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Verfahren und Einrichtung zum Ermitteln der Höhe von sich horizontal
bewegenden Zielen Wenn sich ein Luftfahrzeug mit bekannter Geschwindigkeit in gleichbleibender
Höhe geradlinig fortbewegt, so kann durch dauernde optische oder akustische Verfolgung
seine Kursrichtung mit bekannten Mitteln bestimmt werden. Die beiden Lagewinkel
des Zieles (Höhenwinkel ao und Seitenwinkel.(3o) ergeben sich bei optischer Verfolgung
unmittelbar, bei akustischer Verfolgung durch Berücksichtigung der Schallparallaxe,
zu welchem Zweck die Horchgeräte besondere Einrichtungen aufweisen.
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Für das ernlndungsgemäße Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung
hiervon wird angenommen, daß der Kurs durch andere Geräte bereits ermittelt ist
und die Geschwindigkeitv bekannt ist.
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Die theoretischen Voraussetzungen zur Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und zur Schaffung eines Gerätes hierfür seien an Hand der Fig. r erläutert.
Das Beobachtungsgerät befinde sich im Punkt O in beliebiger Entfernung von dem Ziel
Z, das sich in der Höhe h mit gleichbleibender Geschwindigkeit v in geradliniger
Richtung bewege. Die Bewegungsrichtung des Zieles schließe mit der Nullrichtung
oo' des Beobachtungsgerätes den Winkel y ein. Projiziert man das Ziel Z auf eine
durch den Beobachtungsort 0 gelegte waagerechte Ebene, so schließt die Projektion
OF des Zielstrahles OZ den Winkel (3o mit der Nullinie oo' des Beobachtungsgerätes
ein. Der Höhenwinkel des Zielstrahles sei mit ao bezeichnet. Der Winkel zwischen
OF und der Projektion des Geschwindigkeitsvektors auf den Beobachtungshorizont ist
dann Y-ßo. Die horizontale Projektion des Punktes O auf eine durch den Zielweg gelegte
vertikale Ebene sei mit F' bezeichnet. Bei der vorausgesetzten 'Bewegung des Zieles
dreht sich der Zielstrahl OZ um den Punkt O und infolgedessen seine Projektion FZ
um den Punkt ' in der Vertikalebene F'ZF, von O aus gesehen, im Uhrzeigersinne.
Denkt man sich in diese Projektionsebene eine Zeichenfläche gelegt, die mit der
Geschwindigkeit und Richtung des Zieles bewegt wird, so bleibt Z relativ zu dieser
-wandernden Zeichenfläche in Ruhe, und F' nimmt verschiedene der Wanderung des Zieles
Z entsprechende Stellungen auf ihr ein.
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Schafft man nun eine Nachbildung dieser räumlichen Verhältnisse im
Zielgerät, so ist es möglich, durch Aufzeichnen der aufeinanderfolgenden Lagen der
ProjektionZF' des Zielstrahles OZ auf mechanischem, optischem oder anderem geeigneten
Wege aus dem Schnittpunkt aufeinanderfolgender Strahlen die Höhe k des sich bewegenden
Zieles zu bestimmen.
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In den Fig. 2 und 3 ist eine beispielsweise Ausführungsform eines
erfindungsgemäß ausgebildeten
Gerätes dargestellt, und zwar ist
Fig. z eine schaubildliche Ansicht des ganzen Gerätes. Fig.3 ist eine Ansicht teilweise
im Schnitt einer Einzelheit dieses Gerätes. In Fig.4 ist eine Ansicht von Aufzeichnungen
mit dem Zeichenlineal dargestellt.
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Das Gerät weist einen Rahmen i auf, an dem die einzelnen Teile gelagert
sind. Die einzelnen beweglichen Elemente des Gerätes sind derart ausgebildet bzw.
angeordnet, daß mit ihnen eine Nachbildung des in Fig. i schematisch dargestellten
räumlichen Systems und dadurch eine Ermittlung der Höhe des Zieles ermöglicht wird.
