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Fluglageanzeigevorrichtung in einem Hubschrauber Die Erfindung betrifft
Fluglageanzeigevorrichtungen für Hubschrauber ad. dgl.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Fluglageameigevorrichtung
für Hubschrauber, mittels der die richtige Fluglage beim Blindfliegen beibehalten
werden kann.
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Andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung. Bisher wurde ein in den Rumpf eingebauter üblicher Kreiselhorizont
verwendet, wie er sich bei Flugzeugen mit starren Flügeln sehr bewährt hat. Derartige
Vorrichtungen zeigen jedoch nur die Lage des Rumpfes gegenüber dem Horizont an.
Versuche an Hubschraubern zeigten, daß die Anzeige dieser Geräte beim Flug mit weniger
als 6o km /Std. für die beabsichtigten Zwecke so -unzureichend waren, daß daraus
Gefahrenentstanden. Der in den Rumpf eingebaute Kreiselhorizont erweist sich als
zufriedenstellend für Flüge mit Geschwindigkeiten über 6o km,/Std., weil dann ein
Hubschrauber in gleicher Weise wie ein Flugzeug mit starren Flügeln gesteuert wird
und fliegt. Kreiselhorizonte erweisen sich jedoch bei geringen Fluggeschwindigkeiten
als ungenügend, weil sich der Wechsel der Rumpflage verzögert, sobald der Rotor
einer Störung unterworfen wird.
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Es sind auch bereits Versuche mit auf der Kranzplatte sitzenden Anzeigevorrichtungen
gemacht worden. Diese Anordnungen liefern aber dem Flugzeugführer nur Angaben über
die Steuerknüppelstellung gegenüber dem Rumpf, versagen also vollständig hinsichtlich
der Angabe des Horizonts,
der so notwendig für .eine genaue dymnamische
Steuerung .eines Hubschraubers ist. Diese Anordnungen machten Angaben, die oft falsch
waren und deshalb zu schwerwiegenden Fehlern führten.
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Erfindungsgemäß wird ein die Rotorverschwenkung anzeigender Signalerzeuger
gemeinsam mit neuartigen Übertragungs- und Anzeigevorrichtungen verwendet, die dem
Flugzeugführer ständig eine genaue Angabe über die Rotorstellungen machen. Ein Hubschrauber
besteht im wesentlichen aus einem Hubrotor und aus einem Rumpf oder Körper, der
unterhalb des Hubrotors pendelnd hängt. Die Flugsteuerbewegungeneines solchen Hubschraubers
richten sich in der Hauptsache nach der Hubschraubenstellung .gegenüber dem Horizont
oder der Waagerechten und sind im wesentlichen unabhängig von den Schwingbewegungen
des darunterhängenden Rumpfes. Bekannt ist, daß bei jedem Hubschrauber einem bestimmten
Rotorscheibenneigungswink:el eine bestimmte Geschwindigkeit zugeordnet ist. Für
Schwebeflug, wenn also die Fluggeschwindigkeit Null ist, steht der Rotor im wesentlichen
parallel zum Horizont. Für jede - bestimmte Geschwindigkeit im waagerechten Flug
hesteht ein entsprechender Rotörscheibenneigungswinkel. gegenüber der Waagerechten.
Diese Wirkurigen erfolgen vollständig unabhängig von der Schwerpunktlage, den Rumpfneigungsmomenten
u. dgl. Da jede Abweichung von der Rotorstellung gegenüber der Waagerechten eine
Änderung der Geschwindigkeit zur Folge hat, müssen dem Flugzeugführer im Blindflug
sofort Angaben über diese Abweichungen zugeleitet werden, damit er dem Wechsel durch
geeignete Einstellung seiner Steuervorrichtungen entgegenwirkt. Die Erfindung bezweckt
deshalb die Schaffung einer Vorrichtung, die den Flugzeugführer mit Angaben über
die Lage des Rotors versorgt, so daß ein gewünschter Flugzustand aufrechterhalten
werden kann.
