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Die Erfindung betrifft einen Dämpfungsregler zum Stabilisieren der
Drehbewegung eines Luftfahrzeuges, insbesondere eines Hochgeschwindigkeitsflugzeuges,
um die Nick-, Roll- und Gierachse, mit diesen Hauptachsen zugeordneten Geschwindigkeitskreiseln,.
deren Ausgangssignale über Rechenelemente und Verstärker den Stellgliedern der Steuerflächen
zugeführt werden.
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Es ist eine Anordnung zur Flugzeugregelung von Luftfahrzeugen bekanntgeworden,
deren wesentliches Merkmal darin besteht, daß zur Uberwachung der Fluglage drei
injeweils senkrecht zueinander stehenden Achsen angeordnete, gefesselte Kreisel
eingesetzt sind, aus deren Winkelgeschwindigkeitssignalen durch Integration und
Differentiation die zur Steuerung bzw.
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Korrektur der Fluglage benötigten Signale erzeugt werden.
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Das Bestreben, Flugzeuge und Flugkörper für sehr hohe Fluggeschwindigkeiten
mit langen und schlanken Rümpfen hoher Massenzahl zu versehen und die Tragflügel
bei geringer Spannweite hoch zu belasten, führt zu immer größeren Schwierigkeiten
für die Flugstabilisierung. Bei solchen Flugzeugen beobachtet man sehr störende
flugdynamische Erscheinungen, die auf den großen Unterschied der Trägheitsmomente
des Flugzeuges um die Nick-, Roll- und Gierachse zurückzuführen sind. Insbesondere
können schlanke, schwere Kampfflugzeuge mit geringer Spannweite bei der Durchführung
von Rollmanövern unter bestimmten Flugbedingungen äußerst gefährliche Nick und Gierbewegungen
ausführen, die eine Folge der durch die Trägheit verursachten Kreuzkoppelung der
Roll-, der Nick- und der Gierbewegungen des Flugzeuges miteinander sind. Außerdem
macht unter allen Flugbedingungen die Neigung des Flugzeuges, bei einer Bewegung
um die eine Achse Bewegungsstörungen um eine andere Achse hervorzurufen, die Verfolgung
des Zielobjektes schwieriger; dieses Bestreben verschlechtert natürlich die gesamte
Steuerfähigkeit des Flugzeuges.
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Es sind Flugregler bekanntgeworden, bei denen Meßfühler zur Herbeiführung
einer Stabilisierung des Längsneigungswinkels und zur Uberwachung der Flugzeuglängsbewegung
angewendet wurden. Auch hat man schon am Höhensteuergerät zur Stabilisierung und
Dämpfung der Nickbewegung Signale verwendet, die von Beschleunigungsmessern herkömmlicher
Art ausgehen. Man hat auch schon das von einem Lotkreisel ermittelte Ausmaß des
Nickens zur Einstellung des Flugzeuglängsneigungswinkels benutzt. Ferner ist ein
Flugregler der eingangs genannten Art bekannt, der zur Dämpfung der Gier-Roll-Bewegung
mit einem kombinierten Signal arbeitet, das aus der Roll- und Giergeschwindigkeit
abgeleitet wurde.
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Die bekanntgewordenen Lösungen vernachlässigen jedoch den Zusammenhang
zwischen Längs- und Seitenbewegung des Flugzeuges auf Grund der Trägheits-Kreuzkopplung.
Tatsächlich war eine derartige gegenseitige Abhängigkeit bei älteren Flugzeugtypen,
die infolge ihres geometrischen Aufbaus, ihrer Gewichtsverteilung und ihrer geringen
Geschwindigkeit keine bedeutenden Kreiselmomente entwickelten, praktisch vernachlässigbar
klein.
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Bei tlberschallflugzeugen ist die Masse des Flugzeugkörpers weitgehend
um dessen Rollachse verteilt, so daß das Trägheitsmoment um die Rollachse verhältnismäßig
klein ist im Vergleich zu den Trägheitsmomenten um die Nick- und die Gierachse.
Besonders
bei heftigen Rollbewegungen verhält sich ein solches Flugzeug dynamisch
wie ein Kreisel, wobei die Rollachse des Flugzeuges der Drehachse des Kreisels entspricht.
Infolge der Verkoppelung der Nick-, Gier- und Rollbewegung, die eine Folge der Kreiselwirkung
ist, wird ein Drehmoment um die Nick- und die Gierachse erzeugt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dämpfung für solche
Flugzeuge zu verbessern, deren Trägheitsmoment um die eine Achse kleiner ist als
die Trägheitsmomente um die beiden anderen Hauptachsen. Außerdem sollen bei schlanken
Hochgeschwindigkeits-Flugzeugen die Nick- und Gierschwingungen beseitigt werden,
die eine Folge der durch die Trägheit verursachten Kreuzkopplung zwischen der Nick-,
Roll- und Gierbewegung des Flugzeuges sind.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Rechenschaltung zur
Bildung des Produkts der aus der Nick- und Rollgeschwindigkeit abgeleiteten Signale
und durch ein Summierungsnetzwerk, in dem das gebildete Produkt mit entgegengesetzten
Vorzeichen mit einem von der Giergeschwindigkeit abgeleiteten Signal summiert wird,
wobei das entstehende Summensignal dem Stellglied für das Seitenruder zugeführt
wird.
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Die Erfindung umfaßt eine weitere Rechenschaltung zur Bildung des
Produkts der aus der Roll- und Giergeschwindigkeit abgeleiteten Signale und durch
ein Summierungsnetzwerk, in dem das gebildete Produkt mit entgegengesetzten Vorzeichen
mit einem von der Nickgeschwindigkeit abgeleiteten Signal summiert wird, wobei das
entstehende Summensignal dem Stellglied für das Höhenruder zugeführt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
und der Zeichnung näher erläutert.
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Die durch die Trägheit verursachte Kreuzkopplung zwischen den einzelnen
Bewegungen des Flugzeuges wird deutlich veranschaulicht durch die nachstehenden
Differentialgleichungen für die Roll-, Nick- und Gierbeschleunigung eines Flugzeuges,
= L I, (H Ij,) (1) @ - Ix Ix (@ @) (@) M (Iz - Ix) # = (# #) (2) Iy Iy lz I (i)
fi), (3) iz wobei i) gleich der Rollgeschwindigkeit, ) gleich der Nickgeschwindigkeit,
ei gleich der Giergeschwindigkeit, L gleich den aerodynamischen Momenten um die
Rollachse, M gleich den aerodynamischen Momenten um die Kippachse, N gleich den
aerodynamischen Momenten um die Gierachse, lx gleich dem Trägheitsmoment um die
Rollachse, gleich dem Trägheitsmoment um die Nickachse, gleich dem Trägheitsmoment
um die Gierachse ist.
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Die Roll-, Nick- und die Gierachse sind die Hauptträgheitsachsen
des Flugzeuges.
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Aus den Gleichungen (2) und (3), die die Beschleunigung bei der Nick-
und der Gierbewegung in Ausdrücken der Nickmomente, der Giermomente, der Trägheitsmomente
und der Kreuzkopplungsfaktoren definieren, geht hervor, daß während stetigen Rollens
(bei konstantem eP) die Nickbeschleunigung von der Giergeschwindigkeit'Y beeinflußt
wird, während die Gierbeschleunigung von der Nickgeschwindigkeit ö beeinflußt wird,
vorausgesetzt, daß die Differenzen - Ix) und (I - Ix) nicht Null sind. Für den größten
Teil der Flugzeuge vor dem Erscheinen der mit Schall- und Uberschallgeschwindigkeit
fliegenden Flugzeuge waren die Trägheitsmomente um jede der drei Hauptsachen im
wesentlichen einander gleich, weshalb die Kopplung vernachlässigbar klein war und
bei den meisten technischen Untersuchungen und Ausarbeitungen unberücksichtigt blieb.
Bei den neuzeitlichen Hochleistungsflugzeugen jedoch sind die Trägheitsmomente um
die Gierachse und um die Nickachse (Iz und 1,) wesentlich größer als das Trägheitsmoment
um die Rollachse lx, so daß die Gier-und Nickgeschwindigkeit einen wesentlichen
Einfluß auf die Nickbeschleunigung bzw. die Gierbeschleunigung haben.
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Das in der Zeichnung schematisch dargestellte Gerät, das die nachteiligen
Wirkungen der Kreuzkopplung dadurch beseitigt, daß das Höhenruder um einen Winkel
verschwenkt wird, der dem zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (2)
proportional ist, während das Seitenruder um einen Winkel verschwenkt wird, der
dem zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (3) proportional ist. Dies
wird mit Hilfe von drei Geschwindigkeitskreiseln bewirkt, die die Winkelgeschwindigkeit
des Flugzeuges um die Roll-, Gier- und die Nickachse ermitteln. Ein dem Produkt
aus den Ausgangssignalen der Kreisel für die Roll- und die Nickgeschwindigkeit proportionales
Signal wird der Steuervorrichtung für das Seitenruder zugeführt, während ein dem
Produkt der Ausgangssignale der Kreisel für die Roll- und Giergeschwindigkeit der
Vorrichtung zugeführt wird, die das Höhenruder des Flugzeuges betätigt.
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Ein Geschwindigkeitskreisel 10, dessen Eingangsachse auf der Nickachse
P des Flugzeuges liegt, weist einen Rotor 12 auf, der in einer Kardanaufhängung
14 drehbar gelagert ist, die im Flugzeug um eineAchse 16 schwenkbar angeordnet ist.
Die Schwenkbefestigung der Kardanaufhängung besitzt eine Federfesselung in Form
eines Torsionsstabes 13. Dreht sich das Flugzeug um die Nickachse, so dreht sich
die Abgriffsachse des entsprechenden Kreisels 16 um einen Wert, der der Winkelgeschwindigkeit
des Flugzeuges um die Nickachse direkt proportional ist, wobei an der Abgriffsachse
16 die Schleifkontakte 21) und 22 zweier Potentiometer befestigt sind, die sich
über die Widerstandselemente 24 und 26 des Doppelpotentiometers 25 bewegen. Die
beiden Enden eines jeden Widerstandselementes sind an den Pluspol V + bzw. an den
Minuspol V einer Spannungsquelle angeschlossen, so daß an den Schleifkontakten 20
und 22 des Doppelpotentiometers eine veränderliche Spannung liegt. Diese Spannung
ist der Nickgeschwindigkeit proportional und wird über die Leitungen 21 und 23 dem
Potentiometer 28 eines Geschwindigkeitskreisels 30 für die Rollgeschwindigkeit zugeführt.
Dieser Kreisel gleicht im wesentlichen dem Kreisel für die Nickgeschwindigkeit mit
der Ausnahme, daß dessen Meßachse R auf die Rollachse
des Flugzeuges ausgerichtet
ist, wobei die Winkelbewegung der Abgriffsachse 32 proportional der Rollgeschwindigkeit
des Flugzeuges ist und eine Bewegung des an der Abgriffswelle 32 befestigten Potentiometerschleifarmes
34 bewirkt.
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Das Seitenruder 36 des Flugzeuges wird von einem Kraftverstärker
38 betätigt. Der Eingang wird dem Kraftverstärker 38 über einen Stellmotor 40 von
den Steuerorganen 42 und 44 des Piloten aus zugeführt.
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Der Stellmotor 40 besteht aus einem Zylinder 46 und einem Kolben
48 und wird von einem elektrisch betätigten Servoventil 50 gesteuert.
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An einem dem Stellmotor zugeordneten Potentiometer 52 tritt eine
Ausgangsspannung auf, die die Stellung des Stellmotors mit Hilfe der Schleifkontakte
45 und 46 anzeigt, die an den Zylinder 46 und den Kolben48 und an das Potentiometer
52 angelenkt sind, so daß bei einer relativen Bewegung des Kolbens und des Zylinders
dieAusgangsspannung des Potentiometers verändert wird. Diese Ausgangsspannung des
Potentiometers 52 wird dem Eingang eines Verstärkers 58 über ein Summierungsnetzwerk
60 zugeführt, wobei der Verstärker dem Servoventil 50 ein Signal zuführt, das eine
relative Bewegung zwischen dem Zylinder 46 und dem Kolben 48 sowie eine Veränderung
der Potentiometerspannung in einer Richtung bewirkt, bei der die dem Verstärker
zugeführte Eingangsspannung auf den Wert Null herabgesetzt wird. Somit wird durch
das vom Potentiometerarm 34 für die Rollgeschwindigkeit abgenommene Signal, das
der Polarität und Größe nach der Polarität und der Größe des Produktes der Nick-
und Rollgeschwindigkeit proportional ist, am Eingang des Verstärkers ein Fehlersignal
erzeugt derart, daß das Seitenruder in der geeigneten Richtung und in einem Ausmaß
verschwenkt wird, das ausreicht, um das kreuzgekoppelte Nickmoment zu kompensieren.
Der Stellmotor 40 liegt in einer Reihe mit der Handsteuerung, so daß der Pilot die
Kontrolle über die Einstellung des Ruders nach wie vor behält, wobei jedes dem Summierungsnetzwerk
60 zugeführte Signal nur zur Veränderung der Steuerung durch den Piloten dient.
Zwischen den Rudersteuergliedern 42, 44 für den Piloten und ortsfesten Teilen der
Flugzeugzelle ist eine Feder 45 angeordnet, die dem Piloten ein Steuergefühl vermittelt.
Tritt am Eingang des Verstärkers kein Signal auf so wirkt der Stellmotor als festes
Betätigungsglied zwischen der Steuerung für den Piloten und dem Kraftverstärker
38 für das Ruder.
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Da die am Potentiometer 28 liegende Spannung proportional der Nickgeschwindigkeit
ist, das vom zugehörigen Geschwindigkeitskreisel abgeleitet wird, und da die Stellung
des Potentiometerarmes 34 proportional der Rollgeschwindigkeit ist, so ist die am
Schleifarm 34 liegende Spannung im wesentlichen proportional dem Produkt der Nick-
und Rollgeschwindigkeit. Diese Spannung wird als Nick-Stabilisierungssignal dem
Summierungsnetzwerk 60 zugeführt, in dem es mit dem Rückführungssignal vom Potentiometer
52 aus, das die Stellung des Stellmotors anzeigt, verglichen wird. Dabei wird am
Ausgang des Verstärkers ein Fehlersignal erzeugt, das das Servoventil betätigt,
wodurch die reine Ein gangsbewegung für den Kraftverstärker auf den Wert Null zurückgeführt
wird. Die dem Kraftverstärker 38 am Punkt 62 zugeführte mechanische Eingangsbewegung
besteht daher aus der Summe der Versetzung des Ruderpedals durch den Piloten (Verschiebung
der
Stange 42) und einer Versetzung, die dem Produkt aus der Roll- und Nickgeschwindigkeit
proportional ist.
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Die Maßstabsfaktoren sowie die mechanische und die elektrische Verstärkung
sind so gewählt, daß die gesamte Verschwenkung des Ruders, die durch das Stabilisierungssignal
vom Potentiometerarm34 aus bewirkt wird, im wesentlichen proportional dem Produkt
der Roll- und Nickgeschwindigkeit multipliziert mit der der Differenz zwischen den
Trägheitsmomenten der Gier- und Rollbewegungen. Diese Bedingung für den Gier- und
Kippkanal kann mathelnatisch wie folgt ausgedrückt werden:
wobei 6, der Ausschlag des Höhenruders, 8E <5£ der von F erzeugte Ausschlag des
Höhenruders, aR der Ausschlag des Seitenruders und 1bR der von ob ¢ erzeugte Ausschlag
des Seitenruders ist.
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Der Kanal zum Stabilisieren der Gierbewegungen gleicht im Aufbau
und der Funktion dem oben beschriebenen Kanal zum Stabilisieren der Nickbewegung
und weist einen Kreisel auf (100), dessen Eingangsachse auf der Gierachse Y des
Flugzeuges liegt und der die Schleifkontaktarme 120 und 122 der beiden Potentiometer
124 und 126 in Ubereinstimmung mit den Schwankungen der Kardanaufhängung des Kreisels
betätigt. An den Armen 120 und 122 wird die Spannung für das Potentiometer 128 des
Kreisels 30 für die Rollbewegungen abgegriffen, wobei die am Schleifkontaktarm 134
auftretende Spannung proportional dem Produkt aus der Gier- und Rollgeschwindigkeit
ist. Diese Spannung wird mit der Spannung verglichen, die vom Stellungsanzeigepotentiometer
152 des Differentialstellmotors 140 im Mischnetzwerk 16D abgeleitet wird, wobei
die Differenz verstärkt und dem hydraulischen Steuerventil 150 des Stellmotors zugeführt
wird derart, daß die Abweichung auf den Wert Null zurückgeführt wird. Die mechanische
Eingangsbewegung, die dem Kraftverstärker 138 für die Höhensteuerung zugeführt wird,
besteht daher aus der Summe der Bewegung der Höhensteuerung durch den Piloten und
einem Bewegungsschritt,
der proportional dem Produkt aus der Gier- und Rollgeschwindigkeit
ist.- Die Betätigung des Höhenruders vdn Hand erfolgt über die Steuerglieder 142
und 144, mit denen eine Feder 145 zur Vermittlung eines Steuergefühls, wie oben
beschrieben, verbunden ist, BeimEntwurfvon Hochgeschwindigkeitsflugzeugen, der zu
kleinen Flächen und kurzen wirksamen Momentarmen für die aerodynamischen Flächen
führt, zusammen mit den Bedingungen eines Fluges in großen Höhen werden die aerodynamischen
Dämpfungsgeräte wesentlich vermindert. Mit dem oben beschriebenen Gerät ist es vergleichsweise
einfach, eine verstärkte Dämpfung der Gier- oder Nickschwingungen dadurch zu erzielen,
daß dem Seiten-oder dem Höhensteuer eine zusätzliche Bewegung erteilt wird, die
der Gier- und Nickgeschwindigkeit proportional ist. Dies wird bei demNickkanal dadurch
bewirkt, daß die am Kontaktarm 22 liegende Spannung über den Leiter 64 zum Summierungsnetzwerkseingang
160 des Verstärkers 158 geleitet wird, während bei dem Gierkanal die am Kontaktarm
122 liegende Spannung über den Leiter 66 zum Summierungsnetzwerk 60 des Verstärkers
58 geleitet wird.