An dem rechten Seitenteil 2 des Rahmens i befinden sich vorn und hinten zwei Konsolen
3 und 4. Jede dieser beiden Konsolen weist Lager 5, 6, 7 und 8 für zwei lotrechte,
zylindrische Walzen 9 und i o gleichen Durchmessers auf, um die ein endloses Band
i i gelegt ist, das beispielsweise aus Metall oder einem anderen geeigneten festen
Werkstoff bestehen kann und bei der gezeichneten Ausführungsform zur Aufnahme von
Bleistift-, Kreide- oder anderen Strichen geeignet ist. Die vordere Walze 9 ist
an ihrem unteren Ende mit einem Schneckenrad 12 verbunden, das durch eine von einem
Elektromotor 14 angetriebene Schnecke 13 in Drehung versetzt werden kann. Anstatt
des Elektromotors 14 kann irgendein anderer geeigneter Antrieb, wie beispielsweise
ein Uhrwerk, verwendet werden. Mittels eines Regelwiderstandes 15 kann die Geschwindigkeit
des Elektromotors geregelt und an einem durch ein Kegelrädergetriebe 16 mit der
Elektromotorwelle verbundenen Tachometer 17 abgelesen werden. Das Tachometer
17 ist dabei derart geeicht, da.ß seine Skala unmittelbar die maßstäblich reduzierte
Geschwindigkeit v des Zieles angibt. Es @ kann somit mittels des Regelwiderstandes
15 die Geschwindigkeit des Bandes i i im reduzierten Maßstabverhältnis gleich der
Geschwindigkeit des Zieles eingestellt werden. Anstatt eines Regelwiderstandes kann
zur Regelung der Geschwindigkeit irgendeine andere Einrichtung, wie beispielsweise
ein Reibrädergetriebe, verwendet werden.
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An den Konsolen 3 und 4 ist eine waagerechte Welle 18 gelagert, die
mittels eines nach vorn herausragenden, auf ihr aufgekeilten Handrades ig gedreht
,werden kann. Mittels Kegelrädergetriebe 2o und 21 werden beim Drehen des Handrades
ig zwei lotrechte Schraubenspindeln 22 und 23, deren eine linksgängiges und deren
andere rechtsgängiges Gewinde aufweist, in entgegengesetztem Sinn zueinander verdreht.
Auf den beiden Schraubenspindeln 22 und 23 laufen Schraubenmuttern 34 und 25, zwischen
denen eine Stahlsaite 26 o. dgl. gespannt ist. Die Anordnung ist hierbei derart
getroffen, daß sich die Stahlsaite 26 unmittelbar vor der äußeren Fläche des endlosen
Bandes i i verschiebt.
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An dem Rahmen i befindet sich vorn eine weitere Konsole 27, die ein
Differentialgetriebc 28 aufnimmt. Aus der Vorderseite des Gehäuses dieses
Getriebes ragen zwei Wellen 37 und 38 heraus. Über die Welle 37 wird von Hand oder
durch Fernsteuerung, beispielsweise auf elektrischem Wege, der im Beobachtungsgerät
gemessene Winkel (ßo in das Differentialgetriebe hineingesteuert, während über die
Welle 38 der Winkel Y von Hand aus in dieses Getriebe hineingesteuert wird. Wie
aus Fig.3 hervorgeht, sitzt auf dem inneren Ende der Welle 37 fest ein Kegelrad
4i. In der Verlängerung der Welle 37 ist in dem Kegelrad 41 und in dem Rahmen i
eine Welle 42 drehbar gelagert, die unabhängig von der Welle 37 drehbar ist. Auf
der Welle 42 ist ein Kreuzstück 43 lose drehbar, das mit Lagerzapfen 44 für mit
dem Kegelrad 41 kämmende Planetenkegelräder 45 versehen ist. An dem Kreuzstück 43
befindet sich weiter eine Scheibe 46, die außen mit Stirnverzahnung 47 versehen
ist. Diese Stirnverzahnung kämmt mit einem auf der Welle 38 aufgekeilten Stirnrad
48. Die Planetenkegelräder 45 kämmen auf der anderen Seite mit einem auf der Welle
42 aufgekeilten Kegelrad 49. Die Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Stirnräder
und Kegelräder sind derart gewählt, daß die Welle 42 um den Winkel Y-I:)o verdreht
wird, wenn die Welle 37 um den Winkel (3o und die Welle 38 um den Winkel y verdreht
wird.
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Auf der Welle 42 sitzt eine Schnecke 5o, die mit einem Schneckenrad
51 in Eingriff steht. Die beiden Lagerzapfen 52 dieses Schneckenrades sind in Kegelrädern
59 und 63 frei drehbar gelagert. Auf dem Schneckenrad 5 i ist an zwei Lagerbuchsen
53 in der Richtung eines Radius dieses Schneckenrades ein Zapfen 54 befestigt, der
als Lager für zwei Kegelräder 55 und 56 dient. Das äußere Kegelrad 55 kämmt einerseits
mit einem an dem Rahmen i fest befestigten Kegelrad 5; und andererseits mit einem
Kegelrad 58, das zwei Lagerböcke für weiter unten noch näher zu beschreibende Trommeln
trägt.
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Das innere Kegelrad 56 kämmt einerseits mit einem Kegelrad 59, das
mit einem die Zähne auf der entgegengesetzten Seite aufweisenden Kegelrad 6o kleineren
Durchmessers fest verbunden ist und in geeigneter Weise in dem Rahmen i frei drehbar
gelagert ist. An der Innenseite ist das Kegelrad 59 als Lager für den einen Lagerzapfen
des Schnekkenrades 5 i ausgebildet. Das Kegelrad 6o kämmt mit einem Kegelrad 61,
das auf einer in der Konsole 17 drehbar gelagerten Welle
62
aufgekeilt ist. In die Welle 62 kann von Hand oder durch Fernsteuerung der am Beobachtungsgerät
gemessene Höhenwinkel ao hineingesteuert werden. Auf der anderen Seite. kämmt das
Kegelrad 56 mit einem Kegelrad 63, das in einer mit dem Kegelrad 58 verbundenen
Lagerhülse 6q, frei drehbar gelagert ist und aufgekeilt eine Schnecke 65 trägt.
Die Innenseite des Kegelrades 63 ist wieder als Lager für den oberen Lagerzapfen
5a des Schneckenrades 51 ausgebildet.
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ZVie bereits erwähnt, befinden sich auf dem Kegelrad 58 -festgeschraubt
zwei Lagerböcke, von denen der eine, 66, zur Lagerung eines Schneckenrades 67 dient,
das mit der Schnecke 65 in Eingriff steht. Das Schneckenrad 67 ist an einem -anderen
Teil seines Umfanges glatt und nimmt dort ein Stahlband 68 auf, das in einer Achterschleife
anderseits um eine Scheibe 69 gewunden ist, die in einem Gelenk 70 an der
an der zweiten Konsole 71 festgelagerten. Lagerhülse 64 drehbar gelagert ist. An
der Scheibe 69 befindet sich ein Arm 72, dessen freies Ende 73 zapfenartig ausgebildet
ist und in dem Schlitz eines Bügels 75 gleitet. Der Bügel 1-5 ist in zwei
Lagerbutzen 78 und 79 am Rahmen i derart drehbar gelagert, daß die Achse seiner
Lagerzapfen senkrecht auf der Ebene des Stahlbandes i i steht. Sein rechter Lagerzapfen
8o trägt an seinem nach rechts herausragenden freien Ende aufgekeilt ein Lineal
81, das in der Ebene des Bügels 75 liegt. An seiner Vorderseite ist das Lineal 81
mit einem Glaseinsatz 82 versehen (s. auch Fig. 4.).
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Die Betätigung und Wirkungsweise des Gerätes ist folgende: Es wird
vorerst auf beliebige Weise die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Zieles
ermittelt. Durch Drehen am Einstellknopf des Regelwiderstandes 15 wird sodann das
Stahlband i i auf die Geschwindigkeit v gebracht. Über die Welle 38 wird der anderweitig
ermittelte Kurswinkel y des Zieles gegen die Nullinie in das Differentialgetriebe
hineingesteuert. Über die mit dem Beobachtungsgerät in geeigneter Weise, mechanisch,
elektrisch oder in beliebiger anderer Weise, verbundenen Wellen 62 und 37 werden
die Winkel ao und 130 in das Differentialgetriebe hineingesteuert. Es wird
somit der die Nachbildung des Zielstrahles darstellende Arm 72 in eine Lage
gebracht, die den Höhenwinkel a. gegenüber der Waage-' rechten und den Seitenwinkel
y-3() gegenüber der Stahlbandebene aufweist. Es werden somit die räumlichen Verhältnisse
im Gerät ähnlich nachgebildet. Gleichzeitig mit der Verschwenkung des Bügels 75
-wird das aufgekeilte Lineal 8 i, das die Nachbildung der Projektion F'Z darstellt,
verschwenkt. Werden nun, -wie in Fig. q. dargestellt, in in beliebigen Zeitabständen
aufeinanderfolgenden Zeitpunkten entlang der Vorderseite des Lineals 81 Striche
auf das Stahlband i i gezogen, so schneiden sich diese Striche oben in einem einzigen
Punkt, und es gibt der lotrechte Abstand dieses Punktes von dem Drehpunkt des Lineals
im reduzierten Maßstab unmittelbar die Höhe k des Zieles Z über dem Beobachtungsort
O an.
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Die gezeichneten Linien sind, da sich die Zeichen-Räche während ihrer
Entstehung ebenso wie die Linealkante weiterbewegt, in Wirklichkeit gar keine Geraden,
was aber keinen auch nur theoretischen Fehler zur Folge hat, da der Ort Z des Momentanzentrums
der Relativbewegung vollkommen unabhängig von der zeitlichen Aufeinanderfolge und
der Gestalt der Striche ist.
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In Wirklichkeit entsteht insbesondere bei der ungenauen akustischen
Verfolgung des Zieles an Stelle des Punktes Z ein Fehlervieleck um ihn, durch dessen
Schwerpunkt die gesuchte Höhe mehr oder weniger genau bestimmt ist und durch Schätzung
ermittelt werden kann. .
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Soll mittels des Gerätes selbst der Kurs ermiftelt werden, so muß
sein zweiter senkrecht zum ersten verschwenkbarer Bügel vorgesehen sein und so lange
verstellt werden, bis die Ebene des zweiten.Bügels iu@beweglich stehenbleibt.
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An Stelle der Bleistiftstriche können beispielsweise optisch auf einer
phosphoreszierenden Fläche Marken erzeugt werden. Auch kann an Stelle eines Lineals
beispielsweise eine gefärbte Schnur verwendet werden, die in den Meßzeitpunkten
mit dem Band in Berührung gebracht wird. Es können auch noch beliebige Einrichtungen
zum Auslöschen der erzeugten Marken vorgesehen werden.
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Verzichtet man darauf, das Beobachtungsgerät nach einer beliebig vorbestimmten
Nullrichtung zu orientieren und nimmt man anstatt dessen eine zu der Zielbewegung
parallele Richtung als Nullinie an, so kann die Welle y und das Differentialgetriebe
zwischen den Wellen 37 und 38 entfallen, da dann für diesen Fall immer Y = O ist.
Es kann auch das Doppeldifferentialgetriebe entfallen, wenn man darauf verzichtet,
die Wellen 37 und 62 fest am Rahmen i zu lagern. Bringt man diese Wellen in feste
Beziehung zu der Scheibe 58 bzw. dem Arm 72 und sieht eine bewegliche Übertragung
von dem Rahmen i auf diese beiden Wellen vor; entweder mechanisch oder elektrisch,
so wird nur ein einfaches oder gar kein Differentialgetriebe erforderlich. Bei elektrischer
Übertragung kann beispielsweise Schleifringübertragung vorgesehen -werden. Es ist
aber anstatt dessen auch möglich, die Scheibe 58 oder auch den Arm
72
im Raum stillstehen zu lassen und anstatt dessen -den ganzen Rahmen i mit dem Aufzeichnungsband
2 um den Mittelpunkt des Armes 72 drehbar zu machen. Wesentlich ist nur, daß der
Arm 72 die den Verhältnissen im Raum entsprechende Relativlage gegenüber dem Band
2 annehmen kann. Das Ausführungsbeispiel mit dem Doppeldifferentialgetriebe hat
aber den Vorteil, daß die Nullrichtung beliebig gewählt werden kann, das ganze Gerät
feststeht und irgendwelche Schleifringübertragungen o. dgl. wegfallen.
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Es ist auch nichterforderlich, daß das zur Aufzeichnung dienende Band
ein endloses ist; es kann ebensogut ein auswechselbares Band vorgesehen werden,
das sich von der einen Walze auf die andere abwickelt. Weiter ist es nicht erforderlich,
daß die Ebene des Bandes senkrecht auf die waagerechte Bezugsebene steht. Die Ebene
des Bandes kann auch einen konstanten Winkel mit der waagerechten Ebene einschließen,
es ist dann bloß h in einem anderen Maßstab zu messen.
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Selbstverständlich braucht aber dieses Gerät selbst nicht so zu liegen,
daß die Bezugsebenen waagerecht und lotrecht stehen. Die räumliche Lage des Gerätes
selbst ist vollkommen gleichgültig.