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Erfindungsgemäß ist in deinem Hubschrauber od. dgl. .ein erster Signalerzeuger,
der auf Schräglage der Rotorscheibe gegenüber dem Rumpf anspricht, ferner ein zweiter
Signalerzeuger, der auf Schräglage des Rumpfes gegenüber der Waagerechten anspricht,
und schließlich eine Einrichtung vorgesehen, um die auf diese Weise erzeugten beiden
Signale zu vergleichen und ein resultierendes Signal zu schaffen, dessen Übertragung
-auf eine im Führerstand befindliche Anzeigevorrichtung erfolgt, um dem Flugzeugführer
die Stellung der Rotorscheibe gegenüber der Waagerechten unabhängig von der Stellung
des Rumpfes kenntlich zu machen. Entsprechend der üblichen: Darstellung der Lage
eines Flugzeuges erfolgen auch die resultierenden Angaben der erfindungsgemäßen
Einrichtung nach Längs- und Querneigung der Rotorscheibe.
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Eine erprobte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer Selsyn-Übertragungsvorrichtung,
deren Spannungen proportional den Neigungen des Rotors gegenüber der Rotorsäule
sind. Ferner ist ein üblicher Kreiselhorizont vorgesehen, um Leistungsspannungen
zu :erzeugen, die proportional den Neigungen der Rotorsäule gegenüber der Waagerechten
sind. Die Leistungsspannungen dieser beiden Erzeuger werden in Reihe geschaltet
und dann verstärkt. Nach der Verstärkung werden aus den resultierenden Leistungsspannungen.
entsprechende Gleichstromsignale erzeugt, die über eine Synchranrelaisvorrichtung
zwei Gleichstromspannungsmessern zugeleitet werden, die daraus die gewünschten Quer-
und Seitenneigungsangaben ableiten. Die Spannungsmesser können mit irgendeiner gewünschten
Zeigerblattanordnung versehen sein, so daß sie dem Flugzeugführer ein geeignetes
Bild von der Lage des Rotors machen.
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In den Zeichnungen ist Fig. i eine Teilansicht des Rotors eines Hubschraubers
und der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, Fig. z eine schematische Darstellung
eines Teils der Erfindung, Fig.3 eine schematische Darstellung der elektrischen
Anlage der Erfindung und Fig.4 eine Darstellung der Grundregeln, nach denen die
Erfindung arbeitet.
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Die Erfindung ist bei einem Hubschrauber dargestellt, dessen R-otorsäule
io lagenmäßig fest mit dem Rumpf verbunden ist und an der Spitze eine Hubschraube
trägt, die in der Darstellung aus zwei diametral liegenden. Flügeln 12 besteht,
die ,auf einer Nabe 14 gelagert und um ihre Längsachse einzeln .drehbar sind, um
die Anstellwinkel ändern zu können. Die Nabe 14 kann eine beliebige Neigung gegenüber
.der Säule i o mittels zweier Bügel 16 einnehmen, die schwenkbar mit einem Kardannng
18 mittels Drehzapfen i g verbunden sind, deren Drehachsen in Längsrichtung der
Flügel 12 verlaufen. Der Ring 18 ist auf der Säule io mittels diametral liegender
Zapfen 2o schwenkbar gelagert, deren Drehachsen rechtwinklig zu den Achsen, der
Zapfen i 9 liegen. Dreht sich die Säule io, so drehen sich auch die Flügel 12, jedoch
ist die Ebene, in der die Rotorflügeispitzen umlaufen, in jeder Richtung gegenüber
der Säule i o neigbar. jeder Rotorfiügel 12 ist über einen Antriebsfinger 22 und
eine Schubstange 24 mit einer Schwenkplatte 25 verbunden, die in jeder Richtung
zur Säule io neigbar ist, so daß die Platte 25 wunschgemäß sich einstellen läßt,
um ihrerseits zyklische Anstellwink@eländerungen der Flügel 12 zwecks Steuerung
der Umlaufebene des Rotors zu erzielen, wie dies bei Hubschraubern bekannt ist.
