DE630668C - Selbsttaetige Steuerung, insbesondere fuer Luftfahrzeuge - Google Patents

Description

Zur selbsttätigen Steuerung von Luft- und Wasserfahrzeugen sind Einrichtungen bekannt, bei denen ein Kraftschalter für die das Ruder verstellende Antriebsmaschine durch einen Richtungsweiser betätigt wird und bei denen zur Verhinderung von Übersteuerungen außer üblichen Rückführeinrichtungen Kreisel vorgesehen sind, welche durch ihre Präzessionsausschläge Wirkungen entsprechend der Drehgeschwindigkeit des zu steuernden Fahrzeuges auf das Ruder übertragen, die sich den durch den Richtungsweiser ausgelösten Wirkungen überlagern. Hierdurch soll erreicht werden, daß das Fahrzeug bei Abweichungen von dem Sollkurs in einer möglichst aperiodisch gedämpften Schwingung auf diesen zurückkommt. Einrichtungen dieser Art genügen für sogenannte stabile Luftfahrzeuge, welche sich in bezug auf die Achse, um die die Steuerung erfolgt, für eine Kurssteuerung also in bezug auf die Hochachse im stabilen Gleichgewicht befinden, zur Steuerung in ruhiger oder gleichmäßig bewegter Luft.

Die Steuerung ist .Jedoch nicht imstande, ein Flugzeug auch bei böigem Wetter auf hinreichend geradem pendelfreiem Kurs zu halten. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Steuerung auf Winkelgeschwindigkeit und auf die Abweichung des Flugzeuges vom Sollkurs anspricht, also, wenn das Flugzeug durch eine heftige Bö oder eine sonstige äußere Kraft aus dem Kurs geworfen wird, erst dann anspricht, wenn es eine gewisse Drehgeschwindigkeit aufgenommen hat. Gegenüber Störungen durch solche äußeren Kräfte, bei denen die zu steuernde Flugzeugachse in sehr kurzer Zeit erhebliche Richtungsabweichungen erfährt, wirkt rücksteuernd daher nur der von der Richtung^- abweichung herrührende Einfluß des Richtungsweisers, dessen Einfluß durch den Kreisel stark gedämpft wird, der bestrebt ist, das Flugzeug in der nun falschen Richtung zu halten. Durch eine Bö oder sonstige äußere Kraft einmal aus der Sollrichtung geworfen, kehrt das Flugzeug nur langsam auf diese zurück, so daß ζ. B. durch mehrere kurz hintereinanderfolgende Böen das Flugzeug sehr erhebliche Kursabweichungen erleiden kann.

Außer diesen eigenstabilen Flugzeugen werden aber auch vielfach unstabile Flugzeuge verwandt, welche in bezug auf die Achse, um die die Steuerung erfolgt, sich im labilen Gleichgewicht befinden und die daher durch ständiges Bedienen der Ruder in der gewollten Fluglage gehalten werden müssen. Für derartige Flugzeuge versagt die bisher bekannte, nur durch Richtungsweiser und Präzessionskreisel beeinflußte selbsttätige Steuerung auch bei ruhiger Luft, trotz der an sich aperiodischen Dämpfung des Kreisels.

6B0668

Dies hat seinen Grund zum Teil darin, daß auf das Luftfahrzeug bei der geringsten Abweichung von der labilen Gleichgewichtslage sofort äußere Kräfte wirken, welche die Ab> weichung zu vergrößern streben, denen nicht' rechtzeitig genug in dem erforderlichen Maße durch die Steuerung entgegengearbeitet wird. Die geschilderten Nachteile, werden durch eine Steuerung vermieden, deren Ruder entsprechend dem Abweichungswinkel, der durch einen Kreisel mit zwei Freiheitsgraden und elastisch gefesseltem Präzessionsrahmen gemessenen Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung verstellt wird. Diese Steuerung arbeitet unter allen Umständen, auch bei böigem Wetter und auch für unstabile Flugzeuge, sicher und ohne Pendelungen,

Man hat bereits vorgeschlagen, den Wert der Winkelbeschleunigung für eine Steuerung durch mechanischeDifferentiation des Winkelgeschwindigkeitswertes zu gewinnen oder auf elektrischem Wege mit Hilfe eines Transformators, an dessen Primärseite eine der Winkelgeschwindigkeit proportionale Spannung liegt. Alle diese Verfahren erfordern eine komplizierte Apparatur, die leicht zu Störungsquellen Anlaß gibt.

Die Erfindung zeigt einen sehr einfachen Weg, den Winkelbeschleunigungs,wert zu messen, und zwar erfindungsgemäß als Lagerdruck der Präzessionsachse eines Kreisels mit zwei .Freiheitsgraden und elastisch gefesseltem Präzessionsrahmen, eines sogenannten· Wendezeigerkreisels.

Die Erfindung ermöglicht mithin mit Hilfe des ohnehin vorhandenen Wendezeigerkreisels und einfachster Einrichtungen zwei Meßwerte, die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung, zu messen.

Man hat bereits vorgeschlagen, mit Hilfe eines Kreisels -mit zwei Freiheitsgraden, dessen- Präzessionsrahmen allerdings ungefesselt war, zwei Meßwerte zu gewinnen, und zwar je einen Meßwert der Lageabweichung und der Lageabweichungsgeschwindigkeit. Neu ist jedoch, mit Hilfe eines gefesselten Kreisels mit zwei Freiheitsgraden eine Winkelbeschleunigung zu messen. Der in den Lagern der Präzessionsachse des Kreisels auftretende.Druck ist der Änderung der Präzessionskraft verhältnisgleich. Da, die Präzessionskraft der Winkelgeschwindigkeit um die Meßachse verhältnisgleich ist, ergibt sich die Änderung der Präzessionskraft als Winkelbeschleunigungswert. Man kann daher den gleichen Kreisel zur Ableitung des der Winkelgeschwindigkeit und des der Winkelbeschleunigung je verhältnisgleichen Einflusses nutzbar machen. Dies ist von besonderem Vorteil, da man auf diese Weise ein besonderes Gerät zur Ableitung des Beschleunigungseinflusses sparen kann.

Der in den Präzessionslagern auftretende ^?"3Druck ist bestrebt, die Präzessionsachse je nach der Laufrichtung des Kreisels und je nach der Richtung der Winkelbeschleunigung in dem einen oder dem anderen Sinne zu ' drehen. Der Winkelbeschleunigungseinfluß läßt sich daher in einfachster Weise mittels einer Kompensationsschaltung gewinnen, z. B. dadurch, daß die Präzessionsachse nachgiebig gelagert ist und eine mit ihrem Ausweichen aus der Sollage wachsende Kraft schaltet, die ihrerseits wieder derart auf die Präzessionslager einwirkt, daß diese die Präzessionslager in der ursprünglichen Lage zu halten bestrebt ist. Zur Kompensation der Wirkung des Druckes in den Präzessionslagern kann beispielsweise Druckluft oder Druckflüssigkeit verwandt werden, welche aus einer engen Öffnung strömt, die ihrerseits durch eine steuernde Kante des ausweichbar angeordneten Präzessionslagers mehr oder weniger- geschlossen wird. Mit solchen oder auch" anderen, z. B. elektrischen Kompensationsschaltungen erreicht man bei praktisch verschwindendem Weg des Einstellgliedes sehr starke und schnelle Änderungen der Kompensationskraft, z. B. des Luft- oder Flüssigkeitsdruckes, der nun seinerseits das Maß für den Lagerdruck und somit für die Winkelbeschleunigung abgibt und in beliebiger Weise auf den Kraftschalter für den Steuermotar "zur Einwirkung gebracht werden kann.

Eine zweckmäßige Ausführungsform mit Druckluftkompensation ist in der Zeichnung dem Wesen nach dargestellt.

ι ist der Präzessionsrahmen eines Wendezeigerkreisels 2, dessen Achse 3 _ durch zwei starke Federn 4 und 5 an die Ruhelage in hezug auf das Flugzeug gefesselt ist. Das eine· Lager 6 der Präzessionsachse 7 .ist fest, während das andere Lager ein beweglicher Schlitten 8 ist, auf den einerseits eine Feder 9, andererseits die Membran 10 einer Dose 11 über eine Stoßstange 12 wirkt. Der Lagerzapfen 7 des Präzessionsrahmens liegt vor einer Ausströmöffnung 13 eines Rohres 14, dem über eine Drossel 15 Druckluft zugeführt wird. Das Rohr 14 steht über ein Rohr 16 mit der Dose 11 und einer weiteren Dose 17 in Verbindung, deren Membran 18 über einen Lenker 19 gegen eine Feder 20 auf ein Strahlrohr 21 wirkt, welches die nebeneinanderliegenden Einstromdüsen 22 beaufschlagt und dadurch einen in einem Zylinder arbeitenden Kolben 23 betätigt, welcher zur Verstellung des Ruders dient. Während die Feeder 9 den Zapfen 7 vor die Öffnung 13 zu stellen und · dadurch die Austrittsöffnung zu verkleinern

sucht, wodurch der Druck hinter der Drossel 15 in den Dosen 11 und 17 steigt, sucht die Membran 10 infolge des steigenden Druckes den Zapfen nach der entgegengesetzten Seite zu bewegen. Es stellt sich daher ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem der auf der Membran 10 lastende Druck den Druck der Feder 9 gerade aufhebt. Macht der Kreisel dagegen infolge einer Wendung einen Prä-Zessionsausschlag, so sucht der in den Präzessionslagern entstehende Druck den Zapfen y^a mit dem Schlitten 8 in der einen oder anderen Richtung zu verschieben, da ja das Lager 6 für den anderen Zapfen fest ist. Da-

durch wird entweder die Öffnung 13 weiter geschlossen oder mehr freigegeben. Infolgedessen ändert sich der Druck in der Leitung 14 und der Dose 11 so lange, bis Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Die Druckzunahme oder Druckabnahme entspricht aber hierbei genau dem Lagerdruck in den Präzessionslagern, d. h. also der Beschleunigung. Da aber dieser Druck auf die Dose 17 und die Membran 18 übertragen wird und über das Strahlrohr 21 auf den das Ruder verstellenden Kolben 23 zur Einwirkung gebracht wird, so wird hierdurch in der Tat ein der Winkelbeschleunigung verhältnisgleicher Meßwert auf die Steuerung zur Einwirkung gebracht.

Da die Bewegungen, welche das Lagergleitstück 8 ausführt, nur außerordentlich gering sind, so treten infolge der Meßbewegungen keinerlei merkliche Verfälschungen auf.
Die neue selbsttätige Steuerung, bei der ein von der Winkelbeschleunigung abhängiger Einfluß auf den Rudermotor zur Einwirkung gebracht wird, kann zur Steuerung um jede der drei Achsen eines Flugzeuges verwandt werden. Handelt es sich um eine Kurssteuerung, also um eine Steuerung um die Hochachse, so wird man als Richtungsweiser einen der bekannten Kompasse verwenden, während der der Winkelgeschwindigkeit entsprechende Einfluß durch einen gewöhnlichen Wendezeigerkreisel gewonnen wird. Bei einer selbsttätigen Höhensteuerung, also einer Steuerung um die Flugzeugquerachse, kann als Richtungsweiser beispielsweise ein Längsneigungspendel dienen, bei einer selbsttätigen Quersteuerung, also einer Steuerung um die Flugzeuglängsachse, ein Querneigungsmesser, während in beiden Fällen ein entsprechend aufgestellter Präzessionskreisel zweckmäßig zur Gewinnung des Winkelgeschwindigkeitseinflusses heranzuziehen ist. In allen diesen Fällen kann der Winkelbeschleunigungseinfluß je nach den Umständen von mehreren gleichen oder einem besonderen Präzessionskreisel abgeleitet werden.

Wenn die Erfindung auch in erster Linie für die Steuerung für Flugzeuge bestimmt ist, so ist sie in ihrer Anwendung selbstverständlich nicht auf diese beschränkt. Sie läßt sich mit gleichem Vorteil auch zur Steuerung eigentlicher Luftschiffe (Zeppeline) oder von Wasserfahrzeugen verwenden.

Claims (1)

1. Patentanspruch :

   Selbsttätige Steuerung, insbesondere für Luftfahrzeuge, deren Ruder entsprechend dem Abweichungswinkel der durch einen Kreisel mit zwei Freiheitsgraden und elastisch gefesseltem Präzessionsrahmen gemessenen Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als der Winkelbeschleunigung proportionale Stellkraft der Lagerdruck der Präzessionsachse des Kreisels dient.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen