DE509337C - Vorrichtung zum Stabilisieren des Kurses bewegter Systeme, z.B. Luft- oder Wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH /J Ou

AUSGEGEBEN AM 8. OKTOBER 1930

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M509337 KLASSE 62b GRUPPE

Messgeräte Boykow G. m. b. H. in Berlin-Lichterfelde

Vorrichtung zum Stabilisieren des Kurses bewegter Systeme, z. B. Luft- oder Wasserfahrzeuge

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. April 1929 ab

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kurs- und Kurvenstabilisierung und zur Lagenanzeige bewegter Systeme, z. B. Luft- oder Wasserfahrzeuge.
Die Kursstabilisierung im Geradflug erfolgt durch das Seitenruder. Im Kurvenflug müssen sowohl das Seiten- wie das Höhenruder beeinflußt werden, um die Maschine auf der gewünschten Kurve und in ihrer Stabilitätslage zu erhalten. Endlich ist sowohl für Kurvenflug als auch für Geradflug eine Ouerstabilisierung notwendig, um das Flugzeug bei Geradflug in bezug auf die Längsachse waagerecht, bei Kurvenflug in bezug auf die Längsachse in der richtigen Neigung zu erhalten. Außerdem ist es erwünscht, daß der Pilot an einem Anzeigegerät kontrollieren kann, ob er eine stärkere oder schwächere Kurve fliegt.

ao Erfindungsgemäß wird die Kursstabilisierung bei Geradflug dadurch bewirkt, daß der Kurskreisel fein Kreisel mit tiefliegendem Schwerpunkt und drei Freiheitsgraden, dessen Rotationsachse waagerecht liegt) auf das Seitenruder über ein Drehrelais einwirkt, mit welchem ein Hilfskreisel mit waagerechter Drehachse und waagerechter Präzessionsachse gekuppelt ist, den ein Kraftmoment, z. B. eine Feder, in die Mittellage zurückzuführen sucht.

Der Kurskreisel bildet ein Pendel, das auf Ouerbeschleunigungen anspricht. Er wirkt mittels einer Kontaktvorrichtung über das Drehrelais auf das Seitenruder ein; um zu verhüten, daß das Fahrzeug unter der Einwirkung des Kurskreisels in pendelnde Schwingungen um die Kursrichtung gerät, ist der Hilfskreisel angeordnet, der diese Schwingungen dämpft.

Um trotz der Kursstabilisierung durch die beiden Kreisel Kurven fliegen zu können, ist mit dem Kurskreisel ein elektromagnetisches System verbunden, das gestattet, mittels geeigneter Schalter willkürlich ein nach Größe und Drehsinn einstellbares Drehmoment auf die senkrechte Präzessionsachse des Kurskreisels auszuüben. Mit Hilfe dieses Drehmomentes kann das Fahrzeug mit dem Kurskreisel in eine neue Gleichgewichtslage gebracht werden, die einer bestimmten Kurve entspricht. Dann stabilisieren der Kurskreisel und sein Hilfskreisel das Fahrzeug in der Kurve.

Ferner ist erfindungsgemäß mit der waagerechten Präzessionsachse des Kurskreisels eine Kontaktvorrichtung zur selbsttätigen Quer-Stabilisierung des Fahrzeuges verbunden, welche. die Querräder schaltet, sobald die Gleichgewichtslage des Fahrzeuges und des Kurskreisels voneinander abweichen.

Da die Einwirkung auf den Kurskreisel mit Hilfe des Magnetsysteins beim Übergang zum Kurvenflug \'erhältnismäßig gering ist, ist er-

findungsgemäß eine z\veite Schaltvorrichtung vorgesehen, die gestattet, das Flugzeug beim Einschalten des Magnetsystems schnell in die gewünschte Kurve zu legen. Diese zweite Steuervorrichtung wirkt sowohl auf das Seitenruder als auch auf das Höhenruder ein und verstellt dieses in dem für die Kurve erforderlichen Maße. Die Vorrichtung besteht aus einer Kontaktvorrichtung, die mittels ίο Stufenwiderstände auf das Drehrelais zur Verstellung des Seitenruders und auf die Steuermaschine des Höhenruders einwirkt. Die Einstellung der Kontakte dieser Hilfssteuervorrichtung erfolgt in Abhängigkeit von dem durch das Magnetsystem für den Kurvenfiug auf die senkrechte Präzessionsachse des Kurskreisels ausgeübten Drehmoment.

Mit den drehbaren Kontakten dieser Hilfssteuervorrichtung kann erfindungsgemäß ein Lagenzeiger verbunden werden, der entsprechend der Zentrifugalbeschleunigung auf die Kurve eingestellt wird, wenn das Magnetsystem des Kurskreisels auf Kurvenflug eingestellt wird. Das kann z. B. durch einen ständig laufenden Motor geschehen, der mittels eines Wendegetriebes die Drehkontakte der HilfsSteuervorrichtung und den Lagenzeiger einstellt und durch die Kontakte zur Einstellung des Kurvenfluges ein- und ausgeschaltet wird.

Weiter ist Gegenstand der Erfindung ein Kontrollschalter, der gestattet, das Fahrzeug aus einer vom Wiederübergang zum Geradflug etwa noch vorhandenen Restkurve in den geraden Kurs zurückzubringen. Dieser Kontrollschalter gestattet, durch das Magnetsystem am Kurskreisel auf diesen ein das Fahrzeug in den geraden Kurs zurückführendes Korrekturmoment auszuüben. Ferner ist erfindungsgemäß ein Regelungswiderstand vorgesehen, der gestattet, auf die senkrechte Präzessionsachse des Kurskreisels kleine regelbare Korrekturmomente auszuüben.

Endlich ist Kennzeichen der Erfindung ein Schalter, mittels dessen bei Handsteuerung der Maschine vorbereitend Relaismagnete eingeschaltet werden können, die während des Fluges und während der Handsteuerung durch die Kontaktvorrichtung des Kurskreisels für die Kursstabilisierung geschaltet werden, und die Kurvenschalter zwecks Einstellung des Lagenzeigers und des Magnetsystems am Kurskreisel selbsttätig ein- und ausrücken. Dieser Schalter wird mit den Hauptschaltern der Steuermaschinen so verbunden, daß er die Relaismagnete der Kurvenschalter einschaltet, wenn die Steuermaschinen ausgeschaltet werden.

Auf der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt.

Zu der Vorrichtung gehört ein Kreisel 1 zur Kursstabilisierung, im folgenden Kurskreisel genannt. Dies ist ein Kreisel mit senkrecht zur Flugrichtung (Pfeil I) Hegender waagerechter Drehachse 2, dessen Impulsvektor (Nordpol) nach links liegt, und der kardanisch aufgehängt ist, also außer seiner Drehachse noch eine senkrechte Präzessionsachse 3 und eine waagerechte Präzessionsachse 4, im ganzen also drei Freiheitsgrade, hat. Der Freiheitsgrad um die waagerechte Achse 4 ist dadurch beschränkt, daß der Kreisel mit seinem Gehänge einen tiefliegenden Schwerpunkt hat, beim dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß an dem Kardanring 5 ein Magnetsystem 6 unterhalb des Systemschwerpunktes angebracht ist.

Dieser Kurskreisel steuert mittels zweier Kontakte 7 und 8 und eines Kontaktarmes 9 auf der senkrechten Präzessionsachse 3 das Seitenruder und mittels einer gleichen Kontakteinrichtung 10, 11, 12, deren Kontaktarm 12 auf der waagerechten Präzessionsachse 4 sitzt, das Querruder.

Zur Steuerung des Seitenruders ist neben dem Kurskreisel 1 zwecks Dämpfung der Steuerbewegung ein Hilfskreisel 13 angeordnet, dessen Drehachse waagerecht liegt. Dieser Kreisel hat aber nur einen Freiheitsgrad um eine waagerechte Achse 14, also im ganzen zwei Freiheitsgrade. Auf der Achse 14 sitzt ein Kontaktarm 15, der mittels Kontakte 16 und 17 das Seitenruder steuert. Eine Feder 18 sucht den Hilfskreisel 13 in der dargestellten Lage zu erhalten. Durch eine Koppelstange 19 sind der Kreisel 13 und der Kontaktarm 15 mit einem Drehrelais 20 verbunden, und dieses wird durch die Kontaktvorrichtung 7, 8, 9 des Kurskreisels 1 gesteuert. Der Kurskreisel beeinflußt also das Seitenruder nicht unmittelbar, sondern über das Drehrelais 20 und die Kontakteinrichtung 15, 16, 17. _

Die bisher beschriebenen Teile der Vorrichtung reichen aus, um die Maschine im Geradflug, d. h. auf Kurs, zu stabilisieren. Die Wirkungsweise hierbei ist folgende:

Angenommen, die Maschine weiche nach einer Seite aus dem Kurse ab, so wirkt auf die Vorrichtung eine Querbeschleunigung ein. Die Querbeschleunigung bewirkt eine Präzession des Kreisels 1 um die senkrechte Achse 3 und somit eine Einschaltung des Drehrelais 20 durch die Kontakteinrichtung 7, 8, 9, wobei sich der Drehsinn des Relais 20 danach richtet, ob der Arm 9 auf den Kontakt 7 oder 8 aufläuft. Das Drehrelais wiederum verändert die Winkellage des Kreisels 13 und des Kontaktarmes 15 und schaltet mittels der Kontakte 16 oder 17 das Seitenruder, die Kursabweichungen korrigierend, ein.

