-
Selbsttätiges Steuergerät für Flugzeuge Die Erfindung bezieht sich
auf selbsttätige Steuergeräte für Flugzeuge und insbesondere auf einen Apparat dieser
Art, bei dem ein neues Verfahren zur Überwachung des Drehens eines Flugzeugs, das
unter seiner Führung betrieben wird, benutzt wird.
-
Selbsttätige Steuergeräte besitzen gewöhnlich Richtungsanzeiger zur
Messung der Winkelabweichungen eines Flugzeugs um seine Hoch-, Längs- und Querachse
im Hinblick auf einen vorausbestimmten Kurs und eine horizontale Ebene, Aufnahmegeräte,
die mit den Richtungsanzeigern zusammenarbeiten, um von den Messungen solcher Abweichungen
abhängige Kontrollimpulse hervorzurufen, und Servomotoren, die von diesen Impulsen
gesteuert werden und mit Ruderflächen des Flugzeugs gekuppelt sind, um den Kurs,
das Rollen und die Steigung so zu ändern, daß alle Abweichungen vom Normalen korrigiert
werden. Diese Richtun l;sanzeiger sind häufig Kreisel, und die Aufnahmegeräte bestehen
gewöhnlich aus zwei zusammenarbeitenden Gliedern, dessen eines am Doppelringrahmen
des Kreisels befestigt oder von ihm anderweitig überwacht wird, während das andere
einstellbar am Kreiselgehäuse und damit am Flugzeug liegt. Wenn solche Steuergeräte
in Tätigkeit sind und es erwünscht ist, den Kurs zu ändern, ist es üblich, von Hand
die relative Lage der beiden Glieder des betreffenden Aufnahmegerätes zu ändern,
beispielsweise durch ein gewaltsames Verdrehen des Kreisels, so daß seine Rotationsachse
eine neue Lage im Raum einnimmt, oder durch Verdrehen des einstellbaren Glieds des
Aufnahmegerätes relativ zum Flugzeug um einen Betrag, der dem Winkel entspricht,
um den der Kurs des Flugzeugs verändert werden soll. Auf diese Weise wird das Aufnahmegerät
veranlaßt, einen Impuls hervorzurufen, der den betreffenden Servomotor und damit
seine ihm zugeordnete Ruderfläche
so steuert, daß das Flugzeug sich
so dreht, daß die ursprüngliche Beziehung zwischen den beiden Gliederr des Aufnahmegerätes
wiederhergestellt wird. Auf diese Weise wird das Flugzeug um die gewünschte Kursänderung
gedreht.
-
Es ist wünschenswert, daß bei der Durchführung der Drehung durch das
Steuergerät die Drehgeschwindigkeit nicht übermäßig groß ist. Bei bisherigen Typen
von selbsttätigen Steuergeräten sind verschiedene Mittel zur Erreichung dieses Zwecks
verwendet worden. Bei dem am meisten benutzten Verfahren wird ein Kursänderungsmotor
benutzt, der von Hand in Tätigkeit gesetzt wird und der den eingestellten Kurs durch
Verstellung des verstellbaren Gliedes des Aufnahmegerätes relativ zum Flugzeug mit
konstanter Geschwindigkeit verändert. Ein anderes Verfahren, das in einigen Fällen
benutzt wird, in denen ein Kreisel den Richtungsanzeiger bildet, besteht darin,
ein konstantes Drehmoment auf den Kreisel wirken zu lassen, das ihn mit konstanter
Geschwindigkeit vorrücken läßt. Bei beiden Verfahren ist die Drehgeschwindigkeit
des Flugzeugs eher als der Betrag der Drehung die Größe, die primär am Selbststeuergerät
eingestellt wird, und der Drehwinkel muß durch eine weitere Operation bestimmt werden.
-
Der Hauptzweck der Erfindung ist, ein selbsttätiges Steuergerät für
Flugzeuge zu schaffen, bei dem es möglich ist, den Winkel direkt einzustellen, nm
den es erwünscht ist, den Kurs des Flugzeugs zu ändern, und wobei selbsttätig eine
mit der richtigen Schräglage verbundene Drehung auf einen neu eingestellten Kurs
mit einer Geschwindigkeit durchgeführt wird, die eine vorausbestimmte Grenzgeschwindigkeit
nicht überschreitet. Die Grenzgeschwindigkeit kann über einen Bereich möglicher
Werte einstellbar gemacht werden.
-
Eine Ausführungsform eines Steuergerätes nach der Erfindung soll als
Beispiel unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben werden, wobei Fig. i die
selbsttätigen Steuerungsanordnungen für die Querruder eines Flugzeugs darstellt
und einen Vertikalkreisel einschließt, der sowohl die Winkelabweichung des Flugzeugs
um die Längsachse als auch die Winkelabweichung um die Querachse mißt.
-
Fig.2 stellt die Höhensteuereinrichtung dar, die dem in Fig. i eingeschlossenen
Vertikalkreisel zugeordnet ist.
-
In Fig. i ist ein Richtungskreisel mit inneren und äußeren Doppelringrahmen
i und 2 dargestellt, dessen äußerer Ringrahmen in einem nicht dargestellten Gehäuse
montiert ist, zwecks Rotation um die Vertikalachse 3 ; dieser Ringrahmen ist mit
Hemm- oder Sperr- und mit Drehmitteln versehen. Das Hemmmittel besteht aus einem
Knopf 4, der auf die Vertikalachse zu bewegt werden kann und eine konische Hohlfläche
5 aufweist in Berührung mit dem einen Ende eines horizontalen Gliedes 6, das bei
7 drehbar gelagert ist, zwecks Winkelbewegung um eine Horizontalachse relativ zum
Gehäuse, während das andere Ende des Gliedes 6 einen Stift 8 trägt, der in die Nut
einer Buchse 9 eingreift, die so eingebaut ist, daß sie längs der Vertikalachse
gleiten kann. Die obere Stirnfläche . der Buchse steht in Berührung mit einem Stift
io, dessen unteres Ende normalerweise mittels einer nicht dargestellten Feder im
festen Abstand von einem Sperrglied ii gehalten wird, der aber imstande ist, entgegen
der Wirkung der Feder kleine Bewegungen relativ zum Sperrglied auszuführen. Das
Sperrglied ii ist innerhalb des äußeren Ringrahmens mittels des Zapfens 12 zur Ausführung
von Winkelbewegungen in einer vertikalen Ebene gelagert und ist normalerweise durch
die Schwerkraft auf dem unteren Teil des Ringrahmens festgehalten, und es hat an
dem vom Zapfen abgewandten Ende einen Vorsprung 13, der, wenn das Sperrglied um
den Zapfen gedreht wird, mit dem Ringrahmen in Eingriff kommt und ihn in horizontaler
Lage sperrt. Das Drehmittel weist ein Kegelrad 14 auf, das vom Knopf getragen wird
und so angeordnet ist, daß, wenn der Knopf nach innen gegen die Vertikalachse gestoßen
wird, das Kegelrad 14 mit einem mit ihm zusammenarbeitenden Kegelrad 15 iii Eingriff
kommt, das am 'unteren Teil des äußeren Ringrahmens befestigt ist. Wird der Knopf
eingestoßen und gedreht, so sperrt er den inneren Ringrahmen in horizontaler Lage
und dreht den äußeren Ringrahmen um die Vertikalachse. Eine nicht dargestellte Sperrklinke
ist vorgesehen, um den Knopf 4 in der eingestoßenen oder gesperrten Lage zu halten,
bis die Sperrklinke von Hand gelöst wird. Mit der Vertikalwelle ist ein Potentiometer
verbunden, dessen Kontaktarm 16 auf der Welle befestigt und dessen Wicklung auf
dem Gehäuse montiert ist. Die Wicklung hat einen mittleren Teil 17, der längs des
Umfangs eines mit der Welle konzentrischen Kreises auf einem Winkel von 6o° angeordnete
ist, wobei der Kreis nahezu durch zwei ähnliche Streifen 18, i9 mit geringerem Widerstand
vervollständigt wird, die an die Enden des mittleren Teils angeschlossen sind, aber
deren benachbarte Enden durch eine schmale Lücke 20 isoliert sind. Die benachbarten
Enden der Streifen 18, 1g sind mit einer nicht dargestellten Gleichstromquelle verbunden,
und der Kursabweichungsimpuls wird von dem Kontaktarm 16 über die Leitung 21 auf
das eine Ende einer ersten Wicklung 22 geleitet, die auf dem Anker 23 eines polarisierten
Relais angeordnet ist.
-
Ein Vertikalkreiselgerät 24 irgendeiner bekannten Type ist auf der
gleichen Grundplatte montiert wie das Richtungskreiselgerät, und die Grundplatte
ist im Flugzeug so montiert, daß die Haupt- oder äußere Ringrahmenachse des Vertikalkreiselgerätes
parallel zur Längsachse des Flugzeugs liegt. Eine Welle 25,
die längs der
Hauptachse liegt und am äußeren Ringrahmen 26 befestigt ist, trägt einen Kontaktarm
27, der mit der Wicklung 28 eines zweiten Potentiometers zusammenarbeitet, wobei
die Enden der Wicklung an eine nicht dargestellte Gleichstromquelle angeschlossen
sind, und der Kontaktarm ist mittels einer Leitung 29 an das, andere Ende der erwähnten
ersten Spule 22 auf dem Anker des polarisierten Relais angeschlossen. Dieser Kontaktarm
gibt den Schräglageimpuls.
-
Das polarisierte Relais hat die Form eines rechteckigen Kerns 3o aus
magnetischem :Material mit einem kleinen Luftspalt 37' in der Mitte einer Seite
und hat einen Anker, ebenfalls aus magnetischem Material,
der an
einem Ende drehbar auf dem Zapfen 32 gelagert ist, der seinerseits in der Mitte
der Kernseite gegenüber der den Luftspalt enthaltenden Seite angeordnet ist, während
das andere Ende des Ankers nahe (lern Luftspalt liegt. Die parallel zum Anker liegenden
Seiten des Kerns sind mit Erregerspulen 33, 34 versehen, die an eine nicht dargestellte
Gleichstromquelle angeschlossen sind. Der Anker trägt außer der ersten Arbeitsspule
22, die, wie schon beschrieben, an die Kontaktarme des ersten und zweiten Potentiometers
angeschlossen ist, auch eine zweite Arbeitsspule 50, die an ein drittes Potentiometer
angeschlossen ist, das den Rückführungsimpuls hervorruft. An dem Anker befestigt,
um seine Winkelbewegung mitzumachen, ist eine Welle 35, versehen mit einem Arm 36,
der mittels eines Stiftes 37 mit dem Kolben 38 eines pneumatisch gesteuerten Ventils
39 bekannter Type verbunden ist.
-
Vorzugsweise werden im polarisierenden Stromkreis des Relais Mittel
vorgesehen, die periodische Änderungen des Erregerstroms hervorrufen, um geringfügige
Vibrationen oder ein Zittern des Ankers herbeizuführen, unabhängig von den dem Relais
zugeführten Arbeitsströmen.
-
Druckluft wird von einer nicht dargestellten Quelle der Einlaßöffnung
4o des Steuerventils 39 zugeführt, dessen Auslaßöffnungen 40', 41 mit beiden Enden
eines pneumatischen Servomotors 42 verbunden sind, ebenfalls von bekannter Type,
um die Betätigung des Kolbens 43 in bekai%nter Weise zu steuern. Der Kolben 43 hat
eine Kolbenstange 44, die mit derQuerrudersteuerung durch nicht dargestellte Mittel
verbunden ist. An der Kolbenstange befestigt und mit ihr beweglich ist der Kontaktarm
45 eines dritten Potentiometers, dessen Wicklung die Form von zwei gleichen Widerständen
46, 47 hat, die parallel über einen veränderlichen Widerstand 51 an eine nicht dargestellte
Stromquelle angeschlossen sind, wobei der Kontaktarm 45 mit dem Widerstand 46 zusammenarbeitet.
Leitungen 48, 49 vom Kontaktarm und einer mittleren Anzapfung des Widerstandes 47
sind mit der auf dem Anker 23 angeordneten zweiten Spule 5o des polarisierten Relais
verbunden. Dieser Kontaktarm liefert den Rückführungsimpuls.
-
Die oben beschriebene Apparatur bildet den Teil des Selbststeuergerätes,
der den Flug des Flugzeugs im Azimut und seine Lage bezüglich der Längsachse steuert;
und damit er dies tun kann, ist es wesentlich, daß die verschiedenen Potentiometer
und das polarisierte Relais in richtiger Weise an die Stromquelle angeschlossen
sind. Das erste und zweite Potentiometer müssen ;in ihre Stromquelle in der Weise
angeschlossen sein, daß die Mittel- oder Nullpunkte ihrer Wicklungen das gleiche
Potential haben und daß die Schräglage des Flugzeugs, die sich durch die Betätigung
der Querruder auf Grund eines vom ersten Potentiometer gegebenen Kursänderungsimpulses
ergibt, einen Querlageimpuls im zweiten Potentiometer hervorruft, der dem die Querlage
verursachenden liursä nderungsimpuls entgegenwirkt; das polarisierte Relais muß
an seine Stromquelle in der Weise angeschlossen werden, daß der vom ersten Potentiometer
gegebene l@ursänderungsimpuls den Anker veranlaßt, sich im richtigen Sinn zu bewegen,
um das Querruder so zu betätigen, daß es das Flugzeug in Querlage bringt und 'es
sich auf einen vorbestimmten abweichenden Kurs dreht, und das dritte Potentiometer
muß an seine Stromquelle so angeschlossen sein, daß der Rückführungsimpuls in der
zweiten Spule wirksam wird und dem resultierenden Impuls, den das erste und zweite
Potentiometer in die erste Relaisspule senden, entgegenwirkt.
-
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Apparatur zur Steuerung des Flugzeugs
in Azimut und Querlage ist das Selbststeuergerät auch mit einer Apparatur versehen,
die das Flugzeug um seine Querachse steuert. Zu diesem Zweck ist das Vertikalkreiselgerät
24 mit einem Kontaktarm 52 versehen, der so angeordnet ist, daß er sich mit dem
Rotorgehäuse 53 um die innere Ringrahmenachse drehen kann, und der mit einer Potentiometerwicklung
zusammenarbeitet, die auf dem äußeren Ringrahmen 55 gelagert ist. Diese Wicklung
54 ist mittels biegsamer Leitungen oder nicht dargestellter Gleitkontakte parallel
zu einer zweiten ähnlichen Wicklung 56 geschaltet, die auf dem Gehäuse montiert
ist und mit einem Kontaktarm 57 zusammenarbeitet, der mittels des Knopfes 58 von
Hand eingestellt werden kann. Die beiden Wicklungen sind parallel an eine nicht
dargestellte Gleichstromquelle geschaltet, und ihr Ausgangsstrom wird von den beiden
Kontaktarmen mittels der Leitungen 59, 6o abgenommen und dazu benutzt, die Betätigung
des Höhenruders des Flugzeugs zu steuern mit Hilfe eines polarisierten Relais 61
(Fig. 2), eines Steuerventils 62 und eines Servomotors 63, der ein Rückführungspotentiometer
64 aufweist, wobei die Anordnung ähnlich ist wie die oben beschriebene, in Verbindung
mit der Steuerung der Querruder.
-
Es folgt aus der obigen Beschreibung, daß bei geradem Flug der Kurs
und das Rollen des Flugzeugs gleichzeitig durch die Wirkung der Querruder stabilisiert
werden, durch das Ansprechen auf einen resultierenden Impuls, der von dem Aufnehmer
des Richtungskreisels und dem Aufnehmer des Vertikalkreisels auf das polarisierte
Relais gegeben wird, das das Querrudersteuerventil und daher den Querruderservomotor
steuert.
-
Ist es erwünscht, das Flugzeug auf einen neuen Kurs zu drehen, so
wird der Richtungskreisel von Hand gesperrt und auf den gewünschten Kurs gedreht
und dann wieder freigegeben. Diese Operation stellt auch den Kontaktarm des zugehörigen
Aufnehmers auf einen Winkel relativ zu seiner Nullstellung ein, der gleich der gewünschten
Kursänderung ist, und dies verursacht, daß ein Kursabweichungsimpuls auf das Relais
gegeben wird, woraufhin sich das Flugzeug schräg stellt und sich nach dem neuen
Kurs dreht. Als Resultat der Querlage liefert der zum Vertikalkreisel gehörige Aufnehmer
des Querlageimpulses einen weiteren Impuls, der dem Kursabweichungsimpuls entgegenwirkt
und die weitere Schrägstellung verhindert, sobald der Schrägwinkel einen Wert erreicht,
der durch den Kursabweichungsimpuls und die Konstruktion des Querlageimpulspotentiometers
und die darauf gegebene Spannung festgelegt ist. Der Scltr'igwittkel und daher die
Drehgeschwindigkeit des
Flugzeugs auf den eingestellten Kurs wird
unabhängig von der eingestellten Kursänderung sein, vorausgesetzt, daß letztere
größer als 30° ist. Unabhängig von der Größe der Kursänderung kann der Kursabweichungsimpuls
die Spannung nicht überschreiten, die sich bei einer Kursänderung oder Kursabweichung
von 30° ergibt, und alle Drehungen größer als 30° werden daher mit der gleichen
Geschwindigkeit ausgeführt. Kursänderungen unter 30° werden mit geringerer Geschwindigkeit
ausgeführt.
-
Ist es erwünscht, eine dauernde Drehung auszuführen, so wird der Richtungskreisel
von Hand gesperrt und um einen Winkel gedreht und gesperrt gehalten. Der betreffende
Kontaktarm wird so auf einen besonderen Punkt auf dem Richtungskreiselpotentiometer
eingestellt, das dann einen konstanten Kursabweichungsimpuls auf das betreffende
Relais gibt, woraufhin das Flugzeug in Querlage geht und sich dreht, während der
Querlageimpuls in Aktion tritt, um dem Kursabweichungsimpuls entgegenzuwirken wie
im Falle einer eingestellten Kursänderung, und das Flugzeug fährt fort sich zu drehen,
bis der Richtungskreisel freigegeben wird und der Kontaktarm auf seine Nullstellung
auf dein Potentiometer zurückgeht.
-
Diese wünschenswerten Resultate können durch die Erfindung auch in
anderen Ausführungsformen erzielt werden, bei denen eine Änderung auf einen neuen
Kurs durch andere Mittel als das Sperren und Drehen des Kreiselgerätes eingestellt
werden kann, beispielsweise durch ein System, bei dem der Kurs des Flugzeugs von
einem Kreiselgerät gesteuert wird, dessen absolute Richtung gesteuert wird, beispielsweise
durch eine von einem magnetischen Kompaß erregte Steuerung; ein Aufnehmerpotentiometer,
ähnlich dem oben beschriebenen, kann mit dem Kreiselgerät verbunden werden, aber
die Potentiometerwicklung kann, statt am äußeren Gehäuse des Kreiselgerätes befestigt
zu sein, von einem um die Vertikalachse des Kreiselgerätes drehbaren Glied getragen
werden. Ein Kurseinstellknopf kann dann vorgesehen sein, um die Winkelstellung der
Potentiometerwicklung im Instrumentengehäuse einzustellen. Diese Winkelstellung
bestimmt den Kurs, der durch das Steuersystem eingehalten wird. Drehungen des Flugzeugs
können durch Drehen des Knopfes und damit der Wicklung um einen gewünschten Winkel
hervorgerufen werden.
-
Die tatsächliche Drehgeschwindigkeit, mit der Drehungen größer als
3o° ausgeführt werden, kann verändert werden durch Änderung des Verhältnisses zwischen
der auf das Querlageimpulspotentiometer gegebenen Spannung und der Spannung, die
auf das Kursabweichungsimpulspotentiometer gegeben wird. Eine Einstellungseinrichtung
zur Änderung dieses Verhältnisses kann vorgesehen werden. Zu diesem Zweck können
die beiden Potentiometer aus der gleichen Stromquelle gespeist werden und das Verhältnis
zwischen ihren Spannungen durch das Ein-und Ausschalten von Widerständen in Reihe
mit dem Ouerlageimpulspotentiometer verändert werden.