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Das hier dargestellte Rotorsystem ist also so gelagert, daß die Umlaufebene
der Rotorflügeispitzen in jeder Richtung gegenüber der Säule i o rneigbar ist, um
Störungen, z. B. infolge von Windstößen, begegnen und dexi Hubschrauber steuern
zu können. In der dargestellten Ausführungsform wird die Schräglage des Rotors gegenüber
der Säule oder dem Rumpf des Hubschraubers mittels ,eines Signalerzeugers 28 gemessen,
der auf der Kranzplatte der Säule io sitzt und mit einem Rotorflügel 12 verbunden
ist, so daß er von diesem Flügel. angetrieben wird, sobald dieser Flügel runter
Bewegung auf einer schräg liegenden Rotorflügelbahn
sich .auf den
Lagern 2o dreht. Die erforderlichen elektrischen Zeichenoder Signale können z. B.
einem Selsyn- oder Autosyn-Stromerzeuger mit Gleichstrom- oder Wechselstromerregung
oder von einem Potentiometer oder von einem Spannungs; erzeuger entnommen werden.
In jedem Falle wird die Stromquelle durch die um die Drehzapfen 20 erfolgende Flatterbewegung
des Rotors mechanisch angetrieben. Der Signalerzeuger 28 ist mittels eines Gestänges
29 Betrieblich mit einem der Bügel 16
verbunden, um angetrieben zu werden,
sobald der zugehörige R@otorflügel 12 auf den Lagern 20 sich dreht.
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In der dargestellten Ausführung der Erfindung wird ein Selsyn-Stromerzeuger
verwendet, um die Neigung der Umlaufebene des Rotorflügels 12 zu messen, sobald
der Rotorflügel von seiner Neutralstellung abweicht, die im wesentlichen senkrecht
zur Rotorsäule verläuft. Dieser in Fig. 3 schematisch dargestellte Selsyn-Stromerzeuger
besteht aus einer Rotor- oder Primärwicklung 30 und einer Statorod.er Sekundärwicklung
32 mit drei Klemmen. Sobald der Rotor des Selsyn-Stromerzeugers in Umlauf gesetzt
wird, ergeben sich, wie bekannt, Leistungsänderungen. Im vorliegenden Falle ist
die eine Klemme .der Rotorwicklung32 mit der einen Klemme der Statorwicklung 3o
verbunden und durch .einen auf der Säule i o befindlichen Gleitring geerdet, während
nur eine der anderen Klemmen der Statorwicklung 32 verwendet wird, die über einen
Potentiometerwiderstand 34 geerdet wird, so daß .ein verstellbares Leistungssignal
CD zwischen dem Potentiometerschieber 36 und der Erde erhalten werden kann.
Sobald die Rotorwicklung 3o mittels einer Wechselstromspannung erregt wird, wird
eine Spannung bei CD erhalten, deren Amplitude proportional der Verschiebung
des Selsyn-Rotors aus seiner Neutralstellung heraus ist und deren Richtungssinn
der Verschiebungsrichtung des Selsyn-Rotors entspricht.
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Wie bereits erwähnt, ist ein Horizontkreisel üblicher B.au,art in
den Rumpf des Hubschraubers eingebaut. Die die Signale erzeugenden Teile eines solchen
Kreisels sind schematisch bei 38 dargestellt. Sie bestehen ,aus einem Längs.neigungspotentiometer
40 und einem Seitenneigungspotentiometer 42, die von außen mittels Transformatoren
44 und 46 erregt werden, deren Abzweigung in der Mitte bei B und
B' erfolgt und deren Gleitkontakte A und A' durch die Längs-
bzw. Seitenneigungen des Kreisels ,angetrieben werden. Die auf Grund der Neigungen
des Kreisels erfolgenden Ausschläge der Schieber A, A' aus ihren mittleren Neutralstellungen
stören das Gleichgewicht der Stromkreise, so daß entsprechende Spannungen zwischen
den Klemmen A, B und zwischen den Klemmen A', B' auftreten. Diese
Spannungen ändern sich in Richttang und Amplitude entsprechend der Richtung und
der Größe der betreffenden Ausschläge der Schieber A, A'.
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Dias Signal CD ist in Reihe geschaltet mit den Signalen
AB und A'B', indem der Schieber 36 an die Mittelabzweigungen der Sekundärwicklungen
der Transformatoren 44 und 46 gelegt ist, wobei Punkt D, wie bereits erwähnt, geerdet
ist. Die Polaritäten der Signale AB, A'B' und CDi sind dadurch festgelegt,
daß die Spannung mit 400 Per./Sek. an die Selsyn-Stromerzeuger- und Kreiselstromkreise
so angelegt wird, daß .die Reihenschaltung der Signale die Stellung der Säule i
o aus der Betrachtung ausschaltet, wie Fig.4 zeigt. Die Klemmen A und
A' sind mit getrennten Verstärkern 50, 52 verbunden, deren zweite Eingangsklemmen
geerdet sind, um die Stromkreise nach D zu schließen. Die Ausgangssignale der Verstärker
50, 52 werden als Eingangssignale in zwei Phasendetektoren oder Gleichrichter 54,
56 geführt, wo sie mit einer den Leitungen 58, 59 zugeführten Bezugsspannung verglichen
werden. Diese Leitungen 58, 59 sind mit dem gleichen Strom von 40o I'er./Sek. verbunden,
der zur Erregung der Primärwicklungen der Transformatoren 44 und 46 sowie der Rotorwicklung
3o verwendet wird. Die Phasendetektoren werden verwendet, um den Richtungssinn ihrer
Eingangssignale anzuzeigen, d. h. zu bestimmen, ob diese Eingangssignale in Phase
oder um i 8o' außer Phase mit dem Bezugsstrom von 400 Per./Sek. der Leitungen 58,
59 liegen, und werden weiter auch dazu verwendet, die Wechselstromeingangssignale
in Gleichstromausgangssignale umzuwandeln, die in Richtung und Größe diesen Wechselstromsignalen
entsprechen. Es kann jede übliche Art von Detektoren verwendet werden.
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Die Ausgleichsleistungen der Phasendetektoren. werden zwei Relaisstromkreisen
6o und 61 zugeführt, die in Fig.2 näher dargestellt sind, und zwar in Verbindung
mit einer Synchronisiervorrichtung mit einem aus Segmenten bestehenden Schleifring.
Die Rotorsäule io (Fig. 2) trägt eine Schleifringanordnung 62, die aus drei geschlossenen
Schleifringen 64, 66, 68 besteht, die mit drei Bürsten 70, 72, 74 zusammeaarbeiteil,
um die Spannungen von dem Selsyn-Stromerzeuger auf den feststehenden Rumpf zu übertragen,
da der Stromerzeuger mit der Säule umläuft. Die Schleifringvorrichtung 62 trägt
auch zwei im Winkelabstand von 9o° angeordnete Leitsegmente 76, 78, die mit drei
im Winkelabstand von 9o° stehenden Doppelbürsten 80, 82, 84 zusammenarbeiten, um
die Erregung zweier Relaisspulen 86, 88 mit Bezug auf die Drehung der Säule io zu
synchronisieren. Die Stromkreise der Relaisspulen 86, 88 können Leitungsnetze 9o,
92 enthalten, die eine größere Genauigkeit des zeitlichen Arbeitens erzeugen, als
von den Schleifring- und Bürstenanordnungen allein erhalten werden kann. D@,ie Spulen
86, 88 betätigen zwei Kontaktschalter 94, 96, die die Ausgangsklemmen der Phasendetektoren
mit den Eingangsklemmen zweier Gleichstromspannungsmesser i oo, io2 mit Mittelablesung
verbinden. Jeder der Spannungsmesser liegt parallel zu einem der Kondensatoren 104,
io6, die durch die Gleichstromstöße geladen werden, die durch die Relais 94 bis
96 geliefert werden, so daß an den Spannungsmessern eine Spannung aufrechterhalten
wird, die im wesentlichen stoßfrei ist und die Höhe der Impulse hat.
Die
Arbeitsweise der dargestellten Ausführungs form der Erfindung ist in Verbindung
mit einer Reihe von Spannungs-Zeit-Kurvenbild-ern erläutert, die die Form der in
den verschiedenen Teilen des Stromkreises vorhandenen Signale wiedergeben. Diese
Kurvenbilder sind jedoch nicht mit den dargestellten Stellungen der Signa,lerzeugungsteile
in Beziehung gesetzt, sondern die Kurvenbilder sind willkürlich angenommen und lediglich
zur Erläuterung der nachstehenden Ausführungen bestimmt. Die Erregungsspannung mit
4oo Per./Sek. ist bei iio dargestellt. Sobald der Rotorflügel12, mit dem der Selsyn-Stromerzeuger
gekuppelt ist, eine schräg geneigte Rotorbahn gegenüber der Säule io beschreibt,
schwingt der Flügel über und unter seine Normalstellung, so daß der Selsyn.-Rotor
32 abwechselnd in der einen imd in der anderen Richtung an seiner Normal- oder Nullstellung
vorbeigedreht wird. Eine typische Welle von CD ist die Welle 112, die eine
Spannung mit 400 Per./Sek. von positiver Richtung, d. h. in Phase mit der Stromerzeugerspannung
mit 4oo Per.//'Sek., besitzt und von einer mittleren Amplitude ist, die einer bestimmten
Augenblicksstellung der Rotorebene gegenüber der Säule io entspricht. Ferner sind
bei 114 bzw. i 16 typische Kurven von AB und AB' dargestellt, die von negativer
Richtung und großer Amplitude bzw. von positiver Richtung und kleiner Amplitude
sind und eine Längs; und Querneigung des Rumpfes relativ zum Horizontanzeigen. Die
Summe aus AB und Cl? ist bei i 18 dargestellt und ist ein Signal von negativer
Richtung und kleiner Amplitude, während die Summe .aus A'B' und CD bei i2o dargestellt
ist und ein Signal von, positiver Richtung und großer Amplitude ist. Die gestrichelten
Linien in jeder Darstellung zeigen die Einzelsignale AB, CD und A'B'. Die
bei 118 und 12o dargestellten: Signale werden in ihr Gleichstromäquivalent in Richtung
und Amplitude durch die Phasendetektoren 54, 56 umgewandelt, wie bei 122 bzw. 124
dargestellt ist. Die dargestellten Spannungskurven geben einen willkürlich angenommenen
Zeitpunkt wieder. Die Relais 6o und 61 schließen jedoch nicht gleichzeitig, so daß
die Kurven beider Ausgangsspannungen 126, 128 nicht der Augenblickslage entsprechen
können, die in den vorstehenden Kurven dargestellt ist, mit Ausnahme der besonderen
Lage, in der der Rotor gegenüber der Säule io so geneigt ist, daß während des Schließens
jedes Relais 6o, 61 das Signal CD@ gleich ist, und unter der Annahme, daß keime
Änderung in der Achslage des Kreisels während des unter Betrachtung stehenden kurzen
Zeitabschnittes erfolgte.
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Da die den Phasendetektoren zugeführten Signale verstärkte Summensignale
sind, die in jedem Falle das entsprechende Kreiselkoordinatensignal zusammen mit
dem sich dauernd ändernden Selsyn-Sign.al enthalten, braucht nur derjenige Teil
dieses Summensignals ausgewählt werden, der das Selsyn-Signal entsprechend der Längs-
und Querneigung enthält. Dies, ist die Aufgabe der Relaisvorrichtungen. Demgemäß
ist das Längsneigungsrelais 6o so .angeordnet, daß es in dem Augenblick schließt,
in dem der Rotorflügel 12, durch den der Selsyn-Stromerzeuger angetrieben wird,
sich in seiner Längslage befindet, da in diesem Zeitpunkt das Summensignal ,aus
AB und CD, nur die Längsneigüngskomponenten enthält. Das Querneigun.gsrelais
61 ist dagegen so angeordnet, daß es schließt, sobald sich der Rotorflügel in der
Seitenlage befindet, da in diesem Zeitpunkt das Summensignal aus AB' und
CD nur die Querneigungskomponenten enthält. Dieses Ergebnis wird dadurch
erhalten, daß die Leitsegmente 76, 78 (Fig.2) in Steuerbord- bzw. Vorwärtsstellung
liegen, sobald sich der den Selsyn, Stromerzeuger treibende Rotorflügel 12 in seiner
Vorwärtsstellung befindet. Die Kurvenbilder 126, 128 zeigen daher typische Stromstoßsignale,
die durch kurzzeitiges Schließen der entsprechenden Relais entstehen. Dias Bild
jeder Entladung über die Kondensatoren 104, io6 ist im wesentlichen ein Mantel dieser
Stromstöße, so daß an den entsprechenden Längs- und Querneigungsmessern ioo, io2
ein. stetiges Zeichen gegeben wird.
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Ein wichtiges Kennzeichen der Erfindung besteht darin, die Lage des
Rumpfes als eine Zwischenbezugsebene zwischen der Lage der Rotorflügelbahn bzw.
der Rotorscheibe und dem Horizont zu verwenden, welch letzterer durch den von dem
Rumpf getragenen Kreisel gebildet -wird. Dies ist in Fig.4 dargestellt, :aus der
die bestehenden Beziehungen ersichtlich sind. Der Rotor 12 läuft in einer Ebene
um, die in einem Winkel ed mit Bezug auf seine senkrecht zur Säule io verlaufende
Normalstellung liegt, während der Rumpf i i o einen entgegengesetzten Winkel
,ab mit Bezug ,auf die Waagerechte einnimmt. Die tatsächliche Schräglage
der Rotorscheibe ist deshalb die Differenz zwischen cd und la bzw. die Summe aus
ah und cd.
Werra also die elektrischen Signale AB, A'B' und CDN in
der beschriebenen Weise zusammengesetzt werden, wird die Rotorneigung gegenüber
der Waagerechten ungeachtet der Stellung des Hubschrauberrumpfes .angezeigt werden.
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Es ist zwar eine bestimmte Wahl und Anordnung der Einzelteile dargestellt
worden, wobei Signale mit 4oo Per.: Sek. wechselnder Richtung und Amplitude erzeugt,
verglichen und wiedergegeben werden. Es können, aber auch andere Anordnungen und
abweichende Einzelteile zur Ausführung der Erfindung verwendet werden. Es können
auch die Ausgangssignale statt :einer sichtbaren Anzeigevorrichtung einer Selbststeuervorriehtung
zugeführt werden. Ferner kann die dargestellte Wechselstromanlage durch eine Gleichstromanlage
oder eine modulierte Phaseneinrichtung ersetzt werden. Ebenso kann der Signalerzeuger
an dem Rotor so ausgebildet werden, daß er nicht auf die Verschiebungsgröße, sondern
auf die Geschwindigkeit der Verschiebung anspricht. Die Erfindung umfaßt also eine
Fluglageanzeigevorrichtung, bei der eine Einrichtung verwendet wird, um die Lage
der Umlaufebene des Rotors gegenüber dem Flugzeugrumpf anzuzeigen, und die diese
Anzeige mit der Verlagerung des Rumpfes gegenüber dem Horizont oder einer anderen
Bezugsebene vergleicht, so daß
als Endergebnis die Umlaufebene des
Rotors gegen.-über dem Horizont oder einer anderen Bezugsebene angezeigt wird.