DE631007C - Selbsttaetige Kurssteuerung fuer Luftfahrzeuge - Google Patents

Description

Es sind bereits Selbststeuer einrichtungen vorgeschlagen worden, bei welchen durch eine Relativdrehung zwischen Gehäuse und Magnetsystem eines Kompasses eine die gewünschte Tätigkeit vornehmende Kraftquelle ausgelöst wird, und zwar wird durch die relative Bewegung zwischen Kompaß und Magnetsystem der Staudruck eines oder mehrerer Druckmittelstrahlen derart beeinflußt; daß dato durch ein an sich bekannter, das Seitenruder einstellender Servomotor betätigt wird. Es ist ferner vorgeschlagen worden, Übersteuerungen, Pendelungen u. dgl. Unzuträglichkeiten durch Anwendung von Kreiseln zu verhindern, dadurch, daß ein auf Drehungen des Flugzeuges um die senkrechte Achse mit Präzessionsausschlägen ansprechender Kreisel zusätzliche Impulse auf das den Ruderservomotor schaltende Relais ausübt. Bei derartigen bekannten Einrichtungen wirken die durch den Kompaß ausgelöste Kraftquelle sowie die Präzessionsausschläge des Kreisels über Hebelgestänge auf das den Ruderservomotor schaltende Relais, wobei das Hebelgestänge gegebenenfalls auch mit dem Rudergetriebe verbunden ist, damit durch das ausgeschwungene Ruder ein zusätzlicher Rückführimpuls auf das Schaltrelais ausgeübt wird. Um einwandfrei zu arbeiten, muß das Verhältnis, in dem die durch den Kompaß und den Kreisel ausgeübten Einflüsse auf das Relais des Rudermotors wirken, der Eigenart des Flugzeuges entsprechend abgestimmt werden. Diese Abstimmung, die im allgemeinen bei Versuchsflügen durchzuführen ist, ist bei den bisher bekannten Selbststeuereinrichtungen nur schwierig durchzuführen.

Durch die Erfindung werden diese Selbststeuereinrichtungen in der Weise verbessert, daß die durch die Kompaßäusschläge ausgelöste Kraftquelle und der präzedierende Kreiselrahmen mit dem Steuerglied für das Servomotorrelais durch eine elastisch nachgiebige Kupplung, zweckmäßig durch Federn, verbunden werden. Hierdurch wird die gegenseitige Abstimmung der auf Kompaß und Kreisel ausgeübten Einflüsse aufeinander außerordentlich vereinfacht; denn das Verhältnis, in dem die beiden Steuerimpulse auf das Relaisschaltglied wirken, kann durch Abstimmen der Federspannung in außerordentlich einfacher, zuverlässiger und genauer Weise eingestellt werden. Auch das Rückführgestänge läßt sich mit Hilfe der Erfindung sehr bedeutend dadurch vereinfachen, daß das Relais für den Rudermotor derart mit diesem verbunden wird, daß dem- durch die Steuerimpulse bewegten Relaisteil der andere Relaisteil auf einem Kreisbogen nachgeführt wird. Besteht das Relais aus einem vor zwei Einströmdüsen spielenden

Strahlrohr, so läßt sich diese Rückführung sehr einfach dadurch erzielen, daß das Verteilerstück^mjt den b.eiden,,Emströmdüsen um den gleichen ,Punkt wie das Strahlrohr .drehbar angeordnet wird:' Die Nachdrehung jdeg Verteilerstückes läßt sich unter Vermeidi||j verwickelter Hebelanordnungen praktisch ohne jeden toten Gang in einfachster Weise bewirken.

ίο Durch die genannten Verbesserungen wird zwar das verwickelte Hebelgestänge der bisher bekannten Selbststeuereinrichtungen vermieden, und es wird eine sehr viel einfachere, leicht abstimmbare totganglose Verbindung der beiden Steuerimpulse mit dem Schaltrelais für den Rudermotor und eine ebenfalls ,praktisch totganglose Rückführung geschaffen. Es stellt sich indessen durch die nachgiebige Verbindung des präzedierenden Kreiao selrahmens mit dem Relaisschaltglied ein anderer Nachteil ein. Dieser beruht auf folgendem :

Macht das Flugzeug z. B. unter dem Einfluß einer seitlichen Bö eine ungewollte plötzliehe Wendung, so hält der Präzessionsausschlag des Kreiselrahmens so lange an, wie die Drehbewegung des Flugzeuges dauert. Bei Aufhören der Drehbewegung geht der Pfäzessionsrahmen in seine Ruhelage zurück. Beginnt alsdann unter rücksteuernder Wirkung des Kompasses das Luftfahrzeug auf den richtigen Kurs zurückzugehen, so würde infolge der eintretenden Drehung um die Hochachse der Kreisel nach der entgegengesetzten Seite, präzedieren und der Rücksteuerungauf den richtigen Kurs in unerwünschter Weise entgegenwirken. Würde daher das Flugzeug durch eine Anzahl in kurzen Zeitabschnitten aufeinanderfolgender seitlicher Böen im gleichen Sinne beeinflußt werden, so könnte es vorkommen, daß der Kreisel trotz der Gegenwirkung des Kompasses für längere Zeit die Rückkehr in den richtigen Kurs verhindert. Diese unerwünschte Wirkung kann durch Anordnung einer die Präzessionsbewegungen des Kreiselrahmens dämpfenden Einrichtung verhindert werden. Als Dämpfungseinrichtung kann mit Vorteil ein in einem Zylinder arbeitender Kolben go verwandt werden, wobei es zweckmäßig ist, den Kolben mit einer am besten einstellbaren Kapillaröffnung zu versehen. Die Kapillaröffnung ist derart zu bemessen, daß die Reynoldsche Zahl unter derjenigen Größe liegt, bei der Linearproportionalität zwischen der durch die Kapillare strömende Menge und . dem beiderseits der Kappillare herrschenden Differenzdruck besteht.

Eine solche Dämpfungseinrichtung, beispielsweise der genannte Zylinder, wirkt folgendermaßen: Bei einem Präzessionsausschlag muß der Kreiselrahmen den Kolben aus dem Zylinder um einen bestimmten Betrag herausziehen oder in denselben hineindrücken, also durch die Kapillare eine bestimmte Luft- ; menge ansaugen oder durch sie herauspressen, i^bevor der Kreiselrahmen in die äußerste '■'Hartlage gerät. Hierzu wird eine gewisse Zeit benötigt, die durch passende Wahl des Öffnungsquerschnittes der Kapillare bzw. durch Einstellen derselben derart bemessen sein kann, daß der Kreisel selbst bei größten vorkommenden Wendungen die Hartlage nicht erreicht. Hört die Drehung auf, so muß der Kreiselrahmen, ehe er in die Ruhestellung zurückkehrt, genau die gleiche Luftmenge aus -dem Zylinder herausdrücken oder in diesen hineinsaugen, die er gebraucht hat, um in die betreffende Lage auszuschwingen. Da der Kreisel bei seinem Präzessionsausschlag eine rücksteuernde Wirkung auf den gewollten Kurs hin ausübt, so unterstützt er auch nach Beendigung der ungewollten Drehung die rücksteuernde Wirkung des Kompasses, und zwar in abnehmendem Maße, bis der ursprüngliche Kurs erreicht ist. Die Anordnung einer Dämpfungseinrichtung an dem Kreiselrahmen beseitigt also die sonst auftretenden Nachteile.

Wesen und Wirkungsweise der verbesserten Selbststeuereinrichtung geht aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, in denen in Abb. 1 in schematischer Darstellung der Rumpf eines Flugzeuges mit eingebauter Selbststeuereinrichtung dargestellt ist, während Abb. 2 die Lagerung des Kreisels und des Strahlrohres, Abb. 3 die Dämpfungseinrichtung und Abb. 4 die Lagerung des Strahlrohres in bezug auf den Kolbenservomotor sowie die Rückführeinrichtung zeigen. In Abb. 4 ist ferner dargestellt, wie die von dem Kompaß ausgelöste Kraftquelle gemäß der neuen Einrichtung auf das Strahlrohr übertragen wird.

In Abb. ι stellt 1 den Rumpf des Flugzeuges dar, dessen Seitenruder 2 durch die verbesserte Steuereinrichtung selbsttätig gelegt werden soll. Durch Kettenzug 3 ist der senkrecht zu dem Ruder mit demselben fest verbundene Hebel 4 über den Hebel 5 mit der Kolbenstange 6 des Kolbens 7, der in dem Zylinder 8 arbeitet, fest verbunden, so daß durch Bewegen des Kolbens 7 in dem Zylinder 8 das Ruder 2 gelegt wird. (In Abb. 4 ist der Einfachheit der Darstellung halber das Ruder 2 als mit der Kolbenstange 6 fest verbunden -gezeichnet.) Der Ruderservomotor 7, 8 wird durch Druckluft betrieben, welche von dem durch den Flugmotor 9 angetriebenen Gebläse 10 geliefert wird. Die von dem Gebläse gelieferte Druckluft wird über das Rohr 11 dem bei 12 drehbar gelagerten

Strahlrohr 13 zugeführt. Das Strahlrohr 13 spielt in bekannter Weise vor zwei dicht aneinanderliegenden, in das Verteilerstück 14 eingebohrten Einströmdüsen 15,16, von denen Rohrleitungen 17, 18 in bekannter Weise nach den beiden Seiten des Zylinders 8 führen. (In Abb. 2 sind der Deutlichkeit halber die Einströmdüsen 15, 16 um 90⁰ versetzt, als in der Zeichenebene liegend dargestellt, während sie in Wirklichkeit senkrecht zur Zeichenebene der Abb. 2 liegen.) Solange die Mündung des Strahlrohres genau in der Mitte der beiden Einströmdüsen 15, 16 steht, werden die beiden Einströmdüsen 15,16 genau in gleicher Weise von dem aus dem Strahlrohr 13 austretenden Druckluftstrom beaufschlagt, so daß in dem Zylinder 8 auf beiden Seiten des Kolbens 7 der gleiche Druck herrscht und dieser in Ruhe bleibt. Wird das Strahlrohr nach links oder rechts ausgelenkt, so wird die Düse 15 bzw. 16 stärker beaufschlagt, so daß der Druck in dem Zylinder 8 vor dem Kolben 7 steigt, hinter demselben sinkt oder umgekehrt. Der Kolben 7 führt infolgedessen eine Rückwärts- oder Vorwärtsbewegung aus, was ein Ausschwingen des Seitenruders nach Backbord oder Steuerbord zur Folge hat. Das Strahlrohr 13 wird durch relative Verdrehung des Magnetsystems gegenüber dem Kompaßgehäuse des Kompasses 19 beeinflußt, welche in bekannter Weise das Druckverhältnis in den Druckluftleitungen 20/21 ändert, wobei die Druckluft in beliebiger Weise, z. B. durch ein Venturirohr 22, geliefert werden kann.

Die in den Leitungen 20, 21 herrschenden Drucke wirken beiderseits der Membran 23, welche das Membrangehäuse 24 in zwei Kammern 25, 26 teilt, in die die Druckleitungen 20, 21 münden. Der Kompaß 19 ist in bekannter Weise derart eingerichtet, daß auf die Leitungen 20,21 der gleiche Druck wirkt, solange die Relativlage von Magnetsystem und Kompaßgehäuse dem gewollten Kurs des Luftfahrzeuges entspricht, solange dieses also den gewollten Kurs anliegt. Bei einer Änderung der relativen Lage, sei es durch Einstellen eines neuen Kurses an dem Kursgeber, sei es durch Abweichen des Luftfahrzeuges von dem gewollten Kurs, wird das Druckverhältnis in den Leitungen2o,2i, also in den Membrankammern 25,26, geändert, so daß die Membran 23 ausschwingt. Das Ausschwingen der Membran bewirkt ein Verstellen des Strahlrohres 13, welches, wie oben dargelegt, eine entsprechende Verstellung des Seitenruders zur Folge hat.

In diesem allgemeinen Aufbau stimmt die Einrichtung mit bekannten Einrichtungen überein. Die Übertragung der Membranbewegung auf das Strahlrohr 13 erfolgt nun aber nicht durch Hebelgestänge, sondern über eine an dem an der Membran, befestigten Lenker 27 angeordnete Feder 28, wie dies insbesondere aus Abb. 4 zu ersehen ist.

Das als Schaltrelais für den Ruderservomotor 7, 8 dienende Strahlrohr 13 wird zusätzlich noch durch einen Präzessionskreisel beeinflußt. Wie aus Abb. 2 und 3 zu ersehen ist, ist der zweckmäßig" durch einen aus einer Düse 29 austretenden Luftstrom angetriebene Kreiselkörper 30 in einem Kreiselrahmen 31 drehbar gelagert, der seinerseits um eine zur Flugzeuglängsachse parallele Achse 32 in dem Lagerbock 33 drehbar gelagert ist. Der Kreiselrahmen 31 überträgt ebenso wie bei bekannten Einrichtungen seine bei Drehungen des Flugzeuges um die Hochachse auftretenden Präzessionsausschläge auf das Strahlrohr 13,. aber nicht mittels Hebelgestänge, sondern, wie insbesondere aus Abb. 3 zu ersehen ist, über Federn 34, die zweckmäßig paarweise so vorzusehen sind, daß sie das Strahlrohr in der Mitte zwischen zwei an dem Kreiselrahmen befestigten Hebeln 35 halten. Es ist ersieht- g₅ Hch, daß durch die außerordentlich einfach und genau zu bewirkende' zweckentsprechende Abstimmung der Federn 34 und 28 die erforderliche Abstimmung der Kompaßwirkung und der Kreiselgegenwirkung auf das Strahl- g₀ rohr erreicht wird, wobei der- Kreisel einerseits in der Weise wirkt, daß er durch seine dem Ruder entgegengesetzte Wirkung Kurven verhindert, deren Krümmung eine gefahrdrohende Grenze überschreitet. Andererseits hält der Kreisel das Flugzeug entgegen äußeren, sonst geringe Pendelungen verursachenden Wirkungen auf geraden Kurs.

Da das Strahlrohr nur verhältnismäßig sehr kleine Ausschläge zu machen braucht, um die in die äußerste Hartlage, d. h. in diejenige Lage, bei der die eine Einströmdüse voll, die andere gar nicht beaufschlagt wird, überzugehen, so können bei ungewollten, durch heftige seitliche Böen verursachte Wendüngen des Flugzeuges folgende Übelstände auftreten.

Auf den Kreisel wirken Präzessionskräfte so lange, als die Drehbewegung des Flugzeuges andauert. Hört infolge der vom no Kreisel eingestellten Ruderwirkung die Drehbewegung auf, so verschwinden die auf den Kreisel wirkenden Präzessionskräfte. Wird das Flugzeug durch die Ruderwirkung in den richtigen Kurs zurückgesteuert, so präzediert der Kreiselrahmen nach der anderen Seite und sucht daher das Flugzeug weiter auf dem falschen Kurs zu halten, bis erst die andauernde Wirkung des Fernkompasses das Luftfahrzeug ganz allmählich unter Uberwindung der Kreiselwirkung auf den richtigen Kurs zurückführt. Durch wiederholte Böen,

die schneller aufeinanderfolgen, als der Fernkompaß das Luftfahrzeug jeweils auf den richtigen Kurs zurücksteuern kann, würde das Luftfahrzeug immer stärker vom richtigen Kurs abgelenkt werden, so daß der Selbststeuerapparat bei fortgesetzt einseitig wirkenden Böen seine Aufgabe nur unvollkommen erfüllen könnte.

Diesem Übelstande wird durch, eine Einrichtung abgeholfen, welche aus einem an dem Träger 33 befestigten Zylinder 36 besteht, in dem ein eingeschliffener Kolben 37 arbeitet, der über einen Lenker 38 mit dem Kreiselrahmen 31 verbunden ist. In der Nähe des Bodens des Zylinders 36 ist eine düsenartige Kapillaröffnung 39 vorgesehen. Die öffnung der Kapillare ist derart bemessen, daß die Reynoldsche Zahl unterhalb der Grenze liegt, bei welcher die durch die Kapillare strömende Menge der Druckdifferenz proportional ist. Die Kapillaröffnung kann mit einer einstellbaren Drossel versehen sein. Diese Einrichtung hat folgende Wirkung.

Bei einem Präzessionsausschlag muß der Kreiselrahmen durch den Kolben einer der Größe des Ausschlages entsprechende Luftmenge durch die Kapillare hindurch einsaugen oder aus dem Zylinder herauspressen. Die eingesaugte bzw. herausgepreßte Luftmenge ist aber dem Produkt aus der Drehgeschwindigkeit des Flugzeuges und der dazu benötigten Zeit proportional, da die Präzessionskraft im wesentlichen der Drehgeschwindigkeit des Flugzeuges proportional ist. Der Kreisel gibt daher während der ganzen Drehung allmählich der Präzessionswirkung nach, bis er bei Beendigung der Drehbewegung mit einem von der Drehgeschwindigkeit und der Größe des Drehwinkels abhängigen maximalen Ausschlag zur Riihe kommt, bei dem das Ruder in eine entsprechende Rücksteuerlage ausgeschwungen ist. Ist nun aber infolge der ein- ~ getretenen Steuerwirkung die Drehbewegung zur Ruhe gekommen, so muß der Kolben genau die gleiche Menge Luft aus dem Zylinder 36 herauspressen bzw. in denselben hineinsaugen, bevor der Kreiselrahmen in die Ruhelage zurückkehren" kann. Die infolge einer längeren Drehung austretende Präzessionsenergie des Kreiselrahmens, die, nachdem das Strahlrohr seine Hartlage erreicht hat, sonst verlorengehen würde, wird also durch die beschriebene Einrichtung gespeichert. Nach . Aufhören der Drehung steuert die gespeicherte Energie das Flugzeug um den gleichen Winkelweg zurück, um den es durch die Bö oder sonstige Störung aus dem richtigen Kurs herausgeworfen war, ohne der Rüeksteuerwirkung des Fernkompasses entgegenzuarbeiten. Bei der gemäß der Erfindung verbesserten Einrichtung wird die Rückführung durch das ausgeschwungene Seitenruder ebenfalls unter Vermeidung von Hebelgestängen in einfachster Weise in der Art ausgeführt, daß der Träger 33, in den das Verteilerstück 14 mit den Einströmdüsen 15, 16 eingebaut ist, bei 40 um eine mit der Strahlrohrachse zusammenfallende Achse drehbar gelagert ist. Der Träger 33 kann zur Entlastung mit einem Rad 41 versehen sein, welches auf einer entsprechend gebogenen Schiene 42 läuft. Die Verbindung mit dem Ruder kann am einfachsten durch einen an dem Träger 33 befestigten Arm bewirkt werden, an dessen Ende ein Schlitz 43 vorgesehen ist, in welchem ein Stift 44 arbeitet, der an der Kolbenstange 6 des Servomotors 7, 8 befestigt ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß der Kolben 7 jeder Auslenkung des Strahlenrohres 13 durch seine infolgedessen eintretende Bewegung den Träger 33 mit dem Verteiler stück 15,16 in der Weise ■ nachführt, daß sich die Einströmdüsen 15, 16 mitten vor das Strahlrohr zu stellen suchen.

Die gemäß der Erfindung verbesserte Selbststeuereinrichtung ist nicht auf die in den oben beschriebenen, in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen angewandten Mittel beschränkt. Beispielsweise könnte an Stelle des Strahlrohres 13 irgendein anderes geeignetes Schaltrelais treten. Man könnte z. B. zwei Ausströmdüsen gegenüber zwei entsprechend versetzten Einströmdüsen spielen lassen. Man könnte auch das Verteilerstück mit den Einströmdüsen gegenüber festzuhaltenden Ausströmdüsen durch Kompaß und Kreisel bewegen oder auch ganz andere Schaltrelais für den Servomotor benutzen. Der Servomotor könnte auch statt mit Druckluft mit Drucköl betrieben werden oder durch einen elektrischen Servomotor ersetzt werden. Bei besonders großen Luftfahrzeugen kann es zweckmäßig sein, zwischen den Servomotor und das Ruder eine weitere Antriebsmaschine zu schalten. An Stelle der Dämpfungseinrichtung, die die Präzessionsenergie des Kreisels speichert, können andere, ähnlich wirkende Einrichtungen verwandt werden, durch die eine Aufspeicherung der Präzessionskraft erreicht wird. Die Feder, über welche der Kompaß und der Kreisel auf das Schaltglied no des Servomotorrelais einwirken, kann ebenfalls durch andere Art von elastisch nachgiebiger Kupplung ersetzt werden; desgleichen kann die durch den Fernkompaß betätigte Membran durch geeignete andere Mittel ersetzt werden u. dgl. mehr.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Selbsttätige Kurssteuerung für Luftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der präzedierende Kreiselrahmen (31) und

   gegebenenfalls auch die durch den Fernkompaß (19) geschaltete Kraftquelle (23) durch eine elastisch nachgiebige Kupplung (34, 28) mit dem Schaltglied (13) des Servomotorrelais verbunden sind.
2. 2. Selbsttätige Kurssteuerung nach An-Spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiselrahmen (31) mit einer seine Präzessionsbewegungen dämpfenden Einrichtung (36, 37, 39) versehen ist.
3. 3. Selbsttätige Kurssteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung als mit einer gegebenenfalls einstellbaren Kapillaröffnung (39) versehener Zylinder (36) mit darin beweglichem Kolben (37) ausgebildet ist.
4. 4. Selbsttätige Kurssteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaröffnung (39) in dem Zylinder (36) derart bemessen ist, daß die Reynoldsche Zahl unterhalb derjenigen Grenze liegt, bei der lineare Proportionalität zwischen durchströmender Menge und Differenzdruck herrscht.
5. 5. Selbsttätige Kurssteuerung mit Rückführung, bei der als Relais ein um einen festen Punkt vor zwei dicht nebeneinanderliegenden, mit dem Servomotor verbundenen Einströmdüsen drehbares, druckmitteldurchflossenes Rohr verwandt wird, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmdüsen (15, 16) in einem Verteilerstück [¹A, 33) vorgesehen sind, welches um eine mit der Drehachse (12) des Strahlrohres (13) zusammenfallende Achse drehbar gelagert und mit dem arbeitenden Teil (6, 7) des Servomotors (7, 8) verbunden ist.
6. 6. Selbsttätige Kurssteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmdüsen (15,. 16) in dem Träger (33) für die Lager der Präzessionsrahmenachse (32) des Kreisels (31) vorgesehen sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen