben auszuschließen. Das
System 16 ist lediglich schematisch und symbolisch für unterschiedliche
zur Verbindung mit dieser Erfindung geeignete Mechanismen zu verstehen.
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Obwohl
die Hauptanwendung des hier vorgeschlagenen Sichtverbesserungssystems
auf dem Gebiet der mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Fluggeräte liegt,
wo der externe Spiegel 12 bei niedrigeren Geschwindigkeiten
eingesetzt wird, kann auch ein fester Spiegel 12 (vgl. 8)
mit einem transparenten stromlinienförmigen Gehäuse vorgesehen sein. In einem
solchen System hat der Pilot, der sozusagen untergetaucht in seinem
Cockpit sitzt, noch immer den Vorteil der Sicherheit gegenüber Vogelaufschläge oder
Schädigung
der Scheibe oder des durchsichtigen Materials, wobei der Vollzeitgebrauch
des Sichtverbesserungssystems möglich
ist, was für
eine Geschwindigkeit das Fahrzeug auch immer haben mag.
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Betont
sei die Verwendung des in einem Betriebszustand bringbaren, beispielsweise
ausfahrbaren externen Spiegels 12 wobei dieser Gegenstand auch
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist. Für
die Erfindung ist die Ebenheit der Spiegel 12 und 14 kritisch.
Diese Ebenheit bewahrt eine nicht verformte, dreidimensionale Sicht
für den
Benutzer. Durch einfache Bewegung seines Kopfes von einer Seite
zur anderen und nach oben und nach unten kann der Benutzer die gleiche
Information für
die Steuerung erhalten, wie dies der Fall wäre, wenn eine große Scheibe
zum Hindurchblicken vorhanden wäre,
ohne daß die
Nachteile vorhanden sind, die mit großen Scheiben oder durchsichtigen
Materialien verbunden sind.
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Eine
typische vom Piloten 20 am Cockpitspiegel 14 zu
sehende Szene ist in 4a dargestellt. Eine Landebahn 40 mit
seitlichen Merkmalen oder Informationsmitteln 42, wie beispielsweise Grasflecken,
Taxirampen und Bergen, ist mit dem gleichen Sichtsinne präsentiert,
wie es sich dem Piloten darstellen würde, wenn er eine Sichtlandung durch
eine nach vorne weisende Windschutzscheibe vornehmen würde. Die 2 stellt
diesen Aspekt der Sicht des Piloten an seiner Cockpitposition des "Konstruktionsauges" 44 schematisch
dar, und zwar als eine Sicht von einem scheinbaren Auge 46 hinter dem
oberen Spiegel 12 aus. Die für das Konstruktionsauge 44 verfügbare Sicht
ist diejenige, die man aus der Position des scheinbaren Auges 46 erhalten könnte. Durch
Bewegung seines Kopfes, d. h. des Konstruktionsauges 44,
von rechts nach links, wird die gleiche Sicht präsentiert, die man erhalten
würde, wenn
das scheinbare Auge 46 um den gleichen Abstand aus seiner
Originalposition herausbewegt würde.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Sichtverbesserungssystems unter Verwendung einer HUD-Anzeige 30,
um die für
den Piloten verfügbaren Daten
verbessert darzustellen. Mit HUD ist eine Einrichtung bezeichnet,
bei der der Kopf in seiner normalen oder erhobenen Position (Heads
Up Display) getragen werden kann. Kritische Instrumentationsablesewerte
werden wie bei konventionellen HUD-Systemen auf einer Kathodenstrahlröhre 31 angezeigt. Diese
Daten (d. h. Bilder) laufen durch eine Sammeloptik 32 und
werden vom Spiegel 34 zum Spiegel 36 reflektiert,
und zwar durch zusätzliche
optische Konditioniermittel 33. Vom Spiegel 36 werden
Daten hinsichtlich der ausgewählten
Parameter durch den teilweise transparenten unteren Spiegel 15 (Gegenstück von Cockpitspiegel 14 in
einem Nicht-HUD-Ausführungsbeispiel)
geleitet und dem Piloten 20 dargestellt, und zwar darüberliegend über den
visuellen Informationen vom oberen Spiegel 12. Die HUD-Daten
verbleiben fest auf dem Spiegel 15, wenn der Pilot seinen
Kopf für
Abmessungsinformation und Tiefenabschätzung bewegt, d. h. die Landebahnszene
verschiebt sich, wenn er seinen Kopf bewegt, aber die Instrumentationsdaten
werden in einem festen Gebiet des Sichtschirmes 15 dargestellt.
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Die
Position des oberen oder externen Spiegels kann irgendwo längs der
Umfangs des Fahrzeugs vorgesehen sein, so lang es nur eine klare Sichtlinie
zwischen dem oberen oder externen und dem unteren oder inneren Spiegel
gibt. Die tatsächliche
Positionierung des externen Spiegels hängt von dem Gesichtsfelderfordernissen
ab und von der vorderen Nasengestalt des speziellen Fahrzeugs. 5 zeigt
mögliche
Positionen 52, 54, 56 für einen
externen Spiegel längs
des Flugzeugrumpfes. Der externe Spiegel ist an der gewünschten
Stelle angeordnet, um ein Gesichtsfeld durch eine Scheibe im Rumpf auf
den Innenspiegel 58 zu reflektieren. Der Innenspiegel 58 ist
zur Anpassung an den externen Spiegel 52, 54, 56 in
geeigneter Weise orientiert, wobei die Ebenen der beiden Spiegel
parallel verlaufen.
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Obwohl
die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele auf feste und
verstaubare Spiegel 12, 14, 15, 52, 54, 58 und 56 Bezug
nehmen, ist es die Haupterkenntnis der Erfindung, ebene Spiegel
zu verwenden, um die Sicht eines untergetaucht sitzenden Benutzers
zu verbessern, wobei im Rahmen der Erfindung die oberen Spiegel 12, 52, 54, 56 und
die unteren Spiegel 14, 58 bewegt oder angetrieben
sein können,
so daß ihre
Ebenen im ganzen parallel bleiben, während die Gesichtsfelder des
oberen Spiegels 12, 52, 54, 56 durch Änderung
seiner Orientierung geändert
werden. Einfache Servosysteme 50 – vgl. 7 – sind für solche
Sichtverbesserungssysteme brauchbar und die Orientierungen der sowohl oberen
als auch unteren Spiegel können
durch einfache Schaltbetätigung
des Piloten gesteuert werden, ebenso wie die Steuerflächen durch
Steuerknöpfe 60 am
Steuerhebel (4) getrennt werden können.