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Anordnung zur Anzeige der Abweichung eines Flugzeugs aus der horizontalen
Längs- und Querlage mittels elektromagnetischer Wellen Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung für aeronautische Zwecke.
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Bei Flügen im Nebel, bei Nacht oder über gebirgigem Gelände ist es
meist nicht möglich, den Horizont zu beobachten. Dies hat zur Folge, daß es schwierig
ist, das Luftfahrzeug, insbesondere wenn es sich um ein Flugzeug handelt genau im
horizontalen Flugzustand zu halten. Bei einem Flugzeug führt eine seitliche Abweichung
aus der Horizontalebene leicht zu einem seitlichen Abrutschen, und eine Abweichung-
aus der horizontalen Ebene in der Längsrichtung ändert offiensichtlich die Höhenlage
dies Luftfahrzeugs.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es notwendig, eine Einrichtung
zur Kontrolle der Längs- und Querlage bzw. -stabilität des Luftfahrzeugs zu verwenden.
Dies kann dadurch erreicht wierden, daß man leinen künstlichen Horizont verwendet.-Demgegenüber
bezieht sich die Erfindung auf Geräte, die auf das im Raume von einem Sender erzeugte
elektromagnetische Strahlungsfeld ansprechen, und zwar ist es in diesem Zusammenhang
bekannt, mit Hilfe eines Längs- und Querdipols die Horizontallage eines Flugzeugs
zu kontrollieren. Diese Anordnung gründet sich auf ,der Tatsache, daß über gut leitendem
Erdboden, insbesondere über Meerwasser, der elektrische Vektor eines Strahlungsfeldes
sich senkrecht zur Erdoberfläche fortpflanzt. Eine genau in der Längsebene eines
Flugzeugs orientierte Dipolantenne wird mithin bei horizontaler Fluglage keine Spannung
aus dem Hochfrequenzfeld aufnehmen.
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Unter Zugrundelegung der bekannten Mittel (je ein Horizontaldipol
in Längs- und Querrichtung des Flugzeugs) betrifft nun die Erfindung die Ausgestaltung
des Empfängers.
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Während nämlich die bekannte Anordnung, um mit einem Empfangsgerät
auszukommen, zwei voneinander unabhängige Umschaltvorrichtungen benötigt, kommt
die erfindungsgemäße mit einer einzigen aus. Dies ist möglich durch Benutzung einer
neuartigen Schaltung, welche bereits an anderer Stelle vorgeschlagen wurde und weiter
unten noch beschrieben wird.
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Die Erfindung besteht in folgendem. Die Empfangsschwingungen zweier
in der Flugzeugebene in Längs- und Querrichtung in der bekannten Weise angeordneter
Dipolantennen, welche unter Voraussetzung eines senkrecht
gerichteten
elektrischen Feldvektors nur bei Abweichung des Flugzeugs aus der Horizontallage
beeinflußt werden, werden in periodisch abwechselnden Zeitintervallen mit einer
örtlich erzeugten Hilfsfrequenz, weiche eine unsymmetrisch verzerrte Kurvenform
auf- -weist, moduliert und mit der Spannung einer -ungerichteten Antenne kombiniert.
Sodann werden die nach Demodulation erhaltenen Ströme über einen nicht linearen
Widerstand, der die Eigenschaft besitzt, bei Auftreffen unsymmetrischer Wechselströme
einen in seiner Polarität von den jeweils amplitudengrößeren Halbperioden des Wechselstromes
abhängigen Gleichstrom zu erzeugen, zwei in synchronem Rhythmus mit der Umschaltung
der Modulationsfrequenz abwechselnd angeschalteten Instrumenten für die Anzeige
dler Lagenabweichung des Flugzeugs zugeführt.
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Die Verwendung eines nicht linearen Wider standes, wie er z. B. unter
dem Namen Thyrite bekanntgeworden ist, in Geräten zur Richtungsbestimmung sieht
bereits der erwähnte ältere Vorschlag vor.
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Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichuugen näher erläutert.
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Die Fig. I zeigt zunächst die Schaltung gelnäß dem früheren Vorschlag,
lediglich mit der Abweichung, daß an Stelle leiner Rahmienantenne eine Dipolantenne
33, 34 verwendet ist, die mit Hilfe leiner Kopplung 35, 36 mit dem vorzugsweise
aperiodischen Eingangskreis, der zugleich Gitterkreis einer Ent-Iadnngsröhre 37
ist, verbunden ist. Der Ausgangskreis der Röhre 37 ist über einen geeigneten Kopplungskondensator
38 mit dem Empfangsgerät 39 gekoppelt. Den Anodenstrom liefert eine Batterie 50
über den Widerstand 49 Eine zweite Antenne 40 beliebiger Form, etwa, eine Stabanteune
oder sonstige nicht gerichtete Antenne, ist ebenfalls an den Empfänger 39 angeschlossen.
-Am Ausgangskreis des Empfängers liegt ein Filterkreis, der den Kondensator 41 und-
die Spule 4I' enthält. Der Zweck dieses Filters soll später erläutert werden.
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Der Ausgangskreis enthält außerdem einen nicht - linearen Widerstand
42, mit dem ein Anzeigegerät 43 in Serie liegt. Ein solcher nicht linearer Widerstand
hat die Eigenschaft, einen Wechselstrom von unsymmetrischer Kurvenform in einen
Gleichstrom mit von der Amplitude der jeweils überwiegenden Halbwelle des Wechselstromes
abhängiger Polarität zu verwandeln Dies erklärt sich aus dem Verlauf seiner Kennlinie,
die eine geirrürmte und in bezug auf die Nullinie der Wechselstromkurve symmetrisch
verlaufende Form hat. Parallel zu den Klemmen des Anzeigegerätes liegt noch lein
Überbrückungskondensator 44, der zur Glättang dient.
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Die von der Dipolanteime 33, 34 empfangene Hochfrequenzschwingung
wird von einem von der Stromquelle 45 über einen Transformator 45' gelieferten Wechselstrom
moduliert.
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Dieser Wechselstrom soll etwa die in Fig. 3 B bzw. 3 D gezeichnete
Form aufweisen. Er setzt sich also aus der Grundschwingung mit einer Reihe von Harmonischen
zusammen.
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Mit der Sekundärspule des Transformators in Reihe liegen noch eine
Stromquelle 47 für das Gitterruhepotential sowie ein Widerstand 46. Letzterer bildet
mit der Kapazität 48 ein Sperrglied, um die Hochfrequenz auf kürzestem Wege an die
Röhrenelektroden gelangen zu lassen. Der Zweck der Wahl einer verzerrten Wellenform
des Modulationsstromes ergibt sich noch aus der nachstehenden Erklärung der Wirkungsweise
der Einrichtung.
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Die Anordnung der Dipolantenne 33, 34 und der senkrechten Antenne
40 auf einem Flugzeug 51 ist aus Fig. 2 zu ersehen. In dieser Figur sind die Dipolhälften
33 und 34 als Stangen gezeichnet, die sich in horizontaler Richtung und quer zur
Längsachse von dem Rumpf eines Flugzeuges erstrecken, während die Hilfsantenne 40
im wesentlichen aus einer weiteren vertikalen Stange besteht, die irgendwo hinter
dem Sitz des Flugzeugführers oder des Beobachters angebracht ist. Die im Sinne der
Erfindung noch erforderliche Dipolantenne in Flugzeuglängsrichtung ist hier nicht
mit eingezeichnet. Die vollständige erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt,
doch soll das Prinzip des Zustandekommens einer Anzeige zunächst nur für den Fall
einer seitlichen Neigung erläutert werden.
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Ist der Flugzustand so, daß die Flügel in einer horizontalen Ebene
liegen, so ,empfängt die Dipolantenne 33, 34 von den Raumwellen ein Minimum von
Hochfrequenzenergie.
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Weicht indessen die Lage des Flugzeugs im Sinne einer Seitenneigung
von der Horizontaillen ab, so empfängt die Dipolantenne Energie, die in der Entladungsröhre
37 mo duliert wird. Diese modulierben Schwingungen werden mit den von der senkrechten
Antenne 40 empfangenen Schwingungen kombiniert, und die resultierenden Schwingungen
werden im Empfänger 39 verstärkt und demoduliert.
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Es ist klar, daß die von der Dipolantenne aufgenommenen Schwingungen
sich mit dienen der senkrechten Antenne entweder in gleicher oder in entgegengesetzter
Phasenlage überlagern können, je nach der Lage der Dipol antenne in bezug auf die
horizontale Ebene bzw. je nach der Richtung der seitlichen Neigung. Zur Erzielung
einer konstanten Empfindlichkeit der Anzeige bezüglich des Betrages
der
Winkelabweichung der Dipol antenne von der Horizontalen ist der Empfänger 39 vorzugsweise
mit einer an sich bekannten selbsttätigen Verstärkungsregeleinrichtung versehen.
Nach ihrer Demodulation im Empfänger 39 erscheinen die kombinierten Schwingungen
im Ausgangskreis wieder in Form der ursprünglichlen unsymmetrischen Welle, jedoch,
wie noch gezeigt wird, mit von der Neigungsrichtung abhängiger Phase. Der unsymmetrische
Wechselstrom trifft dann auf den nicht linearen Widerstand 42.
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Das Filter mit dem Kondensator 41 und der Spule 41' wirkt so, daß
diejenigen Frequenzen zurückgehalten werden, welche niedriger sind als die Grundfrequenz
der Modulatlonsspannung.
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Die Beziehung zwischen Widerstand und Strom in einem solchen nicht
linearen Widerstandsmaterial kann durch .die hyplerbolische Gleichung: R = CI-a
zum Ausdruck gebracht werden.
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In dieser Gleichung bedeuten R den Widerstand, I den Strom, während
C und a Konstanten sind. Dler Exponent a ist kleaier als I; der Wert der Konstanten
C schwankt zwischen 20 und 600. -Das Material hat die besondere Eigenschaft, daß
es unmittelbar auf unsymmetrische Wechselströme anspricht, so daß in dem Stromkrein
ein Gleichstrom fließt.
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Bei symmetrischem Wechselstrom tritt jedoch kein Gleichstrom auf.
Der Gleichstrom kann in irgendeiner Richtung fließen, die davon abhängt, ob die
positiven -oder negativen Amplituden des unsymmetrischen Wechselstromes überwiegen.
Der resultierende Gleichstrom betätigt das Anzeigegerät 43 und gibt eine Anzeige
dafür, ob der rechte oder der linke Flügel sich über der Horizontalen befindet.
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Mit anderen Worten, die Anzeige läßt erkennen, in welcher Richtung
die Verwindung des Luftfahrzeugs betätigt werden muß, um dieses in die horizontale
Fluglage und damit die Dipolantenne 33, 34 in die Nullage zurückzubringen.
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Die in Fig. 3 dargestellte Schaulinie A zeigt, in welcher Form die
dem Demodulator im Empfänger 39 aufgedrückte Schwingung erscheint, wenn die von
der Hilfsantenne 40 aufgenommene Hochfrequenz mit der von der Dipolantenne 33, 34
aufgenommenen in Phase ist. Die Schaulinie B zeigt die Kurvenform des Stromes, der
nach erfolgter Demodulation in dem Ausgangskreis des Empfängers auftritt. Befindet
sich die Dipolantenne 33, 34 jedoch in anderer Lage, d. h. ist sie aus der horizontalen
Lage in eine Lage gedreht, die derjenigen entgegengesetzt ist, in der die gemäß
A verlaufende Schwingung resultiert, so befinden sich die kombinierten Hechfrequenzen
in Phasenopposition und erzeugen die in der Schaulinie C wiedergegebene Schwingungsform.
Die Kurvenform des Stromes, der dann in dem Ausgangskreis des Empfängers auftritt,
zeigt die Schaulinie D, die zu B spiegelbildlich symmetrisch verläuft.
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Aus diesen unsynunetrischen Strömen B, D entstehen nach Durchgang
durch den nicht linearen Widerstand 42 Gieichströme verschiledenier Richtung.
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Da der Empfänger 39, wie bereits erwähnt, mit einer selbsttätigen
Verstärkungsregelung ausgerüstet ist, die auf die von der Antenne 40 empfangene
Energie anspricht, sind die Amplituden der Wellenform von A bzw. C, die an den Demodulator
in dem Empfänger 39 gelangen, konstant, so daß die Niederfrequenzströme der in den
Schaulinien B, D gezeigten Form in ihrer Amplitude nur davon abhängen, wie groß
die etwaige- seitliche Neigung und damit die Winkelabweichung der Dipolantenne 33,
34 aus der horizontalen Ebene ist.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der eigentlichen erfindungsgemäßen
Anordnung dargestellt, mit der sich die gleichzeitige Anzeige der Abweichung aus
der Längs- und dar Querlage des Flugzeugs durdiführen läßt.
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Im wesentlichen enthält diese Anordnung zwei Modulationsvorrichtungen
der oben beschriebanden Ausführung, die mit einem Umschaltmechanismus abwechselnd
in Verbindung mit den Empfangsgerät gebracht werden.
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In Fig. 4 haben gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.
1. Zusätzlich ist die Dipolantenne 52, 53 vorgesehen, die genau in Richtung der
Längsachse des Luftfahrzeugs angeordnet ist. Diese Antenne ist an den aperio-dischen
Eingangskreis -ein-er Entladangsröhre 56 über ein Spuiensyst.em 54, 55 angekoppelt;
der Ausgangskreis der Röhre 56, der einen Kopplungswiderstand 57 und eine Anodenstromquelle
58 enthält, ist mit dem Eingangskreis des Empfängers 39 über einen Kopplungskondensator
59 verbanden. - Aus einem zweiten Wechselstromgenerator 60 wird zwecks Modulation
Energie in den Eingangskreis der Röhre 56 über einen Transformator 6I geliefert.
Ein Widerstand 62 und ein nicht bezeichneter Querkondensator dienen dem gleichen
Zweck, wie für. die Röhre 37 angegen. Die bleneits unsymmetrische Moldulationsspannung,
welche also wieder ein Frequenzgemisch darstellt, steuert in bekannter Weise den
Arbeitspunkt der Eingangsröhre 56. Die der empfangenen Hochfrequenz aufgedrückte
Niederfrequenzmodulation bewirkt demnach am Eingang vom Empfänger 39 das Auftreten
von Schwingungen, deren Verlauf der Form A oder C in Fig. 3 entspricht.
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Ein Motor 63 treibt eine Welle an, auf der ein zweiteiliger Kommutator
64, Schleifringe 65 und 66 und Umschaltwalzen 87 und 88 angeordnet sind. D'er eine
Halbring des Kommutators 64 ist mit dem SchLeifring 65 verbunden, der andere mit
dem Schleifring 66. Der Schleifring 66 steht über eine Bürste und eine Leitung 67
mit der negativen Klemme der Gittervorspannungsquelle 47 in Verbindung. Die Batterie
68, deren positiver Pol mit .dem negativen Pol der Gittervorspannungsquelle 47 verbunden
ist, steht über die Leitung 69 mit der Bürste in Verbindung, die auf dem Schleifring
65 aufliegt. Die Batterie 68 liefert eine genügend hohe, zusätzliche negative Gittervorspannung
für die Sperrung des Anodenstromes der Röhren 37 und 56.
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In einer bestimmten Stellung des Kommutators 64 liegen im Gitterkreis
der Entladungsröhre 37 folgende Elemente in Reihe: Gitter, Spule 36, Widerstan'd
46, die Sekundärwicklung des Transformators 45', Leitung 70, die eine Hälfte des
Kommutators 64, Leitung 7I, Schleifring 65, Leitung 69, die Stromquellen 68 und
47 und die Kathode der Entladungsröhre. In dieser Schaltstellung wird dem Gitter
der Röhre 37 eine hohe negative Gittervorspannung aufgedrückt, tun das Auftreten
eines Anodenstromes zu verhindern.
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Der Gitterkreis der Entladtmgsröhre 56 ist folgender: Gitter, Spule
55, Widerstand 62, Sekundärwicklung des Transformators 6I, Leitung 72, die andere
Hälftie des Kommutators 64, Leitung 73, Schleifring 66, Leitung 67, Gittervorspannungsquelle
47, Kathode der Röhre 37.
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Die Dipolantenne 33, 34 ist somit von dem Empfänger 39 elektrisch
getrennt, und nur die Spannung der Dipolantenne 52, 53 ist wirksam. Der Ausgangskreis
des Empfängers 39 mit den Leitungen 74 und 75 ist mit den Umschaltern 87 und 88
verbunden, die in der gezeichneten Stellung mit dem Anzeigegerät 76 über die Leitungen
77 und 78 verbunden sind. Das Gerät 76 zeigt also, da 52, 53 der Längsdipol sein
sollte, Abweichungen aus der Längslage des Flugzeugs an.
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Ist die Welle des Motors 63 um 180° verdreht, so ist im Gitterkreis
der Röhre 37 nur die (normale) Vorspannung von 47 wirksam, so daß die Röhre in Tätigkeit
tritt. Das Gitter der Entladungsröhre 56 ist Idann durch die Gittervorspannungsquellen
47 und 68 gesperrt. In dieser Schaltstelkmg gelangt also nur Spannung der Dipolantenne
33, 34 zum Empfänger 39, während die Dipolantenne 52, 53 unwirksam ist. Gleichzeitig
ist der Ausgangskreis des Empfängers 39 durch die Lieitungen 74 und 75 über die
Umschalter 87 und 88 mit dem Gerät 43 verbunden; dieses zeigt daher Abweichungen
aus der Querlage des Flugzeugs an. Die Koromutierungseinrichtung, von dem Motor
63 angetrieben, ermöglacht also die Benutzung nur eines Empfangsgerätes.
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Die Fig. 5 zeigt noch eine besondere Ausbildungsform für das die
Abweichung aus der Längs- und Querlage anzeigende Meßgerät. Hierbei ist das Instrument
43 nach Fig. 4 durch das Anzeigegerät 26 und das Instrument 76 durch das Anzeigegerät
25 ersetzt. Das bewegliche System 27 des Instruments 25 - trägt einen Hebel 28,
an dessen einem äußeren Ende eine Nachbildung 29 eines Flugzeuges befestigt ist.
Das System 30 des Instruments 26 trägt eine V-förmige GabeI3 1, weiche leine durchsichtige
Skala 32 mit einer scharfen Rißlinie trägt. Die Linie 32 kann aus feinem Draht bestehen,
der von den beiden Schenkeln gehalten wird, oder es kann diese Linie durch einen
Strich gebildet werden, der beispielsw'eise auf einem Stück Celluloid oder einem
anderen durchsichtigen Mateiial aufgedruckt ist.
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Befindet sich das Flugzeug im vollkommen horizontalen Flugzustand,
so werden die Instrumente 25 und 26 derart betätigt, daß die Nachbildung 29 des
Flugzeugs, von vorn betrachtet, symmetrisch zu der horizontalen Linie 32 erscheint.
Weicht die Lage des Luftfahrzeugs indessen von der horizontalen Ebene in der Längsrichtung
ab, und zwar im Sinne einer Steigung, so werden die von den entsprechenden Antennen
aufgenommenen Energien auf das Anzeigegerät 25 übertragen und betätigen das bewegliche
System 27 derart, daß das Modell 29 um einen mehr oder weniger großen Betrag über
die horizontal gebliebene Linie 32, die eine Nachbildung des Horizonts darstellt,
gehoben erscheint.
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Liegt das Flugzeug andererseits in bezug auf die Längsrichtung horizontal,
jedoch nach der Backbord- oder Steuerbordseite geneigt, so daß die gleichgerichteten
Ströme den Anker des Anzeigeg''erätes 26 betätigen, dann wird die Horizontallinie
42 gedreht. Damit erscheint die Nachbildung 29 um einen Winkel gegenüber dem künstlichen
Horizont 32 verdreht.
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Selbstverständlich können für die Zwecke der Kommutierung auch andere
Mittel, beispielsweise Entladungsröhren, benutzt werden. Die beschriebene Einrichtung
eignet sich ferner. ohne wesentliche änderungen für den Betrieb mit Kurzwellen.
Sie kann schließlich dazu dienen ein Flugzeug beim Start oder bei der Landung zu
steuern.