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Höhensteuerung für Flugzeuge Die Erfindung betrifft eine Sicherung
gegen solche zu großen oder zu schnellen Ausschläge des Höhenruders bei handbetätigten
Höhensteuerungen, die bei größeren Fluggeschwindigkeiten Beanspruchungen, besonders
des Flügels, zur Folge haben, die über das zulässige Lastvielfache hinausgehen.
Die heutigen Flugzeuge sind so schnell, daß auch ein erfahrener Flugzeugführer nicht
wissen kann, wie schnell und mit welchen Höhenruderausschlägen er das Flugzeug z.
B. aus dem steilen Gleitflug oder aus dem Sturzflug abfangen darf. Ein genügend
hohes Lastvielfaches für sehr schnelle Flugzeuge ist infolge der damit verbundenen
Steigerung der Baugewichte nicht erreichbar. Andererseits soll aber mit Rücksicht
auf beste Manövrierfähigkeit der größte und schnellmöglichste Ruderausschlag verwendet
werden können.
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Zur Vermeidung unzulässiger Höhenruderausschläge ist schon eine Anzahl
von Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Die einen schieben Bremsflächen aus dem
Flügel, Rumpf usw. heraus oder verschlechtern die Strömung auf andere Weise, um
gefährliche Geschwindigkeiten zu verhindern, was natürlich für Schnellflugzeuge
nicht in Frage kommen kann, da sie dann ihrer Aufgabe nicht gewachsen wären. Nach
einem anderen Vorschlag werden durch den Staudruck gesteuerte Anschläge gegen den
Steuerknüppel vorgeschoben, durch die größere Steuerknüppelausschläge unmöglich
gemacht werden; abgesehen von der konstruktiv schwierigen Ausführung ist eine solche
Vorrichtung unzuverlässig, da ein großer Höhenruderausschlag bei geringerer als
der vorgesehenen Fluggeschwindigkeit ebenso gefährlich ist wie ein kleiner Ausschlag
bei hoher Geschwindigkeit, und außerdem leidet unter solchen Maßnahmen die Manövrierfähigkeit
sehr. Auch wurde vorgeschlagen, Bremsflächen mit der .Steuersäule zu verbinden,
die durch den Steuerausschlag in den Flugwind geschwenkt werden und daher bei steigender
Fluggeschwindigkeit mit immer größerer Kraft der Hand des Flugzeugführers entgegenwirken,
so daß die Muskelkraft nicht mehr ausreichen soll, einen unzulässigen Ruderausschlag
auszuführen. Dieser Vorschlag hat die bei jedem Flieger verschiedene Muskelkraft
zur Grundlage und kann schon deshalb nicht zum Ziele führen. Dasselbe gilt für eine
ebenfalls bekannte Vorrichtung, bei der ein Dämpfungszylinder bei einer bestimmten
Fluggeschwindigkeit stark gedrosselt wird und dadurch das Steuern erschwert. Die
außerdem noch bekanntgewordenen, bei zu großer Landegeschwindigkeit selbsttätig
wirkenden Rückholvorrichtungen von Landeklappen kommen ebenfalls als Abfangsicherung
nicht in Frage, da man mit Landeklappen nicht abfangen kann.
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Alle diese Maßnahmen und Vorrichtungen sind also untauglich, da nicht
die Fluggeschwindigkeit
allein, sondern auch die Größe des Ruderausschlages
für die Überschreitung der zulässigen Beschleunigung von größter Bedeutung ist.
Es wurde daher auch schon vorgeschlagen, in das Rudergeschirr eine insbesondere
unter verstellbarer Vorspannung stehende Feder einzuschalten und zu diesem Zweck
den zur Betätigung des Höhenruders dienenden Knüppel in der Weise nachgiebig auszubilden,
daß sein freies oberes Ende am unteren Teil des Knüppels gelenkig befestigt und
beide Teile durch eine Feder in gestreckter Lage aufeinandergehalten werden. Infolgedessen
kann der obere Teil des Steuerknüppels abknicken, wenn die an seinem oberen Ende
wirkende Handkraft bzw. die auf das Höhenruder wirkenden Luftkräfte ein gewisses
Maß überschreiten. Da beim Abknicken des Knüppels ein weiterer Ausschlag des Höhenruders
nicht oder nur beschränkt möglich sein soll, wäre damit eine Sicherung gegen zu
scharfes Abfangen des Flugzeuges gegeben.
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Diese bekanntgewordene Einrichtung hat aber noch einen besonders unter
ungünstigen Sichtverhältnissen sich auswirkenden Nachteil: Sie gestattet keine plötzlichen
starken Ruderausschlage, die häufig bei unerwartet auftretenden Hindernissen, z.
B. beim Durchstoßen der Wolken, beim Landen usw.; erforderlich werden.. Gleichwohl
sind diese plötzlichen starken Ruderausschläge auch ohne Gefährdung der Flügel zulässig.
Denn nach amerikanischen Untersuchungen, die besonders in NACA-Report Nr.364 von
R. V. Rohde behandelt sind, treten die für den Flügel gefährlichen Beschleunigungen
immer erst wesentlich später auf als die sie verursachenden Ruderausschläge; man
kann darum kurzzeitig, d. h. z:. B. Bruchteile von Sekunden, zum Überfliegen plötzlich
auftretender Hindernisse größere Ruderausschläge herbeiführen, wenn nachher sofort
gegengesteuert wird.
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Erfindungsgemäß wird demnach eine Vorrichtung vorgeschlagen, deren
elastisches Glied von einer Kataraktvorrichtung überbrückt wird, die schnelle Bewegungen
wie ein starres Gestänge überträgt. Das elastische Zwischenglied wird hierdurch
für schnelle Bewegungen ausgeschaltet: In der Kataraktvorrichtung wirkt; wie üblich,
vorzugsweise 01, das durch kleine Öffnungen im Kolben oder Zylinder einer
aus Kolben und Zylinder bestehenden Einrichtung hindurchdringt, wenn Kolben und
Zylinder gegeneinander verschoben werden. Solche Katarakte sind als Dämpfungen bei
Steuerungen bekannt; der Zylinder ist aber bei diesen bekannten Anordnungen im Flugzeug
fest eingebaut, und der Kolben kann nur mit geringer Geschwindigkeit bewegt werden,
so daß die Vorrichtung als reine Dämpfung wirkt und es dem Flugzeugführer unmöglich
ist, eine schnelle Steuerbewegung auszuführen. Nach der Erfindung aber ist beispielsweise
an der vom Steuerknüppel kommenden Stoßstange der Kolben, an der zum Ruder führenden
Stoßstange dagegen der Zylinder angeordnet: Macht der Flugzeugführer eine schnelle
Steuerbewegung, dann macht das Ruder diese stoßartige Bewegung zunächst mit; die
Einrichtung wirkt also zunächst nicht als Däpfung; sondern als Kupplung für eine
sehne e Bewegung des Steuerhebels: Der Flugzeugführer ist darum imstande, plötzliche
Steuerbewegungen auf das Ruder zu übertragen. Der Ausschlag des Ruders vermindert
sich aber durch die Einwirkung der Ruderkraft unter Spannen des elastischen Zwischengliedes
im Steuergestänge sofort, weil die Öffnungen durch den Kolben oder Zylinder die
Dämpfungsflüssigkeit durchlassen.
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Die Dämpfung kann außerdem selbsttätig, z. B. in bekannter Weise abhängig
vom Staudruck, regelbar gemacht werden. Die Regelung durch den Staudruck kann so
erfolgen, daß der auf eine Membrane wirkende Staudruck das Drosselventil mehr oder
weniger öffnet.
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Das elastische Zwischenglied kann aus zwei oder mehreren hintereinander
oder als Gegenfedern geschalteten verschiedenen Federn bestehen, so daß eine stufenweise
sich ändernde Kraft-Weg-Kennhnie des gesamten elastischen Zwischengliedes zustande
kommt, oder es kann durch regelbare Drosselöffnungen der Dämpfungsvorrichtung eine
sich stetig ändernde Kennlinie erhalten. Die Nachgiebigkeit des elastischen Zwischengliedes,
d. h. die Dämpfung oder die Vorspännung der Feder bzw. Federn, kann darüber hinaus
in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit, z. B. durch den Staudruck, oder der
auf das Höhenruder wirkenden Luft-: kraft selbsttätig geregelt werden. Die Regelung
durch den Staudruck kann so erfolgen, daß der auf eine Membran wirkende Staudruck
das Drosselventil der Dämpfungsvörrichtung mehr oder weniger öffnet. Das elastische
Zwischenglied wird vorzugsweise in die zur Übertragung der Knüppelbewegung auf das
Höhenruder dienenden Steuerzüge eingebaut. Der Einbau kann aber auch an der Steuersäule,
am Ruder; an einem Kniehebel oder einem beliebigen anderen Teil der Steuerung erfolgen.
Die Ausführungen nach den Unteransprüchen sind erfinderisch nur in Verbindung mit
der Vorrichtung nach dem Hauptanspruch.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Die Abb. und 2 zeigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abfangsicherung mit
Öldämpfung, wobei die Federn mit oder ohne Vorspannung eingebaut sein können; die
Abb. 3 zeigt eine Abfangsicherung mit vorgespannter Feder; Öldämpfung und selbsttätiger
Drosselvorrichtung. Diese Ausführungen sind hauptsächlich für die Einschaltung in
das Steuergestänge vorgesehen. Abb. 4 ist ein Federdiagramm, das die Wirkungsweise
des
elastischen Gliedes nach Abb. 3 mit nichtvorgespannter und vorgespannter Feder darstellt.
Die Abb. 5 und 6 geben Beispiele dafür, däß die Abfangsicherung gemäß der Erfindung
nicht nur an geraden Stellen des Steuergestänges, sondern auch an Umlenkstellen
verwendbar ist.
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In den Abbildungen ist mit a die mit dem Steuerknüppel unmittelbar
oder mittelbar durch Gestänge oder Seile verbundene Seite der Vorrichtung, mit b
der ruderseitige Teil der Vorrichtung bezeichnet. Nach Abb. x trägt die steuerknüppelseitige
Stoßstange a einen Kolben c und einen Fortsatz a'. Der Kolben c bewegt sich in einem
Zylinder d, dessen ruderseitiges, zapfenartig ausgebildetes Ende b mittelbar oder
unmittelbar mit dem Ruder verbunden ist. Der Kolben c ist mit Drosselöffnungen el
versehen, durch die 01 bei der Verschiebung des Kolbens von der einen Zylinderseite
zur anderen fließt. Der Stoßstangenfortsatz a', dessen Ende im Raum h der
zapfenartigen Verlängerung b des Zylinders e geführt ist, bewirkt, daß die
Menge der Dämpfungsflüssigkeit auf beiden Seiten gleich groß ist. Es besteht jedoch
auch die Möglichkeit, die Zylinderquerschnitte auf beiden Seiten des Kolbens c durch
Weglassen, Vergrößern oder Verkleinern des Fortsatzes ä verschieden zu machen, wenn
eine zusammendrückbare Flüssigkeit verwendet wird. Die im Zylinderraum h befindliche
Luft kann nach außen entweichen. Die Bewegung des Kolbens erfolgt nach beiden Richtungen
entgegen der Federkraft der auf der Kolbenstange a bzw. a' angeordneten
Wickelfedern f, die sich einerseits gegen den Kolben, andererseits gegen die Stirnwände
des Zylinders d stützen. Die Federn f werden zweckmäßig vorgespannt, können gegebenenfalls
aber auch ohne Verspannung angeordnet werden. .
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Die Abb. 2 entspricht im großen und ganzen der Ausführung nach Abb.
i, doch befinden sich die Drosselöffnungen e in der Zylinderwandung; außerdem sind
regelbare Drosselventile g vorhanden, die eine Veränderung der möglichen Steuergeschwindigkeit
zulassen.
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Die Abb. 3 entspricht in vielen Punkten der Abb. i, jedoch ist die
Feder f außerhalb des Zylinders angebracht und vorgespannt. Außerdem ist im Zylinder
ein Dorn m vorhanden, der die Drosselöffnung e bei geringerer Spannung der Feder
f viel kleiner sein läßt als bei stark gespannter Feder. Die Anordnung und Wirkungsweise
der Feder ist folgende: Der Zylinder besitzt zwei Anschlägen, während von der Stoßstange
a aus ein Bügel o mit zwei Anschlägen zwischen den Anschlägen n hindurchgreift.
Bei jeder Bewegung der Stoßstange a drückt ein Anschlag p die Feder f zusammen,
wobei diese sich gegen den gegenüberliegenden Anschlag n des Zylinders auf der Ruderstoßstangenseite
b stützt. In der Abb. q. ist an Hand zweier Kraft-Weg-Kennlinien gezeigt, daß sich
bei nichtvorgespannter Feder f der Federweg w bei jeder auf die Feder wirkenden
Kraft verändert, während bei der vorgespannten Feder (gestrichelter Linienzug) im
Bereich von -f- K' bis - K' keine Veränderung der Federlänge und damit des Federweges
eintritt; d. h. das Steuergestänge ist nur bei solchen Kräften, die über -f- K'
oder unter - K' liegen, nachgiebig, während im Bereich von + K' bis - K' eine Übertragung
der Steuerknüppelbewegung auf die Bewegung der Ruderstoßstange stattfindet, die
dem üblichen starren Steuergestänge entspricht.
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Nach Abb. 5 ist das erfindungsgemäße Zwischenglied zwischen die beiden
Teile s1 und s2 eines Winkelhebels eingesetzt. Bei der Ausführung nach Abb. 6 dagegen
ist ein Umlenkhebel selbst als nachgiebiges und gedämpftes Glied ausgeführt, so
daß die vom Steuerknüppel kommende Kraft durch dieses Glied aufgenorrmmen wird,
ohne daß sich unter Umständen das Ruder zu bewegen braucht.
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Die erwähnte Verspannung der Feder kann nicht nur willkürlich veränderlich
sein, damit man den Bereich + K' bis - K' nach Abb. q. der Größe und dem Zweck der
Maschine anpassen kann, sondern sie kann auch selbsttätig, z. B. durch den Staudruck,
geändert werden. Besonders vorteilhaft ist bei der Verwendung mehrerer Federn eine
solche Anordnung, daß die Federn steilerer Kennlinien geringere Verspannungen besitzen
als die flacherer Kennlinien, also vor den schwächeren Federn ansprechen. Dadurch
ist nämlich ein Federdiagramm erreichbar, das sich im Beschleunigungs-Geschwindigkeits-Diagramm
stufenweise der höchstzulässigen Beschleunigung nähert, diese aber unterhalb der
größten erreichbaren oder zulässigen Fluggeschwindigkeit nicht überschreitet.