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Selbsttätige Höhensteuerung für Luftfahrzeuge, insbesondere Flugzeuge
Die Regelvorri -htung zum Einhalten gewünschter Flughöhen :bei Flugzeugen wird durch
einen Höhenmesser, an welchem die einzuhaltende Flughöhe eingestellt wird, so beeinflußt,
daß das die Höhenlage bestimmende Regelorgan beispielsweise für den Antrieb des
Luftfahrzeuges gewöhnlich proportional der Abweichung des Flugzeuges von der am
Höhenmesser eingestellten Flughöhe selbsttätig verstellt wird. In der Rückführung
der durch den Höhenmesser betätigten Schaltvorrichtung für .den Regelmotor ist jedoch
noch ein nachgiebiges unelastisches Dämpfungsglied eingeschaltet, dessen Zweck darin
besteht, die Nullage in der durch den Höhenmesser auf das Regelorgan des Flugzeuges
ausgeübten Steuerung mehr oder minder zu verschieben, wenn beispielsweise der Flugzeugmotor
zu stark oder zu schwach eingestellt ist. Diese nachgiebige Rückführung wird, solange
das Luftfahrzeug von der innezuhaltenden Flughöhe nur wenig abweicht, nicht oder
doch nur sehr wenig verstellt.
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Die Regelvorrichtung ist jedoch für .die gedämpfte Einführung eines
Luftfahrzeuges in eine neue von der bisherigen wesentlich abweichenden Höhenlage
nicht geeignet. Dies ist einerseits darin begründet, daß der als Steuergerät dienende
Höhenmesser, z. B. das Statoskop, um die jeweils an ihm eingestellte Flughöhe nur
einen kleinen Zeigerausschlagbereich hat, und ferner darin, daß die nachgiebige
Dämpfun.gsdose, welche in der Rückführung eingeschaltet ist, bei länger dauernden
einseitigen Ausschlägen des Höhenmessers, die insbesondere beim Einschwenken in
eine neue Höhenlage vorkommen, eine so große Phasenverschiebung zwischen den Ausschlägen
des Höhenmessers und der Verstellung des Regelorgans für die Zugkraft des Luftfahrzeuges
bewirkt, daß diese Zugkraft beim Erreichen der neuen Höhenlage viel zu groß (beim
Steigen) oder viel zu klein (beim Sinken) ist.
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Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen. Gemäß der Erfindung
wird die in der Rückführung eingeschaltete nachgiebige Dämpfungsvorrichtung starr
gemacht, sobald der Höhenmesser eine bestimmte Ab= weichung von der Sollhöhe angibt,
was beispielsweise durch eine elektromagnetische Feststellvorrichtung geschehen
kann, die durch Endschalter an der Skala des Höhenzeigers betätigt wird. Dadurch
wird erreicht, daß die unelastische Dämpfungseinrichtung nur innerhalb eines geringen
Höhenbereichs, nämlich nur innerhalb des ganzen oder teilweisen Skalenbereichs des
Höhenmessers, die erwünschte nachgiebige Wirkung hat. Infolgedessen ist das Überschwingen,
das .durch die nunmehr innerhalb eines engen Höhenbereiches nachgiebige Rückführungsvorrichtung
bedingt ist, nur noch sehr gering gegenüber
der Wirkung, welche
die nachgiebige Rückführungseinrichtung auslösen würde, wenn sie während der ganzen
Zeit des Einschwenkens des Flugzeuges von einer Höhenlage in die andere wirksam
wäre. Um das Ueberschwingen vollständig zu unterdrücken, ist ferner gemäß der Erfindung
in das Rückführungsgestänge für die Schalteinrichtung der das Regelorgan des Flugzeugantriebs
einstellenden Vorrichtung noch eine weitere Einrichtung in Form einer Dämpfungs.dose
eingeschaltet, die mit einer elastischen Fesselung versehen ist und bezweckt, beim
Ausschwingen des Höhenmessers die Verstellung des Regelorgans für die Zugkraft proportional
der Rückführgeschwindigkeit zusätzlich zu vergrößern 'und beim Rückgang des Höhenmessers
die Verstellung ,dieses Regelorgans proportional der Rückführgeschwindigkeit zu
verringern.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung, die sich insbesondere noch auf
eine zweckmäßige mechanische Ausbildung der nachgiebigen Dämpfungsvorrichtung beziehen,
sind im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.
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In Fig. i ist neben :der ersten Dämpfungsvorrchtung eine zweite Dämpfungsvorrichtung
und eine Verblockungseinrichtung für die erste Dämpfungsvorrichtung vorgesehen.
Von dieser ersteren Dämpfungsvorrichtung ist in Fig ia ein Querschnitt gezeigt.
Fig. 2 zeigt die schematische Anordnung einer abgeänderten Ausführungsform, bei
der statt einer nachgiebigen hydraulischen Rückführungsvorrichtung eine Reibradgetriebeanordnung
vorgesehen ist.
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In Fig. i ist mit i der Zeiger eines nicht dargestellten Höhenmessers,
z. B. eines Aneroidbarometers oder Statoskops bezeichnet, welcher über der Kontaktreihe
2 spielt. An dem Höhenmesser wird z. B. durch Vorspannen der Membran des Aneroi.dbarometers
die von dem Luftfahrzeug einzuhaltende Höhe eingestellt. Da der Zeiger nur gering
belastbar ist, wird seine Stellung durch eine Hilfskraft in Form eines Fallbügels
3 abgegriffen, der den Zeiger i in regelmäßigen Zeitabschnitten auf die Kontaktreihe
2 drückt und ihn nach kurzer Zeit wieder freigibt. Die Betätigung des Fallbügels
kann durch einen Elektromagneten q. erfolgen, dessen Stromkreis über einen Zeitschalter
5, der beispielsweise durch einen Motor konstanter Geschwindigkeit-oder ein Uhrwerk
angetrieben wird, geführt ist.
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Jeder der Kontakte .der Reihe 2 ist mit einer Schleifbürste eines
Schleifbürstensatzes 6 verbunden. Die Schleifbürsten, die in einem ortsfesten Ring
7 gelagert sind, gleiten auf einer Scheibe 8, auf welcher zwei fast halb ringförmige
Metallringe g aufgebracht sind. Zwischen den Metallbelägen 9 sind zwei Isolierstellen
io vorgesehen. Weiter gleiten auf der Scheiibe 8 noch zwei ebenfalls in dem Ring
7 gelagerte Schleifbürsten i i, welche mittels Leitungen 12 zu je einem Relais
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geführt sind, über .dessen Kontakte 1q. der Ankerstromkreis eines Motors
15 mit Betriebsstromquelle 15' geschlossen wird. Der Motor 15 treibt über
das Schneckengetriebe 16,17 die Welle 18, Rutschkupplung i9, und Hebel 20 den Hebel
21 zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu den oder dem Antriebsmotor des Luftfahrzeuges
an. Infolge Zwischenschaltung der Rutschkupplung i9 ist jederzeit eine ungehinderte
Handeinstellung des Hebels 21 durch den Flugzeugführer möglich. Auf der Welle 18
ist ferner das Stirnsegment 26 befestigt, welches mit .dem das Flügelrad einer hydraulischen
Dämpfungsvorrichtung 27 antreibenden Kitzel 28 kämmt. Das Gehäuse der Dämpfungsvorrichtung
27 steht nicht fest, sondern ist drehbar und gibt seine Drehbewegung mittels Welle
29 an .das Flügelrad der Dämpfungseinrichtung 22 weiter. Die Dämpfungsvorrichtung
22 leitet die zugeleitete Bewegung fast unvermindert über die Kupplung 23 und den
auf der Achse 25 angeordneten, entgegen der Kraft einer Feder 2¢ verstellbaren Arm
an die Scheibe 8 weiter. Solange der Zeiger i sich über der Kontaktreihe 2 befindet,
sind die Drosselkanäle der Dämpfungsvorrichtung 22 geöffnet. Sobald jedoch der Zeiger
i seinen Maximalausschlag erhält und dabei den Kontakt 30 oder 3ö berührt, wird,der
Elektromagnet 31 eingeschaltet, der, wie aus Fig. ia ersichtlich ist, mittels eines
an seinem Anker angeordneten Schiebers die Drosselkanäle der Dämpfungsvorrichtung
22 schließt, so daß das Flügelrad sich innerhalb des Gehäuses dieser Dämpfungsvorrichtung
nicht mehr verstellen kann, die Dämpfungsvorrichtung also vollkommen starr ist.
