DE635290C - Hoehensteuerung fuer Flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in die Höhensteuerung eines Flugzeuges eingebaute Sicherheitsvorrichtung gegen Überlastungen des Flugwerkes infolge zu großer Anstellwinkel bei großen Fluggeschwindigkeiten. Im folgenden ist diese Sicherheitsvorrichtung als Abfangsicherung bezeichnet.

Wenn ein Flugzeug bei großer Geschwindigkeit stark gezogen wird, wächst der Auf-

trieb und damit hauptsächlich die Biegebeanspruchung des Flügels sehr schnell zu Größen an, die über das zulässige, für jedes Flugzeug je nach Verwendungszweck festgelegte Lastvielfache hinausgehen, so daß ein Flügelbruch und der Absturz erfolgen würden. Als Gegenmaßnahme ist vorgeschlagen worden, in die Steuerung vom Staudruck betätigte Bremsmittel einzubauen, die dem Flugzeugführer das weitere Ziehen erschweren

ao sollten. Da aber nicht nur das Ziehen des Höhenruders bei sehr großen Geschwindigkeiten, sondern auch zu große Ausschläge bei weniger großen Geschwindigkeiten verhindert werden müssen, genügen diese vorgeschlagenen Bremsmittel nicht, ganz besonders dann nicht, wenn der Flugzeugführer die ihm vom Bremsmittel gegebene Warnung nicht beuchtet.

Nach der Erfindung wird für die Einschaltung der Abfangsicherung die auf das Höhenruder wirkende Luftkraft verwendet. Diese Luftkraft kann dem zulässigen Lastvielfachen am besten angepaßt werden, da sie nicht nur von der Fluggeschwindigkeit, sondern außerdem noch von der Größe des Höhenruderaus-Schlages abhängt. Sie wirkt auf ein elastisches Zwischenstück, das das Steuergestänge verlängert oder verkürzt, oder am Steuerknüppel, am Handrad, am Höhenruder usw. unmittelbar angebracht ist und zur Folge hat, daß das Ruder bei bestimmten Fluggeschwindigkeiten nicht den Ausschlag macht, der dem Knüppelausschlage entspricht, sondern einen kleineren. Gegenstand der Erfindung ist eine solche Ausbildung des elastischen Zwischenstückes, daß der Einfluß seines federnden Teiles durch Einschaltung einer veränderlichen Übersetzung zu Beginn der Steuerbewegung bei kleineren Geschwindigkeiten ausgeschaltet oder nur sehr klein ist, bei steigender Geschwin-.digkeit und steigendem Ruderausschlag jedoch immer größer wird, bis schließlich diejenige Beschleunigung des Flugzeuges in der Hochachse erreicht wird, die dem zulässigen Lastvielfachen entspricht. Die veränderliche Über-Setzung wird vorzugsweise aus Hebelanordnungen, Kurbeltrieben, zu denen auch Rollen, Winkelhebel u. dgl. gehören, oder anderen in der Technik an sich bekannten Mitteln gebildet. Das Ausschalten des Federeinflusses bei geringeren Geschwindigkeiten und kleineren Ausschlägen wird vorzugsweise durch eine entsprechende Vorspannung der Federn des elastischen Gliedes erreicht.

An Hand der Zeichnung seien die Vorgänge bei der erfindungsgemäßen Abfangsicherung näher erläutert. In Abb. ι sind in einem Kraft-Weg-Diagramm (senkrecht aufgetragen die Kraft K, waagerecht der Weg W) die Kennlinien (Charakteristiken) für eine Feder ohne (a) und mit (b) Vorspannung eingetragen; die dazugehörigen Kennlinien mit der erfindungsgemäßen Übersetzung sind mit Q₁ ■ ίο und b_x bezeichnet. Unter »Weg« ist im Diagramm natürlich die Verkürzung des elastischen Gliedes, nicht das Maß der Verschiebung des. Steuergestänges oder des Höhenruderausschlages zu verstehen. In Abb. 2 ist ein BescMeunigungs-Geschwindigkeits-Dia-' gramm (B-V) dargestellt. Die zulässige Beschleunigung des Flugzeuges in Richtung seiner Hochachse ist mit Z bezeichnet. Die Linie c stellt den Verlauf der erreichbaren Z₀ Beschleunigung bei steigender Geschwindigkeit dar, wenn kein elastisches Zwischenglied vorhanden ist, die Linie α den Verlauf, wenn eine nicht vorgespannte Feder, und die Linie b, wenn eine vorgespannte Feder einge- -25 baut ist. Die zugehörigen Linien a_t und O₁ zeigen den Verlauf der Beschleunigung, wenn das elastische Zwischenglied mit einer Übersetzung versehen ist.

Aus Abb. 2 ersieht man,, daß bei starrer Verbindung zwischen Steuerknüppel und Ruder das zulässige Lastvielfache schon bei der Geschwindigkeit V₂, die noch nicht einmal die Hälfte der für "das betreffende Flugzeug in Frage kommenden Höchstgeschwindigkeit V₄, ist, überschritten wird, während dies bei Zwischenschaltung der vorgespannten Feder (Linie b) bei der Geschwindigkeit V₂ erfolgt. Die in bezug auf die Höchstgeschwindigkeit F₄ und zulässige Beschleunigung ausreichend flache Beschleunigungszunahme mit der nicht vorgespannten Feder (Linie a) hat , den großen Nachteil, daß das Flugzeug wenig manövrierfähig ist, weil das Höhenruder schon bei kleinen Geschwindigkeiten ganz ungenügende Ausschläge macht, also dem Flugzeugführer nicht gehorcht. Es muß aber, um möglichst enge Abfangkurven fliegen zu können, angestrebt werden, daß man bei geringen Fluggeschwindigkeiten möglichst hohe Beschleunigungen erreicht. Nur Beschleunigungsspitzen bei großen Geschwindigkeiten müssen abgeschnitten werden. Durch Einschaltung der erfindungsgemäßen Übersetzung (Linie O₁) wird die Manövrierfähigkeit wenigstens für kleine Geschwindigkeiten wesentlich verbessert, aber noch viel besser ist die Übersetzung bei vorgespannter Feder (Linie b_t), denn bei dieser Anordnung ist der mögliche Arbeitsbereich, der durch die Linien V, c und Z gegeben ist, fast vollständig ausgenutzt.

Das elastische Zwischenglied mit Übersetzung weist also ein Kraft-Weg-Diagramm .und damit auch einBeschleunigungs-Geschwin-"fdigkeits-Diagramm auf, das bei geringen •'Kluggeschwindigkeiten eine höhere Federkonstante hat als bei größeren Geschwindigkeiten. Die erforderliche Federkonstante läßt sich für jede Fluggeschwindigkeit aus dem zur Erreichung des angestrebten Lastvielfachen erforderlichen Ruderausschlag und der bei diesem bestimmten Ruderausschlag auftretenden Ruderkraft berechnen. Durch, die erfindungsgemäße Anordnung wird eine Sicherheitssteuerung hergestellt, deren Eigenschaften von der Fluggeschwindigkeit abhängen, ohne daß irgendwelche Steuervorrichtungen, die getrennt durch den Fahrtwind betätigt werden, nötig sind. Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist der, daß eine Abfangsicherung gefunden ist, die unmittelbar auf das Ruder wirkt, ohne von der Winkelgeschwindigkeit oder der Beschleunigung des Flugzeuges abhängig zu sein. Diese Abfangsicherung folgt also unmittelbar dem Staudruck und nicht, wie andere Vorrichtungen, erst auf die durch die Ruderkraft hervorgerufene Winkelgeschwindigkeit, die hinter der Ruder- ■ kraft nachhinkt, oder gar auf die zu begrenzenden Beschleunigungen selbst, die sogar erst hinter den Winkelgeschwindigkeiten auftreten, so daß die auf Winkelgeschwindigkeit oder Beschleunigung in Richtung Hochachse ansprechenden Abfangsicherungen unzuverlässig sind.

In den Abb. 3 und 4 sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elastischen Zwischengliedes dargestellt, und Abb. 5 dient zur Erklärung des Kräfteverlaufes beim Gegenstand der Abb. 4.

Die Abb. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Abfangsicherung für Druckübertragung. Die vom Steuerknüppel kommende Druckstange d ist am Ende als Zylinder oder Käfig e ausgebildet, in dem sich eine vorgespannte Feder f befindet, die mittels eines Federtellers g durch Anschläge h festgehalten wird. Am Zylinder u. dgl. e sind zwei Arme i befestigt, in denen Rollen k drehbar gelagert sind. An diesen Rollen greifen je zwei Stangen gelenkig an, deren eine, I, mit dem Federteller g, die andere, m, mit der zum Ruder führenden Stoßstange» verbunden ist. Das elastische Zwischenstück ist in dem Zustande dargestellt, in dem noch die Vorspannung der Feder f wirkt. Wenn beim Ausschlag des Steuerknüppels (Stange d) die auf das Höhenruder (Stange n) wirkende Luftkraft größer ist als die Vorspannung der Feder f, dann bewegen sich die Gelenkpunkte ο gegen den Zylinder ei und die Punkte p nach innen. Die Bewegung der Punkte^ ist jedoch in der

Stoßstangenrichtung gemessen wesentlich kleiner als die der Punkte o. Das Verhältnis dieser Bewegungen in Stoßstangenrichtung ändert sich aber mit dem Drehwinkel der Rolle k und ist umgekehrt nach einer Drehung der Rolle k um 90°, d. h. die Bewegung der Punkte 0 in Stoßstangenrichtung hört allmählich auf, während die Bewegung der Punkte p immer größer wird. Das Verhältnis dieser Bewegungen ist nichts anderes als ein Maß für die Krümmung der Kennlinien % und b_x in den Abb. 1 und 2, und zwar nimmt bei gleichmäßig zunehmender Kraft auf die Stange d die Nachgiebigkeit des elastischen Zwischengliedes und damit auch der Weg, den die Stange w, und der Winkel, um den das Höhenruder zurückbleibt, zu. Die Drehung der Rollen k ist auf etwa 90⁰ begrenzt, weil sonst die Kurven O₁ und b_x in den Abb. 1 und 2 abfallen würden. Diese Begrenzung ist ohne weiteres dadurch gegeben, daß die Stangen / mit ihren nahe beim Gelenkpunkt 0 liegenden Enden an den Hebeln i anstoßen. Der Rollenhalbmesser, also ungefähr der Weg, den die Punkte 0 und p in Stoßstangenrichtung· zurücklegen, muß mindestens so groß sein wie die Nachgiebigkeit des elastischen Zwischenstückes, also etwa dem Stoßstangenweg von der Nullage bis zum größten Ausschlag des Höhenruders entsprechen.

Die Abb. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem das elastische Zwischenstück aus einer Feder und vier Hebeln besteht. Die Zugstange d besitzt am Ende einen Zapfen q, der in einem Schlitz r eines Rohres s gleitet, das das Ende der anderen Zugstange η bildet. Dieses Rohr s trägt ebenfalls einen Zapfen q_u Zwischen den beiden Zapfen q und q_t sind \^rier eine Raute bildende Hebel t geschaltet, deren Gelenkpunkte u durch eine vorzugsweise vorgespannte Zugfeder ν gehalten werden. Wenn an der Stange d in Pfeilrichtung mit einer Kraft P_d gezogen wird, die gleich oder kleiner ist als die Vorspannung¹ der Feder v, dann macht die Stange η genau den · selben Weg wie die Stange d. Ist aber die Kraft P _d größer als diese Vorspannung, dann wird der Zapfen q nach links verschoben und die Feder υ mit einer Kraft P_v gedehnt. Die Kennlinie der Feder ν kann geradlinig sein, trotzdem wird der Höhenruderausschlag ungleichmäßig gegenüber der Stange d zurückbleiben, d. h. die Nachgiebigkeit des elastischen Zwischengliedes verläuft nicht geradlinig, sondern wird bei steigender Geschwindigkeit immer größer. Aus der Abb. 5 ergibt sich nämlich, daß sich die Kräfte P₁, und P_v wie die Achsen x, y der Raute zueinander verhalten. Das Verhältnis von ζ zu y kann durch ig ausgedrückt werden, also ist die Kraft P_d = P_v tg. Die Tangenskurve wird, wenn der Abstand der Zapfen q und q_lt also der Winkel kleiner wird, immer flacher, woraus sich wieder ein Verlauf der Kraft-WegundBeschleunigungs-Geschwindigkeits-Kurve ergibt, wie in der Abb. 1 und 2 durch die Linien O₁ und b_± dargestellt ist.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele können selbstverständlich in vieler Hinsicht abgeändert werden, z. B. ist ohne weiteres eine Umarbeitung der Ausführung nach Abb. 3 auf Zuggestänge und der nach Abb. 4 auf Druckgestänge möglich. Statt der Rollen nach Abb. 3 sind ebensogut Winkelhebel brauchbar. Die Übersetzung kann durch andere an sich in der Technik bekannte Mittel bewirkt werden. Die Federform kann beliebig abgeändert werden, wenn sich daraus Sondervorteile ergeben, besonders sind mehrere hintereinander- oder gegeneinanderwirkende Federn zweckmäßig, deren an sich gerade Kennlinien gegeneinander geneigt sind, so daß die Gesamtkennlinie zuerst steiler, dann flacher verläuft. Das Maß der Vorspannung und die Kennlinie der einzelnen Federn werden entsprechend dem Verwendungszweck des Flugzeuges, für das die erfindungsgemäße Höhensteuerung bestimmt ist, gewählt, ein Kampfflugzeug z. B. wird eine steilere Kennlinie haben müssen als ein Transportflugzeug, ein Sp'ortflugzeug eine steilere als ein Verkehrsflugzeug.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   ■ i. Höhensteuerung für Flugzeuge, die an beliebiger Stelle ein elastisches Glied als Abfangsicherung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Glied mit einer Übersetzung ausgestattet ist, die die Kennlinie des elastischen Gliedes so krümmt, daß sie im Kraft-Weg-Diagramm (die Kraft senkrecht, der Weg waagerecht aufgetragen) zuerst steiler, dann immer flacher verläuft.
2. 2. Höhensteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Glied mit der Übersetzung so ausgebildet ist, daß der flachste Teil der gekrümmten Kennlinie im Beschleunigungs- no Geschwindigkeits-Diagramm die Linie für die zulässige Beschleunigung nicht übersteigt.
3. 3. Höhensteuerung nach den Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeich- ng net, daß die Übersetzung als Hebelanordnung ausgeführt! ist.
4. 4. Höhensteuerung nach den Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzung als Kurbel- _12iQ trieb ausgeführt ist.
5. 5. Höhensteuerung nach den An-

   Sprüchen r bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als elastisches Glied vorgespannte Federn verwendet werden.
6. 6. Höhensteuerung nach den Ansprüchen ι bis 5,, dadurch gekennzeichnet, daß als elastisches Glied Federn verwendet werden, die durch Gegeneüianderanordnung oder durch Hintereinanderschaltung mit verschiedenen Vorspannungen eine Kennlinie mit Knickstellen' haben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen