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Perfectionnements aux appareils de commande pour aéroplanes et autres engins dirigeables.
La présente Invention concerne les systèmes de comman- de automatiques pour aéroplanes et autres engins dirigeables ( qui sont compris dans la suite dans le terme " aéroplane" lorsque le contexte le permet) et plus particulièrement les moyens de commander les ailerons ou autres organes de com- mande latérale d'un aéroplane.
Il a été proposé antérieurement :le commander les mouvements latéraux d'un aéroplane Par les ailerons, par l'emploi 3'un gyroscope dont l'axe de rotor est vertical, mais il a ete difficile de déterminer la verticale avec suffisamment :le précision par ce moyen.
Il a été proposé également :le commander les mouve- ments latéraux 3'un aéroplane par les ailerons au moyen d'un gyroscope pendulaire monté de façon universelle dans lequel
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le rotor tourne autour d'un a xe horizontal s'étendant trans- versalement à l'aéroplane. Dans cette proposition antérieure ls gyroscope commandait également le gouvernail :le l' aé ro- plane :le telle manière que tout déplacement de l'axe de ro- tation du rotor à partir d'une direction transversale dé- terminée avait pour résultat un mouvement :la gouvernail.
Avec cette disposition le gyroscope est seulement en équilibre lorsque son axe -,le rotation s'étend transversalement à l'aé- roplane, de sorte lue l'axe de rotation doit suivre les mou- vements de l eero@ @ane. Avec cet appareil anterieur un moyen commande à la main est pr@vu pour appliquer un couple au gyroscope pour combattre toute tendance de l'axe :le rotation a effectuer une précession autour de l'axe longitudinal de l' aéroplane.
Ce moyen n'est pas automatique et s'il n'est pas correctement règle il n'empêche pas la précession du gy- roscope de se produire avec cette conséquence que l'aéroplane vole suivant une course rectiligne avec une inclinaison non désirée.
Le but :le la présente invention est ;,le fournir un sys- tème :le commande perfectionné du tye indiqué dans le para- graphe précédent, dans lequel un moyen automatique est prévu pour empêcher l'axe de rotation de dévier :le l'horizontale et pour obliger cet axe à suivre les mouvements :le l'aéro- plane lorsque ce dernier tourne autour d'un axe vertical.
Suivant @@ presente invention l'appareil our comman- der les mouvements latéraux d'un aéroplane comprend un gy- roscope pendulaire dont le rotor est monté de façon à tour- ner, autour d'un axe horizontal transversal à l'aéroplane, dans un anneau intérieur pivotant sur un axe vertical dans un anneau extérieur qui à son tour pivote autour d'un axe horizontal s' étendant longitudinalement 1'engin, et le gyroscope à son centre de gravité sous sonaxe :le rotation et est disposé :
le façon à actionner les ailerons de l'aéro-
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plane en concordance avec le mouvement de l'axe de rotation dans un plan vertical mais non à commander le gouvernail ou l'élévateur de l'aéroplane. En outre suivant la présente invention,
le moment du gyroscope et la force angulaire d'im- pulsion de son rotor ont une relation telle par rapport à la vitesse vers l'avant de l'aéroplane que lorsque l'aéro- plane se meut suivant une course incurvée le gyroscope ef- fectue une précession en aimuth sous l'influence de la force centrifuge avec sensiblement la même vitesse angulaire que celle du virage de l'aéroplane et on a prévu un moyen tendant à maintenir l'anneau intérieur et l'agneau extérieur l'un dans une relation angulaire déterminée/par rapport à l'autre et par rapport à l'aéroplane. De préférence ce moyen com- prend un dispositif tel qu'un ressort disposé de facon à appliquer un couple %Il l'anneau intérieur lorsque ce dernier se déplace par rapport à 1.' anneau extérieur autour de son axe de
pivotement, et dans la direction opposée à celle du mouvement, et un mécanisme fonctionnant sous l'effet du déplacement relatif entre l'anneau intérieur et l'anneau extérieur pour appliquer à l' anneau extérieur un couple proportionnel au déplacement.
Une forme de réalisation de l'appareil suivant la présente invention est représentée plus ou moins schémati- quement et à titre d'exemple auxdessins annexés dans les- quels les fig. 1 et 2 sont respectivement des vues en élé- vation de côté et de face d'un gyroscope actionné par l'air, monté de façon universelle, pour commander les mouvements de roulis 1'un a@r@plane. Le moyen d'actionnât le gyroscope n'est pas représenté mais peut être construit suivant @@'im- porte luelle forme appropriée.
Dans la construction représentée,le gyroscope com- prend un rotor 1 dont l'axe de rotation 2 est horizontal et est placé en travers de l' aéroplane. L'anneau de balancier @
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intérieur est monte au moyen :le ivots verticaux 4 dans un anneau :le balancier extérieur 5 dont leplan est ortho-
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ganal L,:r rF3.L.ort x l'rmnenu :le bulnncier lnL(.ri>7ur et ¯ 1r conséquent vertical.
L'anneau de balancier extérieur 5 est porté par des pivots 6 dans la direction l'avant en arrière,
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suivant l'axe :le roulis de 11 aéroplane, dans un cbâsqissui- veur 7 'lui est monté sur des paliers ordinaires 8 ( é6a- lement sur T'axe de roulis) sur une plèce @ coulée prini- pale ou une plaque de base ? lui est fixée à l'aéroplane.
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Un t.oi3.^. 1 est attaché rigidenent 1' innezm extérieur ;le balancier 5 et orté par celui-ii, 3e telle façon que le centre de gravité du système :le gyroscope se trouve en- dessous :la l'axe de suspension 6, s'étendant d' avant en ar- rière,. du cercle de balancier extérieur. La fonction, du
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poids conjointement avec il autres Iëces décrites ci-a.rés est de permettre au gyroscope de définir un plan vertical de la manière lui sera expliquée.
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Une sourape è 1 iSton 13 située dans un cylinire :le soupape 11 lui estattaché à un prolongement 12 ie l'anneau
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extérieur :le balancier 5, est sensible au louve:'1ent relatif entre l' anneau extérieur et l'anneau intérieur et sert à déceler ce mO'lvelent. Tja çouLa..e à piston 13 est re'-1" e =.ar lJnf1 bi.cl10 , 1 4 i 1 ' ?nn>T,<,i -1'1 t2-tnci.or inf.urienr 3 et 1r, mouvement relatif entre l'anneau intérieur et ''.'anneau ex- térieur oblige la soupape en piston 13 à admettre de l'air comprimé par l'un ou l'autre des conduits 15 et 16, vers un
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cylindre ie .i::'recession 17.
:le Le cylinàre/ récession 17, Lui est monté sur le pro- longement 12 :le l' annz ai de baLancier Pxt rieur 5 contient un piston de précession 18 iui est relié @ar une bielle 19 au châssis suiveur 7. Le piston de procession 18 est disposé de façon à être capable d'appliquer un couple autour de l'axe
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6, s'étendant d'avant en arrière, .e l'ann'3au extérieur entre
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l'anneau extérieur et le châssis suiveur 7, Ce couple est commandé à la fois en grandeur et en signe par le fonctionne- ment de la soupape à piston 13.
Un ressort hifurque 20 monté sur le prolongement 12 :le l' anneau extérieur 5 vient en rise avec une butée sur la soupape à piston 13 et est destiné à appliquer une réac- tion de couple de rappel entre les anneaux de balancier lors- que l'anneau intérieur est déplacé de sa position orthogonale normale par rapport à l'anneau extérieur de balancier.
Au moyen du mécanisme décrit ci-dessus, l'anneau ex- térieur de balancier 5 est maintenu dans le plan vertical d' une manière ,lui sera décrite dans la suite.
Le système :le gyroscope est employé pour commander les ailerons de l'aéroplane par le fait qu'on relie l'anneau de balancier extérieur 5, au moyen d'une bielle 21, à une sou- pape en piston @2 fonctionnant dans un cylindre de soupape 23 attaché rigidement au châssis suiveur 7. Le mouvement relatif entre la soupape en piston 22 et le cylindre de sou- pape 23 ob Lige de l'air comprimé -lui est fourni au cylindre de soupape par un conduit flexible 24 à être admis, par l'un ou l'autre des deux conduits flexibles 25 et 26 à l'extrémité appropriée d'un cylindre de servo-moteur 27 qui est fixé surl'aéroplane et contient un piston à double effet. La tige de piston 28 du servo-moteur est reliée d'une manière appro- priée quelconque aux ailerons.
Lors du fonctionnement de la disposition, un mouvement relatif autour de l'axe longitudinal 6 entre l'aéroplane et le système de gyroscope oblige la sou-= pape 22 à admettre de l'air comprimé dans l'une ou l'autre extrémiéé du cylindre de servo-moteur de façon à appliquer des mouvements de correction 'aux ailerons pour commander les mouvements de rougis de l' aé roplane. En vue d'obtenir un effet de succession dans lequel les mouvements des ailerons sont commandés luantitativement par le déplacement de l'anneau ex- térieur de balancier par rapport à l'aéroplane, la tige du
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fiston 28 du servo-moteur est relire iar un levier 28, @ui est articulé sur l'aéroplane, au châssis suiveur 7 :
le telle manière que le mouvement de la tige 28 produit une rotation du châssis suiveurautour :le ses paliers longitudinaux 8.
Si l'on considère l'emploi au mécanisme décrit ci- dessus pendant un vol rectiligne non accéléré, on supposera que l'anneau extérieur de balancier 5, pourvu d'un poids en pendule est écarté du plan verticaL. Le poids pendulaire 10 produit alors un couple de pesanteur autour :le l'axe longi- tudinal 6 :le l'anneau extérieur :le balancier et ce couple oblige le rotor du gyroscope ainsi lue l'anneau intérieur à effectuer une précession en a@imuth.
La pression :le l'anneau intérieur :le balancier 3 en azimuth par rapport à l'anneau extérieur :le balancier 5 ac- tionne la soupape en piston 13 et oblige ainsi le piston :le procession 18 à appliquer une réaction :le couple entre le châssis suiveur 7 et l'anneau extérieur 5, dans un sens tel que ce souple s'oppose au couple de pesanteur dû au poids pendulaire 10. La précession azimuthale de l'annaau de balancier intérieur 3 est ainsi limitée au petit angle pour lequel le déplacement des pièces :le soupape 11 et 13 suffit pour obliger le piston :le précession 18 à appliquer la réaction appropriée comme on l'a décrit ci-dessus.
Outre la succession d'opérations décrites au paragra- phe précédant,la précession :le !.'anneau de balancier inté- rieur 3 en azimuth oblige le mécanisme à ressort 30 à appli- quer un ijetit couple :le rappel autour :le, l'axe vertical-4 de l'anneau de balancier intérieur. Ce couple produit une précession ::le l'anneau extérieur :le balancier 5 autour :le son axe longitudinal 6, ce lui ramené l'an@au exterieur et le poids pendulaire :le nouv@au dans le plan vertical.
De cette manière, si l'anneau :le balancier extérieur est déplacé dans l'une ou l'autre direction, il revient graduellement au plan vertical.
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Si l'on considère les forces agissant sur le poids pendulaire 10 pendant un vol constamment incurvé on voit qu'outre la force de la pesanteur il y a également une force centrifuge qui exerce un couple autour de l'axe longi- tudinal 6 de l'anneau extérieur. Ce couple, qui est pro- portionnel à la vitesse d' avancement et au degré :le virage :le l'aéroplane, provoque une récession du rotor de gyros- cope 1 et de l'anneau intérieur de balancier 3 en azimtth.
La relation entre le moment du poids, la force d'impulsion angulaire du rotor de gyroscope et la vitesse vers l'avant de l'aéroplane est par conséquent choisie de façon appro- priée telle que la vitesse de précession de l'anneau de balancier intérieur 3, due à la force centrifuge agissant sur le poids 10 est égale à la vitesse de virage de l'aé- roplane et par conséquent aucn déplacement relatif ne se produira. De cette panière, si l'anneau de balancier exté- ' rieur 5 se. trouve dans le plan vertical, il n'est pas dé- ,.lacé de ce plan par l'action de la force centrifuge pendant un virage.
Le mécanisme décrit ci-dessus obligera l'aéroplane tes se à voler suivant un traj et incurvé sans inclinaison. Si la vi- d'avancement de l'aéroplane n'est pas en relation correcte avec le moment du poids 10 et la force d'impulsion angu- laire du rotor, le rotor et l'anneau intérieur effectuent un mouvement de procession à une vitesse différente de la vitesse angulaire de l'aéroplane et l'anneau intérieur est déplacé de l'anneau extérieur. Ceci a pour résultat un mou- vement de la soupape en piston 13 et le moteur de préces- un couple sion 17,18 appliquera/à l'anneau extérieur de façon à l'obliger à effectuer une précession. Ceci modifie le champ total d'accélération agissant sur le poids 10 par l'intro- duction d'une composante de pesanteur.
La précessiom conti- nue jusqu'à ce que le couple dû au champ d'accélération
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total soit exactement celui requis pour provoquer la pré- cession de l'anneau intérieur du rotor à la même vitesse que l'anneau extérieur possède en tournant avec l'aéroplane.
L'axe :le rotor 2 s'est maintenant écarté :le l'ho- rizontale de sorte que l'aéroplane est incliné. L'amplitude de l'inclinaison est très petite et reste constante pendant un vol incurvé soutenu. Lorsque l'aéroplane est de nouveau soustrait au vol incurvé pour revenir au vol rectiligne, l'ap% pareil agit pour ramener le gyroscope dans sa position nor- male avec l'axe :le rotation 2 horizontal :
le la manière de cri- te précédemment. La présente invention est destinée à obliger l'aéroplane à voler à plat ( c'est-à-dire sans inclin@@ison) dans toutes les conditions. L'appareil pourrait toutefois être modifié de façon lue l'aéroplane soit incliné :le-la quantité voulue dans le vol en courbe par le fait qu'on pré- voit un moyen d'appliquer un couple entre le chassais sui- veur 7 et l'anneau extérieur 5, couple Lui est proportionnel la vitesse angulaire à laquelle l'@@roplane tourne.
En modifiant l'effet du cha@p d'accélération sur le gyroscope ce couple provo quera la précession :le l' anneau intérieur 3 par rapport à l'anneau extérieur 5, ce lui à son tour provo- :tuera la précession de l'anneau extérieur et une précession :le l'axe :le rotor dans un lan vertical, L'axe de rotor 2 serait alors déplace :le l'horizontale pendant le vol en cour- be et l'aéroplane serait incliné.
Revendications.
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Improvements to control devices for airplanes and other airships.
The present invention relates to automatic control systems for airplanes and other airships (which are hereinafter included in the term "airplane" when the context allows) and more particularly to the means of controlling the ailerons or other control units. - lateral control of an airplane.
It has been proposed previously: to control the lateral movements of an airplane By the ailerons, by the use of a gyroscope whose rotor axis is vertical, but it has been difficult to determine the vertical sufficiently: the precision by this way.
It has also been proposed: to control the lateral movements of an airplane by the ailerons by means of a pendulum gyroscope mounted universally in which
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the rotor rotates around a horizontal axis extending transversely to the airplane. In this earlier proposal the gyroscope also controlled the rudder: the aero-plane: the way that any displacement of the axis of rotation of the rotor from a determined transverse direction resulted in a movement. : the rudder.
With this arrangement the gyroscope is only in equilibrium when its axis -, the rotation extends transversely to the airplane, so the axis of rotation must follow the movements of the eero @ @ane. With this prior apparatus, a hand-controlled means is provided to apply a torque to the gyroscope to combat any tendency of the axis: the rotation to precede around the longitudinal axis of the airplane.
This means is not automatic and if it is not correctly adjusted it does not prevent the precession of the gyroscope from occurring with the consequence that the airplane flies in a rectilinear course with an unwanted inclination.
The object of the present invention is to provide a system: the improved control of the tye indicated in the preceding paragraph, in which an automatic means is provided to prevent the axis of rotation from deviating: the l ' horizontal and to force this axis to follow the movements: the aircraft when the latter rotates around a vertical axis.
According to the present invention the apparatus for controlling the lateral movements of an airplane comprises a pendulum gyroscope, the rotor of which is mounted so as to rotate, about a horizontal axis transverse to the airplane, in an inner ring pivoting on a vertical axis in an outer ring which in turn pivots about a horizontal axis extending longitudinally the machine, and the gyroscope at its center of gravity under its axis: the rotation and is arranged:
the way to operate the ailerons of the aero-
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plane in accordance with the movement of the axis of rotation in a vertical plane but not to control the rudder or the elevator of the airplane. Further according to the present invention,
the moment of the gyroscope and the angular force of impulse of its rotor have such a relation with respect to the forward speed of the airplane that when the airplane moves in a curved course the gyroscope ef- precession in aimuth under the influence of centrifugal force with substantially the same angular velocity as that of the turn of the airplane and a means has been provided tending to keep the inner ring and the outer lamb one in one determined angular relation / with respect to the other and with respect to the airplane. Preferably this means comprises a device such as a spring arranged so as to apply a torque% II to the inner ring when the latter moves with respect to 1. ' outer ring around its axis of
pivoting, and in the direction opposite to that of movement, and a mechanism operating under the effect of the relative displacement between the inner ring and the outer ring to apply to the outer ring a torque proportional to the displacement.
An embodiment of the apparatus according to the present invention is shown more or less schematically and by way of example in the accompanying drawings in which FIGS. 1 and 2 are side and front elevational views, respectively, of a universally mounted air-actuated gyroscope for controlling the rolling motions on a plane. The means for operating the gyroscope is not shown but may be constructed in any suitable form.
In the construction shown, the gyroscope comprises a rotor 1, the axis of rotation 2 of which is horizontal and is placed across the airplane. The balance ring @
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interior is mounted by means of: the vertical ivots 4 in a ring: the exterior balance 5 whose plane is ortho-
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ganal L,: r rF3.L.ort x the rmnenu: the bulnncier lnL (.ri> 7ur and ¯ 1r therefore vertical.
The outer balance ring 5 is carried by pivots 6 in the forward to backward direction,
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along the axis: the roll of the airplane, in a skidder 7 'is mounted on ordinary bearings 8 (also on the roll axis) on a main casting or a base plate ? it is attached to the airplane.
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A t.oi3. ^. 1 is attached rigidly to the outer innerm; the balance 5 and carried by it, 3rd such that the center of gravity of the system: the gyroscope is located below: the axis of suspension 6, extending from 'front to back ,. of the outer balance circle. The function of
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weight together with it other Iëces described a.rés is to allow the gyroscope to define a vertical plane in the manner will be explained.
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A surape è 1 iSton 13 located in a cylinder: the valve 11 is attached to an extension 12 ie the ring
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outside: the balance 5, is sensitive to the she-wolf: 'the relative pitch between the outer ring and the inner ring and is used to detect this movement. Tja çouLa..e with piston 13 is re'-1 "e = .ar lJnf1 bi.cl10, 1 4 i 1 '? Nn> T, <, i -1'1 t2-tnci.or inf.urienr 3 and 1r, relative movement between the inner ring and ''. '' Outer ring forces the piston valve 13 to admit compressed air through one or the other of the conduits 15 and 16, to a
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cylinder ie .i :: 'recession 17.
: the cylinder / recession 17, It is mounted on the extension 12: the external beam annz ai 5 contains a precession piston 18 which is connected by a connecting rod 19 to the follower frame 7. The piston of procession 18 is arranged so as to be able to apply a torque around the axis
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6, extending from front to back, .e the outer ring between
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the outer ring and the follower frame 7. This torque is controlled both in magnitude and in sign by the operation of the piston valve 13.
A hifurque spring 20 mounted on the extension 12: the outer ring 5 comes into contact with a stop on the piston valve 13 and is intended to apply a return torque reaction between the balance rings when The inner ring is moved from its normal orthogonal position relative to the outer ring of the balance.
By means of the mechanism described above, the outer pendulum ring 5 is held in the vertical plane in a manner which will be described hereafter.
The system: the gyroscope is used to control the ailerons of the airplane by the fact that the external balance ring 5 is connected, by means of a connecting rod 21, to a piston valve @ 2 operating in a valve cylinder 23 rigidly attached to the follower frame 7. The relative movement between the piston valve 22 and the valve cylinder 23 obtains compressed air - this is supplied to the valve cylinder through a flexible duct 24 to be admitted, through one or the other of the two flexible ducts 25 and 26, to the appropriate end of a servo-motor cylinder 27 which is fixed on the airplane and contains a double-acting piston. The servo motor piston rod 28 is connected in some suitable manner to the ailerons.
During operation of the arrangement, a relative movement around the longitudinal axis 6 between the airplane and the gyroscope system forces the valve 22 to admit compressed air into one or the other end of the servo motor cylinder so as to apply corrective movements to the ailerons to control the reddening movements of the airplane. In order to obtain a succession effect in which the movements of the ailerons are controlled luantitatively by the displacement of the outer ring of the balance wheel with respect to the airplane, the rod of the
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son 28 of the servomotor is read again by a lever 28, @ which is articulated on the airplane, to the following frame 7:
the such that the movement of the rod 28 produces a rotation of the follower frame around: the its longitudinal bearings 8.
If we consider the use of the mechanism described above during a straight flight not accelerated, it will be assumed that the outer ring of balance 5, provided with a pendulum weight is spaced from the vertical plane. The pendular weight 10 then produces a couple of gravity around: the longitudinal axis 6: the outer ring: the balance and this torque forces the rotor of the gyroscope thus read the inner ring to precede at a @ imuth.
The pressure: the inner ring: the balance 3 in azimuth with respect to the outer ring: the balance 5 actuates the piston valve 13 and thus forces the piston: the procession 18 to apply a reaction: the torque enters the follower frame 7 and the outer ring 5, in a direction such that this flexible opposes the torque due to the pendular weight 10. The azimuthal precession of the inner balance ring 3 is thus limited to the small angle for which the movement of the parts: the valve 11 and 13 is sufficient to force the piston: the precession 18 to apply the appropriate reaction as described above.
In addition to the succession of operations described in the preceding paragraph, the precession: the!. The internal balance ring 3 in azimuth forces the spring mechanism 30 to apply a torque: the return around: the, the vertical axis-4 of the inner balance ring. This couple produces a precession :: the outer ring: the balance 5 around: the its longitudinal axis 6, this brought back to the year @ to the outside and the pendular weight: the new @ to the vertical plane.
In this way, if the ring: the outer balance wheel is moved in either direction, it gradually returns to the vertical plane.
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If we consider the forces acting on the pendular weight 10 during a constantly curved flight we see that in addition to the force of gravity there is also a centrifugal force which exerts a torque around the longitudinal axis 6 of the l 'outer ring. This torque, which is proportional to the forward speed and to the degree: the turn: the airplane, causes a recession of the gyroscope rotor 1 and of the inner balance ring 3 in azimuth.
The relation between the moment of weight, the angular impulse force of the gyroscope rotor and the forward speed of the airplane is therefore appropriately chosen such as the precession speed of the balance ring. interior 3, due to the centrifugal force acting on the weight 10 is equal to the turning speed of the airplane and therefore no relative displacement will occur. From this basket, if the outer balance ring 5 is. located in the vertical plane, it is not displaced from this plane by the action of centrifugal force during a turn.
The mechanism described above will force the airplane to fly following a trajectory and curved without tilting. If the forward speed of the airplane is not in correct relation to the moment of the weight 10 and the angular impulse force of the rotor, the rotor and the inner ring perform a processional movement at a speed different from the angular speed of the airplane and the inner ring is moved from the outer ring. This results in movement of the piston valve 13 and the precession motor 17,18 will apply / to the outer ring so as to cause it to precession. This changes the total acceleration field acting on the weight 10 by the introduction of a gravity component.
The precessiom continues until the torque due to the acceleration field
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total is exactly that required to cause the precession of the inner ring of the rotor at the same speed as the outer ring possesses when rotating with the airplane.
The axis: the rotor 2 has now moved away: the horizontal so that the airplane is tilted. The bank's amplitude is very small and remains constant during sustained curved flight. When the airplane is again subtracted from curved flight to return to straight flight, the same device acts to bring the gyroscope back to its normal position with the axis: rotation 2 horizontal:
the way of criticism above. The present invention is intended to cause the airplane to fly flat (i.e. without tilt) under all conditions. The apparatus could however be modified in such a way that the airplane is tilted: the desired quantity in the flight in curve by the fact that one foresees a means of applying a torque between the following chase 7 and the outer ring 5, torque It is proportional to the angular speed at which the @@ roplane rotates.
By modifying the effect of the acceleration cha @ p on the gyroscope, this torque will cause the precession: the the inner ring 3 with respect to the outer ring 5, which in turn will cause the precession of the The outer ring and a precession: the axis: the rotor in a vertical lan, The rotor axis 2 would then move: the horizontal during curved flight and the airplane would be tilted.
Claims.
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