Die Dämpfung der Vorrichtung 26 bis 28 ist verhältnismäßig gering, so daß das Flügelrad
sich innerhalb des Gehäuses 27 leicht verstellen kann, solange die Geschwindigkeit
der über die Dämpfungsvorrichtung geleiteten Rückführbewegung nur klein ist. In
diesem Falle wird die Feder 33, welche das Gehäuse der Dämpfungsvorrichtung stets
im entgegengesetzten Sinn zu drehen sucht, wie das Flügelrad das Gehäuse, die Welle
29 verdrehen. Diese Drehbewegung ist, weil die Feder 33 ungefähr an dem halben Hebelarm
des Stirnradsegmentes 26 angreift, kleiner als jene Drehbewegung, die bei raschen
Verdrehungen des Stirnradsegmentes 26 .durch das dann fast unnachgiebig in dem Gehäuse
sich drehende Flügelrad auf die Welle 29 weitergeleitet wird, da das Flügelrad vorn
äußeren Umfang
des Stirnra.dsegmentes 26, also vom Ende des Hebelarms
dieses Stirnrads.egmentes aus verstellt wird. Die Wirkungsweise dieser Dämpfungseinrichtung
27 ist insbesondere infolge ihrer Verstellung von zwei verschieden langen Hebelarmen
aus also derart, daß sie bei raschen Nachfülirbewegungen fast-als starres Glied
wirkt, bei langsamen Nachführbewegungen jedoch nur einen Teil der NaC.hführbe@Vegung
an die Welle 29 überträgt.
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Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Vorrichtung sei kurz für
den Fall erläutert, daß das Flugzeug in eine neue Höhenlage, beispielsweise von
looo in auf 2000 m geführt werden soll. Sobald der Flugzeugführer am Höhenmesser
.die neue Höhenlage von 2ooo m eingestellt hat, sucht der Zeiger i nach einer Richtung,
um einen der Höhenänderung von iooo in entsprechenden Betrag auszuschlagen. Da die
Länge der Kontaktreihe 2 jedoch nur einem Höhenunterschied von etwa 5o m nach jeder
Seite entspricht, gelangt der Zeiger i sofort gegen die Kontaktanschläge am Ende
der Kontaktreihe 2, beispielsweise gegen den Kontakt 30, wodurch die Nachgiebigkeit
der Dämpfungsvorrichtung 22 aufgehoben wird. Der Zeiger i bleibt so lange in seiner
Endstellung, d. h. auf dem unmittelbar vor dem Endkontakt 30 liegenden Segment der
Kontaktbahn 2 stehen, bis das Flugzeug die Höhe 195o m erreicht hat. Zu Beginn des
Vorganges wird vermittels der Schleifbürstenanordnung 6 bis io der Motor 15 absatzweise
in solchem Sinne eingeschaltet, daß er den Steuerhebel 21 für die Brennstoffzufuhr
zum Flugzeugantriebsmotor im Sinne einer Erhöhung der Zugkraft verstellt. In dem
zwischen dem Motor 15 und der Schleifringanordnung liegenden Rückführgetriebe für
.die Scheibe 8 ist, wie bereits erwähnt, die Dämpfungseinrichtung 22 starr; dagegen
vermag die Dämpfungsanordnung 27 einen bestimmten durch die Spannkraft der Feder
33 gegebenen Bewegungsbetrag des Motors 15 aufzuspeichern, was praktisch darauf
hinausläuft, daß der Motor 15 den Gashebel2i in dem Augenblick, wo beim Erreichen
der Flughöhe von 195o m der Zeiger i sich von dem Kontakt 30 löst, weiter ausgelegt
hat, als dies ohne die Dämpfungseinrichtung 27 der Fall gewesen wäre. Sobald nunmehr
infolge Zurückwanderns des Zeigers i die vom Motor 15 auf den Gashebel übertragene
Bewegung rückläufig wird, wird die Dämpfungsvorrichtung 27 sehr schnell zurückgedreht,
so daß sie fast völlig starr wirkt. Infolgedessen ist der Betrag der Rückverstellung
des Gashebels 21 größer, als es der Rückverstellung des Zeigers i entspricht. Es
wird also innerhalb der Zeit, in welcher der Zeiger i von ,dem Kontakt 3o aus in
seine gezeichnete Mittelstellung gelangt, der Antriebsmotor des Flugzeuges sehr
stark gedrosselt.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 stimmt in ihrer Wirkungsweise grundsätzlich
mit derjenigen nach Fig. i überein; jedoch ist die Dämpfungseinrichtung 22 der Fig.
i durch ein Reilrradgetriebe ersetzt, welches ebenfalls eine Phasenverschiebung
zwischen der Bewegung des vom Höhenmesser eingestellten Zeigers i und dem die Gaszufuhr
zum Antriebsmotor regelnden Hebel 21 ermöglicht, zu dem Zweck, die Zugkraft des
Motors der jeweiligen Höhenlage oder sonstigen Einflüssen, z. B. Luftfeuchtigkeit,
Temperatur o. dgl., unabhängig von dem Ausschlag des Höheniriessers anpassen zu
können. Die Dämpfungsvorrichtung 27 ist durch einen entsprechenden hydraulischen
Dämpfungszylinder ersetzt. Der Zeiger i des Höhenmessers wird wiederum durch einen
vom Elektromagneten q. zeitweilig betätigten Fallbügel 3 auf die Kontaktreihe 2
gedrückt, welche ebenso wie in Fig. i an eine Schleifkontaktanordnung angeschlossen
ist, deren Bürsten 6' feststehen und deren Kontaktbahnen 8' und 8" relativ zu den
Bürsten verschiebbar sind. An .die Kontaktbahnen 8' und 8" ist unmittelbar der Motor
15 angeschlossen, wobei der Stromkreis des Motors von der Batterie 15' aus über
den Zeiger i und die Kontaktreihe 2 geführt ist. Der Motor 15 stellt vermittels
des Schneckengetriebes 16, 17 und des auf der Achse des Schneckenrades 17 befestigten
Kurbelarmes 2o wiederum den Gashebel 21 ein und bewirkt gleichzeitig vermittels
des ebenfalls auf der Achse des Schneckenrades befestigten Hebels 3q., Dämpfungsvorrichtung
35, Stange 3.6, Schraubenmutter 37 und Spindel 38 die Nachstellung der an dieser
Spindel 38 befestigten Kontaktbahnen 8' und 8". Die Mutter 37, welche mit der Stange
36 verschraubt werden kann, trägt das Reibrad 39. Die Reibscheibe 43 wird über Kegelräder
44 von dein mit unveränderlicher Drehzahl umlaufenden Motor 45 angetrieben. Der
Motor 45 treibt gleichzeitig mittels Schneckengetriebesq.6 den Zeitschalter 5 für
den Elektromagneten q. des Fallbügels an.
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Solange das Flugzeug nur kleine Pendelbewegungen um die am Höhenmesser
eingestellte Flughöhe ausführt, schlägt der Zeiger i gegenüber der Kontaktbahn 2
nur um kleine Beträge aus. Dies hat zur Folge, daß der Motor 15 den Gashebel 21
entsprechend nach der einen oder anderen Seite verstellt, so daß die Zugkraft des
Flugzeugmotors etwas vergrößert oder etwas verkleinert wird. Dabei wird die Dämpfungsvorrichtung
35 bei raschen Rückführbewegungen ungefähr als starres Glied wirken, so daß der
Kolben 35' im Zylinder 35 in seiner Mittelstellung verbleibt.
Wenn
jedoch der Arm 34 längere Zeit ausgelenkt steht oder nur langsam verstellt wird,
wird der Arm 34' vermittels der Federn 35" den Zylinder 35' relativ zu seinem mit
dem Ende des Hebelarmes 34 starr verbundenen Kolben vor- oder zurückschieben, was
eine entsprechende Verkürzung oder Verlängerung des Nachdrehgetriebes bedeutet.
Dadurch wird erreicht, daß die Verstellung des Hebels 21 und damit die Anpassung
der Zugkraft des Flugzeugmotors an die einzuregelnde Höhenlage in deren Nähe so
erfolgt, daß ein Überschwingen nicht eintrifft. Die Wirkungsweise der Dämpfungseinrichtung
35 stimmt also mit derjenigen der Dämpfungsenrichtung 27 gemäß Fig. i überein.
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Bei der in der einen oder anderen Richtung erfolgenden Verschiebung
der Stange 36 und Mutter 37 wird auch das von dieser Mutter getragene Reibrad 39
relativ zu der Reibscheibe 4o ungleichachsig verschoben. Dadurch erhält das Reibrad
39 von der mit gleichbleibender Geschwindigkeit umlaufenden Reibscheibe 40 eine
seiner ungleichachsigen Verschiebung entsprechende Drehzahl, welche der Mutter 37
mitgeteilt wird, so daß diese sich auf der Spindel 38 nach links oder rechts verschraubt.
Die Drehzahl der Reibscheibe 4o und das Übersetzungsverhältnis des Reibradgetriebes
39, 40 sind so gewählt, daß die Mutter 37 auf der Spindel 38 unmerklich hin und
her verschoben wird, solange die ungleichachsige Verschiebung des Rades 39 relativ
zur Reibscheibe 4o nur klein und nur von geringer Dauer ist. Sobald jedoch zum Einhalten
der am Höhenmesser eingestellten Flughöhe eine größere Änderung der Motorzugkraft
erforderlich ist, wird der Zeiger i längere Zeit hindurch nach derselben Seite ausschlagen,
so daß der Motor 15 den Hebel 21 uni einen größeren Betrag verstellt. Dabei wird
auch -die durch den Arm 34 bewirkte Verschiebung .der Stange 36 und .der Kontaktbahnen
8' und 8" einen größeren Betrag annehmen, so daß das Reibrad 39 längere Zeit hindurch
um einen größeren Betrag in einer Richtung ungleichachsig verschoben steht. Nunmehr
wird die von der Reibscheibe 40 auf die Mutter 37 übertragene Drehbewegung eine
entsprechende Verkürzung oder Verlängerung des Abstandes zwischen der Spindel 38
und der Stange 36 herbeiführen, und zwar so lange, bis durch die Verschraubung der
Mutter 37 auf der Spindel 38 das Reibrad 39 wieder in das Zentrum der Reibscheibe
4o gelangt und dann stillsteht.
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Um bei großen Ausschlägen Lies Zeigers i, die insbesondere beim Einstellen
einer neuen Flughöhe am Höhenmesser auftreten, ein Übersteuern der neuen Flughöhe
zu vermeiden, ist auch in der Einrichtung nach Fig. 2 Vorsorge dafür getroffen,
daß die nachgiebige Einrichtung 36 bis 4o abgeschaltet werden kann. Zu diesem Zweck
ist .der Durchmesser der Reibradscheibe 40 so klein .gewählt, daß das Reibrad 39
bei größeren Verstellungen der Stange 36 über den Rand der Scheibe 40
hinaus
gelangt und somit nicht länger angetrieben wird.
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Auf der Achse des Schneckenrades 17 und fest verbunden mit dem den
Gashebel 21 einstellenden Arm 2o ist ein Kontaktarm 47 vorgesehen, der bei Ausschlägen
über einen gewissen Betrag feststehend angeordnete Kontakte 48 und 49 betätigt,
an welche eine am Führersitz vorgesehene Anzeige- oder Signaleinrichtung angeschlossen
ist, die dem Flugzeugführer die Stellung der Gasdrosselregelung angibt.
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Die Kontakte 48 und 49 werden in ihrer Lage zum Gashebel einmal so
eingestellt, daß sich für einen bestimmten Flugzustand eine günstige relative Stellung
von Gashebel und Steuereinrichtung bezüglich der Steuermöglichkeiten ergibt. Eine
Abweichung von dieser Stellung wird dem Flugzeugführer durch die Signaleinrichtung
(beispielsweise Glühlampen) angezeigt. Er muß daher vor Einschalten des Reglergerätes
darauf achten, daß keine der Signallampen leuchtet, und wenn dies doch der Fall
ist, muß er den Gashebel so verstellen, daß die Lampen erlöschen.