' Würde das Seitenruder nur vom Kurskreisel ι gesteuert werden, so würde das Flugzeug dauernd um die gewünschte Kursrichtung pendeln. Dies wird durch den Hilfskreisel 13 vermieden, weil die Feder 18 diesen in die Nullage der Kontaktvorrichtung 15, 16, 17 zurückzuziehen sucht. Anfangs unterstützen sich der Kurskreisel 1 und der Relaiskreisel 13 und geben beide zusammen Gegenruder zum Ausgleich der Kursabweichung.

' Dadurch wird die Winkelgeschwindigkeit der Kursabweichung geringer.

Ist aber diese Winkelgeschwindigkeit auf ein bestimmtes Maß gefallen, so erhält die Feder 18 das Übergewicht und wirft den Kreisel 13 mit dem Kontaktarm 15 zurück, trotzdem der Kontaktarm 9 noch auf dem Kontakt 7 oder 8 steht, auf den er zu Beginn der Kursabweichung aufgelaufen ist. Der Kreisei 13 geht nun, wenn diese Vorgänge mit einer gewissen Geschwindigkeit erfolgen, . nicht einfach in die Nullage der Kontakteinrichtung 15, 16, 17 zurück, sondern schwingt etwas über die Nullage hinaus, so daß der Kontaktarm 1.5 auf den Kontakt 17 bereits aufläuft, kurz bevor das Flugzeug in den richtigen Kurs zurückgelegt ist. Infolgedessen schwingt das Seitenruder kurz vor diesem Zeitpunkt bereits in die entgegengesetzte Lage aus und fängt die Rückschwingung ab. Das hat wiederum zur Folge, daß nicht nur der Kontaktarm 15 wieder durch die Feder 18 in die Ausschaltlage zurückgebracht wird, sondern auch der Kontaktarm 9 in die Nullage zurückkehrt. Auf diese Weise dämpft der Relaiskreisel 13 die Rückschwingung des Flugzeuges in den gewünschten Kurs.

L^Tm das Flugzeug in eine Kurve legen zu können, ist an dem Kardangehänge des Kurskreiseis 1 das Magnetsystem 6 angebracht. Dieses besteht aus zwei Feldmagnetwicklungen 21 und 22 mit Eisenkern 29 und einem Anker 23, der ein permanenter Magnet sein kann. Ferner sind zwei Kontakttasten 24 und 25 angeordnet, von denen z. B. die Taste 24 für eine Linkskurve, die Taste 25 für eine Rechtskurve bestimmt ist. Endlich ist ein Schaltarm 26 vorhanden, der mit dem Kontakt 27 die Vorrichtung für eine vollkommen selbsttätige Steuerung einschaltet, mit dem Kontakt 28 für Handsteuerung. Zunächst soll nur die selbsttätige Steuerung betrachtet werden.

Drückt man die Taste 24, so wird die Wicklung 21 eingeschaltet, während die Taste 25 die Wicklung 22 schalten würde. Diese Wicklungen ergeben in dem Eisenkern 29 einen entgegengesetzten Kraftlinienfluß, so daß je nach dem Drücken der Taste 24 oder 25 der Anker 23 nach der einen oder anderen Seite abgelenkt wird. Da der Anker 23 auf der Präzessionsachse3 des Kreisels festsitzt, wird auf den Kreisel ein entsprechendes Drehmoment ausgeübt. Dieses Drehmoment veranlaßt eine Präzession des Kreisels um die Achse 4, der sich jedoch der Kreisel samt seiner Aufhängung widersetzt, weil der Gesamtschwerpunkt tief liegt.

Da der Kreisel die Präzession um die Achse 4 nur stark behindert ausführen kann, präzediert er auch um die Achse 3, so daß der Kontaktarm 9 wiederum auf einen der Kontakte 7 oder 8 aufläuft, was wiederum eine Einschaltung des Drehrelais 20 zur Folge hat, so daß das Flugzeug in eine Kurve geht. Hierdurch entsteht eine Zentrifugalbeschleunigung, und diese gestattet eine entsprechende Präzession des Kreisels mit seinem Gehänge um die Achse 4.

Die Präzession um die Achse4 bewirkt, daß der Kontaktarm 12 auf einen der Kontakte 10 oder 11 aufläuft und nun auch das Querruder einschaltet, wodurch das Flugzeug um die Längsachse der eingeleiteten Kurve entsprechend geneigt wird. Das Querruder schaltet sich, sobald die richtige Lage erreicht ist, selbsttätig aus, da die Kontakte 10, 11 mit dem Flugzeugkörper verbunden sind.

Der Einfluß auf das Seitenruder durch die Kontakteinrichtung 7, 8, 9 ist jedoch zu gering, um das Flugzeug mit der nötigen Geschwindigkeit zu drehen. Deshalb ist eine zweite Steuervorrichtung vorgesehen, die sowohl das Seitenruder wie das Höhenruder in dem für die Kurve erforderlichen Maße verstellt. Diese Vorrichtung besteht aus einer Scheibe 30, die um eine Achse 31 drehbar ist. Zum Antrieb dieser Scheibe dient ein ständig umlaufender Elektromotor τ,^{2 m}it einem Wendegetriebe 33, das über ein Räderpaar 34 und eine Schnecke 35 die Scheibe antreibt. Das Wendegetriebe wird ebenfalls durch die Taste 24, 25 mittels der dargestellten Leitungen geschaltet. Ebenso wie die Scheibe 30 sitzen auf der Achse 31 Kontaktarme 36 und 37, die mit unterteilten Kontaktbahnen 38. 39 und Regelungswiderständen 40, 41 einerseits und gleichen Kontaktbahnen 42, 43 und gleichartigen Widerständen 44, 45 andererseits zusammemvirken. Der Kontaktarm 36 steuert wiederum das Seitenruder über das Drehrelais 20, der Kontaktarm 37 zieht das Höhenruder entsprechend der gewünschten Kurve. Endlich ist auf der Scheibe 30 eine Horizontmarke 46 angebracht, die mit Hilfe von Zeigern 47 die Schräglage des Flugzeuges in der Kurve oder den Kur renradius oder die Drehgeschwindigkeit der Maschine je nach der Skaleneinteilung abzulesen gestattet. Soll auch die Schräglage abgelesen werden können, so muß die der Scheibe 30 durch den Motor 32 und die Übersetzungsgetriebe erteilte Dreh-

geschwindigkeit mit der Geschwindigkeit übereinstimmen, mit welcher die Querlage des Flugzeuges durch das Querruder geändert wird. Das läßt sich durch entsprechende Regelung der Motorgeschwindigkeit und Wahl der Übersetzungsverhältnisse erreichen.

Die Scheibe 30 und die Kontaktarme 36, 37 drehen sich, solange eine der Tasten 24, 25 gedrückt wird. Läßt man die Taste los, so ist eine neue Stabilitätslage des Flugzeuges erreicht, und die Kreisel 1 und 13 stabilisieren das Flugzeug auf die so eingestellte Kurve. Durch Drücken der Gegentaste kann man jederzeit in den Geradflug zurückkehren. Da die Möglichkeit besteht, daß die Lagenanzeige durch die Scheibe 30 durch Fehler in der Apparatur nicht genau dem wahren Zustande des Flugzeuges entspricht, daß also trotz Rückkehr der Scheibe 30 in die Nullage noch eine Restkurve vorhanden ist, ist eine Kontrollvorrichtung vorgesehen, die das Flugzeug aus der Restkurve herausnimmt. Hierzu dient eine Kontrolltaste 48 mit zwei Kontakten 49 und 50. Steht der Kontaktarm 9 zwischen den Kontakten 7 und 8, so erfolgt durch Drücken der Taste 48 kein Stromschluß. Ist aber eine Restkurve vorhanden, so steht der Kontaktarm 9 je nach dem Kurvensinn auf einem der Kontakte 7 oder 8. Dann kommt beim Niederdrücken der Taste 50, wenn z. B. der Arm auf dem Kontakt 7 steht, ein Stromfluß durch die Feldmagnetspule 21 des Kurskreisels zustande. Der auf diese Weise eingeschaltete Strom wird mittels der Widerstände 51 so schwach gehalten, daß das Wendegetriebe 33 nicht mit eingeschaltet wird. Andererseits reicht das Drehmoment aus der Spule 21 oder 22 aus, um das Pendelsystem des Kurskreisels 1 in die senkrechte Lage und damit das Flugzeug in den Geradflug zurückzuführen.

Die Widerstände 52, ähnlich wie die Widerstände 51, dienen zum Abgleichen der vom Kurskreisel ausgeübten Drehmomente. Endlich dient ein Regelungswiderstand 53 mit einem verstellbaren Kontakt 54 zum Ausgleich von Differenzen in der Wirkung der Spulen 21 und 22 oder anderer Störungen, z. B. Einfluß der Erddrehung auf den Kreisei i, indem er gestattet, je nach der Stellung des Kontaktes 54 zusätzliche, verschiedene kleine Ströme durch die Spulen 21 und 22 zu schicken und damit entsprechende kleine Korrekturmomente auf den Kurskreisel 1 auszuüben.

Liegt der Schalter 26 in der ausgezogenen Lage, so arbeiten die beschriebenen Einzelvorrichtungen in der beschriebenen Weise. Soll die Maschine von Hand gesteuert werden, so wird der Schaltarm 26 in die punktierte Lage auf dem Koniakt 28 gelegt; dann ist die Schaltung derart, daß die Scheibe 30 noch als Kurvenzeiger wirkt, dagegen sind die Steuermaschinen, deren Hauptschalter mit dem Schaltarm 26 verbunden sind, abgeschaltet. Die Scheibe 30 wird dadurch verstellt, daß beim Legen des Flugzeuges in eine Kurve der Kontaktarm 9 auf einen der.Kontakte 7 oder 8 aufläuft und das Wendegetriebe 33 mit Hilfe von Magneten 55, 56 schaltet, die auf die Tasten 24, 25 wirken.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   "i. Vorrichtung zum Stabilisieren des Kurses bewegter Systeme, z. B. Luft- oder Wasserfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurskreisel (1) auf das Seitenruder über ein Drehrelais (20) einwirkt, mit welchem ein Hilfskreisel (13) mit waagerechter Drehachse und waagerechter Präzessionsachse (14) gekuppelt ist, den ein Kraftmoment, z.B. eine Feder (18), in die Mittellage zurückzuführen sucht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein elektromagnetisches System (21, 22, 23), das gestattet,

   z. B. mittels Tasten (24, 25) ein nach Größe und Drehsinn einstellbares Drehmoment auf die senkrechte Präzessionsachse (3) des Kurskreisels (1) auszuüben.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine von der waagerechten Präzessionsachse (4) des Kurskreisels (1) gesteuerte Kontaktvorrichtung (10, 11, 12) zur Querstabilisierung.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch drehbare Kontaktarme (36, 37), von denen der eine (36) mit Hilfe von Kontaktbahnen (38, 39) und Stufenwiderständen (40, 41) auf das Drehrelais (20) zur Verstellung des Seitenruders und der andere (37) mit Hilfe von gleichartigen Kontaktbahnen (42, 43) und Stufenwiderständen (44, 45) auf das Höhenruder wirkt und die in Abhängigkeit von den auf die senkrechte Präzessionsachse (3) des Kurskreisels (1) durch das Magnetsystem (21, 22, 23) ausgeübten Drehmomenten verstellt werden.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, no dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkontakte (36, 37) mit einem Lagenzeiger (46) verbunden sind und gemeinsam beim Einschalten des Magnetsystems (21, 22, 23) beim Kurvenflug entsprechend der Zentrifugalbeschleunigung auf die Kurve eingestellt werden.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen ständig laufenden Motor (32), der mittels eines Wendegetriebes (33) die Drehkontakte (36, 37) und den Lagenzeiger (46) einstellt, und

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   der durch die Kurvenschalter (24, 25) zur Einstellung des Kurvenfluges ein- und ausgeschaltet wird.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Kontrollschalter (48), der bei Vorhandensein einer Restkurve gestattet, durch das Magnetsystem (21,22,23) auf den Kurskreisel (1) ein das Fahrzeug in den geraden Kurs zurückführendes Korrekturmoment auf den Kreisel (1) auszuüben.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Regehviderstand (53), der gestattet, auf die senkrechte Präzessionsachse (3) des Kurskreisels (1) kleine regelbare Korrekturmomente einzustellen.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Schalter (26, 2j, 28), der gestattet, bei Handsteuerung Magnete (55, 56) einzuschalten, die von der durch die senkrechte Präzessionsachse (3) des Kurskreisels (1) beeinflußten Kontaktvorrichtung (7, 8, 9) gesteuert werden, und die Kurvenschalter (24, 25) zwecks Einstellung des Lagenzeigers (46) und des Magnetsystems (21, 22, 23) selbsttätig ein- und auszurücken.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen