DE975455C - Selbsttaetige Kurssteuerung fuer Flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätige Kurssteuerung für Flugzeuge, insbesondere für schwanzlose Flugzeuge, sie ist aber auch für Flugzeuge der mehr gebräuchlichen Typen vorteilhaft.

Die durch die Erfindung geschaffene Kurssteuerung kennzeichnet sich dadurch, daß ein von einem Richtungsanzeiger abgegebenes Abweichungssignal der Einrichtung zur Betätigung von Querrudern des Flugzeuges zugeführt wird.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann die Steuerung so ausgebildet werden, daß der durch die Querruder herbeigeführte Querneigungswinkel begrenzt wird, indem der die Querruder verstellenden Einrichtung ein Steuersignal zugeführt wird, welches dem Abweichungssignal entgegenwirkt und von der herbeigeführten Querneigung abhängt.

Die Erfindung wird an einem Beispiel in Anwendung bei einem schwanzlosen Flugzeug an Hand der Zeichnung beschrieben. Bei einem solchen Flugzeug müssen aus naheliegenden Gründen die Kursabweichungssignale oder -impulse mit Längsneigungssignalen gemischt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt und kann bei anderen Flugzeugarten angewendet werden, ohne daß die von einem Kurssteuergerät abgegebenen Signale mit den von einem Höhensteuergerät gelieferten Signalen gemischt zu werden brauchen.

Fig. ι ist eine Draufsicht auf ein schwanzloses Flugzeug und zeigt die Querruder;

Fig. 2 ist ein Schema einer Anordnung für ein schwanzloses Flugzeug, bei welchem die Kursimpulse mit Höhensteuerimpulsen gemischt werden müssen;

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Fig. 3 und 4 zeigen zusammen ein Schaltungsbild für ein solches kombiniertes Signalsystem;

Fig. 5 zeigt eine Einzelheit eines elektromagnetischen Steuerimpulsgebers, der in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 6 zeigt schließlich eine Abwandlung mit zwei Impulsgebern, welche solche der pneumatischen Bauart sein können.

Die Erfindung ist nicht auf Flugzeuge ohne Seiten- oder Höhenruder beschränkt, jedoch ist ihre Anwendung bei schwanzlosen Flugzeugen besonders wichtig. Fig. ι zeigt ein derartiges Flugzeug 20, dessen Längsachse mit 21 und dessen Querachse mit 22 bezeichnet ist. Diese Achsen schneiden sich im Schwerpunkt 23 und liegen in einer horizontalen Bezugsebene, wenn das Flugzeug weder in Längsrichtung noch in der Querlage geneigt ist. Winkelabweichungen von dieser horizontalen Bezugsebene werden durch ein Kreisellot gemessen.

ao Die Querruder sind mit 24 und 25 bezeichnet. Wird z. B. Ruder 24 bewegt, so ergibt sich zwangläufig ein Rollmoment, entsprechend dem Abstand b, und außerdem ein zu dem Abstand α proportionales Stampfmoment, wobei 5 und α die Abstände von der Mitte der Ruderfläche zu den Achsen 21 bzw. 22 sind. Um eine Bewegung des Flugzeuges um die Längsachse (oder Rollachse) zu erhalten, wodurch gleichzeitig eine Wendung des Flugzeuges um seine senkrechte Achse erfolgt, ist es notwendig, entgegengesetzte Bewegungen der Flächen 24 und 25 auszuführen, während hingegen diese Flächen in gleichen Richtungen bewegt werden müssen, um eine Höhensteuerung oder eine Bewegung um die Querachse 22 herbeizuführen.

Wenn eine getrennte Höhensteuerung des Flugzeuges nicht vorhanden ist, sondern durch die Querruder ausgeführt werden muß, können die Flächen 24 und 25 einzeln durch getrennte Servomotoren 28 und 29 (Fig. 2) betätigt werden. Die beiden Servomotoren werden entsprechend dem gemischten Ausgangsimpuls einer selbsttätigen Pilotsteuerung 30 betätigt, deren Eingangssteuergröße von je einem gewöhnlichen Impulsgeber für die Quer- und für die Längsachse des Flugzeuges abgeleitet wird. Der Höhensteuerimpulsgeber ist mit 31 und der Quersteuerimpulsgeber mit 32 bezeichnet.

Der Höhensteuerimpulsgeber spricht auf eine Neigung um die Flugzeugquerachse an, wobei als Bezugsgerät ein Kreisellot 33 dienen kann. Ein ähnliches Bezugsgerät 34 ist für den Quersteuerimpulsgeber vorgesehen.

Das in Fig. 2 gezeigte System steuert also das Flugzeug nach einem Kurs, der durch ein Kursbezugsgerät festgelegt wird, welches einen Impuls abgibt, durch welchen die Abweichung von dem festgelegten Kurs gemessen wird. Der Kursabweichungsimpuls wird dabei mit einem Querlageimpuls kombiniert, welcher ein Maß für den Querneigungswinkel nach einem Bezugsgerät darstellt. Der resultierende Impuls wird an die Querruder gegeben und bewirkt, daß das Flugzeug bei Abweichung von dem festgelegten Kurs in einer Kurve mit Querneigung auf den Kurs zurückkehrt.

In Fig. 2 ist das Bezugsgerät ein richtungsbestimmendes Gerät ιοί, z. B. ein Richtungskreisel oder ein Kreiselmagnetkompaß, der mit einem Kursimpulsgeber 102, wie in Fig. 5 beschrieben, zusammenarbeitet. Das zweite Bezugsgerät 34 kann ein Kreisellot sein, welches einen Impulsgeber 32 aufweist, der sich in der Nähe der Längs- oder Rollachse befindet, um den Querlagewinkel des Flugzeuges zu messen.

Die Ausgangsimpulse der beiden Geber 102 und 32 werden kombiniert und der selbsttätigen Pilotsteuerung 30 zugeführt. Diese regelt die Tätigkeit der Servoantriebe 28 und 29, welche die Querruder 24 bzw. 25 betätigen. Die Impulse werden in solchem Sinne zugeführt, daß die Kursimpulskomponente bei Kursabweichung zur Folge hat, daß die Querruder das Flugzeug querlegen, um es auf den Kurs zurückzuführen, während die Querlageimpulskomponente, die auftritt, wenn sich das Flugzeug querlegt, die Quersteuerung in dem Sinne betätigt, daß das Flugzeug in die waagerechte Lage zurückkehrt.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtung ist im Falle einer Kursabweichung des Flugzeuges die folgende: Der Kursimpulsgeber gibt einen Impuls bezüglich der Kursabweichung und bewirkt, daß das Flugzeug sich querlegt. In dem Maße, wie sich das Flugzeug querlegt, gibt der Querlageimpulsgeber einen entgegengesetzten Impuls, welcher mit wachsendem Querneigungswinkel zunimmt, bis beide Impulse sich die Waage halten, worauf die Rollbewegung aufhört.

Entsprechend seiner Querlage dreht das Flugzeug auf den Kurs zurück. Wenn es sich dem Kurs annähert, wird der Kursimpuls schwächer, und der Querlageimpuls wird stärker als der Kursimpuls, so daß die Querruder betätigt werden und den Querneigungswinkel vermindern. Daraufhin wird der Querlageimpuls ebenfalls schwächer. Diese Wechselwirkung zwischen den beiden Impulsen hält an, bis das Flugzeug auf den Kurs zurückgekehrt ist und seine normale Lage wieder einnimmt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Möglichkeit, mit Hufe einer selbsttätigen Steuerung eine Kurve zu fliegen. In der Ausführung nach Fig. 2 ist ein Knopf 202 vorgesehen, mit dessen Hilfe die relative Stellung der zwei Glieder des Kursimpulsgebers 102 so eingestellt werden kann, daß ein Kursimpuls erzeugt wird, der eine Wendung des Flugzeuges veranlaßt. Ist z. B. das richtunggebende Gerät 101 ein Richtungskreisel und der Kursimpulsgeber gemäß Fig. 5 ausge- bildet, wobei der Rotor mit der senkrechten Achse des Richtungskreisels 101 verbunden ist, so kann der Knopf 202 das Kreiselgerät beeinflussen und um einen solchen Winkel drehen, um welchen das Flugzeug wenden soll, vorausgesetzt, daß dieser Winkel innerhalb des Arbeitsbereiches des Gebers liegt. Der Geber wird dann einen Impuls abgeben, welcher bewirkt, daß das Flugzeug auf den neuen Kurs geht, der durch den Richtungskreisel in derselben Weise festgelegt wird, wie dies oben im Zusammenhang mit der Rückkehr des Flugzeuges auf einen vorbestimmten Kurs beschrieben wurde. Falls das Flugzeug um einen größeren Winkel wenden soll, als der Arbeitsbereich des Gebers zuläßt, so kann die Wendung in Stufen erfolgen, wobei jede Stufe innerhalb des Arbeitsbereiches des Gebers liegt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ergibt noch eine weitere Möglichkeit zum Fliegen einer Kurve, und zwar indem man die Quersteuerung so einstellt, daß das Querlegen durch die selbsttätige Pilotsteuerung erfolgt. Zu diesem Zweck ist ein Schalter 120 vorgesehen, um den Kursimpuls von der Pilotsteuerung 30 abzuschalten. Ferner ist ein Knopf 200 vorgesehen, um das Querlagebezugsgerät 34, 32 so einzustellen, daß ein Impuls erzeugt wird, welcher bewirkt, daß das Flugzeug sich um einen bestimmten Winkel querlegt.

Das Längsneigungsbezugsgerät 33 ist mit einem Knopf 201 versehen, damit die Höhensteuerung durch das Gerät, insbesondere ein Kreiselgerät, erfolgt, wie dies an sich bekannt ist.

Wie in Fig. 6 schematisch gezeigt, besteht ein Kreisellot zur Erzeugung von Impulsen, welche die Längsneigung bzw. Querneigung messen, aus einem äußeren Gehäuse 35, einem Kardanring 36 und einem Lagergehäuse 37, in welchem der Kreiselrotor um eine normalerweise senkrechte Achse umläuft. Es können Mittel von an sich bekannter Art vorgesehen werden, um das Rotorlagergehäuse in aufrechter Stellung zu halten.

In einem solchen Gerät kann die Achse des Kardanringes 36 in der Längsachse des Flugzeuges oder zu ihr parallel liegen. Die Achse des Gehäuses 37 kann mit der Querachse des Flugzeuges übereinstimmen oder zu ihr parallel sein. Eine Neigung um diese letztere Achse kann mittels eines üblichen drehbar angebrachten Ringes 38 festgestellt werden, der durch das Gehäuse 37 eingestellt wird.

Auf jeder der Achsen 22 und 21 (Querachse und Längsachse) des Kreisellotes ist ein Impulsgeber (etwa nach der Bauart der Fig. 5) vorgesehen, um Lagewechsel des Flugzeuges um die betreffende Achse zu messen. Der Geber besteht aus einem gekrümmten Anker 44 aus magnetischem Material, der an der Drehzapfenwelle des Kardanringes des Kreisellotes (im Falle der Längsachse) oder an der Drehzapfenwelle des Rotorgehäuses des Kreisellotes (im Falle der Querachse) angebracht ist. Der Anker arbeitet mit einer drehbaren Platte 39 zusammen, die einen gekrümmten Magnetkern 40 mit drei Polstücken 41, 42 und 43 trägt, die, im Winkel um die Zapfenachse angeordnet, normalerweise starr mit dem Flugzeugkörper verbunden sind und von einer Wechselstromquelle 45 erregt werden. Die äußeren Polstücke jedes Gebers sind mit entgegengesetzt angeschlossenen Spulen versehen, welche einen phasenabhängigen Ausgangsstrom liefern, der von der Richtung der relativen Winkelverschiebung zwischen Kern und Anker 44 um diese gemeinsame Achse abhängt. Die im allgemeinen fest angebrachte Platte 39 ist um ihre Achse drehbar, um eine bestimmte Lage des Flugzeuges einzustellen, welche durch die Regelwirkungen des Gebers aufrechtzuerhalten ist.

Es kann eine elektrisch-hydraulische Pilotsteuerung verwendet werden, um die Quer- und Höhensteuerimpulse der betreffenden Geber nach Fig. 5 aufzunehmen. Diese automatische Pilotsteuerung kann in ihrer allgemeinen Bauart der Fig. 2 der britischen Patentschrift 612 804 entsprechen. Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, wird das Potential, das von dem Höhensteuerimpulsgeber abgeleitet ist, in die Primärwicklung eines Eingangstransformators 47 geschickt. Der Strom in der Primärwicklung von 47 induziert Wechselspannungen in den Sekundärwicklungen 48, 49 und 50.

Die Sekundärwicklung 49 ist mit den Steuergittern der Röhren 51 und 52 in einem symmetrischen Kreis verbunden. Die Sekundärwicklungen 48 und 49 sind an die Steuergitter der Rühren 53 und 54, ebenfalls in einem symmetrischen Kreis, angeschlossen. Der Ausgangsstrom der Röhren 51 und 52 wird einem Widerstandskondensator-Netzwerk zugeführt, um die Zeitableitung des elektrischen Eingangssignals zu bilden. Wie in der britischen Patentschrift 612 804 gezeigt, sind die Anodenkreise der Röhren 51, 52 mit einer geeigneten Wechselspannungsquelle verbunden. Der Ausgangsstrom des Kreises besteht aus einer Wechsel-Stromkomponente und einer Gleichstromkomponente, wobei die letztere durch Gleichrichtung im Anodenkreis erzeugt wird. Die Wechselstromkomponente wird durch Überbrückungskondensatoren 55 und 56 erheblich verkleinert, deren Kapazität nicht so hoch ist, daß der Kreis eine unzulässig hohe Zeitkonstante erhält. Infolgedessen besitzt das Potential, welches an den links gelegenen Kondensatorplatten 57 und 58 auftritt, keine wesentlichen Komponenten mit der Speisefrequenz.

Das Gleichstrompotential ist proportional zu dem Eingangsimpuls. Entsprechend seiner Änderung erscheint an den rechts gelegenen Platten der Kondensatoren 57 und 58 ein veränderliches Gleichstrompotential, welches proportional zu seiner Änderungsgeschwindigkeit ist. Dieses abgeleitete oder Änderungspotential wird an den Widerständen 59 und 60 in Reihe mit den Spannungen an den Transformatorwicklungen 48 und 50 den Steuergittern der Röhren 53 und 54 zugeführt. Diese Röhren richten den Wechselstromimpuls gleich, wobei die kombinierten Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten des Anodenstromes an den Widerständen 61 und 62 entsprechende Potentiale erzeugen. Diese Potentiale werden direkt den Gittern der Röhren 63 und 64 ohne Zwischenschaltung von Kopplungskondensatoren zugeführt-Durch Weglassung der Kopplungskondensatoren wird der Verstärker empfindlicher, da der gesamte Wert des Gleichstromimpulses auf die Gitter der Röhren 63 und 64 einwirkt. Bei Verwendung von Kopplungskondensatoren geht hingegen ein großer Teil des Impulses verloren. Die Gitter erhalten daher einen Wechselstromimpuls, welcher zu der Verschiebung des Gebers proportional ist, und ferner einen Gleichstromimpuls, welcher zu der Änderungsgeschwindigkeit der Ver-Schiebung des Gebers proportional ist. Dabei wird der Verschiebungsimpuls über die Sekundärwicklungen 48 und 50 zugeführt, während die erste Ableitung des Impulses an den Widerständen 59 und 60 zugeführt wird. Höhere Ableitungen des Impulses können durch mehrfache elektrische Differenzierung erhalten und mit der Geschwindigkeitskomponente kombiniert werden, wie dies in der britischen Patentschrift 612 804 näher dargelegt ist.

Die gleichgerichteten Röhren 53 und 54 sind direkt mit den symmetrischen Ausgangsröhren 63, 64 ge-

koppelt, und der gleichgerichtete Ausgangsstrom dieser Röhren wird den elektromagnetischen Regeleinrichtungen, d. h. den Stellmotoren 65, 66, zugeführt. Die Kondensatoren 67, 68 dienen zur Glättung des Gleichstromes. Die in Reihe verbundenen Wicklungen für den Höhensteuerimpuls der Stellmotoren für die hydraulischen Servomotoren 28 α und 29 a sind so angeordnet, daß, wenn die Ruderfläche 24 wie in Fig. 4 nach oben geht, die Fläche 25 sich auch nach oben bewegt. Das Empfangsnetzwerk für den Querimpuls ist identisch mit dem in Verbindung mit dem Höhenimpuls beschriebenen Gebilde. In diesem Falle sind die in Reihe geschalteten Wicklungen für den Querimpuls der Stellmotoren 65 und 66 für die beiden Servomotoren so angeordnet, daß sie in entgegengesetzten Richtungen arbeiten. Wenn also das Ruder 24 sich aufwärts bewegt (vgl. Fig. 4), so bewegt sich das Ruder 25 um denselben Winkel in der entgegengesetzten Richtung. Die Wicklungen der betreffenden so Stellmotoren geben die Möglichkeit, die entsprechenden Quer- und Höhensteuerimpulse zu mischen oder zu kombinieren, so daß man zwei resultierende Impulse von gleicher Größe erhält, durch welche die Ruder 24 und 25 gesteuert werden. Einer der resultierenden Impulse entspricht der Summe der Höhen- und Quersteuerimpulse geteilt durch Zwei und der andere der Differenz zwischen Quer- und Höhensteuerimpuls geteilt durch Zwei. Wenn der Quersteuerimpuls Null ist, ist der resultierende Höhensteuerimpuls für jeden Servomotor der potivie Wert des ursprünglichen Impulses geteilt durch Zwei. Ist der Höhenimpuls Null, so ist der resultierende Querimpuls für einen der Servomotoren gleich dem positiven Wert des ursprünglichen Impulses geteilt durch Zwei und der andere gleich dem negativen Wert des ursprünglichen Impulses geteilt durch Zwei.

Die Stellmotoren 65 und 66 und die hydraulischen Servomotoren entsprechen in ihrer allgemeinen Bauart der britischen Patentschrift 612 804. Die entgegengesetzt angeordneten Wicklungen für die Stellmotoren 65 und 66, die durch den Querimpuls gespeist werden, sind mit 70 bezeichnet. Die Wicklungen 69 der Stellmotoren, die eine gleichgerichtete Bewegung oder eine Bewegung in nur einer Richtung erzeugen, werden durch den Ausgangsstrom des Netzwerkes für den Höhensteuerimpuls gespeist. Insoweit die Elemente des Empfangsnetzwerkes für den Querimpuls denjenigen gleich sind, die in Verbindung mit dem Netzwerk für den Höhensteuerimpuls beschrieben wurden, sind entsprechende Bezugszeichen verwendet worden. Auf jeden der beiden Servomotoren 28a und 29a wirkt der kombinierte Ausgangsstrom der Vorrichtungen, welche den Höhen- und den Quersteuerimpuls erzeugen.

Das Mischen der Impulse kann sowohl pneumatisch als auch elektrisch geschehen. Zwei Geber 71 und 72 sind für die Hauptachsen des Flugzeuges, also für die Höhen- bzw. Querimpulse, vorgesehen (Fig. 6). Die Gehäuse der Höhensteuerimpulsgeber bewegen sich zusammen und in der gleichen Richtung durch Einstellung eines Knopfes 78 über Welle 79 und Ritzel 80. Der Knopf 81 ist angeordnet, um die Gehäuse der Geber 72 für Quersteuerung in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen, und zwar durch drei Zahnräder 82 bis 84 und Wellen 85 und 86, die sich entgegengesetzt drehen.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Selbsttätige Kurssteuerung für Flugzeuge, insbesondere für schwanzlose Flugzeuge, durch welche Abweichungen der Flugrichtung im Azimut von einem durch einen Richtungskreisel festgelegten Kurs berichtigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der die Querruder (24, 25) verstellenden Einrichtung (30) sowohl ein vom Richtungsbezuggerät (101) gelieferter Kursabweichungsimpuls als auch ein diesem entgegenwirkender, vom Querlagebezugsgerät (34) gelieferter Impuls zugeführt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Querruder (24, 25) herbeigeführte Querneigungswinkel begrenzt wird, indem der die Querruder verstellenden Einrichtung ein Steuersignal zugeführt wird, welches dem Abweichungssignal entgegenwirkt und von der herbeigeführten Querneigung abhängt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (202), durch welche ein mit dem Richtungsanzeiger (101) verbundener Geber (102) von Hand so eingestellt werden kann, daß ein die Querruder (24, 25) betätigendes Signal erzeugt wird, um eine Wendung des Flugzeuges durch die selbsttätige Steuerung herbeizuführen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen (200, 120), um die Querruder zeitweilig von der Betätigung durch den Richtungsanzeiger (101) abzutrennen und eine mit einem Querneigungsanzeiger (34) verbundene Gebereinrichtung (32) so einzustellen, daß ein Querneigungs-Steuersignal erzeugt wird, welches der Einrichtung zur Betätigung der Querruder zugeführt wird, um eine Flugzeugwendung durch die selbsttätige Steuerung herbeizuführen.

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In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 498 629, 509 337, 174, 601 806, 678 803.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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