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Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einer Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen.
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Aus dem generellen Stand der Technik sind in die Tragflügel eines Flugzeugs integrierte Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen bekannt, mit denen vorgegebene lokale aerodynamische Strömungszustände an Segmenten des Tragflügels stabilisiert werden sollen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, Turbulenzen am Tragflügel zu reduzieren, um zu verhindern, dass in kritischen Flugzuständen durch die Bildung lokaler turbulenter Strömung der lokale Auftriebsbeiwert reduziert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, Maßnahmen bereitzustellen, mit denen die aerodynamische Leistungsfähigkeit geregelter Flugzeuge erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diesen rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Flugzeug vorgegeben, das jeweils in zumindest einem sich in Flügelspannweiten-Richtung erstreckenden Oberflächensegment jedes Flügels eine Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen zur Beeinflussung des das Oberflächensegment überströmenden Fluids und von Strömungszustands-Sensorvorrichtungen zur Messung des Strömungszustands an dem jeweiligen Segment und eine Flugregelvorrichtung aufweist, wobei die Flugregelvorrichtung eine mit der Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen (in Verbindung stehende Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung zur Erzeugung von Soll-Kommandos für die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen des zumindest einen Oberflächensegments aufweist, wobei die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen derart ausgeführt sind, dass diese aufgrund der Soll-Kommandos die lokalen Auftriebsbeiwerte oder die Verhältnisse von Widerstandsbeiwert und Auftriebsbeiwert in demjenigen Segment verändern, in dem diese jeweils angeordnet sind.
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Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile liegen in folgenden Aspekten:
- • Verbesserung der Agilität von Flugobjekten für das kontrollierte Durchfliegen von transienten und/oder instationären Flugzuständen,
- • Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Flugobjekten und deren Einsatzfähigkeit,
- • kontrollierte Kurzstart- und Kurzlande-Möglichkeit der Flugzeugs,
- • Unterdrückung des Einflusses von Böen, starken Auf- und Abwinden oder Turbulenzen und sonstigen instationären Anströmbedingungen,
- • Aufweitung des möglichen Flugbereichs hinsichtlich der Anstellwinkel bei bestimmtem, gewünschtem Auftrieb, Widerstand oder Gleitzahl,
- • Berücksichtigung im Flugzeugdesign kann den technischen Aufwand und das Gewicht von Hinterkantendevices oder Hinterkanten-Klappen für den Hochauftrieb reduzieren, damit auch Reduktion der Fairings und geringerer Strömungswiderstand und besserer Auftrieb auf dem Hinterkantendevice durch ungestörtere Spaltströmung,
- • verbesserte Auslegung des Flügelprofils auf Gleiteigenschaften im Reiseflug, wobei weniger Rücksicht auf Hochauftriebsfall notwendig ist, da dieser durch die beschriebene Erfindung abgedeckt wird,
- • Erhöhung der Wirksamkeit von Steuerflächen, so dass die Verwendung von kleineren Steuerflächen oder ein agileres Flugverhalten möglich ist,
- • Erreichung von geringeren Anfluggeschwindigkeiten im Landeanflug, d. h. eine Nutzung kürzerer Landebahnen für gleiche Flugzeuggrößen wird möglich.
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Weiterhin ermöglicht die Erfindung Anflugprozeduren eines Flugzeugs, die bei einem konstant gehaltenen großem Gleitwinkel bei einer Variation des Anstellwinkels ohne Schubkorrektur durch Regelung des Auftriebsbeiwertes im Zusammenhang mit dem Widerstandsbeiwert durch Einstellung der Ablösungstiefe auf der Hinterkanten-Klappe durch Einstellung des variablen Volumen/Massenstroms des Strömungskontrollsystems stattfinden werden.
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In einem Anwendungsfall der Erfindung kann die Vornahme einer Betankung in der Luft erfolgen, sofern durch eine Regelung des Auftriebsbeiwertes während der Betankung gleichermaßen eine Massezunahme des einen Flugzeugs und eine Masseabnahme des anderen Flugzeuges durch jeweils deren autonome Einstellung der Ablösungstiefe auf der Hinterkanten-Klappe respektive durch Einstellung des variablen Volumen/Massenstroms der Strömungskontrollsysteme eingesetzt wird.
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Durch die Erfindung ist weiterhin ein verbesserte Entwicklung von Flug-Betriebsarten („Design to Flight Procedures”) möglich: Einstellung des für den Flugzustand der gewünschten Flugprozedur notwendigen Auftriebsbeiwertes respektive Widerstandsbeiwertes durch Regelung des Volumen-Massestroms, d. h. durch Regelung auf eine Zielgröße, wie z. B. den Auftriebsbeiwert durch Variation des Volumenstromes, der die Störströmung unter den gegebenen Baumaßen des Strömungskontrollsystems und den Randbedingungen bezüglich der Integration des Aktuatorsystems in die Struktur realisiert.
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Erfindungsgemäß kann auch die Unterdrückung von Böen, starken Auf- und Abwinden oder Turbulenzen und sonstigen instationären Anströmbedingungen durch Beeinflussung der Strömung über der Hinterkanten-Klappe und damit Auftriebssicherung über die Einstellung der Ablösungstiefe bzw. den Ablösungsgrad erfolgen.
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Erfindungsgemäß kann die Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung eine Steuerungs-Eingabevorrichtung, durch deren Betätigung die Soll-Kommandos erzeugt werden, oder eine Autopiloten-Vorrichtung aufweisen, die aufgrund einer vorgegebenen Betriebsart die Soll-Kommandos z. B. zur Bahnsteuerung des Flugzeugs auf einer vorgegebenen Sollbahn erzeugt.
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Das Flugzeug nach der Erfindung kann dabei derart ausgeführt sein, dass die Flugregelvorrichtung als Flugzustands-Regelvorrichtung ausgeführt ist oder eine solche aufweist sowie eine Strömungszustand-Regelvorrichtung aufweist. Die Flugzustands-Regelvorrichtung ist derart ausgeführt, dass diese aufgrund der Sollkommandos der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung und der Sensorsignale der Flugzustands-Sensorvorrichtung Eingangssignale (an die mit der Flugregelvorrichtung funktional verbundene Strömungszustand-Regelvorrichtung übermittelt. Weiterhin kann dabei die Strömungszustand-Regelvorrichtung derart ausgeführt sein, dass diese aufgrund der Eingangssignale der Flugzustands-Regelvorrichtung und aufgrund der Sensorsignale der Strömungszustand-Sensorvorrichtung jedes Segments Strömungszustands-Stellkommandos zur Ansteuerung der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung jedes Segments erzeugt und an die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung jedes Segments übermittelt, um das Flugzeug entsprechend der Sollkommandos der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung zu steuern.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Flugzustands-Regelvorrichtung eine Segment-Ansteuerungsfunktion aufweist, die derart ausgeführt ist, dass diese Stellkommandos an die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung jedes Segments und/oder die Stellkommandos an den Aktuator aufgrund der Stellsignale der Flugzustands-Regelvorrichtung durch eine Optimierung unter Berücksichtigung der zum aktuellen Zeitpunkt verfügbaren Leistung und/oder Dynamik der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung und/oder des Aktuators der Stellklappe erfolgt.
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Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen gebildet ist: aus Ausblasöffnungen, die in einem Segment oder mehreren Segmenten angeordnet sind, und einer im Flügel angeordneten Strömungserzeugungsvorrichtung zum Ausblasen und/oder Absaugen, durch die Fluid aus den Ausblasöffnungen ausgeblasen oder abgesaugt wird, um den lokal am Segment auftretenden Auftriebsbeiwert zu beeinflussen.
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Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen zusätzlich Einsaugöffnungen, die in einem Segment oder mehreren Segmenten angeordnet sind, und eine im Flügel angeordnete und mit den Einaugöffnungen in Strömungsverbindung stehende Saugvorrichtung aufweist, durch die Fluid aus den Einsaugöffnungen eingesaugt wird, um den lokal am Segment auftretenden Auftriebsbeiwert zu beeinflussen.
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Nach der Erfindung kann die Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen aus Lautsprecher-Vorrichtungen gebildet sein, die in einem Segment oder mehreren Segmenten angeordnet sind, die aufgrund ihrer Aktivierung durch Erzeugung von Luftschwingungen den lokal am Segment auftretenden Auftriebsbeiwert beeinflussen können.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen gebildet sein aus an der Oberfläche des Flügels angeordneten Piezo-Aktuatoren, die in einem Segment oder mehreren Segmenten angeordnet sind, die aufgrund ihrer Aktivierung durch Erzeugung von Luftschwingungen den lokal am Segment auftretenden Auftriebsbeiwert beeinflussen können.
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Dabei kann die Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen zusätzlich eine Stellklappe und einen Aktuator zur Verstellung derselben aufweisen, wobei die Soll-Kommandos für die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen aus Soll-Kommandos für die Strömungserzeugungsvorrichtung und aus Soll-Kommandos für einen Aktuator zur Verstellung der Stellklappe gebildet sind.
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Erfindungsgemäß kann das zumindest eine Segment aus mehreren Segmenten gebildet sein, die in der Spannweiten-Richtung des Flügels gesehen hintereinander angeordnet sind.
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Die Strömungszustand-Sollvorgabe kann generell aus einer Flügel-Lastverteilungs-Vorrichtung oder -Funktion gebildet sein, die aufgrund eines Flugzeug-bezogenen Zustands eine Soll-Lastverteilung am Flügel in Form der auf jeweils ein Segment bezogenen Strömungswertes als Sollwert ermittelt, mit der eine vorgegebene Lastverteilung an den Tragflügeln eingestellt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann generell die Strömungszustand-Sollvorgabe aus einer Böen-Abminderungsfunktion gebildet sein, die aufgrund eines flugzeugbezogenen Zustands eine geforderte Änderung des Auftriebsbeiwerts am jeweiligen Segment ermittelt. Die Böenabminderungs-Vorrichtung oder -Funktion der Flugsteuerungsvorrichtung ist zur Erzeugung von Soll-Kommandos ausgeführt, mit denen instationäre Lasten an den Tragflügeln aufgrund von Böen kompensiert werden. Die Böenabminderungs-Vorrichtung kann dabei insbesondere als Eingangsgrößen Beschleunigungsgrößen und/oder Drehraten-Größen aus der Fluglage-Sensorvorrichtung (Inertial Measurement Unit „IMU”) und/oder von Inertialsensoren wie Beschleunigungsgrößen und/oder Drehraten-Größen von Sensorvorrichtungen ermitteln, die lokal an geeigneten Stellen im Flügel und/oder im Rumpf angeordnet sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Figuren beschrieben, die zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeuges, in dem die erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung integriert ist;
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2 eine schematische Darstellung des Querschnitt eines Tragflügels mit einer erfindungsgemäß in zumindest einem Segment desselben vorgesehenen Anordnung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen und von Strömungszustands-Sensoren sowie einer optional vorgesehenen Stellklappe, die von einer Verstellvorrichtung mit einem Aktuator verstellt werden kann;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß vorgesehenen Flugsteuerungsvorrichtung mit einer Flugregelvorrichtung, die eine Flugzustands-Regelvorrichtung und eine Strömungszustand-Regelvorrichtung aufweist, wobei Strömungszustand-Regelvorrichtung aufgrund der Eingangssignale der Flugzustands-Regelvorrichtung und aufgrund der Sensorsignale der Strömungszustand-Sensorvorrichtung jedes Segments Strömungszustands-Stellkommandos zur Ansteuerung der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung jedes Segments erzeugt und an diese übermittelt.
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In den Figuren sind Komponenten und Funktionen gleicher oder ähnlicher Funktion mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Das in der 1 exemplarisch gezeigte Ausführungsbeispiel eines geregelten Flugzeugs F, auf das die Erfindung angewendet werden kann, weist entsprechend der üblichen Gestalt zwei Tragflügel 1a, 1b mit jeweils zumindest einem Querruder 5a bzw. 5b auf. Das in der 1 dargestellte Flugzeug weist weiterhin an jedem Tragflügel 10a, 10b jeweils drei Vorderkanten-Auftriebskörper 3a, 3b und drei Hinterkanten-Auftriebskörper 4a, 4b auf. Optional können die Tragflügel 1a, 1b jeweils eine Mehrzahl von Spoilern aufweisen, die in der 1 nicht dargestellt sind. In der 1 ist ein auf das Flugzeug F bezogenes Koordinatensystem KS-F mit einer Flugzeug-Längsachse X-F, einer Flugzeug-Querachse Y-F und einer Flugzeug-Hochachse Z-F eingetragen. Jedem Tragflügel 1a, 1b kann ein Tragflügel-Koordinatensystem KS-T mit einer Achse S-T für die Spannweitenrichtung, einer Achse T-T für die Tiefenrichtung und eine Achse D-T für die Dickenrichtung des Tragflügels zugeordnet sein (2). Weiterhin weist das Flugzeug F ein Heckleitwerk H mit einem Seitenleitwerk 8 mit einem Seitenruder 9 und einem Höhenleitwerk 6 mit jeweils zumindest einem Höhenruder 7 auf. Das Höhenleitwerk 6 kann z. B. als T-Leitwerk, wie es in der 1 dargestellt ist, oder Kreuz-Leitwerk ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Flugzeug F kann auch eine andere Form haben und eine andere Anordnung von Stellklappen als das in der 1 dargestellte Flugzeug F haben.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in der 2 schematisch ein Hauptflügel 10 mit einer Stellklappe K dargestellt, die an dem Hauptflügel M angekoppelt ist. Erfindungsgemäß kann der aerodynamische Körper die Stellklappe K, d. h. ein an dem Flugzeug verstellbar angeordneter aerodynamischen Körper und dabei z. B. eine in der 1 gezeigte Stellklappe sein, also z. B. eine Hochauftriebsklappe, ein Querruder, ein Spoiler, ein Höhen- oder Seitenruder. Der erfindungsgemäß vorgesehene aerodynamische Körper kann insbesondere auch ein Hauptflügel M sein. Der Hauptflügel M weist eine an der Saugseite A desselben verlaufende Oberseite M-1, eine an der Druckseite B der derselben verlaufende Unterseite M-2 und gegebenenfalls eine rückseitige, der Hochauftriebsklappe K zugewandte Seite auf. Für die Hochauftriebsklappe oder generell für die Stellklappe K oder den aerodynamischen Körper ist eine Klappentiefen-Richtung T-K bzw. generell Tiefenrichtung, eine Spannweiten-Richtung S-K bzw. generell Spannweitenrichtung und eine Klappendicken-Richtung D-K bzw. generell Klappendickenrichtung definiert. Die Stellklappe K oder Hochauftriebsklappe weist eine an der Saugseite A der Hochauftriebsklappe K verlaufende Oberseite K1 und eine an der Druckseite B der Hochauftriebsklappe K verlaufende Unterseite K2 auf.
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Nach der Erfindung weist der aerodynamische Körper eine an dem Hauptflügel M und/oder einer Klappe K angeordnete Anordnung aus zumindest einer Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung und zumindest einem Strömungszustands-Sensor auf. Nach der 2 ist in einem Segment 10 an der Oberseite M-1 des Hauptflügels und einem Segment 10 an der Oberseite M-1 des Hauptflügels M jeweils eine Anordnung 15 aus zumindest einer Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16 und zumindest einem Strömungszustands-Sensor 17 angeordnet. In der 1 sind an den Tragflügeln schematisch entsprechende Segmente 11a, 11b, 12a, 12b eingetragen, in denen jeweils eine solche Anordnung 15 aus zumindest einer Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 22 und zumindest einem Strömungszustands-Sensor 21 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann, wie dies auch in der 2 dargestellt ist, ein solches Segment 10K mit einer Anordnung 15K aus zumindest einer Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16K und zumindest einer Strömungszustands-Sensorvorrichtung 17K an der Oberseite K1 oder Unterseite K2 der jeweiligen Stellklappe K angeordnet sein.
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Die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16 bzw. 16K ist derart ausgeführt, dass mit dieser die an der jeweiligen Oberfläche anliegenden Strömung und somit der Auftriebsbeiwert des Hauptflügels M bzw. der Stellklappe K beeinflusst werden kann.
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Dabei kann mit der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16 bzw. 16K insbesondere auch das Maß eingestellt werden, in dem die an der jeweiligen Oberfläche anliegende Strömung beeinflusst werden kann. Die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16 bzw. 16K ist nach einem Ausführungsbeispiel aus einer Öffnung (nicht gezeigt) und einer Strömungserzeugungs-Vorrichtung oder einem Strömungsförderantrieb (nicht gezeigt) gebildet, durch die eine Ausblas- oder Absaug-Strömung von Luft durch die Öffnung erzeugt wird. Der Strömungsförderantrieb kann dabei in einem mit der Öffnung verbundenen Kanal installiert oder integriert sein und kann mit einer fest eingestellten Leistung arbeiten oder dieser kann derart ausgeführt sein, dass mit diesem aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung durch eine Ansteuerungsfunktion der Einlassdruck und/oder der Ausblasdruck und/oder der Differenzdruck verändert oder gesteuert wird.
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Die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16 bzw. 16K kann alternativ oder zusätzlich auch eine Ausblasöffnungs-Veränderungsvorrichtung oder Einsaugöffnungs-Veränderungsvorrichtung aufweisen, mit der die Öffnung eines Kanals im Inneren des Hauptflügels M bzw. der Stellklappe K an der Oberfläche in die Umgebung mündet, wobei der Kanal an einer andren Stelle des Hauptflügels M bzw. der Stellklappe K ein- oder ausmündet. Auf diese Weise kann mit der Ausblasöffnungs-Veränderungsvorrichtung oder Einsaugöffnungs-Veränderungsvorrichtung die Menge des die Öffnung jeweils durchströmten Luft gesteuert oder eingestellt werden kann.
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Die Strömungszustands-Sensorvorrichtung 15 bzw. 15K kann einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung des Strömungszustands auf der Oberseite der Hochauftriebsklappe anliegenden oder abgelösten Strömung aufweisen. Dabei kann der Sensor oder mehrere Sensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit ein Hitzdrahtsensor sein. Weiterhin kann der Sensor oder können die mehrere Sensoren aus einem Piezo-Wandschubspannungssensor zur Erfassung der Wandschubspannung gebildet sein. Dabei kann der Sensor oder mehrere Sensoren zur Erfassung der Wandschubspannung ein Heißfilmsensor sein.
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Der Sensor kann oder die mehreren Sensoren können generell ein Sensor zur Erfassung der Eigenschaften der Strömungszustandes auf der Oberseite des Hauptflügels M bzw. der Klappe K sein, der oder die derart ausgeführt ist oder sind, dass durch das von dem Sensor erzeugte Signal eindeutig der Strömungszustand ermittelt werden kann, d. h. dass festgestellt werden kann, ob eine anliegende oder abgelöste Strömung vorliegt, detektiert bzw. erfassen kann.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Strömungszustands-Sensorvorrichtung 17 bzw. 17K in dem genannten Kanal im Inneren der Klappe K vorgesehen ist, um Strömungszustände in einem Kanal oder mehreren Kanälen in der Hochauftriebsklappe und/oder im Hauptflügel mittels einer entsprechenden Sensorvorrichtung erfasst und als Strömungswerte an die Hochauftriebsklappen-Verstellvorrichtung zur Kontrolle der Strömungszustände und zur Veränderung der Ansteuerung oder Regelung von Vorrichtungen zur Strömungsbeeinflussung weitergegeben werden.
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Das Flugzeug F weist Flügel 1, 1a, 1b auf, die jeweils in zumindest einem sich in Flügelspannweiten-Richtung erstreckenden Oberflächensegment 10 des Hauptflügels M oder einer Stellklappe K eine Anordnung 15 bzw. 15K von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 16 bzw. 16K zur Beeinflussung des das zumindest eine Oberflächensegment 10 überströmenden Fluids und von Strömungszustands-Sensoren 17 bzw. 17K zur Messung des Strömungszustands an dem jeweiligen Segment aufweisen. In der 1 sind an jedem Tragflügel jeweils zwei solcher Oberflächensegmente 11a, 12a bzw. 11b, 12b dargestellt, von denen jedes jeweils eine Anordnung 15 von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 16 bzw. 16K und von Strömungszustands-Sensorvorrichtungen 17 bzw. 17K aufweist. Das Oberflächensegment 10 mit der Anordnung 15 bzw. 15K von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 16 bzw. 16K und von Strömungszustands-Sensoren 17 bzw. 17K nach der Erfindung kann auf der Oberseite und/oder der Unterseite des Hauptflügels M und/oder der Stellklappe K angeordnet sein.
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Nach der Erfindung ist ein Flugzeug mit einer Flugsteuerungsvorrichtung und mit einer mit der Flugsteuerungsvorrichtung in Verbindung stehenden Betätigungsvorrichtung oder Steuerungs-Eingabevorrichtung 31 zur Erzeugung von Steuerungs-Sollkommandos 31a für die Steuerung des Flugzeugs F vorgesehen. Die Steuerungs-Eingabevorrichtung 31 des Flugzeugs F ist üblicherweise aus einer im Cockpit des Flugzeugs angeordneten Steuerungs-Eingabevorrichtung 31 zur Eingabe von Steuerungsvorgaben zur Flugbahnsteuerung des Flugzeugs gebildet, die insbesondere die Piloten-Eingabemittel wie einen Steuerknüppel und optional auch Pedale aufweisen kann.
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Weiterhin kann die Flugsteuerungsvorrichtung eine Betriebsarten-Eingabevorrichtung und/oder ein Autopilot 32 aufweisen, die bzw. der Autopiloten-Sollkommandos 32a für die Steuerung des Flugzeugs F erfolgt und die bzw. der mit der Flugregelvorrichtung 50 funktional in Verbindung steht, um an diese die Soll-Kommandos 31a bzw. 32a zu senden.
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Aufgrund der Steuerungs-Sollkommandos 31a der Steuerungs-Eingabevorrichtung 31 und/oder die Autopiloten-Sollkommandos 32a des Autopiloten 32 werden in der Flugregelvorrichtung 50 Soll-Kommandos zur Betätigung oder Bewegung von Stellantrieben und insbesondere des Aktuators zur Verstellung der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen und/oder des Aktuators oder des Klappenantriebs der anzusteuernden Stellklappen erzeugt und an diese geschickt.
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Das Flugzeug F weist weiterhin eine mit der Flugregel-Vorrichtung 50 funktional in Verbindung stehende Flugzustands-Sensorvorrichtung 40 mit einer Luftdaten-Sensorvorrichtung 41 (Air Data System, ADS) zur Erfassung von Flugzustandsdaten zur Ermittlung des Flugzustands sowie eine Fluglage-Sensorvorrichtung oder eine Inertialsensor-Vorrichtung 42 (Inertial Measurement Unit, IMU) zur Erfassung eines Flugzustands des Flugzeugs F und insbesondere der Drehraten des Flugzeugs F auf. Die Luftdaten-Sensorvorrichtung 41 weist Luftdaten-Sensoren zur Ermittlung des Flugzustands des Flugzeugs F und insbesondere des dynamischen Drucks, des statischen Drucks und der Temperatur der das Flugzeug F umströmenden Luft auf. Mit der Fluglage-Sensorvorrichtung 42 werden insbesondere Drehraten des Flugzeugs F einschließlich der Gierraten und der Rollraten des Flugzeugs zur Bestimmung der Fluglage desselben ermittelt. Die Flugsteuerungsvorrichtung 50 empfängt die Flugzustands-Sensorsignale 40a der von der Flugzustands-Sensorvorrichtung 40 erfassten Sensorwerte und dabei insbesondere der Luftdaten-Sensorsignale 41a der Luftdaten-Sensorvorrichtung 41 und die Fluglage-Sensordaten 42a von der Fluglage-Sensorvorrichtung 42.
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Den am Flugzeug jeweils vorhandenen Steuerklappen, wie z. B. den Querrudern 5a, 11b, den Spoilern 12a bzw. 12b, ist zumindest ein Stellantrieb und/oder eine Antriebsvorrichtung zugeordnet, die jeweils erfindungsgemäß optional von der Flugsteuerungsvorrichtung 50 mittels Kommandosignalen, die Soll-Kommandos sind, angesteuert wird, um die jeweils zugeordneten Steuerklappen zur Steuerung des Flugzeugs F zu verstellen. Dabei kann vorgesehen sein, dass einer dieser Steuerklappen durch jeweils einen Stellantrieb oder zur Erhöhung der Ausfallsicherheit des Flugzeugssystems einer Mehrzahl von Stellantrieben zugeordnet ist.
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Die Flugsteuerungsvorrichtung 50 in Form einer Flugzustands-Regelvorrichtung 70 (4) weist eine Steuerungsfunktion auf, die von der Steuerungs-Eingabevorrichtung 30 Steuerungskommandos und von der Sensorvorrichtung 40 Sensorwerte 40a empfängt. Die Steuerungsfunktion ist derart ausgeführt, dass diese in Abhängigkeit der Steuerungskommandos 30a und der erfassten und empfangenden Sensorwerte 40a Stellkommandos für die Stellantriebe erzeugt und an diese übermittelt, so dass durch Betätigung der Stellantriebe eine Steuerung des Flugzeugs F gemäß der Steuerungskommandos erfolgt.
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Dabei ist in der 3 eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei denen auf dem Hauptflügel M und der Stellklappe K an einer Stelle in der jeweiligen Spannweitenrichtung jeweils eine Anordnung 15 bzw. 15K von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 16 bzw. 16K und von Strömungszustands-Sensoren 17 bzw. 17K angeordnet ist.
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Beim Fliegen erzeugt der Pilot mit einer Betätigungsvorrichtung 31 ein Soll-Kommando 31a für die Steuerung des Flugzeugs. Das Soll-Kommando 31a für die Flugzeugsteuerung kann z. B. ein dreidimensionalen Beschleunigungsvektor zur relativen Änderung des Flugzustands des Flugzeugs, oder Richtungsänderungsvorgabe sein. Auch kann der Soll-Kommando-Vektor aus beiden Vorgabewerten zusammen gesetzt sein und dabei z. B. für die Lateralbewegung Richtungsänderungsvorgaben und in der Vertikalbewegung des Flugzeugs Beschleunigungsvorgaben generieren.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Soll-Kommandos oder Soll-Kommando-Vektoren 33a mittels eines Autopiloten 33 erzeugt werden.
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Generalisiertes Erfindungskonzept (Fig. 3)
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Wie in der 3 gezeigt, steuert nach der Erfindung generell die Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 oder die Flugregelvorrichtung 50 zumindest einen derartigen Stellantrieb an, der in einem Segment 10 oder 10K an einer Oberfläche des Tragflügels und optional alternativ oder zusätzlich der gegebenenfalls vorhandenen oder von diesen ansteuerbaren zumindest einen Stellklappe K angeordnet ist, also zumindest einen Aktuator zur Verstellung der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 15 bzw. einen Aktuator oder Klappenantrieb der zumindest einen angesteuerten Stellklappe K. Aufgrund von Sollkommandos 30a der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 werden von der Flugregelvorrichtung 50 Strömungszustands-Stellkommandos 66 bzw. 66K zur Betätigung oder Bewegung zumindest eines Aktuators der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 15 bzw. 15K jedes betroffenen Segments 10 bzw. 10K zur Verstellung der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen und optional auch Stellkommandos zur Betätigung oder Bewegung zumindest eines Aktuators oder des Klappenantriebs der anzusteuernden Stellklappen erzeugt und an diese geschickt. Durch die Betätigung oder Bewegung der Stellantriebe der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen werden in vorbestimmter Weise die lokalen Auftriebsbeiwerte oder die Verhältnisse von Widerstandsbeiwert und Auftriebsbeiwert in demjenigen demjenigen spannweitigen Bereich verändert, in dem das Segment 10 bzw. 10K mit der jeweils angesteuerten Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung gelegen ist. Bei dem Vorhandensein mehrerer in Spannweitenrichtung und/oder in Tiefenrichtung des Hauptflügels oder der Klappe K angeordneten Segmente 10, 10K kann vorgesehen sein, dass mittels einer Segment-Ansteuerungsfunktion die Strömungszustands-Stellkommandos 66 bzw. 66K an die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen der jeweiligen Segmente abgeglichen und konsolidiert oder einem übergeordneten Stellkommando jeweils ermittelt werden.
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Z. B. in dem Fall, in dem jeder Tragflügel 1a, 1b zwei Segmente 10 mit jeweils einer Anordnung 15 bzw. 15K von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen und von Strömungszustands-Sensoren 22 bzw. 22K und zwei Stellklappen K aufweist, die in funktional vorbestimmter Weise zur Stabilisierung und/oder Steuerung des Flugzeugs und/oder Einstellen einer Flugbetriebsart vorgesehen sind, steuert die Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 oder die Flugregelvorrichtung 50 aufgrund der darin implementierten Steuerungs- und Regelungsalgorithmen zeitabhängig die genannten Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen und Klappenantriebe der Stellklappen zu deren Verstellung an, um einen Fugzustand entsprechend der Soll-Kommandos 31a und/oder 32a für die Steuerung des Flugzeugs F oder eine Flugbetriebsart einzustellen, und dabei das Flugzeug in einer Fluglage zu stabilisieren und/oder eine Bahnsteuerungsbewegung auszuführen und/oder die Lastverteilung des Tragflügels einzustellen und/oder Böen zu kompensieren.
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Der erfindungsgemäß verwendete Tragflügel kann auch derart ausgeführt sein, dass dieser keine Stellklappe aufweist, die zur Steuerung oder Stabilisierung des Flugzeugs funktional mit der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 oder der Flugregelvorrichtung 50 verbunden ist. In diesem Fall steuert die Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 oder die Flugregelvorrichtung 50 Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 15 zumindest eines Tragflügel-Segments 10 an. In analoger Weise kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass auf der Oberfläche zumindest einer Stellkappe segmentweise eine Anordnung 15K von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 16K und von Strömungszustands-Sensoren 17K vorhanden ist, die in beschriebener Weise zur Steuerung oder Stabilisierung des Flugzeugs funktional mit der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 oder der Flugregelvorrichtung 50 verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung weist somit generell eine Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 mit einer Ansteuerungsfunktion zur Erzeugung von Soll-Kommandos an Antriebsvorrichtungen zur Verstellung von Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 15 bzw. 15K des zumindest einen Oberflächensegments 10 bzw. 10K und/oder von Soll-Kommandos an Antriebsvorrichtungen zur Verstellung von zumindest einer Stellklappe je Tragflügel auf, die aufgrund der Soll-Kommandos zur Steuerung des Flugzeugs entsprechende Soll-Kommandos zur Betätigung von Stellvorrichtungen an den Flügeln ermittelt, durch deren Aktivierung der Flugzustand des Flugzeugs entsprechend der Soll-Kommandos geändert oder beeinflusst wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16, 16K als Eingangswert ein aus dem Sollkommando 30a der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 abgeleiteter Eingangswert zugeführt wird, der mittels
- • einer auf Flugzustands-Sensordaten sowie auf Strömungszustands-Sensordaten basierenden Flugregel-Vorrichtung 50 oder
- • einer auf Flugzustands-Sensordaten basierenden Flugzustands-Regelvorrichtung 70 aus dem Sollkommando 30a ermittelt wird (Bezugszeichen 66 in dem Ausführungsbeispiel der 3).
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Die Ansteuerung und Betätigung des zumindest einen Aktuators der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 16 oder 16K jeweils eines Segments 10 bzw. 10K kann insbesondere aufgrund von Sollkommandos 30a der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 erfolgen, die an die Strömungszustands-Regelvorrichtung 60 gesendet wird, die aus den Sollkommandos 30a für jeweils jedes Segment 10 bzw. 10K des zumindest eines Segments 10 bzw. 10K eine Strömungszustands-Stellgröße 61 (4) für den Aktuator der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16 bzw. 16K eines Flügels erzeugt, die einem zu einem Zeitpunkt geforderten lokalen Auftriebsbeiwert für den Bereich des jeweiligen Segments entspricht. Aufgrund der Ansteuerung und Kommandierung des Aktuators jeweils jedes Segments mittels des Strömungszustands-Stellgröße 61 wird der jeweils angesteuerte Aktuator betätigt, wodurch die jeweils zugehörige Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 15 bzw. 15K des Strömungszustand in der den Tragflügel an dem lokalen Segment beeinflusst und dadurch insbesondere den an dem jeweiligen Segment 10 bzw. 10K anliegenden Strömungszustand beeinflusst und verändert.
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Der tatsächlich am jeweiligen Segment 10 bzw. 10K anliegende Strömungszustand wird mittels der Strömungszustand-Sensorvorrichtung 16 bzw. 16K erfasst und der erfasste Strömungszustand-Istwert als Sensorsignal 62 bzw. 62K in einer Vergleichsvorrichtung 65 bzw. 65K mit dem Wert eines Eingangssignals verglichen. Der Wert des Eingangssignals kann der Wert des mit der Strömungsbeeinflussungs-Vorgabevorrichtung 30 erzeugten Soll-Kommandos 30a sein oder aus diesem abgeleitet sein. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Wert des Eingangssignals 66 bzw. 66K aus einem Soll-Kommando 30a in einer Flugzustands-Regelvorrichtung 70 ermittelt wird.
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In dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel steht die Flugregelvorrichtung 50 zum Empfang von Flugzustands-Sensorsignalen 40a mit einer Flugzustands-Sensorvorrichtung 40 in Verbindung.
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Die Flugregelvorrichtung 50 insbesondere in dem Ausführungsbeispiel der 3 kann dabei insbesondere einen Regelungsalgorithmus aufweisen, der die genannten Eingangswerte entsprechend der von diesem empfangenen Sollkommandos 30a ausregelt („complete control”).
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Der Regelungsalgorithmus der Flugregelvorrichtung 50 und/oder der Strömungszustands-Regelvorrichtung 60 kann zum einen aus der Synthese eines Maßes für den Auftrieb, Widerstand oder Gleitzahl aus Sensordaten (insbesondere Drucksensoren als Sensorvorrichtung 17 auf dem Tragflügel oder der Klappe K) und zum anderen aus einem robusten Regelalgorithmus zur Erreichung eines vorgegebenen Zielwertes für obiges Maß. Der Regler wird durch eine Anti-Wind-Up-Reset-Struktur unterstützt. Das Maß wird aus einer Kombination von zeitlicher Integration und Nachschlagetabelle gewonnen und kann eineindeutig mit einer flugrelevanten Größe wie z. B. dem Auftrieb verbunden werden. Indirekt ist so eine Vorgabe z. B. eines Auftriebs oder Auftriebsbeiwerts möglich, die dann durch den Algorithmus in eine Vorgabe für die Maßzahl umgesetzt wird. Diese Vorgabe für die Maßzahl, im Folgenden Sollwert genannt, wird verwendet, um die Differenz zur aktuellen Maßzahl zu bestimmen, die dann die Stärke und Art des Regiereingriffes bestimmt.
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Der Regler kann auf Basis eines linearen Mehrgrößen-Black-Box-Modells mit einem Verfahren zur Synthese von robusten Reglern entworfen sein. Bei der Identifikation des linearen Mehrgrößen-Black-Box-Modells werden geeignete Störsignale in Form von sprunghaften Änderungen der Aktuationsgröße erzeugt und die Reaktion der Maßzahl darauf gemessen. Aus dem dynamischen Verhalten der Reaktion wird ein lineares Differentialgleichungssystem mit Hilfe von Parameteridentifikationsmethoden gewonnen, das die Basis für die Reglersynthese darstellt Viele verschiedene solcher Identifikationen liefern eine Modellfamilie, aus dem je Synthese ein repräsentatives bzw. mittleres Modell ausgewählt wird. In der Reglersynthese können Verfahren verwendet werden (z. B H∞-Synthese, Robustifizierung, robustes LoopShaping). Unterstützt werden kann der entstandene klassische lineare Regelkreis durch eine Anti-Wind-Up-Reset-Struktur, die bei einer Forderung für die Stellgröße, die über der realisierbaren Stellgröße liegt, die internen Zustände des Reglers so korrigiert, dass ein Integrationsteil im Regler nicht zu einem Überschwingen bzw. Festsetzen des Reglers führt. So bleibt der Regler auch bei urrealistischen Anforderung reagibel, was die Betriebssicherheit erhöht. Er ist immer an die aktuelle Situation angepasst, ohne durch vorangegangene Stellgrößen-Beschränkungen hervorgerufene Verzögerungen aufzuweisen.
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Der Regler kann insbesondere als Optimalregler ausgeführt sein, der alle notwendigen Eingangsgrößen als Regelgrößen empfängt und nach einem Regelverfahren-Algorithmus in einem matrixartigen Verfahren die verschiedenen Ausgangssignale für Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtung 16 bzw. 16K und/oder den Aktuator 21 oder Klappenantrieb der zumindest einen angesteuerten Stellklappe K erzeugt – auf der Basis von Kalibrationen und daraus abgeleiteten Parametern für die Zuordnung von Regelgrößen und Stellgrößen in Abhängigkeit von Flugzustandsgrößen.
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Erfindungsgemäß wird also eine flugrelevante Kennzahl (Auftrieb, Auftriebsbeiwert, Widerstand, Gleitzahl, etc.) instationär aus Ersatzregelgrößen zu bestimmen, dann diese Kennzahl für einen Sollwertvergleich zu benutzen und schließlich so einen prinzipiell beliebigen Wert für die jeweilige Kennzahl – im Rahmen der Physik – einstellen und mittels linearer, robuster Regelungsalgorithmen, ausgelegt auf ein lineares Modell, erreichen zu können.
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Dabei ist das Regelsystem durch den Verzicht auf schwere, bewegliche Teile deutlich schneller als konventionelle, mechanische Lösungen, so dass lokale Strömungsphänomene gezielt unterdrückt bzw. genutzt werden können.
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Wie in der 3 gezeigt ist kann die Steuerung des Flugzeugs oder Einstellung eines Flugzustands des Flugzeugs mittels der Strömungszustands-Regelvorrichtung 60 für den Hauptflügel M und/oder mittels der Strömungszustands-Regelvorrichtung 60K für die Stellklappe K erfolgen, die ein Eingangssignal 66 bzw. 66K der Flugzustands-Regelvorrichtung 70 empfängt, aus der in einer Regelung mit der Vergleichsvorrichtung 65 bzw. 65K der Vergleich des Eingangssignals mit dem Strömungszustand-Istwert 62 bzw. 62K als Sensorsignal der Strömungszustand-Sensorvorrichtung 17 bzw. 17K jedes Segments für jedes Segment 10 bzw. 10K mittels einer Stellgrößen-Bestimmungsfunktion 67 bzw. 67K und der Segment-Ansteuerungsfunktion 68 bzw. 68K ein Strömungszustand-Stellkommando 61 bzw. 61K ermittelt, mit dem durch entsprechende Betätigung der Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen 16 bzw. 16K der einzustellende Strömungszustand erreicht wird. Somit ist insbesondere vorgesehen:
- • aus dem von den Strömungszustands-Sensoren jeweils eines Segments gemessenen Strömungszustand Ermittlung eines auf das Segment bezogenen Strömungswerts als Istwert, der einem aktuellen lokalen Auftriebsbeiwert entspricht,
- • Ermittlung eines Vergleichswertes aus dem Soll-Strömungswert und dem Ist-Strömungswert,
- • aus dem Vergleichswert Ermittlung eines Soll-Kommandos für die Strömungsbeeinflussungs-Vorrichtungen zur Betätigung derselben.
