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Steuervorrichtung für Luftfahrzeuge mit verschieden geneigten Luftschrauben
| Die Erfindung betrifft eine Steuervorrich- |
| tung für Luftfahrzeuge mit verschieden ge- |
| -Mig. Luftschrauben oder Luftschrauben- |
| i' bezieht sich vorzugsweise auf |
| C ahrzeuge mit einer ein leichtes Gas ent- |
| Mtenden Hülle. Der Erfindungsgegen- |
| stand kennzeichnet sich im wesentlichen |
| dürch die Anwendung zweier getrennter |
| Steuerteile, welche es gestatten, durch gleich- |
| zeitige Einwirkung auf die von den Luft- |
| schrauben oder Luftschraubengruppen er- |
| ä'aetWen Kräfte mit Hilfe des einen Steuer- |
| fs eine Auftriebsänderung ohne Beein- |
| @tssung der waagerechten Komponente her- |
| beizuführen und mit Hilfe des anderen |
| tterteils die Zugkraft zu verändern, ohne |
| ei die Auftriebskomponente zu beein- |
| flussen. Die Achsen der Luftschrauben oder |
| Luftschraubengruppen sind dabei vorteilhaft |
| derart angeordnet; daß sie im oder in der |
| Nähe des aerostatischen Mittelpunkts zu- |
| sammenlaufen. |
| Man kann bei der Steuerungsanordnung |
| nach der vorliegenden Erfindung die Tren- |
| nung der Wirkungen, d. h. die Veränderung |
| des Auftriebs ohne gleichzeitige Verinde- |
| rang der Zugkraft, und umgekehrt, nur'darin |
| erzielen, wenn man die von wenigstens zwei |
| Schrauben erzeugten Kräfte gleichzeitig und |
| in einem ganz bestimmten Verhältnis ver- |
ändert, je nachdem es sich darum handelt, den Auftrieb allein oder die Zugkraft
allein zu regeln, wobei insbesondere die jeweilige Neigung der Achsen der Schrauben
mit Bezug auf eine gegebene Richtung, z. B. die Senkrechte, in Betracht kommt.
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Dieses Verhältnis wird im folgenden näher bestimmt. Es läßt sich genau
bestimmen, wenn es sich um zwei Schrauben mit verschieden geneigten Achsen oder
um zwei Gruppen von Schrauben mit verschiedener Neigung handelt.
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Bei der Luftschraubensteuerung nach der Erfindung wird das Fahrzeug
sicher lenkbar, was nicht ohne weiteres möglich wäre, wenn die Steuervorrichtungen,
welche die Kräfte einer jeden Schraube regeln, unabhängig voneinander arbeiten würden.
Für jeden neuen Wert einer der Schrauben hätte man dabei gemäß dem einen oder den
anderen der genannten Verhältnisse den Wert berechnen müssen, den man der Kraft
der anderen Schraube hätte geben müssen, um dadurch eine Resultierende von bestimmter
Größe zu erzielen, was praktisch unausführbar gewesen wäre.
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Weitere Vorteile des Erfindungsgegenstandes bestehen in der leicht
und dennoch kräftig ausführbaren Bauart der Steuerungsenordnung und des Traggestells,
in der Vermeidung
verwickelter Steuerteile, in der Verwendbarkeit
nur eines Motors und in der raschen Steuerungswirkung.
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Die Fig. i bis 3 der Zeichnung zeigen Kräftezüge.
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Fig. 4. ist ein Schaubild der Hauptteile einer Ausführungsart der
Steuervorrichtung gemäß der Erfindung.
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Um den Grundgedanken der Erfindung möglichst einfach zu erklären,
wird angenommen, daß das Fahrzeug gemäß Fig. i nur mit zwei Schrauben p1 und p2
von verschiedener Neigung versehen ist, deren Drehachsen CYl und CY2 in einem Punkt
G zusammenlaufen, der sich in der Nähe des aerostatischen Druckmittelpunktes der
Gashülle befindet.
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Die Schraube p1, welche als Hauptschraube bezeichnet werden kann,
ist gewöhnlich gegen die Senkrechte C2 um einen Winkel von 35° geneigt.
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Es seien CFl und CF2 die jeweils von den Schrauben p1 und p2 erzeugten
Kräfte.
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Diese Kräfte erzeugen eine Resultierende R, welche sich selbst in
eine senkrechte oder Tragkomponente CTl und eine waagerechte oder Zugkomponente
CH zerlegt.
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Es wird angenommen, man wolle die Tragkomponente Ch verändern, ohne
jedoch die Zugkomponente CH zu beeinflussen.
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Vom Ausgangspunkt C (Fig. 2) aus wird der Vektor CF'l, der CFl gleichwertig
ist, und von F' der Vektor F'1, F'2 aufgetragen, welch letzter mit CF2 gleichwertig
ist. Die Komponenten auf der Senkrechten der Resultierenden der beiden Vektoren
CF', und F'1, F'2 sind CH und CV.
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Wünscht man, daß CH konstant bleibe, während CL' verändert
wird, so genügt es, daß die Resultierende der Kräfte CF', und F'1, F'2 mit ihrem
Ende stets auf der Senkrechtea F'., H bleibe. Um dieses Ende darzustellen, genügt
es, durch F'2 einen Vektor F'2, F'3 parallel zu CF', zu ziehen, welcher die
Vergrößerung der von der Schraube p1 erzeugten Kraft darstellt, sodann durch l#'3
einen Vektor parallel zu F'1, F'2, der durch den Schnittpunkt F'4 mit der Senkrechten
HF'2 begrenzt ist.
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Die Resultierende der Kräfte, die durch das Polygon CF', F'2, F'3,
F'4 dargestellt sind, ist CF'4, und die Vergrößerungen F'2, F'3 der Kraft der Schraube
p1 und F'3, F'4 der
Irraft der Schraube p2 werden eine Vergrößerung der Auftriebskraft
ergeben, die durch F'2, F'4 oder h, h' dargestellt ist, wobei die Zugkraft nicht
verändert worden ist und konstant - CH geblieben ist.
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Aan sieht, daß die Vergrößerungen F'2, F'3 und F'3, F'4 von der Lage
des Punktes F'2 unabhängig sind. Sie hängen nur von der Vergrößerung der auftreibenden
Kraft V, V' und von den Neigungen a und ß der Schrauben p1 und p2 ab, welche konstant
gedacht sind.
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In allen Fällen müssen die Vergrößerungen 65 der Kräfte von p1 und
p2 zueinander im Verhältnis stehen.
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Nun ist
aber im Dreieck F'2, F'3, F'4 der Winkel F'2, F'4, F'3 gleich ß und der Winkel
70 F'3, F'2, F'4 gleich a..
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Das Verhältnis zwischen den Vergrößerungen der Kräfte von p1 und p2,
das durch
ausgedrückt wird, ist somit gleich 75
in absolutem Wert.
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Die Vergrößerungen der Kräfte der Schraubenpl und p2, die durch d
p1 und d p2 dargestellt werden, müssen somit zueinander so im umgekehrten Verhältnis
der Sinusse der Neigungen der Schrauben stehen
und dies ist das Verhältnis, welches beständig bestehen muß (in absoluten Werten)
zwischen den Vergrößerungen der Kräfte der Schrauben p1 und p2, wenn man den Auftrieb
ohne Beeinflussung der Zugkraft verändern will.
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Um das zweite Verhältnis zu bestimmen, d. h. dasjenige, welches bestehen
muß zwischen den Vergrößerungen der Schraubenkräfte, wenn man die Zugkraft ohne
Beeinflussung des Auftriebs verändern will, geht man in gleicher Weise vor.
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Stellen CF', und F'1, F'2 (Fig.3) wie im vorhergehenden Falle Vektoren
dar, die den Schraubenkräften gleichwertig sind, so erzeugen diese beiden Werte
eine Resultierende CF'2 mit den Komponenten CTl und CH.
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Soll CII konstant bleiben und CH verändert werden, so erzielt
man die relativen Vergrößerungen der Kräfte von p1 und p2, indem man durch F'2 eine
Parallele F'2, F'3 zur Kraft von p1 bis zu einem beliebigen Punkt F'3 und durch
F'3 eine Parallele zur Kraft von p2 bis zum Schnittpunkt F'4 mit der Waagerechten
VF'2 zieht.
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Die neue Resultierende der Kräfte wird diejenige sein, welche durch
das Polygon CF'l, F'2, F'3, F'4 dargestellt ist, also CF'4, deren Komponente durch
CV und
CH' dargestellt sind. Dies bedeutet, daß keine Veränderung des Auftriebs
auftritt, daß aber die Zugkraft um
HH' verändert worden ist.
| Nun ist aber . der Winkel F'3, F'4, F'2 |
| - 2 |
| 2 -ß und der Winkel F'3, F'2 F'4 |
| n |
| - 2 |
Somit ist das Verhältnis zwischen den Vergrößerungen der
Kräfte von p1 und p. gleich dem Verhältnis
Es ergibt sich daraus
bis auf das Zeichen, und dies ist das Verhältnis, das beständig in absoluten Werten
zwischen den Vergrößerungen der Kräfte der Schrauben p1 und p2 bestehen muß, wenn
man die Zugkraft ohne Beeinflussung des Auftriebs verändern will.
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Diese Verhältnisse geben, wie erwähnt, nur die absoluten Werte der
Vergrößerungen der Kräfte an. Um das Zeichen zu bestimmen, genügt es, Kräftediagramme
aufzuzeichnen wie diejenigen der Fig.2 und 3 und als positiv z. B. die Vergrößerungen
zu betrachten, deren senkrechte Komponente in der Richtung CZ liegt, und als negativ
diejenigen, deren senkrechte Komponente in der Richtung CZ' liegt.
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Unter dieser Voraussetzung _sieht man sofort, daß in Fig. 2 Ä -p,
und i p-, beide positiv sind, während in Fig. 3 d_pr positiv und d p.; negativ ist.
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Ganz allgemein, und zwar wenn die Kräfte in Richtungen wirken, die
jeweils in den W inkeln X OZ, X' OZ' (Fall A) liegen, ist
positiv und dabei
negativ.
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Befinden sich die Richtungen der Kräfte im Gegenteil beide in einem
der Winkel XOZ oder X' OZ' (Fall B), so sind die Verhältnisse
und beide negativ.
Setzt man
und so
ergibt sich
| =k |
| A z_P= im ersten Falle |
| AIA |
| -_k, |
| und |
| -_k |
| B . APL im zweiten Falle. |
| d' |
| d'$2 |
Die Grenzfälle, d. h. diejenigen, in welchen eine der Kräfterichtungen mit einer
der beiden Achsen 0X und OZ zusammenfällt, hängen von einem oder von dem anderen
der vorstehenden Fälle ab.
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Diese Betrachtungen, welche bestimmte Fälle bezüglich des Zeichens
der Verhältnisse
zeuges schaffen, befinden sich im Rahmen des
und je nach der Bauart des Fahr-Grundgedankens der Erfindung, welcher in einer Verbindung
zwischen den Teilen besteht, welche die Kräfte der beiden Schrauben oder Schraubengruppen
mit verschiedener Neigung regeln, wobei das Merkmal darin besteht, daß zwei getrennte
Steuerteile benutzt werden, die in der Lage sind, die Kräfte der Schrauben oder
Schraubengruppen derart zu verändern, daß diese Kräfte beständig zueinander in einem
gegebenen und bestimmten Verhältnis stehen, wenn man eine der Steuervorrichtungen
betätigt, und in einem anderen, ebenfalls gegebenen und bestimmten Verhältnis, wenn
man die andere Steuervorrichtung betätigt.
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Die beiden Steuervorrichtungen werden es dann gestatten, unabhängig
voneinander und ohne Berechnung den Auftrieb und die Zugkraft zu verändern.
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Es ist zu bemerken, daß in gewissen Grenzen der mittlere Neigungswinkel
der Schraubenflügel annähernd proportional ist zur Kraft, welche diese Schraube
erzeugt, wenn die Umlaufgeschwindigkeit konstant bleibt.
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Es genügt dann, daß Schrauben mit veränderlicher oder gar umkehrbarer
Flügelneigung benutzt werden, und daß jede Steuervorrichtung die jeweiligen Neigungen
der Flügel einer jeden Schraube dem einen (i) oder anderen (2) Verhältnis entsprechend
verändere.
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Werden die Schrauben von getrennten Motoren angetrieben, so wird es
genügen, die Kurven zu bestimmen, die als Funktion der Schraubenkraft den Gaseinlaß
für jeden Motor darstellen. Die Steuervorrichtungen werden dann auf den Einlaß eines
jeden Motors gemäß einem bestimmten Gesetz einwirken, sobald die Kurven bekannt
sein werden, und entsprechend den Verhältnissen (i) für die erste Steuervorrichtung
und (2) für die zweite.
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Auch sonstige Mittel können benutzt werden, um die Kräfte der Schrauben
zu verändern, ohne daß man dadurch vom Wesen der Erfindung abweicht, welches stets
darin bestehen wird, zwei getrennte Steuervorrichtungen einwirken zu lassen, welche
jeweils die Kräfte der Schrauben den Verhältnissen (i) und (2) entsprechend verändern.
Nachfolgend
wird mit Bezug auf Fig. q. der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es handelt sich um ein einfaches mechanisches Übertragungsmittel, jedoch soll sich
die Erfindung nicht auf diese Beschreibung beschränken, denn man kann leicht eine
große Anzahl von Steuergetrieben erdenken, die die gleiche Wirkung erzeugen.
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Bei dem dargestellten Beispiel bezeichnen i und 2 die Naben zweier
Schrauben mit veränderlicher Flügelneigung, deren Achsen verschiedene Neigung haben.
Die Flügel 3 dieser beiden Schrauben, die abgebrochen dargestellt sind, können mit
Hilfe eines beliebigen, in den Kästen q. und 5 befindlichen Getriebes verschiedene
Neigungen erhalten. Dieses Getriebe wird durch die Hebel 6 und 7 betätigt, wobei
die Verbindung durch die Gestänge 8 und 9 hergestellt ist.
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Die Steuervorrichtung besteht aus einem Rahmen io, der durch Gleitführungen
13 auf Gleitstangen i i geführt ist. Dieser Rahmen trägt bei 14 ein Doppellager,
in dem eine Achse 15 drehen kann, auf welche zwei Zahnräder 16 und 17 festgekeilt
sind, die verschiedenen Durchmesser haben und von denen das Rad 116 mit einer Zahnstange
18 und das Rad 17 mit einer Zahnstange i9 in Eingriff steht.
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Die beiden Zahnstangen können im Rahmen 1o gleiten, sich jedoch nicht
drehen und bewegen sich zu diesem Zweck in Führungen 2o. Die beiden Zahnstangen
sind durch Hebel 21 und 22 mit den Gestängen 8 und 9 verbunden.
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Der Rahmen io trägt außerdem im oberen Teile eine Achse 23, die in
einem Schlitz 2q. eines Hebels 25 gleiten kann, welcher selbst gegenüber einem Zahnsektor
26 verschwenkt werden kann.
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Ein Kardangelenk 27 sitzt auf der Achse 15. Die Kardanwelle 28 besteht
aus zwei Teilen, die ineinandergleiten können und mit langen Keilen versehen sind,
wodurch die Länge der Welle 28 verändert werden kann, wenn der Rahmen io in seinen
Führungen verschoben wird.
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Das Ende der Welle 28 läuft in ein zweites Kardangelenk 29 aus, das
auf einer Achse 30 festsitzt, auf welcher sich ein Hebel 31 befindet, der gegenüber
einem Zahnsektor 32 verschwenkt werden kann.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Verschwenkt man den Hebel
25, so verschiebt 'man den Rahmen io in seinen Führungen i i. Da der Hebel
31 durch den Zahnsektor 32 festgestellt ist, kann die diesen Hebel tragende Achse
30 sich nicht drehen und demgemäß auch nicht das Kardangelenk 28 und die
Achse 15. Dagegen gestattet die Anordnung der Keile der Welle 28 eine gewisse Verschiebung
des Rahmens io auf seinen Führungen. Es ergibt sich daraus, daß die Bewegung in
gleicher Weise stattfindet, wie wenn die Zahnstangen 18 und ig fest mit dem Rahmen
io verbunden wären, so daß durch Betätigung des Hebels 25 das Gestänge und dadurch
die 1\Teigung der Schraubenflügel beeinflußt wird, genau so, wie wenn der Hebel
direkt auf die Winkelhebel 21 und 22 einwirken würde.
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Sind die Winkelhebel 2i und 22, die Hebelarme 6 und 7 und die Übersetzung
-der Getriebe in den Kästen q. und 5 passend gewählt worden, so kann für eine gleiche
Verschiebung der Zahnstangen 18 und ig die Änderung der Flügelneigung der beiden
Schrauben genau proportional sein zu
also zu einem Verhältnis, das konstant und - k ist.
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Ist diese Bedingung erfüllt, so wird durch Betätigung des Hebels 25
stets eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Neigungswinkels der Flügel beider
Schrauben erzielt, und die Veränderungen werden zueinander im Verhältnis von k stehen.
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Wird nun der Hebel 25 durch seinen Zahnsektor in einer beliebigen
Lage festgestellt und verschwenkt man dann den Hebel 31 auf seinem Zahnsektor 32,
so wird diese Bewegung durch das Kardangelenk der Welle 15 übertragen, und die Zahnräder
16 und 17 werden in Drehung versetzt.
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Bei der dargestellten Anordnung wird diese Bewegung auf die beiden
Zahnstangen derart übertragen, daß sie entgegengesetzt zueinander verschoben werden,
so daß die eine niedergeht, während die andere hochgeht (Fall A bezüglich der Zeichen
der Verhältnisse). Handelt es sich um den Fall B, so müssen sich die Zahnstangen
auf einer gleichen Seite der Welle 15 befinden. In diesem Falle sind die Vergrößerungsverhältnisse
der Kräfte gleichen Zeichens.
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Das Proportionalitätsgesetz dieser Verschiebungen kann nach Belieben
durch die gegenseitigen Abmessungen der beiden Räder 16 und 17 bestimmt werden.
Es kann insbesondere derart bestimmt werden, daß die Verschiebungen der beiden Zahnstangen
i8 und ig für beide Schrauben Änderungen der Flügelneigungen bewirken, die zueinander
im Verhältnis von k' stehen.
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Es könnte leicht bewiesen werden, daß es hierzu genügt, daß die Halbmesser
der beiden Zahnräder sich zueinander verhalten müssen wie
Der Hebel 25 wird mit Rücksicht auf die vorstehenden Erklärungen zum Regeln
des Auftriebs benutzt. Der Hebel 31 dient dann für die Fortbewegung.
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Es ist von großer Bedeutung, daß dieser Hebel 31 derart angeordnet
wird, daß, wenn
das Fahrzeug sich nicht fortbewegt, dieser Hebel
selbst im Fahrzeug senkrecht stehe. Die Verschiebungen dieses Hebels müssen außerdem
in der senkrechten Symmetrieebene des Fahrzeugs stattfinden.
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Der Hebel 31 steuert in der Tat die Fortbewegung; durch dessen
Betätigung wird somit die Zugkraft verändert, die im aerostatischen Mittelpunkt
angreift, ohne daß dabei die senkrechte Komponente verändert wird.
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Wird dieser Hebel rasch betätigt, d. h. bevor die Geschwindigkeit
des Fahrzeugs sich der Veränderung der Zugkraft entsprechend hat einstellen können,
so wird sich daraus ein Hebe- oder Senkmoment ergeben, da ja der Widerstand der
Luft auf die Hülle, der ja beständig die Zugkraft ausgleichen muß, nicht die Zeit
hat, sich zu verändern.
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Vergrößert man somit die Zugkomponente, so wird sich das Vorderende
des Fahrzeugs senken, bis die Geschwindigkeit, welche dem neuen Wert der Zugkraft
entspricht, erreicht ist, d.li. während einer ziemlich langen Zeit. Verkleinert
man dagegen die Zugkraft, so wird sich das Vorderende des Fahrzeugs unter den gleichen
Bedingungen heben.
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Es ist somit von Vorteil, den Hebel derart anzuordnen. daß bei der
Verschwenkung nach vorn die Zugkraft vergrößert und nach hinten diese Zugkraft verkleinert
werde.
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Sucht in der Tat das Fahrzeug mit der Vorderspitze niederzugehen,
so wird der Führer unwillkürlich den Hebel zurückzielien. Dadurch wird die Zugkomponente
verkleinert. Der Widerstand der Luft auf die Hülle wird somit für den Augenblick
vor-@\- iegen, und die Spitze wird sich wieder aufrichten, indem das Ganze um den
Schwerpunkt dreht.
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Hebt sich dagegen die Spitze, so wird der Führer unwillkürlich den
Hebel nach vorn verschwenken.
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Der Hebel 31 wird somit, langsam betätigt, die gewünschte Geschwindigkeit
erzeugen und, rasch betätigt, die Rolle des Steuerhebels spielen, wie er z. B. bei
Flugzeugen benutzt wird.
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Aus Fig.4 ist der Grundgedanke der Steuel ung deutlich zu erkennen,
und es wird leicht sein, sie auf vielfachen Gebieten anzuwenden.
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Man sieht in der Tat, daß diese Steuerung darin besteht, gleichzeitig,
jedoch mit verschiedenen Wirkungen, die Neigung der Flügel beider Schrauben zu verändern.
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Alle Zwillingsverbindungen, welche man ersinnen kann (Gestänge, Hebel,
Seile, elektrische und pneumatische ü'bertragungen usw.), gestatten es, die gewünschte
Wirkung zu erzielen. Das Merkmal der Vorrichtung besteht darin, nach Herstellung
dieser Zwillingsverbindung einen die Zwillingsverbindung selbst berichtigenden Teil
einzuschalten, der gewisse Teile der Steuerung gegenüber anderen Teilen derselben
Steuerung verschiebt.
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Der Fachmann wird, von diesem Grundgedanken ausgehend, eine beliebig
große Anzahl. von Vorrichtungen ausführen können.
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Der Fall von drei verschieden geneigten Luftschrauben wird hier nicht
einzeln beschrieben. Es wird genügen, zu bemerken, daß es möglich ist, in jedem
besonderen Fall in willkürlicher Weise die Veränderung einer beliebigen Schraube
zu bestimmen, um dadurch wieder in den vorbeschriebenen Fall zu kommen. Diese Bestimmung
wird in sehr einfacher Weise bewirkt, z. B. durch die Annahme, daß zwei Schrauben
als zu einer einzigen vereinigt betrachtet werden, die auf die Richtung ihrer Resultierenden
einwirken. Man kann dann als Richtungskonstante die genannte Resultierende annehmen.
Es wird genügen, auf ein mittleres Getriebe einzuwirken, das gleichzeitig die Flügelneigung
der beiden Schrauben derart beeinflußt, daß die obige Bedingung oder jede andere
ähnliche Bedingung stets erfüllt sei. Dieses mittlere Getriebe kann dann auch wieder
als einzige Schraube betrachtet werden, die in den obigen Fall eintreten kann, und
man wird somit die Aufgabe stets auf den Fall 'zweier Schrauben zurückführen können.
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Die obigen Erklärungen, welche sich auf die Flügelneigung beziehen,
lassen sich auch für die Regelung der Geschwindigkeit an-«-enden, wenn die Flügelneigung
unveränderlich ist, ohne daß man dadurch vom Wesen der Erfindung abweicht, da man
ja schließlich nach einem gegebenen Gesetz nur die Veränderung der von den Schrauben
erzeugten Kräfte zu erzielen sucht.
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Es ist übrigens nicht unbedingt erforderlich, genau die für die Vergrößerungen
der Kräfte der Schrauben angegebenen Verhältnisse einzuhalten. Wichtig ist nur,
daß man durch Betätigung eines Hebels insbesondere auf den Auftrieb und eines anderen
Hebels auf die Zugkraft einwirkt.
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Wird unter diesen Bedingungen durch Betätigung des Hebels für den
Auftrieb eine kleine Veränderung der Zugkraft verursacht, so wird es leicht sein,
den Fehler durch Betätigung des anderen Hebels zu berichtigen.
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Bei einem Luftfahrzeug ist in der Tat eine absolute und sofortige
Genauigkeit nicht erforderlich, denn durch die Windströmungen werden Nebenbewegungen
erzeugt, die es unmöglich machen, mit der Steuerung genau die gewünschte Wirkung
zu erzielen, wie vollkommen die Bauart der Steuervorrichtung auch sein mag.
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Man kann sich also damit begnügen, annähernd
die
genannten Verhältnisse einzuhalten, jedoch wird es stets gut sein, sich diesen Verhältnissen
möglichst zu nähern.