DE523076C - Verfahren zur Steuerung fuer Hubschrauber - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung für Hubschrauber mittels Leistungsänderung von Hilfsschrauben.

Die Erfindung besteht darin, daß die Leistungen der Hilfsschrauben in gleichem Maße gesteigert oder verringert werden oder die Leistung einer oder mehrerer Hilfsschrauben um dasselbe Maß gesteigert wird, um das die Leistungen einer anderen oder mehrerer ananderer Hilfsschrauben verringert werden.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Hubschrauber durch Leistungsänderung der Hilfsschrauben zu steuern.

Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art werden Schrauben benutzt, die zur Fortbewegung und zum Ausgleich des widerstehenden Moments des Hubschraubers dienen, wobei die Achsen dieser Schrauben möglichst weit von der senkrechten Achse des Hubschraubers entfernt sind und in einer Ebene liegen, die im rechten Winkel zu dieser Achse verläuft und durch den Schwerpunkt geht. Die Regelung der Leistung dieser Hilfsschrauben wird entweder durch Veränderung ihrer Umlaufgeschwindigkeit oder ihres Neigungswinkels bewirkt.

Die vorliegende Erfindung gestattet es dagegen, unter Beibehaltung eines gleichbleibenden Ausgleichsmomentes eine veränderliehe Fortbewegungskomponente zu erzeugen, deren Größe nach dem Belieben des Führers von Null bis auf einen Maximalwert gesteigert werden kann, der im voraus durch die Eigenarten des Hubschraubers festgesetzt ist.

Die allgemeine Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann wie folgt dargestellt werden:

Im besonderen Falle eines Hubschraubers mit nur einer Hubschraube, die durch einen fest am Rumpf sitzenden Motor angetrieben wird, sucht der Rumpf sich um die Achse des Hubschraubers unter der Einwirkung eines Momentes zu drehen, das gleich ist dem Moment, das die Luft der Drehung der Hubschraube entgegenstellt.

Abb. ι zeigt als Beispiel eine Anordnung dieser Kräfte. 5" bezeichnet die Tragschraube, C- den Kreis, welcher in der Richtung Σ durch die Enden der Tragschraube beschrieben wird; O ist die Drehachse (zugleich eine Schwerachse).

Der Rumpf, in welchem der Motor befestigt ist, ist mit ι bezeichnet. 2, 3, 4 usw. bezeichnen Ausleger, welche fest mit dem Rumpf ι verbunden sind.

-F₂, .F₃, F₄ sind die Kräfte, welche durch die Hilfsschrauben./>₂, p_s, p_t erzeugt werden, deren Drehachsen .v.₂, .r,, _r₄ sich in der Zeichnungsebene befinden.

Die Hilfsschrauben werden mechanisch in beliebiger Weise angetrieben, z. B. mit Hilfe

eines Getriebes t.,, t„, t₄, welches die Bewegung von einem oder mehreren Motoren im Rumpf abnehmen kann.

Bezeichnet man mit M das Moment, weldies durch die Drehung der Tragschraube 5¹ in einem beliebigen Zeitpunkt gehraucht wird, so müssen, damit sich der Rumpf nicht um sich selbst drehen kann, die Kräfte F und die Hebelarme. I durch die Gleichung

F₃ -L+ F₃- L

I₄ usw... . = M (ι)

zusammenhängen.

Wenn dann die Summe der Kräfte F₂, F₃, F₄ usw. keine Gesamtresultierende ergibt, so sucht der Hubschrauber auf der Stelle stehenzubleiben, da das der Drehung entgegenwirkende Moment durch die Einwirkung der Schrauben aufgehoben wird.

Falls nun die Bedingung (ι) [Σ [F-I)- M] erfüllt ist und falls andererseits die Kräfte F₂, F₅, F₄ usw. eine Gesamtresultierende F ergeben, so wird sich der Hubschrauber in der Richtung von F zu verschieben suchen, da die Kraft für die Fortbewegung gerade gleich ist der Kraft F.

Der einfachste Fall, in welchem diese beiden Bedingungen erfüllt sind, ist derjenige der Abb. la. Hier wird nur eine waagerecht wirkende Schraube ρ benutzt, welche am Ende eines Armes / arbeitet und eine Kraft F von solcher Größe erzeugt, daß F-I = M ist. Der Hubschrauber sucht sich alsdann fortzubewegen, ohne sich um die Achse zu drehen. Um dies zu übersehen, denke man sich im Punkte O zwei gleich große, entgegengesetzt wirkende Kräfte OA und OA' angreifend, welche gleich sind der Kraft F und parallel zu ihr verlaufen. Die Kräfte F und OA erzeugen ein Moment, welches gleich ist F · I, d. h. = M. Dieses Moment läßt sich in seiner Ebene verschieben und setzt sich genau der Gegendrehung entgegen. Die Kraft OA', welche parallel zu F verläuft und ihr gleich ist, zieht den Hubschrauber in ihrer Richtung, ohne ein Ungleichgewicht zu erzeugen, da sie ja im Schwerpunkt angreift. Der Grundgedanke der Erfindung beschränkt sich nicht auf dieses besondere Beispiel, sondern umfaßt die Anwendung einer beliebigen Anzahl von aus der Mitte gerückten Kräften, wie F₂, F₃ usw., deren Stärke nach Belieben geregelt werden kann, derart, daß die Gleichung (1) stets erfüllt werde, wobei trotzdem die Möglichkeit bestehen bleibt, Einrichtungen zu treffen, daß die Kräfte eine Resultierende F ergeben oder nicht.

Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird der Fall betrachtet, in welchem nur eine Tragschraube vorhanden ist.

Abb. 2 zeigt einen schematischen Grundriß und Abb. 3 eine schematische Ansicht, und beide beziehen sich auf den genannten Fall. S ist die Tragschraube, welche in der Richtung Σ umläuft. Die Treibschrauben sind auf die Anzahl von zweien beschränkt und mit P₁ und p„ bezeichnet. Sie laufen um zwei parallele Achsen X₁ und x„ und werden durch ein beliebiges Getriebe angetrieben, welches z. B. vom Motor Mo ausgeht, der sich im Rumpf befindet. Die Treibschrauben sind symmetrisch mit Bezug auf die Achse O-O angeordnet.

Die Linie O₁-O₂, welche die Mitten der Treibschrauben miteinander verbindet, geht· durch den Schwerpunkt G (Abb. 3) des Flugzeuges. Die Kräfte F₁, F₂, welche durch die Treibschrauben p_v p„ erzeugt werden, müssen in jedem Augenblick derart beschaffen sein, daß

F₁ · M₁G+ F.,- M., G = M (2)

ist, worin M stets das Rückdrehmoment bedeutet, welches von der Tragschraube aufgebracht wird.

Dieses Rückdrehmoment ändert sich verhältnismäßig wenig während des Fluges. Es erfährt nur dann wirkliche erhebliche Veränderungen, falls das Flugzeug steigt, niedergeht oder sich ganz besonders schnell fortbewegt. Es wird daher, um die Beschreibung zu vereinfachen, das Moment M als konstant betrachtet.

Nimmt man an, die Gleichung (2) sei erfüllt und die Kräfte F₁ und F₂ werden mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung um ein gleiches Maß verkleinert, so wird der ganze Rumpf sich in eine Drehbewegung im Sinne von —Σ setzen. Erleiden dagegen die beiden Kräfte F₁ und F₂ eine gleichzeitige Vergrößerung, so wird sich der Rumpf im Sinne von Σ drehen.

Verändert man also gleichzeitig die beiden Kräfte F₁ und F₂ in gleichem Sinne, so kann man den Rumpf nach einer beliebigen Riehtung hin schwenken, wobei die Drehung des Rumpfes erst dann aufhört, sobald die Kräfte auf den Wert zurückgebracht werden, welcher der Erfüllung der Gleichung (2) entspricht.

Um diesen Zweck zu ereichen, wird es genügen, als Schrauben^ und p„ solche mit änderbarer Flügelanstellung zu benutzen, so daß der Führer durch Einstellung der Flügelanstellung der beiden Schrauben den Rumpf nach der einen oder anderen Richtung ins Drehen bringen kann.

Bei der gemachten Voraussetzung, nämlich der, daß die Kräfte F₁ und F₂ unter sich gleich sind, wird der Stillstand der Schraube im Räume erzielt.

Wird nun die Kraft F₁ um einen bestimmten Wert verkleinert und die Kraft F₂ genau

um den gleichen Wert vergrößert, so wird die Bedingung (2) noch immer erfüllt, da ja die Summe aus den Schraubenkräften multipliziert mit ihrem Abstand vom Gesamtschwerpunkt bei symmetrischer Anordnung konstant bleibt; jedoch wird alsdann das System eine allgemeine Resultierende = F., — F₁ annehmen. Das Flugzeug wird sich unter der Einwirkung dieser Resultierenden im waagerechten Sinne fortbewegen.

Um das gewünschte Ergebnis der Lenkung und der waagerechten Fortbewegung zu erzielen, muß man die Schrauben derart bedienen können,

i. daß man die Kräfte der Schrauben P₁, p., gleichermaßen' vergrößern oder verkleinern kann, um dadurch den Hubschrauber in dem einen oder dem anderen Drehsinne um seine eigene Achse zu verschwenken, und

2. daß man die Kräfte der Schrauben P₁ und p., \'erschieden groß machen kann, jedoch derart, daß ihre Summe konstant bleibt, dies zum Zweck, die Vortriebskraft in den Grenzen zwischen dem Wert Null und einem maximalen Wert ändern zu können, der etwa der doppelten mittleren Schraubenkraft entspricht.

Man kann auf verschiedene Weise zum Ziel gelangen. Am einfachsten ist es, die An-Stellungswinkel der Schraubenflügel oder ihre Drehgeschwindigkeiten zu ändern.

Abb. 4 zeigt schematisch eine Ausführung des Erfindungsgegenstandes für den Fall zweier Treibschrauben p\ und p.₂, welche durch Schrauben mit änderbarer Anstellung der Flügel gebildet sind. Zi₁ ist das Getriebe, welches die Schrauben antreibt. Der Schwerpunkt des Hubschraubers liegt in der Zeichnungsebene. O₁ und b„ sind zwei Arme, welche starr an dem nicht dargestellten Rumpf befestigt sind. (Im allgemeinen sind alle dargestellten Teile am Rumpf befestigt.) >\ und /'„ sind zwei Scheiben, welche an den Armen It₁ und b„ sitzen. Die Drehung dieser Scheiben nach der einen oder anderen Richtung gestattet es, während des Ganges der Schrauben die mittlere Neigung ihrer Flügel zwischen gegebenen Grenzen + i und — i zu verändern. Σ soll die Drehrichtung der Scheiben sein, mit welcher eine Erhöhung der Neigung der Schrauben bewirkt wird.

Die Schrauben P₁ und p„ entwickeln die Kräfte F₁ und P₂.

Ca₁ und Ca., sind Zugmittel, welche sich auf Trommeln A₁ und h., aufwickeln. Laufen diese Trommeln in gleichem Sinne um, so werden die Zugmittel gleichzeitig in den Richtungen S₁ und S., oder nach den Richtungen —-S₁ und ·—-S₂ gezogen; gleichzeitig erfolgt die Drehung der Scheiben r_t und r., im Sinne der Pfeile Σ bzw. entgegengesetzt, d.h. es entsteht gleichzeitig eine Vergrößerung oder eine Verminderung der Anstellung der Schrauben P₁ und p.,.

Läßt man die Zugmittel Ca₁ und Ca., in zueinander verschiedenem Sinne umlaufen, z. B. im Gegensatz zu Abb. 4 den Trum Ca₂ entgegengesetzt der Pfeilrichtung S„, wobei der Trum Ca₁ seinen Laufsinn S₁ behält, so wird die Anstellung der einen Schraube zunehmen, während diejenige der anderen Schraube um das gleiche Maß abnimmt.

Die Trommeln It₁ und /?₂ sind fest mit den Zahnkränzen CZ₁ und d., eines Differentialgetriebes verbunden, dessen Umlaufrad s auf einer Welle p_s sitzt. Diese Welle besitzt einen Schulteransatz ep, gegen welchen sich das Umlaufrad mit Hilfe einer Feder R legt, welche durch eine Mutter ec gehalten wird, so daß das Umlaufrad mit Reibung um seine Welle/>₃ läuft. Auf der Nabe der Welle p_s ist ein Hebel festgekeilt, dessen Projektion man bei Im (der besseren Klarheit halber auf der Abbildung etwas schräg dargestellt) ■sieht und an welchem gelenkig ein anderer Hebel tr angreift, welcher in einen Bedienungshebel di für die Lenkung ausläuft, der sich um eine Achse 0 dreht. Auf der Trommel h„ ist ein Handrad ν befestigt.

Die Wirkungsweise ist die folgende:

1. Dreht der Hebel di, welcher gewöhnlich mit dem Fuß durch den Führer betätigt wird, den Hebel Im, so bewirkt er die Drehung der Welle p_s der Umlauf räder um die AchseX-A''.

Wegen der Reibung, die zwischen dem Umlaufrad und der Welle besteht, dreht sich das Umlaufrad nicht um sich selbst, sondern treibt gleichzeitig und gleichmäßig die beiden Zahnkränze J₁ und d„ an und demgemäß auch die Trommeln It₁ und A₂. Diese Trommeln bewirken die gleichzeitige Betätigung der Zugmittel entweder nach den Richtungen S₁ und S„ oder nach den Richtungen — S₁ und — S„, je nach der Drehrichtung von di.

Es entsteht somit eine gleichzeitige Vergrößerung oder Verkleinerung der Anstellung der Schraubenflügel, wodurch es möglich wird, nach Belieben den Hubschrauberrumpf zu verschwenken.

2. Wird vom Führer der Hebel di unbeweglich festgehalten, aber gleichzeitig das Handrad ν nach einer beliebigen Richtung gedreht, so kann die Umlauf räderwelle ps, welche festgehalten ist, sich nicht um die Achse X-X' drehen. Das Umlaufrad dreht sich somit um sich selbst, indem es dabei den Widerstand der Reibung überwindet, und dient als Übertragungsglied zwischen den Kränzen d₁ und d„. Die Kränze d_L und d., drehen sich alsdann in zueinander entgegengesetztem Sinne, wodurch die Flügelanstellung der einen Schraube vergrößert und die-

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jenige der anderen Schraube um das gleiche Maß verkleinert wird. Es ergibt sich daraus eine Veränderung der allgemeinen Resultierenden, welche in der Richtung A-A' (Abb. ia) parallel zu den Wirkungslinien der Schraube verläuft. Diese Veränderung gestattet es, die Vortriebskraft zwischen Null und einem Maximalwert zu verändern.

Das Gegendrehungsmoment ist sich selbst ίο im wesentlichen gleich geblieben, denn die Änderungen der Anstellung bewirken im wesentlichen proportionale Änderungen der Zugkräfte der Schrauben P₁ und p₂. Es genügt übrigens, falls eine merkliche Veränderung des Momentes eintritt, auf den Hebel di in dem einen oder anderen Sinne einzuwirken, um die gewollte Richtung des Hubschraubers beizubehalten. Diese Einwirkung auf den Hebel di kann während der Betätigung des Handrades erfolgen.

Wie ersichtlich, gestattet es diese Einrichtung, die obengenannten Bedingungen zu erfüllen. ·

Der Grundgedanke der Erfindung wird. nicht geändert, falls man, statt die Anstellung der Schraubenflügel zu ändern, die Umlaufgeschwindigkeit der Schrauben ändert. Man kann sich z. B. vorstellen, daß (Abb. 5) die Scheibe i\, statt auf die Anstellung der Schraubenflügel einzuwirken, Reibrollen g auf umlaufenden Scheiben dis verschiebt, welche durch den Motor angetrieben werden, wobei das Ganze derart eingerichtet ist, daß die Betätigung der Scheiben T₁ und r₂ eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Drehzahl der Schrauben gleichzeitig und gleichmäßig erzeugt, falls die Zugmittel im Sinne S₁ und S₂ oder -ISI₁ und. — S₂, öder eine Vergrößerung der Drehzahl der einen Schraube und eine Verkleinerung der Drehzahl der anderen Schraube, falls die Zugmittel im Sinne S₁ und —S₂ oder S₂ und -S₁ betätigt werden.

Man kann sich sogar vorstellen, daß die Betätigung dieser Zugmittel sich derart auswirkt, daß die Drehzahlen der beiden Schraubenmotoren geändert werden, indem die Zugmittel z. B. den Einlaß steuern.

Man kann sich zahlreiche Ausführungen der beschriebenen Einrichtung ausdenken auch ohne Anwendung eines Differentialgetriebes. Die Steuermittel können beliebiger Art sein und Druckluft oder elektrischen Strom oder Zuggestänge usw. verwenden. Abb. 6 zeigt als Beispiel eine Ausführung ohne Differentialgetriebe, wo T₁ und r., wieder Steuerscheiben darstellen, welche die Kraft der Schraube entweder durch Anstellungsoder Drehzahländerung zu ändern vermögen, wobei die Scheiben übrigens durch Hebel, Zahnstangen usw. ersetzt werden können und die Zugmittel durch andere beliebige übertragungsarten; die Scheiben und Zugmittel sind hier nur als Beispiel beibehalten. TS₁ und rs₂ sind Rückzugfedern, welche die Zugmittel nach der Richtung —S₁ und —S₂ zu ziehen suchen, ta ist eine Trommel, um welche das Zugmittel Co₁, Ca₂ läuft. Sie ist um ihre Mitte 0 beweglich und wird auf ihrer Achse gebremst, welche in der Kulisse einer Gleitführung g gleiten kann.

Mit der Trommel ta ist ein Handrad ν verbunden, und die Achse 0 ist selbst durch einen Gabelhebel I₁ betätigt, welcher um die Mitte ω schwingt.

Wird der Hebel I₁ um einen Winkel verschoben, so geht die Trommel ta ohne Eigendrehung nieder. Die Zugmittel werden in der Richtung S₁, S₂ gezogen, und es entsteht z. B. gleichzeitige Vergrößerung der durch die beiden Schrauben erzeugten Wirkung, woraus sich eine Lenkbewegung ergibt.

Wird nun der Hebel I₁ festgehalten und wirkt man auf das Handrad υ ein, um die Trommel ta in Drehung zu versetzen, so werden die Zugmittel Ca₁, Ca₂ entweder im Sinne S₁ und — S₃ oder im Sinne — S₁ und + S₂ gezogen und die gleiche Wirkung wie oben erzeugt, nämlich eine Vortriebsregelung.

Die Vorrichtung kann in nützlicher Weise mit einer beweglichen Fläche versehen werden, welche die Rolle eines Steuerruders spielt und mechanisch mit dem Hebel di (Abb. 5) verbunden ist. Wenn diese Fläche auch bei stillstehendem Hubschrauber nutzlos ist, so kommt sie doch zur Wirkung, sobald sich das Flugzeug fortbewegt. Es trägt dann zur Erleichterung der Richtungsänderungen und zur Richtungsstabilisierung bei.

Die Vorrichtung kann andererseits mit einer oder mehreren Sehrauben mit unveränderlicher Steigung versehen sein, welche dazu dienen, das ganze oder nur einen Teil des Momentes der Gegendrehung zu erzeugen.

Abb. 7 zeigt als Beispiel eine derartige Einrichtung mit nur einer Schraube mit unveränderlicher Steigung. P₁ und p₂ sind die Schrauben mit veränderlicher Steigung. Hier sind die durch sie entwickelten Kräfte von gleicher Richtung und bei F₁ und F₂ angedeutet. Die feste Schraube h entwickelt die Kraft F. Die Hebelarme sind als gleich angenommen, und falls die Schrauben derart eingestellt sind, daß jede eine Kraft F_n entwickelt, wird eine allgemeine Resultierende nicht entstehen. Das resultierende Moment ist F₁. Es bleibt das gleiche, falls die Kräfte F₁ und F₂ gleichzeitig verändert werden. Es entsteht alsdann eine allgemeine Resultierende nach einer oder der anderen Richtung, welche zur Mitnahme des Flugzeuges dienen kann oder es auch bremsen kann.

Die differentiate Betätigung ' der Schrauben P₁ und P₁₁ bewirkt die Lenkung, so daß durch Betätigung des Handrades und des Hebels entgegengesetzte Wirkungen erzeugt werden.

Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß bei voller Zugkraft während der Fortbewegung wirklich nur die Schraube h benutzt wird, deren Wirkungsgrad stets größer ist ίο als derjenige der Schrauben mit veränderlicher Steigung. Sie zeigt außerdem die zahlreichen Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungsarten der Erfindung.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung für Hubschrauber mittels Leistungsänderung von Hilfsschrauben, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungen der Hilfsschrauben in gleichem Maße gesteigert oder verringert werden oder die Leistung einer oder mehrerer Hilfsschrauben um dasselbe Maß gesteigert wird, um das die Leistungen einer anderen oder mehrerer anderer Hilfsschrauben verringert wird.

2. Steuerung für Hubschrauber mittels Leistungsänderung der Hilfsschrauben nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regelvorrichtung für die regelnden Mittel, bestehend aus einem zentralen Getriebe, das durch zwei getrennte Steuerungen betätigt wird, von denen die eine es gestattet, um ein gleiches Maß die Leistung der Hilfsschrauben zu vergrößern oder zu \^rerringern, und die andere es gestattet, die Leistung einer oder mehrerer Hilfsschrauben gleichzeitig zu erhöhen und um ein gleiches Maß die Leistung einer oder mehrerer anderer Hilfsschrauben zu verkleinern.

3. Steuerung für Hubschrauber mittels Leistungsänderung der Hilfsschrauben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichsinnige oder gegensinnige Regelung der Verstellmittel durch ein Differentialgetriebe mit gebremstem Schwenkrad bewirkt wird, dessen Schwenkradträger durch einen Hebel verschwenkt und bei dem einer der beiden Zahnkränze unter Festhaltung des Schwenkradträgers von einem Handrad gedreht werden kann (Abb. 4).

4. Steuerung für Hubschrauber mittels Leistungsänderung der Hilfsschrauben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichsinnige oder gegensinnige Regelung der Verstellmittel durch eine Scheibe bewirkt wird, deren Achse parallel zu sich selbst durch einen Hebel verschiebbar ist und deren Drehung mit Hilfe eines- Handrades bewirkt wird (Abb. 6).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen