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Anzeigevorrichtung zur Messung der Flughöhe nach der Echomethode.
Der Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät, dessen Gehrauch den Führer eines Flugzeuges
befähigt, auch bei sehr unsichtigem Wetter, z. B. bei starkem \ebel, sicher zu landen,
indem es ihn fortlaufend über die jeweilige Flugli;ilie über (ler Erdoberfläche
unterrichtet, wobei die sogenannte Echomethode Anwendung findet. Dabei dient als
Maß der Flughöhe (lie Zeit, welche ein vom Flugzeuge ausgesandtes Schallsignal benötigt,
vin den zwischen Flugzeug und Erdoberfläche befindlichen Luftraum zweimal zu durcheilen,
und
als Empfänger des von der Erde zurückgeworfenen Schalles ein auf der Wirkung einer
Membran beruhendes Instrument, z. B. ein :Mikrophon oder Telephon. Der starke Luftzug,
dein man im allgemeinen in einem in Bewegung befindlichen Flugzeug ausgesetzt ist,
macht im Verein niit dem Ger äusch des Motors die sichere Aufnahme akustischer Signale
dem Ohr des Flugzeugführers nahezu unmöglich, selbst wenn die Schwingungszahl der
ausgesandten Schallwellen einem Bereiche angehört, in welchem ]:eine oder nur wenige
Töne des Motorgeräusches liegen und der Empfänger außer-(lein, wie beispielsweise
ein geeignetes Telel:hon, selektive Eigenschaften besitzt, d.'h. nur auf Schwingungen
ini genannten Bereiche anspricht. Da außerdem die neben dein Abhören der Signale
notwendige Zeitmessung eine unerwünschte Inanspruchnahme und Ablenkung rler Aufmerksamkeit
des Flugzeugführers bedingen würde, werden die ankoniinenden Schallstöße zweckmäßig
dein Auge wahrnehmbar gemacht. Während des Landungsvorganges bei unsichtigem Wetter
besteht die Hauptaufgabe des Führers in unablässiger Beobachtung des in der Flugrichtung
befindlichen Teiles des Geländes, auf welchem in jedem Augenblicke etwaige Landungshindernisse
(z. B. hohe Schornsteine, Bäume u. dgl.) auftauchen können, die eine sofortige Betätigung
der Steuerorgane nötig machen. Die Anzeigevorrichtung erhält daher im Flugzeuge
ihren Platz zweckmäßig so, daß sie dauernd in der Blickrichtung der Augen liegt.
Das Bestreben, die beweglichen Teile der Anzeigevorrichtung möglichst masselos zu
machen, weil das Ansprechen des "Zeigers möglichst ohne jeden durch die Trägheit
der Nasse bedingten Zeitverhist erfolgen und eine Beeinflussung durch die heftigen
Erschütterungen des Flugzeugs, denen dieses insbesondere durch den Motor ausgesetzt
ist, vermieden werden soll, führt zur Anwendung eines optischen Zeigers. Wird daher
das Echo mittels eines als "Zeiger dienenden Bildes einer Lichtquelle sichtbar gemacht,
dessen Abbildungsstrahlengang durch einen Spiegel abgelenkt wird, der seine Lage
unter dem Einfluß der von einer Membran aufgenommenen Schallstöße ändert, wobei
sich der Zeiger entlang einer Höhenteilung bewegt, und wird dabei die Bewegung der
Auffangmembran auf den Spiegel unmittelbar übertragen, so ergibt sich durch das
ganze Gerät eine starke Einschränkung des Gesichtsfeldes, denn .der finit der Anzeigevorrichtung
verbundene Empfänger ist mit Rücksicht auf möglichste Verstärkung der bei größerer
Höhe schwachen Echowirkung mit einem mehr oder weniger umfangreichen Auffangtrichter
versehen. Einen weiteren _Nachteil bei der bezeichneten Anordnung bildet der Umstand,
daß sich der schallempfindliche Empfänger nicht im Schallschatten des Flugzeugs
befindet, wohin er wegen der angestrebten Ausschaltung möglichst aller Nebengeräusche
gehört.
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Die angedeuteten Mängel können -erfindungsgemäß vermieden werden,
`nenn man die Anzeigevorrichtung räumlich vorn Empfänger trennt und die Übertragung
des Einflusses zier von der Membran aufgenommenen Schallstöße auf den Spiegel auf
elektrischem `'Fege unter Benutzung eines Geräts nach Art der Stromerzeuger in.it
geringer Masse seiner schwingenden Teile vornimmt. Die Anlage wird man zweckmäßig
derart ausbilden, daß sie selektive Eigenschaften besitzt, damit man als Empfänger
des Echoschalls ein dein Telephon an Empfindliclilceit überlegenes Mikrophon benutzen
kann.
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Die Höhenteilung der Anzeigevorrichtung kann dabei nach einer Geraden
oder einer Kurve ausgebildet sein. Wenn zwecks Erilinglichung einer fortlaufenden
Messung der Flughöhe die Schallsignale in kurzen, gleichen "Leitabschnitten sich
wiederholend abgegeben werden, wird sie am einfachsten derart auf einem Kreise angeordnet,
daß der Umfang dein gesamten für die Messung in Frage kommenden Höhenbereiche entspricht,
an dein der Zeiger einmal während eines solchen Zeitabschnittes mit gesetzmäßiger
Geschwindigkeit umläuft, wobei die Ablenkungen des Spiegels durch die Wirkung der
auftreffenden Schallstöße radiale Ausschläge des Zeigers aus seiner Kreisbahn bewirken.
,Die Umlaufgeschwindigkeit des Zeigers kann dabei beispielsweise unveränderlich
oder etwa für kleinere Flughöhen größer als für größere Höben sein, um den relativen
Anzeigefehler für alle Höhen in denselben Grenzen zu halten. Die Länge der Zeitabschnitte
zwischen den abgegebenen Signalen wird zur Verineidung von Irrtümern zweckmäßig
so bemessen, daß jedes abgegebene und von der Erle zurückgeworfene Schallsignal
das Flugzeug erreicht,ehe das nächstfolgendeSignal abgegeben wird. Da es sich um
ein Gerät handelt, welches in erster Linie für den Landungsvorgang bestimmt und
demzufolge hauptsächlich bei geringen .Höhen in Wirksamkeit ist, hat man es in der
Hand, die Zeitabschnitte sehr kurz zu machen und -die Anzeigen der Flughöhen einander
schnell folgen zu lassen. Es steht nichts entgegen, die Signale bei geringeren Höhen
einander schneller folgen zu lassen als bei größeren Höhen. Man hat-dann nur nötig,
die Anzeigevorrichtung mit mehreren nebeneinander herlaufenden Höhenteilungen auszurüsten
und für verschiedene Geschwindigkeiten des umlaufenden Zeigers
einzurichten,
die #ler jeweils zu benutzenden Teilung angepaßt sind.
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Die Anordnung der Anzeigevorrichtung im Flugzeug verdeckt auch im
günstigsten Falle bei möglichst gedrängter Bauart noch immer einen Teil des Gesichtsfeldes
und zwingt den Führer, (-]en Akkomniodationszustand der Augen bei wechselweiser
Betrachtung des Geländes und der Teilung fortwährend zu ändern. Eine gleichzeitige
Beobachtung der beiden wichtigen Objekte ist nicht ohne weiteres möglich. Gemäß
der Erfindung können jedoch die ankommenden Schallstöße (leni Auge des Beobachters
wahrnehmbar gemacht werden, ohne ihn bei der Beobachtung des Geländes irgendwie
zu teeinträchtigen, in<letn zur Beobachtung der Anzeigevorrichtung eine Lupe
Verwendung findet, welche die Teilung mit dein Zeiger in unendlich großer Entferntitig
erscheinen läßt, daß sie ohne Änderung des Akkommorlationszustandes und der Blickrichtung
der Augen gleichzeitig mit (lein Teil des Geländes wahrgenonnmen werden kann, der
in der Flugrichtung voraus liegt. Der Beobachter sieht dann finit den auf die Ferne
akkornmoclierten Augen die Teilung gleichsam im Gelände schweben.
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Da bei gleichbleibender Stärke der abgegebenen Signale das Echo je
nach dein Wege, den der Schall zu durchlaufen hat, verschieden stark ist, würde
die Stromstärke .des zur Übertragung der Schallstöße dienenden Stromkreises und
demzufolge auch die Größe der Zeigerausschläge bei wechselnder Flughöhe schwanken.
--'#Tacli der Erfindung kann inan jedoch innerhalb der Grenzen der @,on der Vorrichtung
angezeigten Flughöhen ungefähr gleich große Ausschläge des Zeigers erhalten, indem
man eine Einrichtung vorsieht, welche den Widerstand des Stromkreises bei Veränderung
der Flughöhe in entgegengesetztem Sinne ändert, indem ein zur Änderung des Widerstandes
dienender Wi.derstandsdralit während der zwischen zwei abgegebenen Signalen liegenden
Zeitabschnitte von einem Schleifkontakt je einmal überfahren wird, wodurch die Länge
des jeweils eingeschalteten Widerstandsdrahtes von dein im Augenblick der Signalabgabe
vorhandenen größten Werte allmählich, und zwar ungefähr umgekehrt proportional dem:
Quadrate der vorn Zeiger auf der Höhenteilung überfahrenen Höhe abnimmt und am Ende
dieser Zeitabschnitte von ihrem kleinsten Werte wieder auf den größten springt.
Auf diese Weise ist zu jedem eine bestimmte Höhe nach Allauf der dafür benötigten
Echozeit bezeichnenden Zeigerausschlag die für die Größe des Zeigerausschlags maßgebende
Stärke des Stromstoßes ungefähr gleich.
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Die Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dar. Abb. i gibt einen Mittelschnitt der Anzeigevorrichtung im Aufriß,
Abb.2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Abb. i von der Seite des Flugzeugführers
aus, Abb. 3 einen Schnitt nach der /Linie 3-3 der Abb. i von der dem Flugzeugführer
abgewendeten Seite aus gesehen wieder. In Abb...l ist ein Schema der Schaltung der
stromdurchflossenen Teile der Anzeigevorrichtung und ihrer Anschlüsse an die außerhalb
der Vorrichtung liegenden Teile der Meßeinrichtung skizziert.
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In einem zweiteiligen Gehäusekörper a1, a2
(Abb. i) ist eine
als Kugellager ausgebildete Zwischenplatte b befestigt. Ein ,dar.in gelagertes Kettenrad
c kann mittels einer Kette cl in Umdrehung versetzt werden und überträgt diese Drehung
auf eine aus isolierendem Stoff bestehende Scheibe d, die mit vier Schleifringen
dl, d2, d3 und d4 und einem Schleifkontakt d5 versehen ist, und ferner mittels
eines Lagerzapfens cl auf einen Rahmen e. Je drei Bohrungen c2 in der Nabe des Kettenrades
c und e3 im Lagerzapfen e1 des Rahmens c können zur Aufnahme von Anschlußkabeln
zu den Schleifringen Verwendung finden. Im Rahmen e ist ferner unter Zwischenschaltung
einer Isolierschicht e2 ein Saitengalvanometer gelagert, welches aus zwei Elektromagneten
f und g mit Polschuhen f1 und g1 und Spulen f2 und g2 sowie einem feinen Draht h
besteht, der zwischen den - Polschuhen ausgespannt ist. Dieser Draht 1a (Abb. 2)
wird von Klemmhülsen hl und lag gehalten und ist mittels zweier aus isolierendem
Stoff bestehenden Schrauben h.3 und lag nachstellbar im Rahmen e gelagert. Er trägt
etwa in der Mitte ein kleines, ebenes Spiegelchen i. Am Rahmen e ist eine Glühlampe
k angebracht, die mit einer Blende k1 versehen ist lind von welcher eine Sammellinse
L ein Bild erzeugt. Die Lichtstrahlen werden dabei von einem Spiegel il der Linse
l zugeführt, im weiteren Verlaufe von einem zweiten Spiegel i2 auf das Spiegelchen
i
geworfen und schließlich mittels dreier Spiegel i3 i4 und i= einem ringförmigen
Spiegel in.
zugeführt, der im Gehäuse al befestigt ist und auf welchem ein
Lichtpunkt, nämlich das durch die Blende kl, beschnittene Bild der Lichtquelle
k erscheint. Die Spiegel il, i?, i3, i!. und i. sowie die Linse
l sind mittels eines Spiegelträgers c4 am Rahmen e befestigt. Der Ringspiegel
in kann vom Flugzeugführer mit einer Lupe ii in einem zweiten, ringförmigen Spiegel
o betrachtet werden, der an der Zwischenplatte b angeschraubt ist. Die Länge rles
Strahlenweges vom Spiegel m bis zur vorderen Hauptebene der Lupe iz entspricht deren
Brennweite. Der mittlere Teil <ler Lupenöffnung ist durch eine Blende yrt verdeckt,
da
nur der äußere Lupenrand für die Betrachtung des Ringspiegels nötig ist. In der
Versilberung des Ringspiegels Zia ist eine zweifache, gleichförmige Höhenteilung
ausgespart (Abb.3), und die Innenfläche a3 des Gehäuseteiles, welcher die Fassung
der Lupe ei bildet, ist mit einem weißen Anstrich versehen. Der Spiegel i6 ist drehbar
gelagert und mit einem Doppelhebel i' ausgestattet, der durch eine Zugfeder p an
einen Stift q
gepreßt wird, und der Radius des Kreises, welchen das Bild der
Lichtquelle bei Drehung des Kettenrades c und des Rahmens e beschreibt, ist mittels
eines Gewindestückes q1 dieses Stiftes einstellbar,. wobei das Gewindestück q1 selbst
wieder in einer mit Außengewinde versehenen Mutter r gelagert ist, die ihrerseits
im Gehäuse a2 eingeschraubt ist. Sie besitzt einen Flügelgriff r1, der gegen einen
Stift s am Gehäuse a2 schlägt. und dient zur Verschiebung der Mutter r und des Stiftes
q ungefähr um die Steigung des Außengewindes der Mutter r in deren Achsenrichtung.
Im Gehäuseteil a2 ist ferner ein Isolierkörper t befestigt, der vier Schleifkontakte
til, eil, eia und 2i4 trägt, die mit den vier Schleifringen dl, d2, d3 und dl in
Berührung stehen. Der Körper t ist rohrförmig ausgebildet und trägt im Innern eine
Anzahl durch isolierende Schichten voneinander getrennte Lamellen v, die mit entsprechenden
Windungen eines auf der Außenfläche aufgewundenen Widerstandsdrahtes w in Verbindung
stehen, wodurch jeweils eine dieser Windungen finit dem Schleifkontakt d" leitend
verbunden ist.
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Zum Schaltungsschema (Abb. ¢) ist folgendes zu bemerken. In einem
primären Stromkreis mit einer Gleichstromquelle x1 liegt der Empfänger, ein Mikrophon
x2 und eine primäre Induktorspule _x3. Es ist ferner ein Zusatzwiderstand y vorgesehen,
der bei Bedarf mittels eines Wechselschalters y1 eingeschaltet werden kann, und
zur Unterbrechung des Stromlaufes dient ein Schalter x4. In einem sekundären Stromkreis
tritt der von einer sekundären Induktorspule x5 kommende Strom durch den Schleifkontakt
eis in den Schleifring d3, an welchen :der feine Draht 1i angeschlossen ist. Das
andere Ende des Drahtes lt steht mit dem Schleifring d4 in Verbinclung und durch
diesen mit dein Schleifkontakt 2i1, welcher an das eine Ende des Widerstandsdrahtes
w angeschlossen ist. Der Stromkreis wird durch den Schleifkontakt d5 geschlossen.
Die Länge der einzelnen Win-(hingen des Widerstandsdrahtes w ist so gewählt, daß
der eingeschaltete Widerstand sich hei Drehungen des Schleifkontaktes d5 ungefähr
umgekehrt proportional dem Quadrate der vom Schleifkontakte beschriebenen Winkel,
also ungefähr umgekehrt proportional dem Quadrate der vom Zeiger auf der Höhenteilung
überfahrenen Höhe ändert. Von einer zweiten Gleichstromquelle ~l werden durch die
Schleifkontakte u1 und 2r.2 und die Schleifringe dl und d2 die Spulen f= und g2
und die Glühlampe k gespeist. Zur Unterhrechung des Stromlaufes dient hierbei ein
Schalter z2.
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Für den Gebrauch ist das Gerät so montiert zudenken, daß die Lupe
n in der Blickrichtung des Flugzeugführers etwa um den halben Pupillenabstand seitlich
vor der Körpermitte liegt, so daß, während das eine der auf die Ferne akkommodierten
Augen das Gelände ungehindert zu erfassen vermag, die Sehstrahlen des anderen Auges
auf die Lupe 2t fallen. Der Beobachter sieht dann infolge der Reflexion der Lichtstrahlen
am Ringspiegel o ein scharfes Bild des Spiegels m mit den Höhenteilungen. Er wird
sich dabei der verschiedenen Bilder im rechten und linken Auge nicht mehr bewußt,
sondern hat den subjektiven Eindruck, daß die Höhenteilung scheinbar an der Stelle
liegt, aus der jederzeit das Gelände aus dein Nebel auftauchen kann, wenn während
des Landungsvorganges vorn Gerät Gebrauch gemacht wird. Die Teilringen erscheinen
hell auf dunklem Grunde, weil von der Lampe k ausgesandtes Licht an der Gehäuseinnenfläche
h3 reflektiert wird und der Ringspiegel en an den aus der Verspiegelung ausgesparten
Teilungsstrichen und Ziffern durchsichtig ist. Die Einteilung ist im Beispiel so
gewählt, daß die eine der Teilungen die Höhenwerte von o bis 300 m, die andere
von o bis ioo ni umfaßt. Das Kettenrad c kann durch Antrieb der Kette cl vom Signalsender
aus in Umdrehung versetzt werden, wobei das Übersetzungsverhältnis so eingerichtet
ist, daß dem Zeitabschnitt von einem Signal zum andern gerade eine volle Umdrehung
des Kettenrades, c entspricht, und die Umlaufgeschwindigkeit unveränderlich ist.
Werden beispielsweise alle 2Sekunden oder alle =;3 Sekunden Signale gegeben, so
läuft in einem Falle das Kettenrad c mit dem Rahinen e und den mit ihm verbundenen
Teilen in 2 Sekunden, im andern Falle in 2[3 Sekunden einmal um. Während dabei die
Spiegel il, i2, i3, il und i5 ihre Lage gegenüber der Lichtquelle k nicht
ändern, schwingt infolge der Schwingungen des Drahtes k in einer senkrecht zum Magnetfelde
gelegenen Ebene der nicht genau in seinem Schwerpunkte auf den Draht h geheftete
Spiegel i um die Drahtachse, sobald ein Wechselstrom den Draht h durchfließt,
d. h. während des Ansprechens des lIikrophons auf einen Echoschall. . Um ein Svstem
von hoher Resonanzfähigkeit zu gewinnen, werden die Biegungs- und Torsionsschwingungen
zueinander und zu der
Frequenz des Wechselstromes durch Drehen '
d er Spannhülsen Ir." und l12 und Spannen des Drahtes lr. init
den Schrauben Ir' und 1a4 abbestimmt, wodurch man die gewünschte selektive Wirkung
des Stroininessers erzielt. - -\-achdem mit Hilfe des Stiftes q und des drehbaren
Spiegels i5 dem durch das Bild der' Lichtquelle dargestellten Zeiger auf der Höhenteilung
eine derartige Lage gegeben ist, claß er auf eine der beiden Teilungen fällt und
durch Umschlagen des Flügelgriffes r1 auf die andere Teilung verlegt werden kann,
sowie nachdem die Nullage des Zeigers in Übereinstirninung mit der Signalabgabe
gebracht ist, ist die Anzeigevorrichtung ge-1 >r auchsfertig.
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Will der Flugzeugführer von der '\'orriclitung Gebrauch machen, so
schließt er die Stromkreise mittels der Schalter z2 und x4, nachdem die Signalsendeeinrichtung
in Wirksarnkeit gesetzt ist. Im Augenblicke der Signalabgabe gleitet der Zeiger
beim Nullpunkte einer der Höhenteilungen vorbei und beschreibt einen Kreis auf dieser
um die Ilftte des Ringspiegels in. Sobald das Mikrophon auf den ankommenden Echoschall
anspricht, schwingt der Zeiger radial aus seiner Kreisbahn hin und her und bezeichnet
so auf der Teilung die vom Flugzeuge während der j Echozeit durchschnittlich eingenommene
Höhe.
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ach einer vollen Umdrehung des Zeigers wiederholt sich das Spiel von
neuem. Der Widerstand des Wechselstromkreises paßt ; sich der angezeigten Höhe an,
da jeweils ein Teil des Widerstandsdrahtes w im Stromkreise liegt und der mit dein
Zeiger in Umdrehung befindliche Schleifkontakt d5 die Länge des eingeschalteten
Widerstandsdrahtes mit fortschreitender Umdrehung ungefähr umgekehrt proportional
dem Quadrate der vom Schleifkontakt beschriebenen Winkel verändert, während im Augenblick
der Signalabgabe die volle Länge eingeschaltet ist. Auf diese Weise bleibt die Stromstärke
während der Stromstöße infolge des eine veränderlich starke Wirkung ausübenden Echos
und demzufolge auch die Größe der Schwingungen des Drahtes h ungefähr gleich. Beim
Landungsvorgang des Flugzeuges wird nun zuerst die 3oo-in-Teilung mit der 2-Sekunden-Periode
1 der Signale benutzt, in den niederen Höhen- ; lagen jedoch zur ioo-m-Teilung mit
der 2j2-Selcunden-Periode übergegangen und zum Ausgleich der wegen der geringeren
Flughöhe stärkeren Wirkung des Echoschalls bei diesem Übergange der Widerstand des
Empfängerstromkreises durch den durch Umschlagen des Wechselschalters y1 eingeschalteten
Zusatzwiderstand y verstärkt.