DE1448565B2 - Flugmessinstrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur gleichzeitigen Messung von Anstellwinkel, Schiebewinkel, Flugweg und Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen, mit einem die Verbindung zwischen der Einrichtung und dem Luftfahrzeug herstellenden, am Luftfahrzeug festen Haltemast.

Bei Flugbahn- und Flugleistungsmessungen werden üblicherweise getrennte Meßgeräte für die Bestimmung des Anstellwinkels und des Schiebewinkels einerseits, für die Messung des Flugweges und der Fluggeschwindigkeit andererseits verwendet. Diese Meßeinrichtungen müssen für genaue Messungen in der ungestörten Strömung liegen, d. h. in genügend großer Entfernung vom Flugzeug angebracht werden, was sich z. B. durch einen in Flugrichtung weisenden, am Rumpfbug oder an der Tragflächenvorderkante befestigten Haltemast erreichen läßt. Wenn sämtliche für die angegebenen Messungen erforderlichen Geräte an ein und demselben Haltemast befestigt werden, führt dies zu Schwierigkeiten, da Mindestabstände eingehalten werden müssen, um gegenseitige Störbeeinflussungen der Meßgeräte zu vermeiden. Wird aber jedes Gerät an einem besonderen Mast befestigt, so muß abgesehen vom erhöhten Aufwand zusätzliches Gewicht und erhöhter Widerstand in Kauf genommen werden. Um diesen Nachteilen zu begegnen, hat man sich bisher so beholfen, daß die Geräte am Befestigungsmast ausgetauscht werden und für jedes Meßprogramm ein gesonderter Flug durchgeführt wird. Diese getrennte Meßmethode läßt sich jedoch nicht bei allen flugmechanischen Untersuchungen durchführen. Einen besonders kritischen Fall stellt das Problem dar, an einem verhältnismäßig kleinen Fluggerät, das zugleich Verlustgerät ist, d. h. nur einen einzigen Flug durchführt, der mit der Zerstörung des Gerätes endet, die erwähnten Daten zu messen. Hier werden verhältnismäßig geringe Abmessungen, geringes Gewicht und geringe Widerstände verlangt. Die Messung sämtlicher Daten muß dabei gleichzeitig erfolgen und eine störende Beeinflussung der einzelnen Meßinstrumente ausgeschlossen sein. Derartige Fluggeräte überstreichen oft einen sehr großen Geschwindigkeitsbereich und operieren in sehr unterschiedlichen Höhen, so daß Unabhängigkeit der Messung von der Luftdichte und zugleich auch von der Machzahl und Reynoldszahl gefordert werden muß.

Es ist bereits eine Einrichtung zur Messung des Anstell- und Schiebewinkels bekanntgeworden, bei der von einem spindelförmigen Körper ein Nasenteil mit Stabilisierungsflügeln getragen wird. Das Nasenteil ist dabei über ein Kardangelenk mit dem spindelförmigen Körper gelenkig verbunden. Für den Abgriff der Bewegung des Nasenteiles gegenüber dem spindelförmigen Körper und die Übertragung auf Meßgeräte verwendet die bekannte Einrichtung an die Glieder des Kardangelenkes angeschlossene Druckkolben, die eine genaue und verzögerungsfreie Messung erheblich beeinträchtigen können. Mittel zur Messung des Flugweges und der Geschwindigkeit enthält die bekannte Einrichtung nicht.

Ein anderes bekanntes Gerät dient zur Bestimmung der Richtung und Geschwindigkeit von Wasserströmungen. Innerhalb eines Gehäuses ist dabei ein Flügelrad mit Schraubenblättern gelagert. Mit Hilfe von Permanentmagneten wird vom Flügelrad die Bewegung auf eine Welle mit einem Zahnrad übertragen, die in einem nach außen abgedichteten Raum untergebracht bzw. gelagert ist. In diesem Raum ist die im wesentlichen aus einem Kompaß einer Lichtquelle und dieser zugeordneten Reflektoren sowie einer Fotozelle bestehende Meßeinrichtung unter-S gebracht. Das bekannte Gerät ist jedoch nur für die Verwendung in inkompressiblen Medien geeignet und gestattet das Anzeigen bzw. Messen der Richtung nur in einer Ebene.

Es ist weiterhin ein Instrument für Flugzeuge bekanntgeworden, das zur Messung eines oder mehrerer Faktoren von realtiv bewegten Luftmassen dient und insbesondere für die Verwendung an einem Hochgeschwindigkeitsflugzeug vorgesehen ist. Das bekannte Instrument arbeitet auf dem Prinzip der Schallmessung und kann für die Bestimmung des Schiebe- und Anstellwinkels sowie der Eigengeschwindigkeit herangezogen werden. Es sind dabei ein Schallgeber und zwei Schallempfänger vorhanden, wobei der Geber an einer längeren und die beiden Empfänger je an einer kürzeren Sonde angeordnet sind, wobei sämtliche Sonden in einer gemeinsamen Ebene liegen. Bei dem bekannten Instrument ist es erforderlich, die Temperatur zu messen und in das h Ergebnis der Schallmessung für die Anzeige einzugeben. Dazu sind entsprechende Ubertragungs- und Anzeigemittel erforderlich.

Es ist ferner eine Einrichtung zur Winkelmessung und zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bekannt, die eine sich in die Anströmrichtung um eine Achse einstellende Windfahne und ein drehendes, mit Luftschraubenblättern versehenes Nasenteil enthält. Es sind dabei für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Windfahne und einem feststehenden Teil Glieder für den Stellungsabgriff und für die Anzeigung der gemessenen Werte vorgesehen. Die Strömungsgeschwindigkeit wird dabei über das drehende Nasenteil und einen von diesem angetriebenen Generator über einen Spannungsmesser sowie eine entsprechende Anzeige bestimmt.

Zur Messung der Richtung und Geschwindigkeit von Gezeitenströmungen ist eine weitere bekannte Einrichtung vorgesehen. Dazu weist die Einrichtung ein Flügelrad sowie einen daran angeschlossenen Generator und entsprechende Spannungsmesser auf. Die Einrichtung ist um eine vertikale Achse drehbar in einem Gestell aufgehangen und besitzt ein Leitwerk zur Einstellung in die Strömungsrichtung. Ferner sind elektrisch wirkende Mittel zur Bestimmung der Winkelstellung um die vertikale Achse vorgesehen.

Darüber hinaus ist es bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit mittels fotoelektrisch wirkender Mittel zu bestimmen. Es sind dafür eine Lichtblende, eine Lichtquelle und eine Fotozelle vorgesehen, wobei die Frequenzen der im Stromkreis der Fotozelle entstehenden Spannungsschwankungen elektromagnetische Zähl- oder Registriereinrichtungen antreiben. .

Gegenüber den bekannten Einrichtungen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßgerät zur Messung des Schiebe- und Anstellwinkels sowie des Flugweges und der Geschwindigkeit eines Luftfahrzeuges zu schaffen, das unabhängig von der Luftdichte und rückwirkungsfrei arbeitet und Meß-Ungenauigkeiten durch Anbringung von einzelnen Meßgeräteeinheiten an voneinander getrennten Stellen des Luftfahrzeuges vermeidet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, das Meßgerät möglichst einfach auszuführen.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

a) Am Haltemast ist ein spindelförmiger Körper mittels eines zweiachsigen Kardangelenkes im Schwerpunkt der Gesamteinrichtung allseitig schwenkbar gelagert;

b) die Achsen des Kardangelenkes liegen parallel zur Hoch- und Querachse des Fluggerätes;

c) der spindelförmige Körper trägt ein frei drehbares, mit Luftschraubenblättern versehenes Nasenteil;

d) hinter dem spindelförmigen Körper ist ein zentrisch befestigtes Ringleitwerk vorgesehen;

e) Meßeinrichtungen, die aus Kondensatorsystemen bzw. Potentiometern bestehen, zur Bestimmung der Drehwinkel zwischen der Haltemastachse und der Geräteachse in zwei orthogonalen Richtungen sind am Kardangelenk angeordnet;

f) ein fotoelektrisches Meßgerät dient der Zählung der Umdrehungen bzw. der Umdrehungsgeschwindigkeit des Nasenteiles.

Ein so ausgeführtes Flugmeßinstrument gibt die Möglichkeit, mit nur einem einzigen Meßgerät den Anstell- und Schiebewinkel sowie den Flugweg und die Fluggeschwindigkeit zu messen, wobei der durch das Gerät auftretende Luftwiderstand gegenüber einer Mehrzahl von Einzelgeräten wesentlich vermindert ist und Übertragungsglieder von einzelnen Meßgeräten auf ein die gemessenen Werte zusammenfassendes Gerät vermieden werden. Es wird ferner vermieden, daß Meß-Ungenauigkeiten durch gegenseitige Beeinflussung von Einzelgeräten aufzutreten vermögen. Es besteht ferner der wesentliche Vorteil, daß mit dem erfindungsgemäßen Flugmeßinstrument der Anströmvektor direkt und damit nahezu verzögerungsfrei gemessen bzw. angezeigt werden kann.

An Hand von Zeichnungen ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Flugmeßinstrumentes näher erläutert.

F i g. 1 zeigt die Meßeinrichtung im Längsschnitt; F i g. 2 zeigt schematisch die Ausbildung des Kardangelenkes mit kapazitiver Winkelmeßeinrichtung im Längsschnitt;

F i g. 3 zeigt das Kardangelenk nach F i g. 2 in der Schnittebene C-D;

F i g. 4 zeigt ein Kardangelenk mit Potentiometerabgriffen im Längsschnitt;

F i g. 5 zeigt das Kardangelenk nach F i g. 4 in der Schnittebene A-B.

In F i g. 1 setzt sich die Schale des spindelförmigen Körpers aus zwei Hälften 1 und 2 zusammen, die an der Trennstelle 3 z. B. mittels Stecker oder Bajonettverschluß zusammengefügt sind. Mit der Hälfte 1 starr verbunden ist das Befestigungsschott 4, an dem der gesamte vordere Nasenteil befestigt ist. Dieser Nasenteil setzt sich zusammen aus einem feststehenden und einem drehbaren Teil, die zusammen eine Einheit bilden. Mit Hilfe der Befestigungsscheibe 5 wird der gesamte Nasenteil am Schott 4 befestigt. Starr mit der Befestigungsscheibe 5 ist die Achse 6 und die Zähleinrichtung verbunden, die aus der Lampe 7 und der Fotozelle 8 besteht. Auf der Achse 6 ist die Nabe 9 mit Hilfe der beiden Radialkugellager 10 drehbar gelagert. Diese Nabe 9 ist starr mit der Segment- oder Lochscheibe 11 verbunden, die sich in dem Schlitz zwischen der Lampe 7 in der Fotozelle 8 dreht. Bei 12 sind in der Nabe 9 Gleitnuten zum Aufschieben der auswechselbaren Luftschraubenblätter 13 angebracht. Zur Fixierung der Nabe 9 auf der Achse 6 und der Luftschraubenflügel 13 auf den Gleitnuten bei 12 dient der vordere aufschraubbare Teil 14.

Die hintere Schale 2 des spindelförmigen Körpers ist mit Hilfe der Befestigungsstreben 15 starr mit dem Ringleitwerk 16 verbunden. Das Gerät wird durch ein Halterohr 17 gehalten, dessen Längsachse in ίο Richtung einer mittleren Anströmrichtung im Flugzustand eingestellt ist. Das Halterohr 17 ist durch die Öffnung 18 in das Innere des spindelförmigen Körpers eingeführt und durch ein Kardangelenk, das in den Schwerpunkt des Gerätes gelegt wird, mit der Schale 2 verbunden. Im gezeigten Schnitt ist eine Achse 19 des Kardangelenkes mit den Kugellagern 20 angedeutet. Die Meßeinrichtung zur Winkelbestimmung wird in den folgenden Figuren näher gezeigt.

Die F i g. 2 und 3 stellen Längsschnitte eines Kardangelenkes mit Winkelmeßeinrichtungen auf kapazitiver Basis dar. Es bedeutet 21 ein Gabelteil, der auf das Halterohr 17 (vgl. F i g. 1) aufgeschraubt werden kann, 22 ist ein Gabelteil, der an der Gehäuseschale 2 befestigt ist. Mit dem Gabelteil 22 ist die Achse 19, mit Gabelteil 21 sind die Achsen 23 starr verbunden. 20 und 24 sind die zugeordneten radialen Kugellager. 25,26 und 27,28 bezeichnen die Platten von zwei Kondensatorsystemen, die in bekannter Weise mit einer Meßbrücke verbunden sind. Bewegt sich in F i g. 2 der Halterohrteil 21 mit Platte 26 um die Achse 23 (s. F i g. 3) nach oben oder unten, so ändert sich die Kapazität des Plattensystems 25,26 in erster Näherung proportional zur Auslenkung um die Nullage. Das gilt entsprechend für das Plattensystem 27,28 bei Drehungen des Teiles 21 um die Achse 19. Auf die Einzeichnung der elektrischen Leitungen wurde aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit verzichtet, zumal es sich dabei um an sich bekannte Schaltungsanordnungen handelt. Wird beispielsweise die Achse 19 des Kardangelenkes parallel zur Hochachse des Fluggerätes eingerichtet, die Achse 23 parallel zur Querachse, so wird mit dem Plattensystem 25,26 der Anstellwinkel, mit dem Plattensystem 27,28 der Schiebewinkel gemessen.

In F i g. 4 und 5 ist schematisch eine Ausbildung des Kardangelenkes mit Potentiometerabgriffen für die Winkelbestimmungen gezeigt. Die Potentiometer 29 und 30 sind so mit den Achsen 19 und 23 gekoppelt, daß bei Drehungen um diese Achsen Widerstandsänderungen proportional der Winkelauslenkung auftreten. Die Potentiometer und ihre Abgriffe können auch an anderen dafür geeigneten Stellen angebracht werden. Da der Schwenkwinkel des Gerätes begrenzt ist, genügen z. B. Potentiomejersegmente am Ort der in F i g. 2 und 3 gezeigten Kondensatorplatten 25,26 und 27,28. Die Abgriffe erfolgen in diesem Falle von den Orten der Kondensatorplatten 26, 28 aus.

Nachstehend sei die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert: Im Betriebszustand setzt die anströmende Luft die Luftschraubenblätter 13 in Drehung. Die Zahl der Umdrehungen ist ein Maß für den zurückgelegten Weg längs der Flugbahn, die Umdrehungsgeschwindigkeit ist ein Maß für die augenblickliche Fluggeschwindigkeit. Die Zahl der Umdrehungen kann beispielsweise mit Hilfe der durch die fotoelektrische Meßeinrichtung erzeugten elektrischen

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Impulse digital gezählt werden. Die Zahl der Umdrehungen in einer entsprechend kurzen Zeiteinheit liefert die Drehgeschwindigkeit.

Gegenüber den auf Druckmessungen beruhenden Geschwindigkeitsbestimmungen hat die auf Umdrehungsmessungen der Luftschraube beruhende den Vorteil, von Höhenänderungen unabhängig zu sein, soweit die Luftkräfte nicht so klein werden, daß sie die Größenordnung der Lagerreibekräfte erreichen.

Für die Genauigkeit der Weg- und Geschwindigkeitsmessung ist maßgeblich, daß die Drehlagerreibung des drehbaren Nasenteiles klein ist und die Anblasung der Luftschraubenblätter genau in Richtung der Längsachse der Meßeinrichtung erfolgt. Die äußere Form des Gerätes ist dabei wichtig für die Unabhängigkeit von Zähigkeits- und Kompressibilitätseinflüssen. Diese Erfordernisse sind bei der Erfindung in vorteilhafter Weise berücksichtigt. Die Drehzahl wird rückwirkungsfrei mit Hilfe der fotoelektrischen Einrichtung gemessen, so daß der Drehwiderstand des Nasenteiles sehr klein gehalten werden kann. Die Längsachse des Gerätes wird durch das hinter dem Kardangelenk angebrachte Ringleitwerk genau in Ausblasrichtung eingestellt. Das Ringleitwerk liefert hierbei bei geringer Spannweite große Richtkräfte und gute Dämpfungseigenschaften. Die spindelförmige Form begünstigt das störungsfreie Anblasen der Luftschraubenblätter auch im kompressiblen Fluggeschwindigkeitsbereich. Die Trennstelle 3 ermöglicht nicht nur den guten Zugang zum Kardanlager und dem Befestigungsschott 4, sondern erlaubt auch den gesamten Vorderteil einschließlich der Schale 1 auszuwechseln, wenn die Messung z. B. im hohen Überschallbereich erfolgen soll, wo eine andere Konturgebung notwendig ist.

Im Falle von Störungen der fotoelektrischen Anlage oder bei Beschädigung der Luftschraubenblätter ist die einfache Ablösemöglichkeit des mit der Befestigungsscheibe 5 verbundenen Nasenteiles von Vorteil. Beschädigte Luftschraubenblätter können durch einfaches Einschieben in die Nut 12 bei herausgelöstem Nasenteil ausgewechselt werden. Die Genauigkeit in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen läßt sich so auch auf einfache Weise durch Einschieben verschieden ausgebildeter Luftschraubenflügel mit verschiedenartigen Einstellwinkeln, die für den jeweiligen Bereich optimal sind, verbessern.

Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit, den drehbaren Nasenteil mit fotoelektrischer Meßeinrichtung im Falle von Störung oder Beschädigung leicht auszuwechseln. Vor allem ist es auch möglich, die Luftschraubenblätter rasch auszuwechseln. ■ Hierdurch läßt sich der Anwendungs- und Genauigkeitsbereich des Gerätes nochmals erweitern, da für die jeweiligen Geschwindigkeitsbereiche, optimale Schraubenblätter mit optimaler Einstellung gewählt werden können.

Das Problem der Winkelabgriffe für die Anstellwinkel- und Schiebewinkelmessung ist mit kleinstem Raumbedarf ohne zusätzliche Strömungswiderstände und ohne störende Vergrößerung der Reibung im Kardangelenk gelöst. Die genaue Einstellung der Gerät-Längsachse durch das Ringleitwerk ist auch den Winkelmessungen dienlich. Bei dem besonders einfachen und robusten Abgriff mittels Drehpotentiometer ist bei den derzeit verfügbaren Geräten der

ίο Reibungswiderstand praktisch vernachlässigbar. Die Fehler der Winkelmessung lassen sich über den gesamten Meßbereich kleiner als 0,2° halten. Die kapazitive Messung ist rückwirkungsfrei.

Die Erfindung vereinigt also folgende Vorteile in sich: Gleichzeitige, genaue Messung von Anstellwinkel, Schiebewinkel, Flugweg, Fluggeschwindigkeit ohne gegenseitige Beeinflussung bei geringer Raumabmessung und geringem Strömungswiderstand; großer Geschwindigkeitsbereich, weitgehende Unabhängigkeit von Höhenänderungen, Machzahl und Reynöldszahl, widerstandsarme Anbringungsmöglichkeit des Halterohres.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zur gleichzeitigen Messung von Anstellwinkel, Schiebewinkel, Flugweg und Fluggeschwindigkeit von Luftfahrzeugen, mit einem die Verbindung zwischen der Einrichtung und dem Luftfahrzeug herstellenden, am Luftfahrzeug festen Haltemast, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

   a) Am Haltemast (17) ist ein spindelförmiger Körper (1,2) mittels eines zweiachsigen Kardangelenkes (19,20,23,24) im Schwerpunkt

   der Gesamt einrichtung allseitig schwenkbar gelagert;

   b) die Achsen des Kardangelenkes (19,23) liegen parallel zur Hoch- und Querachse des Fluggerätes;

   c) der spindelförmige Körper (1,2) trägt ein frei drehbares, mit Luftschraubenblättern (13) versehenes Nasenteil (6,12,14);

   d) hinter dem spindelförmigen Körper (1,2) ist ein zentrisch befestigtes Ringleitwerk (15,

   16) vorgesehen;

   e) Meßeinrichtungen, die aus Kondensatorsystemen (25,26; 27,28) bzw. Potentiometern (29,30) bestehen, zur Bestimmung der Drehwinkel zwischen der Haltemast-

   achse und der Geräteachse in zwei orthogonalen Richtungen sind am Kardangelenk (19,20; 23,24) angeordnet;

   f) ein fotoelektrisches Meßgerät (7,8,11) dient der Zählung der Umdrehungen bzw. der Umdrehungsgeschwindigkeit des Nasenteiles (6, 12,14).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen