DE573165C - Selbsttaetige Steuerung, insbesondere fuer Luftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum selbsttätigen Steuern bzw. Stabilisieren, insbesondere von Luftfahrzeugen. Es sind bereits Einrichtungen bekannt, bei denen auf Störungen der Flugzeuglage ansprechende Geräte durch ihre Bewegung gegenüber dem Flugzeugsystem Hilfsmaschinen steuern, die wieder die betreffenden Ruderfi.ach.en zur Rückführung in die störungsfreie Lage betätigen.

Um derartige Einrichtungen sowohl bei äußeren Störungen (z. B. Böen) wie auch bei Veränderungen von Gewichtsverteilungen im Flugzeug (z. B. Lastigkeitsänderungen) richtig arbeiten zu lassen, war bereits vorgeschlagen worden, eine Achse mit Kontaktarm (bei elektrischer Steuerung) sich gegen ein elastisches Glied verdrehen oder auch einen Teil des Steuergestänges (bei mechanischer bzw. hydraulischer Steuerung) ebenfalls gegen ein elastisches Glied sich verstellen zu lassen. Im Zusammenhang damit wurde auch schon die zusätzliche Verwendung von Dämpfungsmitteln empfohlen. In beiden Fällen stützten sich aber die elastischen Glieder oder Federn gegen das Flugzeug selbst ab.

Derartige Einrichtungen litten jedoch bisher an einem wesentlichen Nachteil. Verwendet man z. B. bei der Quersteuerung ein gewöhnliches Pendel als auf die Störung ansprechendes Organ, so tritt bei einer Seitenneigung des Flugzeuges sofort auch eine seitliche Beschleunigung auf, die das Pendel zurückhält; richtet sich das Flugzeug wieder auf, so tritt umgekehrt eine Verzögerung der Seitengeschwindigkeit auf, die das Pendel vortreibt. Die Folge davon ist, daß das Pendel bei Rückkehr des Flugzeuges in die Nullage noch immer eine Neigung anzeigt und somit die Maschine übersteuert und zum Pendeln bringt.

, Die Erfindung bezweckt, diese und ähnliche Nachteile zu vermeiden und eine Kompensationsmöglichkeit zu schaffen, mit deren Hilfe sich nicht nur das schädliche Nachhinken verhindern, sondern sogar bei richtiger Anordnung ein oft wünschenswertes Voreilen erzielen laßt. Dabei ist es gleichgültig, welcher Art auf Störungen ansprechendes Gerät (z. B. Kreisel, Pendel, Fußfläche o. dgl.) verwendet wird und für welche Drehachse die Störungen behoben werden sollen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das elastische Glied (z. B. eine Feder), gegen dessen Wirkung sich das Steuerglied (ζ. Β. eine Achse mit Kontaktarm) verdreht oder verschiebt, sich seinerseits wieder gegen ein gedämpft, aber unelastisch nachgebendes Glied stützt. Diese Teile werden zweckmäßig unmittelbar an der betreffenden Steuerachse, z. B. bei der Quersteuerung unmittelbar am Handrad, angebracht, wobei die Steuerachse durch einen beliebigen Hilfsmotor mit dem Steuerglied in Deckung gehalten werden kann. Die Erfindung macht es möglich, z. B. mit nur einem Kreisel und einer Fühlüäche mit Federwaage und einem Pendel als die auf Störungen ansprechenden Geräte die Stabilisierung nach allen drei Achsen in erwünschter Weise durchzuführen.

Ausfiihrungsformen der Erfindung sind als Beispiele nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigen Abb. ι ein Schältschema für die Seiten- und Quersteuerung, Abb. 2 ein Schaltschema für die Höhensteuerung, Abb. 3 einen Längsschnitt durch die Einrichtung, wobei die Teile rechts der strichpunktierten Linie für alle drei Achsen, die Teile links dieser Linie gegebenenfalls zusätzlich ίο für die Seitensteuerung Verwendung finden können, Abb. 4 einen Kreisel in seiner Anordnung als auf Störungen ansprechendes Gerät für die Seiten- und Quersteuerung in Seitenansicht, Abb. 5 dasselbe in Ansicht von oben, Abb. 6 eine Federwaage für das Höhensteuergerät zur Geschwindigkeitsmessung, Abb. 7 eine Fühlfläche für das Höhensteuergerät, Abb. 8 eine andere Ausbildung einer Federwaage für Vertikalbeschleunigungen, Abb. 9 ein Pendel für das Höhensteuer- oder Quersteuergerät und Abb. 10 ein aus den Teilen der Abb. 6, 7 und 8 zusammengesetztes Gerät.

Zur Beschreibung der Einrichtung sei zunächst auf Abb. 3 eingegangen. Auf der Steuerachse 1, z. B. der der Quersteuerung, mit dem Handrad 2 sitzt die Steuertrommel 3 mit den zu den Rudern führenden Zügen 4 sowie das Kontaktsegment 5. Gleichachsig mit ihr ist der Drehmagnet 6 angeordnet, dessen Achse 7 den mit den Gegenkontakten am Kantaktsegment 5 zusammenwirkenden Kontaktarm 8 trägt. Dieser ist über die Achse 7 hinaus zum Arm 9 verlängert, an dessen Ende die Feder 10 angreift. Mit ihrem anderen Ende greift Feder 10 an einem kurbelartig geformten Teil 11 an der Welle 12 einer ebenfalls mit Achsen 1 und 7 gleichachsig angeordneten Flüssigkeitsdämpfung 13 an. Während sich also die Achsen 7 und 12 unabhängig von Achse 1 drehen können, sind das Feld 6^a und das Gehäuse 14 der Dämpfung mit dem Flugzeug bzw. einem seiner Teile, der auch an sich beweglich sein kann (z. B. dem Steuerknüppel), feststehend in bezug auf die genannten Achsen verbunden. Zur Betätigung der Einrichtung für die Quer- und Seitensteuerung bedient man sich zweckmäßig des Kreisels nach Abb. 4 und 5. Der Kreisel 15 läuft mit seiner Drehachse 16 quer zum Flugzeug. Sein Gehäuse ist in Ring 17 mit waagerechter Achse 18 gelagert, während Ring 17 wieder um die Längsachse 19 im Gestell 20 schwingen kann.

Auch dieses auf Drehgeschwindigkeit ansprechende Glied (ebenso wie beim Höhenruder das auf Vertikalbeschleunigung ansprechende Glied etwa in Gestalt einer Federwaage, Abb. 8) kann unmittelbar auf das Steuerglied aufgesetzt werden und über die Kontakte 5, 8 der Abb. 3 die Hilfsmotoren betätigen. Die Präzessionsachse des Kreisels oder die Achse der Federwaage bildet dann eine Verlängerung der Achse 7. Vorteilhafter ist es jedoch, von den an sich bekannten, aus Kohlenblättchen bestehenden Widerstandssäulen Gebrauch zu machen, wie in Abb. 4 bis 8 und 10 dargestellt, weil so der auf Drehgeschwindigkeit oder Vertikalbewegung ansprechende Teil seine Lage zum Flugzeug nicht zu ändern braucht und durch den auf die Widerstandssäulen ausgeübten Druck einen Drehmagneten steuern kann, dessen Ankerachse 7 dann das Steuerglied darstellt. In dieser Weise sind in Abb. 4 und 5 je ein Paar Widerstandssäulen 21 für die Querruder und 22 für das Seitenruder vorhanden. Über diesen ist je ein Doppelhebel 23 bzw. 24 gelagert, von denen der eine, 23, durch das Gestänge 25 beim Schwingen des Kreisels um die Längsachse 19, der andere unmittelbar durch die Kreiselgehäuseachse 18 gekippt werden und bei Bewegungen des Kreisels gegenüber seinem Ständer 20 auf die eine oder andere Säule Druck ausüben kann. Zu diesem Zweck sind die Widerstandssäulen 21 auf der gleichen Unterlage fest, wie der Kreiselständer 20, während die Säulen 22 mit dem Ring 17 verbunden sind, dessen Drehungen um die Achse 19 folgen. Entsprechend der Schaltung nach Abb. 1 liegen beide Widerstandssäulen 21 für die Querruder mit je einem Ende an der stromführenden + -Leitung. Ihre andern Enden sind über Leitungen 26 und 27 mit den Enden der Feldwicklungen 6° des Drehmagneten verbunden, während die andern Enden der Feldwicklungen durch Leitung 28 an der —Leitung liegen. Der Anker 6 liegt mit einem Ende über 29 an der + -Leitung und ist mit dem andern Ende an die Leitung 28 angeschlossen. Der auf der Ankerachse 7 sitzende Kontaktarm 8 erhält Strom durch Anschluß an Leitung 29. Die von ihm bestrichenen Kontaktsegmente 5 sind mit den Feldwicklungen des Hilfsmotors 30 verbunden, die wieder mit ihren andern Enden an der —Leitung liegen.

Die bisher beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise:

Bei einer Querneigung des Flugzeuges will der Kreisel 15 gegenüber seinem Ständer 20 um Achse 19 präzedieren. Das Gestänge 25 drückt dadurch den Hebel 23 nach der einen oder anderen Seite und damit auf die eine der Säulen 21. Durch die belastete Säule fließt nun Strom, z. B. durch Leitung 26, zum Feld 6° des Drehmagneten, dessen Anker 6 sich dreht, den Kontaktarm 8 gegen den entsprechenden Gegenkontakt am Kontaktsegment 5 führt und den Hilfsmotor anspringen läßt, der nun die Ruder betätigt. Gleichzeitig wird aber Feder 10 gespannt, die nun bestrebt ist, einerseits den Kontaktarm in seine Nullage zurückzuführen, andererseits aber die Trommel 13 der Dämpfungseinrichtung in seinem eigenen Sinne zu drehen. Während nun der Nullpunkt des

578165

Kontaktsegments 5 infolge Drehung der Ruder durch den Hilfsmotor mitwandert, verändert sich unter Wirkung des Federzuges die Stellung der Kurbel 11, und der Kontaktarm 8 kann weiter wandern, solange noch ein unausgeglichener Störungsrest vorhanden ist. Der Hilfsmotor wird daher je nach dem Grade der Dämpfung die Ruder weiter nachdrehen. Nimmt unter der Einwirkung der sich bewegenden Ruder die Störungserscheinung ab, so wird auch der Präzessionsdruck kleiner; infolgedessen überwiegt die Spannung der Feder 10, und der Kontaktarm 8 wird rückläufig und damit auch die Ruder.

Ist nun die Störung zum Stillstand gekommen, so ist auch die Feder 10 entspannt, und die Ruder befinden sich in einer Zwischenlage zwischen Null und dem durch die Störung bewirkten maximalen Ausschlag. Durch diesen Restausschlag wird das Flugzeug rückläufig — der Präzessionsdruck kehrt sich um —, und die Feder 10 wird durch den nun nach der anderen Seite Drehmoment erhaltenden Anker 6 im umgekehrten Sinn gespannt und die Kurbel 11 gegen die Nullage zurückgeführt. Die Ruder sind die ganze Zeit rückläufig, erreichen rasch die Nullage und geben rechtzeitig Stützruder, so daß jede Übersteuerung wirksam vermieden ist.

Durch richtige Bemessung der Feder und der Flüssigkeits- (Öl-) Dämpfung, die auch durch eine Wirbelstromdämpfung ersetzt werden kann, läßt sich jede beliebige Dämpfung der Schwingungen des Flugzeuges um seine Längsachse erreichen. Ist z. B. das Flugzeug um die Längsachse stabil, d.h. kehrt es nach erfolgter Störung durch eine Bö von selbst in die Nullage zurück, dann wird man die Dämpfung sehr kräftig machen; denn je kräftiger die Dämpfung,

4.0 desto eher erfolgt Stützruder. Niemals aber darf man die Dämpfung durch feste Lagerung ersetzen, sie also 00 machen, weil sonst bei Lästigkeit das Flugzeug hängen würde.

Ist das Flugzeug um die Längsachse unstabil,

d. h. hat es bei Neigung das Bestreben, den Winkel zu vergrößern, so wird man die Dämpfung klein wählen. Eine indifferente Maschine steht in der Mitte.

Zu dem Kreisel nach Abb. 4 und 5 kann für die Querruder noch ein einfaches Pendel 31 nach Abb. 9 hinzutreten, das zweckmäßig wie bei 32 stark gedämpft ist. Dieses Pendel hat die Aufgabe, dem dauernden Hängen entgegenzuwirken. Hier lassen sich mit Hilfe eines Drehmagneten 33, 33⁰, dessen Feld von den Widerstandssäulen 21 am Kreisel gesteuert wird, elektromagnetisch Drehmomente ausüben, die proportional der Winkelgeschwindigkeit der Störung sein können. Diese Momente werden zweckmäßig so bemessen, daß sie das Mitnehmermoment der Dämpfung überkompensieren. Hierdurch läßt sich die schädliche Wirkung der Beschleunigungseinnüsse der Neigungsänderungen beheben.

Die Schaltung eines derartigen Pendels ist in Abb. 1 ebenfalls dargestellt.

Das Feld 33° des Pendeldrehmagneten wird über die Kohlenwiderstände 21 an die + -Leitung gelegt. Der Anker wird durch Leitung 34 gespeist. Durch das Pendel 31 selbst wird über Widerstand .36 den Kontakten 35 und weiter dem Feld des Drehmagneten 6° am Steuerglied Strom zugeführt. Widerstand 36 bezweckt, den auf Feld 6" ausgeübten Einfluß entsprechend zu bemessen.

Bei der Seitensteuerung kann man zur genaueren Kurshaltung die Anordnung folgendermaßen treffen: Gleichachsig der Seitenruderachse (Abb. 3) ist das Steuerglied7 angeordnet, das sich gegen ein elastisches Glied 10 verdreht und gegen ein unelastisch gedämpft nachgebendes Glied 13 bzw. 11 stützt. Es ist nun ein zweites unelastisch gedämpftes Glied 37 vorhanden, das bei Verdrehung der Federstützung 13 gegen diese z. B. einen Strom über Kontaktarm 38 mit Kontaktsegment 39 schließt, der gleicherweise auf das Steuerglied 7 durch Drehmagnet 6, 6^a und das zweite unelastisch gedämpfte Glied 37 durch Drehmagnet 40, 40" Drehmomente ausübt. Dies hat zur Folge, daß das Dämpfungsglied 37 nur dann wirkt, wenn die Summe der Kursschwankungen gegenüber der gewollten Flugrichtung einseitig wird.

Der Verdrehungswinkel der Federstütze 13 stellt ja nichts anderes dar, als die momentane Abweichung vom Kurse, wenn das Steuerglied 7 ein Drehmoment proportional der Winkelgeschwindigkeit um die Hochachse entwickelt. Wird durch den erwähnten Stromfluß 38, 39 ein Drehmoment auf das Steuerglied 7 ausgeübt, entspricht dies ebenfalls einer Winkelgeschwindigkeit, wie auch das Drehmoment auf das zweite unelastisch gedämpfte Glied 37 schließlich einer Winkelgeschwindigkeit entspricht. Bei richtiger Abstimmung und gleichbleibender Dämpfung in beiden gedämpften Gliedern 11 (bzw. 13) und 37 ist das Flugzeug wieder auf dem alten Kurs, wenn beide gedämpften Glieder wieder übereinstimmen. Diese Übereinstimmungslage braucht jedoch nicht die Nullage zu sein, ist es auch keinesfalls, wenn z. B. ein einseitiges Störungsmoment besteht (Ausfall eines Motors bei mehrmotorigem Luftfahrzeug).

Auf der linken Seite der Abb. 1 ist die zugehörige Schaltung angegeben. Der Anker 40 des Drehmagneten liegt zwischen den -J-- und Leitungen. Der Kontaktarm 38 ist an die + -Leitung angeschlossen; seine Gegenkontakte am Segment 39 übertragen den ihm zugeführten Strom einerseits auf die Feldwicklungen 40", andererseits auf 6^a.
Zur Betätigung des Höhenruders dient eine

Federwaage nach Abb. 8. Das Gewicht 49 auf dem drehbaren Arm 51 wird durch die Feder 50 ausbalanciert. Bei auftretenden Vertikalbeschleunigungen wird auf eine der Widerstandssäulen 52 ein Druck ausgeübt, welcher die Stromstärke im Feld 6^a des Drehmagneten (Abb. 3) regelt und steuert. Diese Federwaage spricht zwar nur auf Vertikalbeschleunigungen an, aber jede Drehung des Luftfahrzeuges um die Querachse ruft eine Vertikalbeschleunigung hervor. Jede Drehung des Luftfahrzeuges ist ja nichts anderes als eine in der Vertikalebene geflogene Kurve, die eine Zentrifugalbeschleunigung entwickeln muß.

In Abb. 7 ist ein Geschwindigkeitsmesser in Gestalt einer Fühlfläche 46 vorhanden, die gegen den Winddruck durch die Feder 47 in der Mittellage gehalten wird. Auch hier wieder sind Widerstandssäulen 48 vorgesehen.

Zur Übermittlung der Winddruckdaten an das Drehmagnetfeld 6° kann eine Federwaage nach Abb. 6 benutzt werden. Die Feder 41 sucht den Waagebalken 42, der durch den Drehmagneten 43, 43° beeinflußt werden kann, in seiner Mittellage zu halten. Der Waagebalken wirkt beiderseits über elastische Dämpfungsglieder 44 auf Kohlenwiderstandssäulen 45. Diese Federwaage ist besonders anwendbar für Gleitflug oder starke Über- oder Unterschreitung der Mittellage des Flugzeuges.

In ähnlicher Weise wie bei den Querrudern kann auch für die Höhensteuerung das bereits beschriebene Pendel der Abb. 9 verwendet werden. Abb. 10 faßt im wesentlichen die Geräte der Abb. 6, 7 und 8 zusammen. Die entsprechenden Teile tragen die gleichen Bezugszeichen wie die der vorbeschriebenen Abbildungen. Es ist auch möglich, nur die Geräte nach Abb. 6 und 7 zusammenzufassen. Die Schaltung der Geräte für die Höhensteuerung ist in Abb. 2 dargestellt. Sämtliche beschriebenen Geräte nach Abb. 6 bis 9 wirken in Parallelschaltung auf das Feld 6° des Drehmagneten am Steuerglied ein. 45

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Selbsttätige Steuerung, insbesondere für Luftfahrzeuge, bei der ein Kontaktglied unter Einfluß eines auf Störungen ansprechenden Geräts gegen die Wirkung einer Feder verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (10) mit dem dem Kontaktglied abgewandten Ende an einem unelastischen Dämpfungsglied (11 bis 14) angreift, dessen Bewegungsgeschwindigkeit proportional der durch die Feder in der Bewegungsrichtung auf das Dämpfungsglied ausgeübten Kraft ist.
2. 2. Selbsttätige Steuerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (3), das unelastische Dämpfungsglied (13) und gegebenenfalls der Drehmagnet (6, 6°) des als Kontaktarm (8) ausgebildeten Kontaktgliedes gleichachsig zueinander angeordnet sind.
3. 3. Selbsttätige Steuerung nach Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsglied (11) für die Feder (10) an der unelastischen Dämpfungseinrichtung (13) den Drehmagneten (6, 6^a) des Kontaktarms (8) kurbeiförmig umfaßt.
4. 4. Selbsttätige Steuerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß für die Seitensteuerung eines Fahrzeugs mit mehreren symmetrisch zur Längsachse angeordneten Triebwerken ein zweites unelastisches Dämpfungsglied (37) vorhanden ist, das durch einen Drehmagneten (40, 40«) verstellt werden kann und einen Kontaktarm (38) besitzt, der mit Gegenkontakten (39) am beweglichen Teil (13) des ersten unelastischen Dämpfungsgliedes zusammenwirkt.
5. 5. Selbsttätige Steuerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmagnete (6, 6°) für die Seiten- und Quersteuerung durch einen und denselben Kreisel (15) mit oder ohne Hinzufügung eines unelastisch gedämpften Pendels (31) erregt werden.
6. 6. Selbsttätige Steuerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktarm (8) unmittelbar oder mittelbar durch eine Federwaage (57) gesteuert wird.
7. 7. Selbsttätige Steuerung nach Ansprächen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehmagnet (6, 6^a) durch ein Horizontalpendel (Abb. 8) und einen Geschwindigkeitsmesser (Abb. 7 bzw. 10) oder an Stelle des letzteren durch ein Vertikalpendel (Abb. 9) oder durch eine Verbindung aller dreier Geräte gesteuert wird.
8. 8. Selbsttätige Steuerung, insbesondere für Luftfahrzeuge, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Störungen ansprechenden Geräte (Kreisel, Geschwindigkeitsmesser, Pendel usw.) sich gegen Widerstandssäulen (Kohlenplattensäulen) abstützend angeordnet sind, die mit den Drehmagneten (6,6°) stromleitend verbunden sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen