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Sicherheitseinrichtung in Luftfahrzeugen zur Ausschaltung gefährlicher
Beschleunigungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitseinrichtung für
Luftfahrzeuge zur Ausschaltung gefährlicher Beschleunigungen mit Hilfe signalerzeugender
Vorrichtungen zur Begrenzung der von Stellmotoren gesteuerten Auslenkungen der Ruderflächen.
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Es sind zahlreiche Einrichtungen bekannt, die ähnliche Ziele verfolgen.
Um den Unterschied zu der Sicherheitseinrichtung nach der Erfindung erkennbar zu
machen, sollen die wesentlichen Züge der bekannten Einrichtungen im folgenden beschrieben
werden.
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Es ist eine Sicherheitsvorrichtung bekannt, die in Flugzeugen verwendet
wird, die einen Autopiloten besitzen, bei dessen Verwendung damit zu rechnen ist,
daß er einmal versagt. Eine derartige Einrichtung funktioniert durch Verwendung
eines Paares von Schaltern, die in Tätigkeit treten, wenn bestimmte Grenzwerte über-
bzw. unterschritten werden, wobei die Stellungen der Schalter in Abhängigkeit der
Ruderflächenstellung eingestellt werden. Diese Schalter bewirken, daß die Flugzeugsteuerung
im Fall des Versagens des Autopiloten automatisch auf Handbedienung umgeschaltet
wird.
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In einer anderen Sicherheitsvorrichtung wird für den Fall, daß die
Stromstärke in irgendeiner der an den Stellmotor unmittelbar angeschlossenen Primärwicklungen
von Transformatoren abnorme Maße, annimmt, der Stellmotor von der Stromquelle, die
ihn speist, getrennt sowie ein Wamsignal abgegeben.
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Eine anders wirkende Sicherheitseinrichtung weist ein automatisches
Luftfahrzeugsteuerungssystem auf, das auf Signale anspricht, die aus der Fluggeschwindigkeit
und aus der Lageänderung des Luftfahrzeugschwerpunktes resultieren. Dieses System
schließt einen Beschleunigungsmesser ein, der, sobald eine vorgeschriebene Beschleunigung
überschritten wird, dem Ruderstellmotor ein Signal zuführt, worauf dieser durch
Handbetätigung übersteuert werden kann.
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Eine der letzteren ähnliche Sicherheitseinrichtung enthält Beschleunigungsmesser,
die in Richtung einer bestimmten Achse wirken und die, sobald eine gegebene Beschleunigungsgrenze
erreicht ist, den Autopiloten abschalten. Der Nachteil dieser Einrichtung ist, daß
sie einwandfrei nur auf Beschleunigungen anspricht, die in Richtung der Achse liegen.
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Schließlich ist noch eine Sicherheitseinlichtung für eine Flugzeugsteuerung
bekannt, bei der drei verschiedene Betätigungsarten für den Ruderstellmotor vorgesehen
sind: erstens von Hand über mechanische Verbindungsglieder, zweitens von Hand über
elektrische Verbindungsglieder, drittens vollautomatisch. Sobald eine unzulässige
Ruderstellung eingetreten ist, sorgt die Sicherheitseinrichtung dafür, daß bei vollautomatischer
Steuerung auf Handbetätigung umgeschaltet wird. Der Augenblick, in dem die Umschaltung
vorgenommen wird, wird durch die Stellung der Ruderfläche zu einer über einen relativ
langen Zeitraum bestimmten Mittelstellung bestimmt. Die Signalgeber reagieren damit
auf eine bestimmte Differenzspannung, die bei einer bestimmten Winkeldifferenz zwischen
der Augenblicksstellung der Ruderfläche und der langzeitlichen Mittelstellung derselben
entsteht. Zur Einstellung des gewissermaßen »wandernden Nullpunktes« ist eine Integriervorrichtung
erforderlich.
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Hiervon unterscheidet sich die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung
grundsätzlich. Bei ihr wird der Stellmotor von einer bestimmten Signalstärke an
außer Betrieb gesetzt und dadurch die Ruderfläche blockiert. Es liegt also nicht
eine Umschaltung einer Betätigungsart auf eine andere, sondern eine Abschaltung
vor.
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Außerdem werden die von der Ruderfläche unmittelbar beeinflußten Signale
nicht durch die Differenz zwischen der Momentanstellung der Ruderfläche und einer
anderen bestimmt, sondem durch Größen, die von der Bewegung der Ruderfläche abhängen.
Insbesondere handelt es sich bei den bestimmenden
Größen um die
Winkelgeschwindigkeit der Ruderfläche und ihre Winkelbeschleunigung oder um beide
gemeinsam. Das bedeutet, daß das endgültige Signal bestimmt ist durch i(t) und/oder
.7(t).
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Auch ist daraus, daß die Einrichtung nach der Erfindung keiner Integrationseinrichtung
bedarf, zu erkennen daß Herstellung, Aufbau und Wartung bei ihr wesentlich einfacher
sind.
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Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung ist gekennzeichnet durch
die Erzeugung eines resultierenden Signals, das sich aus Signalen der Winkelgeschwindigkeit
und der Beschleunigung sowie anderen Flugparametern zusammensetzt, die den Bewegungen
der Ruderfläche proportional sind, und das den Stellmotor bei Erreichen einer bestimmten
Amplitudenstärke abschaltet.
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Weiterhin werden diejenigen Signale, die der Winkelgeschwindigkeit
der Ruderflächenbewegung proportional sein sollen, durch einen von der Ruderfläche
angetriebenen Tachometergenerator erzeugt.
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Diejenigen Signale, die der Winkelgeschwindigkeit oder der Beschleunigung
der Ruderflächenbewegung proportional sein sollen, werden durch einen von der Ruderfläche
angetriebenen Drehtransformator erzeugt. Hierbei ist es vorgesehen, daß die Ausgangssignale,
die der Winkelverdrehung der Ruderfläche proportional sind, einem Hochpaßfilter
zugeführt werden.
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Diejenigen Signale, die der Winkelgeschwindigkeit der Ruderflächenbewegung
proportional sein sollen, werden durch einen mit der Ruderfläche verbundenen Geschwindigkeitskreisel
erzeugt. Diejenigen Signale, die der Ruderflächenbewegung proportional sein sollen,
werden durch eine druckübertragende Einrichtung erzeugt.
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Diejenigen Signale, die der Bewegung der Steuerfläche proportional
sein sollen, werden aus der Flugregelanlage gewonnen und über ein zwischengeschaltetes
Hochpaßfilter dem Stellmotor zugeführt.
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Ausführungsbeispiele der Sicherheitseinrichtung sind in der Zeichnung
dargestellt. Dabei zeigt jede der fünf Figuren je ein Ausführungsbeispiel
der Sicherheitseinrichtung.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Steueranordnung
wird die Steuerfläche 3
von einem Servomotor 1 verstellt. Dieser Servomotor
ist ein zweiphasiger Elektromotor, dessen Steuerphase 5 über einen Verstärker
9 durch die von dem Autopiloten 7 kommenden Signale erregt
wird. Die feste Phase 11 ist über den Relaiskontakt 13 mit der Wechselspannungsquelle
S verbunden. Der Kontakt 13 öffnet sich, wenn die Wicklung 49 des
Relais über den Verstärker 47 von der algebraischen Summe
mehrerer in Serie
geschalteter Wechselspannungssignale erregt wird. Das erste dieser Signale wird
in der Ausgangswicklung 45 eines zweiphasigen Tachometergenerators 39 erzeugt,
dessen Rotor über die gestrichelt angedeuteten mechanischen Verbindungsglieder mit
der Steuerfläche 3 gekuppelt ist. Das zweite Signal in dieser Kette wird
in der Ausgangswicklung 37 eines Drehtransformators 35 erzeugt, dessen
Primärwicklung mechanisch von einem Beschleunigungsmesser 31 verstellt wird,
der die Beschleunigung senkrecht zur Flugrichtung des Luftfahrzeuges mißt. Das dritte
Signal schließlich wird über ein Potentiometer 27 von der Sekundärwickhing
eines Drehtransformators 23 abgenommen, dessen Primärwicklung von einem Geschwindigkeitskreisel
19 verstellt wird. Der Schleifer des Potentiometers 27 wird wiederum
von einer Einrichtung 29
verstellt, die die aerodynamische Geschwindigkeit
(oder die Machzahl) des Luftfahrzeuges mißt.
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Sobald die Summe der drei an den Verstärker 47 angelegten Signale
eine vorgeschriebene Höhe erreicht, wird das Relais 49 erregt, der Kontakt
13
öffnet sich, und die feste Phase des Servomotors 1
wird abgeschaltet.
Die Steuerfläche wird also blockiert, bevor ein gefährlicher aerodynamischer Zustand
eintreten kann.
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Bei den weiteren Ausführungsbeispielen der Sicherheitseinrichtung
ist der Servomotor ein hydraulischer Stelknotor 53, der von dem Ausgangssignal
des Autopfloten 7 über einen Verstärker 9 und ein elektrohydraulisches
Ventil 61 gesteuert wird. Dieser hydraulische Stellmotor kann durch ein über
die Wicklung 65 gesteuertes Nebenschlußventil 63 außer Betrieb gesetzt
werden. Die Wicklung 65 wird über den Verstärker 79 wie in dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 1 erregt, sobald die Summe der diesem Verstärker zugeführten
Wechselspannungen eine vorgeschriebene Höhe erreicht. Bei dem in den F i
g. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält diese Signalkette, wie
in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1, die von dem Beschleunigungsmesser
31 und von dem Geschwindigkeitskreisel 19
abgegebenen und durch die
Fluggeschwindigkeit korrigierten Signale. In dem Ausführungsbeispiel nach F i
g. 2 enthält die Signalkette weiter das Ausgangssignal eines Hochpaßfilters
67, dem über den Verstärker 9 das Ausgangssignal des Autopiloten
7 zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieses Filters, das der ersten und/-oder
der zweiten Ableitung des dem Servomotor zugeführten Signals proportional ist, wird
über den Transformator 69 mit den beiden anderen Signalen der Kette gemischt.
Sobald die Summe der Signale in der Kette eine vorgeschriebene Höhe erreicht, wird
die Wicklung 65 erregt, das Nebenschlußventil 63 geöffnet und somit
der die Steuerfläche 3 verstellende Servomotor 53 außer Betrieb gesetzt.
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In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 enthält die Kette
an Stelle des gefilterten Steuersignals in dem Ausführungsbeispiel nach F i
g. 2 ein Signal, das von einer dynamometrischen Einrichtung abgegeben wird,
die den Druckunterschied zwischen den beiden Kanirnern des hydraulischen Stellmotors.
53 mißt. Dieses Signal, das im Transformator 69 mit den anderen Signalen
der Kette gemischt wird, ist dem auf die Kontrollfläche 3 ausgeübten Steuerdrack
und damit der Beschleunigung der Steuerfläche proportional. In dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 4 wird das dritte Signal von der Sekandärwicklung des Drehtransformators
99 abgenommen, dessen Primärwicklung 101 mechanisch, wie durch
die gestrichelte Linie angedeutet, mit der Steuerfläche 3 gekuppelt ist.
Dieses Signal, das dem Verstellwinkel der Steuerfläche proportional ist, wird einem
Hochpaßfilter mit bekannter Zeitkonstante zugeführt, dessen Ausgangsspannung dann
annähernd der ersten oder der zweiten Ableitung des Eingangssignals und damit dei
Winkelgeschwindigkeit bzw. der Beschleunigung dei Steuerfläche 3 proportional
ist. Dieses Signal wird, wie bereits an Hand der vorhergehenden Beispieh beschrieben,
mit den anderen Signalen gemischt un#
mit dem Summensignal sodann
das Nebenschlußventil 63 gesteuert. Das Hochpaßfilter 105 kann natürlich
auch durch eine einfache oder doppelte Differenzierschaltung ersetzt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 5 ist das dritte
Signal der Kette der Winkelgeschwindigkeit des Ausschlags der Steuerfläche3 proportional;
wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, je-
doch mit dem Unterschied,
daß jetzt das Signal durch einen Drehtransfonnator123 gewonnen wird, dessen Rotor
mechanisch mit einem in der Steuerfläche enthaltenen Geschwindigkeitskreisel
119 gekuppelt ist. Nach dem Ausführungsbeispiel der F i g. 5 wird
die Summierung der einzelnen Signale, die auf das den Servomotor 53 außer
Betrieb setzende Nebenschlußventil 63 einwirken, etwas anders durchgeführt
als bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen. Der die Winkelgeschwindigkeit
des Luftfahrzeuges messende Geschwindigkeitskreisel 19 steuert die beiden
Rotoren der Drehtransformatoren 127 und 129. Die Sekundärwicklung
des Drehtransformators 127 ist mit der des von der Verstellgeschwindigkeit
der Steuerfläche gesteuerten Drehtransformators 123 in Serie geschaltet.
Die algebraische Summe dieser beiden Spannungen wird von dem Schleifer eines Potentiometers
131 abgenommen, das es gestattet, diese Spannung in bezug auf die anderen
Signale der Kette auf einen gewünschten Wert einzustellen. Die von dem Potentiometer
abgenommene Spannung wird mit der Spannung an der Sekundärwicklung des Drehtransformators
129,
die der Winkelgeschwindigkeit des Luftfahrzeuges proportional ist, in
Serie geschaltet. Das weiter mit der Kette in Serie geschaltete Potentiometer
133 wird in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges verstellt.
Durch das Potentiometer werden, wie in den anderen Ausführungsbeispielen, nur die
von der Winkelgeschwindigkeit des Luftfahrzeuges abhängigen Signale verändert.
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Dieser Teil der Anordnung kann jedoch auch entsprechend den vorhergehenden
Ausführungsbeispie-]en aufgebaut sein.