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Selbststabilisierende Ruderfläche, insbesondere für sich in der Luft
oder im Wasser fortbewegende Anordnungen Die Erfindung betrifft Verbesserungen an
selbststabilisierenden Ruderflächen, insbesondere für sich in der Luft oder im Wasser
fortbewegende Anordnungen, welche »Autopier« genannt werden und den Gegenstand der
deutschen, Patentschrift 740 217 vorm 30. November 1937 bilden.
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Die Autopter sind bewegliche Ruderflächen, welche außer einer Servomotorwirkung
eine selbststabilisierende Wirkung hervorrufen und aus einer an dem Körper der sich
fortbewegenden Anordnung, z. B. eines Luftfahrzeugs; schwenkbaren Hauptfläche, einer
an. der Hauptfläche schwenkbaren Hilfsfläche und einer kinematischen Verbindung
zwischen der Hilfsfläche und dem Körper der sich fortbewegenden Anordnung bestehen,
welche eine Veränderung .der Stellung der Hilfsfläche gegenüber der Hauptfläche
erzwingt, wenn. diese letztere ihrerseits ihre Stellung gegenüber dem Körper der
sich fortbewegenden Anordnung verändert. Derartige Flächen sprechen auf die Veränderung
der Richtung der relativen Strömung des Mittels an, in welchem sich die sich fortbewegende
Anordnung bewegt, und verformen sich so, daß eine Kranft auftritt, welche sich den
Folgen dieser Veränderung auf den Gang der sich fortbewegenden Anordnung widersetzt.
Die
Erfindung besteht darin, daß Mittel zur Vergrößerung der an der Ruderfläche durch
die Strömung angreifenden Querkraft in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit
der Richtung der relativen Strömung vorgesehen sind.
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Bei dieser Anordnung ist die gesamte auf die selbststabilisierende
Ruderfläche durch die Strömung ausgeübte Querkraft gleichzeitig eine Funktion der
Richtungsänderung der relativen Strömung und der Geschwindigkeit dieser Richtungsänderung,
wodurch eine Phasenvoreilung in der Wirkung dieser Ruderfläche auf die relative
Strömung eingeführt wird, wodurch man die Vorteile einer Rückführung und einer Dämpfung
erhält. Die Berichtigungskraft wird daher gleichzeitig eine Funktion dieser Richtungsänderung
und dieser Geschwindigkeit, was bekanntlich gestattet, Schwingungen .und Störungen
zu dämpfen.
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Diese Anordnung ist unabhängig davon wirksam, ob es sich um eine Strömungsänderung
im Raum oder eine Änderung der Stellung der beweglichen Anordnung auf ihrer Bahn.
handelt.
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Bei einer ersten Ausführungsform wird das Mittel zur Vergrößerung
der an der Ruderfläche durch die Strömung angreifenden Querkraft durch eine Vorrichtung
zur Vergrößerung der Drehmomente in bezog auf die Schwenkachse gebildet, was eine
Veränderung der Gleichgewichtsstellung und eine Vergrößerung der auf die Hauptfläche
und die Hilfsklappe ausgeübten Querkräfte in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
der Richtungsänderung der relativen Strömung bewirkt. Diese Vorrichtung zur Veränderung
der Drehmomente kann einen Teil zur Messung der Geschwindigkeit der Richtungsänderung
der relativen Strömung und eine zugeordnete Vorrichtung aufweisen, auf welche der
Wert dieser Messung übertragen. wird, worauf diese das Gleichgewicht so verändert,
daß die auf die Hauptfläche und die Hilfsklappe ausgeübten Querkräfte vergrößert
werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung zur
Veränderung der Drehmomente zwei verformbare gleiche, mit einem Strömungsmittel
gefüllte Kammern, welche an dem Körper der beweglichen Anordnung befestigt und voneinander
durch einen an der Hauptfläche der Ruderfläche schwenkbaren und von dieser betätigten
Hebel getrennt sind, wobei diese Kammern mit zwei weiteren verformbaren, einander
gleichen -Kammern verbunden sind, welche entweder von der Hauptfläche oder von der
Hilfsklappe getragen werden und mit einem Hebel verbunden sind, welcher an der Hauptfläche
oder an der Hilfsklappe schwenkbar und mit einem Teil zur Veränderung der Form der
Ruderfläche fest verbunden ist, wobei auf diesen Hebel außerdem zwei einander entgegenwirkende,
an der Hauptfläche oder der Hilfsklappe befestigte Federn wirken, wobei die Leitungen
zur Verbindung der ersten Kammern mit den zweiten Kammern eine mit einem regelbaren
Auslaß versehene Umgehungsleitung aufweisen.
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Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen selbststabilisierenden Ruderfläche-
oder Autopter auf Luftfahrzeuge kann der Teil zur Veränderung der Form der Ruderfläche
entweder durch eine in der Hauptfläche untergebrachtedoppeltwirkende Bremsklappe
oder durch eine an der Hauptfläche schwenkbare, an der Vorderkante angebrachte Klappe
oder durch eine an der Hinterkante der Hilfsklappe schwenkbare zweite Klappe gebildet
werden.
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. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Teil zur Vergrößerung
der Querkraft durch eine Vorrichtung gebildet, welche die auf die Hilfsklappe ausgeübte
Querkraft in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Richtung der relativen.
Strömung verkleinert und so das Gleichgewicht in bezug auf die Schwenkachse verändert.
Diese Vorrichtung kann durch einen zwischen der beweglichen Anordnung und der kinematischen
Verbindung angebrachten. federnden Teil und durch eine zwischen der Hauptfläche
und der Hilfsklappe angebrachte hydraulische oder pneumatische Bremse gebildet werden.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert. Fig. I zeigt schematisch eine Autopter genannte selbststabilisierende
Ruderfläche normaler Bauart; Fig. 2 zeigt schematisch die .bei einer Änderung der
Richtung des Fahrtwindes auf die Hauptfläche des Autopters ausgeübte Querkraft;
Fig. 3 zeigt schematisch die schließlich von den Teilen des Autopters infolge der
gleichen Änderung der Richtung des. Fahrtwindes wie in Fig.2 errechte Stellung;
Fig: 4 zeigt schematisch die Vergrößerung der auf die Hauptfläche des Autopters
wirkenden Querkraft, wenn dem Autopter eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veränderung
seiner aerodynamischen Eigenschaften zugeordnet wird; Fig. 5 zeigt schematisch die
von den Teilen des Autopters infolge der gemäß Fig. 4 erhaltenen. Vergrößerung der
Querkraft eingenommene-Stellung; Fig.6 und 7 zeigen in Seitenansicht bzw. im Grundriß
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vergrößerung der Querkraft mit Bremsklappe;
Fig. 8 zeigt die Vergrößerung der Stellung der Teile der in Fig. 6- und 7 dargestellten
Vorrichtungen infolge der Veränderung der Richtung des Fahrtwindes; Fig. 9 ist ein
Grundriß einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vergrößerung der Querkraft mit
einer Klappe an der Eintrittskante; Fig. I0 ist ein Grundriß einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Vergrößerung der Querkraft mit einer zweiten Klappe; Fig. I i und
I2 zeigen zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung
der von dem Fahrtwind auf die Hilfsklappe des Autopters ausgeübten Querkraft.
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In Fig. i bis 3 sind zur Erinnerung an die Eigenscha£ten des Autopters
die aerodynamischen Kräfte dargestellt, welche beim Arbeiten desselben auftreten.
Der Autopter weist eine Hauptfläche i auf, welche frei uni eine an dem Luftfahrzeug
befestigte Achse 2 schwenkbar und an der Hinterkante. mit einer Klappe 3 versehen
ist, welche durch einen
Hebel 4 mit einer um einen Festpunkt 6 des
Luftfahrzeugs schwenkbaren Steuerstange 5 verbunden ist. A ist der Angriffspunkt
der von der Hauptfläche I erzeugten Kräfte, B ist der Angriffspunkt der von der
Klappe 3 erzeugten Kräfte und O ist die geometrische Achse der Achse 2.
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In Fig. I ist der Autopter in die Richtung des Fahrtwindes V eingestellt,
so daß keine Querkraft auf ihn ausgeübt wird. Bei Fig. 2 tritt infolge einer Winkeländerung
i des Fahrtwindes V eine Querkraft F1 bei A auf, welche eine Drehung der Hauptfläche
I um O bewirkt. Nachdem sich die Hauptfläche I des Autopters um einen Winkel a (Fig.
3) gedreht hat, ist die bei A angreifende Kraft F1 zu F2 geworden, während sich
gleichzeitig bei B infolge des Ausschlags der Klappe 3 unter der Einwirkung der
Steuerstange 5 eine Kraft F3 entwickelt hat. Der Winkel a ist dadurch bestimmt,
daß die von den Kräften F2 und F3 ausgeübten Drehmomente in bezug auf O gleich sein
müssen.
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Es ist klar, daß die Drehung a der Hauptfläche I des Autopters um
so schneller vor sich geht, je schneller oder je größer die Winkeländerung des Fahrtwinkels
V selbst ist, was bei starken Störungen eine um so wirksamere Berichtigung erforderlich
macht.
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Fig. 4 und 5 zeigen schematisch das Prinzip einer derartigen Berichtigung
unter Benutzung einer weiteren aerodynamische Vorrichtung.
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Wenn, wie in Fig. 4 dargestellt, angenommen wird, daß die Drehung
a proportional zu ihrer Geschwindigkeit ä die Verstellung einer weiteren aerodynamischen
Vorrichtung bewirkt, z. B. den Austritt einer Bremsklappe C an der Unterseite des
Profils der Hauptfläche I, so wird hierdurch der Druck auf den vorderen unteren
Teil dieser Hauptfläche vergrößert, und die bei A angreifende Kraft F2 nimmt einen
größeren Wert F4 .an. Das sich hieraus in bezug auf 0 ergebende Drehmoment übertrifft
das von der Kraft F3 herrührende, und die Hauptfläche des Autopters schlägt um einen
zusätzlichen Winkel da aus und nimmt die in Fig. 5 dargestellte Stellung ein. In
dieser Stellung nimmt infolge der Vergrößerung des Winkels. a die Kraft F4 den größeren
Wert F5 an, während die bei B angreifende Kraft F3 infolge des zusätzlichen Ausschlags
der Klappe den größeren Wert F6 annimmt. Die am Autopter angreifende Querkraft ist
in der Stellung der Fig. 5 größer als in der Stellung der Fig. 4, und zwar um einen
Wert, welcher von der Änderungsgeschwindigkeit des Fahrtwindes V abhängt. Wenn der
Autopter in die Stellung der Fig. 5 gekommen ist, in welcher seine Hauptfläche I
einen Ausschlag a + da erfahren hat, wird die Drehgeschwindigkeit zu Null, die Bremsklappe
C tritt wieder in das Profil zurück, und der Autopter kehrt in die in Fig. 3 dargestellte
Stellung zurück.
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Fig. 6 bis 8 zeigen eine auf diesem Prinzip beruhende Ausführungsform.
An dem Rumpf 7 des Luftfahrzeugs ist eine Achse 8 angebracht, an welcher die Hauptfläche
9 des Autopters schwenkbar ist, welche ihrerseits die Klappe Io trägt. Diese Klappe
ist mit dem Rumpf 7 durch den Hebel i i, die Steuerstange I2 und die Schwenkachse
13 verbunden. An dem vorderen Teil der Hauptfläche 9 ist eine Achse I4 befestigt,
welche in einen Schlitz 15a in einem um eine Stelle 16 des Rumpfs schwenkbaren Hebel
I5 eintritt. An dem brettförmig auslaufenden Hebel I5 sind die Grundflächen von
zwei Kapseln 17 und I8 befestigt, deren andere Grundflächen mit dem Rumpf 7 durch
Halter I9 und 2o verbunden sind. Zwei Leitungen 2I und 22 verbinden die Kapseln
I7 und I8 mit zwei anderen, in dem Profil der Hauptfläche I liegenden Kapseln 23
und 24, welche sich an einem Ende mit Hilfe von Fußteilen 25 und 26 an diesem Profil
abstützen. Die anderen Enden dieser Kapseln 23 und 24 sind mit einem Hebel 27 verbunden,
welcher um eine Achse 28 an dem Profil schwenkbar ist und eine doppelt wirkende
Bremsklappe 29 trägt. Die Bremsklappe 29 wird durch zwei Federn 30 und 3I in die
eingezogene Stellung zurückgezogen. Eine Umgehungsleitung 32 verbindet die Leitung
2I mit der Leitung 22 über einen regelbaren Auslaß 33. Die Kapseln I7, I8, 23 und
24 und die Rohrleitungen 2I, 22 und 32 sind mit demselben Strömungsmittel gefüllt.
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Fig. 8 dient zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung. Bei
einer schnellen Verstellung a der Hauptfläche 9 des Autopters nimmt die sich verstellende
Achse I4 den Hebel I5 mit, welcher bei seiner Schwenkung um I6 das Strömungsmittel
in der Kapsel I7 zusammendrückt. Das Strömungsmittel, welches nicht durch den Auslaß
33 austreten kann, gelangt in die Kapsel 23. Der so erzeugte Druck verformt die
Federn 30 und 31, und die Bremsklappe 29 tritt aus dem Profil aus, wodurch sie die
in Fig. 5 dargestellte zusätzliche Drehung d a hervorruft. Infolge der Wirkung der
Federn 30 und 3I strömt das Strömungsmittel durch den Auslaß 33 aus, und die Bremsklappe
29 tritt zurück. Bei einer langsamen Verstellung hat das Strömungsmittel Zeit; aus
dem Auslaß 33 auszutreten, so daß die Bremsklappe 29 in ihrer Ruhestellung bleibt.
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Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform ist die Bremsklappe
durch eine Klappe 33 an der Vorderkante des Autopters ersetzt. Diese Klappe 33 ist
bei 35 an einem an dem vorderen Teil der Hauptfläche 9 des Autopters angeordneten
Halter 36 schwenkbar. Die Klappe 33 ist mit einem brettförmigen Hebel 37 ausgerüstet,
welcher durch zwei Kapseln 38 und 39 und zwei Federn 40 und 4I betätigt wird, welche
den Kapseln 23 und 24 bzw. den Federn 30 und 3I der Fig. 6 und 7 entsprechen, während
der übrige Aufbau derselbe wie in diesen Figuren ist, wobei die gleichen Teile die
gleichen Bezugszeichen tragen.
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Bei der in Fig. io dargestellten Ausführungsform ist die Bremsklappe
durch eine zweite Steuerklappe 42 ersetzt. An der Steuerklappe io des Autopters
ist eine um eine Achse 43 schwenkbare zweite Steuerklappe42 angebracht. Diese Klappe42
wird durch einen Hebel 44 gesteuert, welcher den Kapseln 45 und 46 sowie den Federn
47 und 48 zugeordnet ist, welche den Kapseln 23 und 24 bzw. den Federn
30 und 31 der Fig. 6 und 7 entsprechen. Der übrige Aufbau ist der gleiche
wie in diesen
Figuren, wobei die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen
tragen.
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Fig. II und I2 betreffen ein zweites Mittel zur Einführung . einer
Phasenvoreilung durch Veränderung der Steuerung der Klappe durch die Hauptfläche
des Autopters in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Winkelrichtung
des Fahrtwindes.
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Bei der in Fig. II dargestellten Ausführungsform ist die Klappe Io
mit der Hauptfläche 9 des Autopters über eine Bremse 49 verbunden, welche an ihren
Enden über einen Hebel 5o an der Klappe Io und über einen Hebel 5I an dem Profil
der Hauptfläche 9 angreift. Die Klappe Io ist zweckmäßig aerodynamisch kompensiert
und statisch ausgewuchtet. Die Steuerstange I2 ist mit dem Rumpf über eine Feder
52 verbunden. Bei einem schnellen Ausschlag der Hauptfläche 9 verhindert die Bremse
49 einen ebenso großen Ausschlag der Klappe Io wie bei einer starren Steuerung,
d. h. wie bei Fig. 3 bis Io, wobei die Feder 52 nachgibt, was eine Verringerung
der Kraft F3 bewirkt. Die Fläche 9 schlägt daher zunächst um einen zusätzlichen
Winkel da aus. Hierauf gibt infolge der Wirkung der Feder 52 die Bremse 49 nach,
und die Anordnung kehrt in die in Fig. 3 dargestellte Stellung zurück.
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Zur Vornahme von Veränderungen braucht nur die Befestigungsstelle
der Feder 52 an dem Rumpf verstellt zu werden.
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Man kann auch, wie in Fig. I2 dargestellt, eine Schlitzsteuerung benutzen.
An einer festen Achse 53 ist ein durch das Gestänge 55 betätigter Winkelhebel 54
schwenkbar. Der Hebel 54 trägt eine Blattfeder 56, an deren Ende zwischen zwei Anschlägen
56a die Kuppelstange 57 angebracht ist, welche in eine Achse 58 .ausläuft, welche
in einem Schlitz 59 des mit der Klappe Io fest verbundenen Hebels 6o gleitet. Zwischen
dem Hebel 6o und der Hauptfläche 9 ist eine Bremse 6I angeordnet. Die Kuppelstange
57 kann durch ein Lager 62 geführt werden. Die Feder 56 kann auch durch eine Spiralfeder
ersetzt werden.