DE4142037A1 - Start- und landesystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Start- und Landesystem für ein senkrecht startendes
und landendes Fluggerät (VTOL).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System vorzuschlagen, das für ein VTOL-
Fluggerät einen Start von und eine Landung auf einem ruhenden oder einem
bewegten Träger (Schiff, Fahrzeug) ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände
von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Regelsystem ermöglicht ein selbstständiges Starten
und Landen auf einem ruhenden und bewegten Träger, auch wenn dieser
eine relativ hohe Geschwindigkeit hat und/oder Schlingerbewegungen aus
führt. Durch die erfindungsgemäße Automatik ist kein geübter Pilot notwendig.
Das Fluggerät kann selbstständig starten, landen, die Position halten und pro
grammierte Bahnen abfliegen, kann jedoch auch mittels Fernsteuerung von
einem Piloten gesteuert werden. Möglich sind unbemannte Versionen ebenso
wie Bemannte.
In einer Ausführung der Erfindung vermißt die Start-/Landeplatzsensorik die
Relativposition des Fluggeräts zum vorgesehenen Landepunkt. Dies kann z. B.
mittels Lasertechnik erfolgen, so kann am Landeplatz ein Lasertracker vorge
sehen sein, der mit einem Spiegelsystem am Fluggerät zusammen die Entfer
nung und die Winkel zum Fluggerät ermittelt.
Bei einem bewegten Startplatz kann die Start-/Landeplatzsensorik eine Inerti
alsensorik zur Erfassung der Bewegungen des Start- und Landeplatzes ent
halten. Beim Schiff kann dies die Inertialsensorik des Schiffes sein, die mit
dem Schiffsrechner zusammenarbeitet.
In einer Ausführung sendet die Datenverbindung zwischen Boden und Flug
gerät die Relativposition des Fluggeräts und die Bewegungen des Start-
Landeplatzes zum Fluggerät.
Das Fluggerät kann eine Inertialsensorik für die Erfassung der eigenen Be
wegung enthalten. Mit dieser Information und den übermittelten Bewegungs
daten des Landeplatzes und den relativen Positionsdaten und den Bewe
gungsdaten des Fluggeräts wird erfindungsgemäß die automatische Bahnfüh
rung bei Start und Landung durchgeführt.
Die Fesselung des Fluggeräts an den Landeplatz erfolgt bevorzugt mittels
Elektromagneten. Sind solche vorgesehen, so kann der automatische Start
bei Vorliegen von ein oder mehreren Bedingungen erfolgen. Es ist günstig,
wenn der automatische Start nur bei ausreichendem Vertikalschub (hoher An
stellwinkel der Rotorblätter bei einem Drehflügler) und in der gewünschten
Lage der Plattform (z. B. 0°-Rollwinkel) durch automatisches Abschalten der
Magnete erfolgt.
Bei der automatischen Landung werden die Magnete dann angeschaltet,
wenn eine erste Berührung des Fluggeräts mit der Landeplattform erfolgt.
Dazu können Landeschalter am Fluggerät befestigt sein, die eine Berührung
registrieren. Bei Anschaltung der Haltemagnete erfolgt automatisch eine
Reduktion des Auftriebs (z. B. durch kollektive Blattverstellung und/oder Rück
nahme der Motordrehzahl).
Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren näher erläutert.
Beide Figuren zeigen schematisch eine Ausführung der Erfindung für ein
Fluggerät mit Rotoren, das auf einem Schiffsdeck starten und landen soll.
Fig. 1 zeigt die Bahnführung für den automatischen Start,
Fig. 2 für die automatische Landung.
Fig. 1 zeigt im unteren Teil die wesentlichen Elemente des Systems, die hier
am Schiff befestigt sind. Dies ist der Landesensor, der Schiffsrechner, das
Schiffsinertialsystem und die Datenübertragung Telecommandsender mit
dem Pilotenlenkstand. Im oberen Teil sind die Elemente in Fluggerät gezeigt:
Es enthält die Komponenten Telecommandempfänger, ein INS-Stützfilter, das
Inertialsystem INS des Fluggeräts, den Positionsregler, den Basisregler, die
Bahnführung und magnetische Fesselung.
Der Basisregler dient zur künstlichen Stabilisierung des Fluggeräts. Er be
rechnet aus der Differenz von Soll- und Istwerten des jeweiligen Flugzustan
des über geeignete Proportional- und Integralaufschaltungen Sollwerte für die
Stellsysteme. Der Flugzustand wird beschrieben durch Drehraten, Beschleu
nigungen, Geschwindigkeiten, geodätische Position und die Eulerwinkel.
In der Längsbewegung werden z. B. die Nicklage und die Nickdrehgeschwin
digkeit benötigt. In der Seitenbewegung können je nach Eigendynamik des
Fluggeräts ähnliche Bedingungen gelten, wobei die Rolldrehgeschwindigkeit
und die Gierdrehgeschwindigkeit hier immer zurückgeführt werden. Für die
Hochachse ist die Vertikalgeschwindigkeit erforderlich.
Je nach Phasennacheilung der ausgewählten Signale, bedingt durch Mes
sung und Weiterverarbeitung, kann es angebracht sein, eine Kompensation
mit Hilfe von Phasenvorhaltfiltern durchzuführen. Zusätzlich können Kerbfilter
integriert werden, um den Einfluß unerwünschter Strukturkopplungen oder
-frequenzen zu beseitigen.
Beim automatischen Start hebt das Fluggerät von einer ruhenden oder sich
bewegenden Landeplattform automatisch ab. Das Fluggerät ist mittels magne
tischer Fesselung am Schiffsdeck gefesselt. Zum Einleiten des automatischen
Startvorganges betätigt der Pilot einen Taster (Startkommando). Da das Flug
gerät die Landeplattform möglichst schnell verlassen soll, wird der Kollektiv
winkel unter Beibehaltung der magnetischen Fesselung auf nahezu seinen
Maximalwert gebracht. Diese Maßnahme bewirkt einen Sprungstart von der
sich bewegenden Schiffsplattform, nach dem die magnetische Fesselung ab
geschaltet wurde.
Es ist günstig, wenn die Rotordrehzahl nach dem Hochfahren des Kollektiv
winkels möglichst schnell wieder ihren Nennwert einnimmt, bevor das Flugge
rät abhebt. Dadurch wird verhindert, daß das Fluggerät infolge Leistungsein
bußen durch zu geringe Rotordrehzahl den Bereich der Plattform nicht ausrei
chend schnell verläßt.
Die Lage des Fluggeräts soll während und nach Beendigung des automati
schen Startvorganges stabil über dem Mittelpunkt der Start-Landeplattform
beibehalten werden (automatische Positionshaltung). Bei der Vorgabe, daß
der automatische Start in Rollage Null einzuleiten ist, erhält man unter der An
nahme sinusförmiger Bewegungen der Startplattform (Schlingern) das Maxi
mum der Rolldrehgeschwindigkeit beim Start. Diese Anfangswertstörung so
wie äußere Störungen in Form von Böen und Wind werden von der erfin
dungsgemäßen Regelung unterdrückt. Basis- und Positionsregler sind daher
mit Vorgaben der Bahnführung für Höhe, Position, Kurs und Vertikalgeschwin
digkeit beaufschlagt.
Fig. 2 zeigt den automatischen Landevorgang. Der automatische Landevor
gang wird vom Piloten wiederum durch Drücken eines Tasters initiiert. Der
Landeanflug beginnt mit der automatischen Transition zur einer Position über
dem Aufsetzpunkt.
Dabei soll das Fluggerät aus diesem Zustand in einer vorgegebenen Höhe
genau dann mit einer definierten Relativgeschwindigkeit auf dem Landeplatz
aufsetzen, wenn die Rollage des Landesplatzes ihren Nulldurchgang hat.
Dazu ist es erforderlich, daß während des Absenkens auf das Deck die Hö
henführung gleitend in eine Relativbewegung zum Deck übergeht. Dies ge
schieht in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines hochgenauen Laser
trackers.
Mit Hilfe eines Prädiktionsverfahrens wird vorausberechnet, zu welchem Zeit
punkt die Rollage der Landeplattform ihren Nulldurchgang hat. Die Vertikal
führung des Fluggeräts ist so ausgelegt, daß unabhängig von der Bewegung
der Landeplattform der Landevorgang eine genau definierte Zeit dauert. Der
Landevorgang wird somit genau dann eingeleitet, wenn die prädizierte Zeit für
Rollage Null mit der für die Dauer des Landevorgangs definierten Zeitdauer
übereinstimmt.
Die kommandierte Relativsinkgeschwindigkeit setzt sich aus analytisch be
rechneten Vorgaben und aufbereiteten, telemetrierten Meßdaten der Lande
plattform zusammen. Außerdem werden Höhe, Kurs und Position als Kom
mandogrößen der Bahnführung verwendet.
Nachdem das Fluggerät mit dem ersten seiner z. B. vier Landeschalter, die an
der Unterseite befestigt sind, Berührung mit dem Landeplatz hatte, schaltet
sich die magnetische Fesselung ohne äußeren Eingriff automatisch ein.
Gleichzeitig wird der Auftrieb des Fluggeräts durch Blattverstellung und/oder
Reduktion der Motordrehzahl verringert.
Die Betriebsart Positionshaltung kann dann angewählt werden, wenn sich das
Fluggerät in der Luft befindet. Diese Betriebsart wird ebenfalls wieder durch
Betätigung eines Schalters am Pilotenlenkstand aktiviert. Unter Positionshal
tung ist die Beibehaltung der geodätischen Position des Fluggeräts zu verste
hen. Die jeweils beim Anwählen dieser automatischen Funktion vorhandene
Istposition ist die Sollposition. Sie ist somit das Kommando für die Positions
haltung.
Gemäß dem Einsatzbereich und der erforderlichen Genauigkeit der Höhen
haltung kann das Höhenmeßsignal über eine komplementäre Filterung mit
dem Vertikalgeschwindigkeitssignal gemischt verwendet werden.
Claims (9)
1. Start- und Landesystem für ein senkrecht startendes und landendes
Fluggerät, mit einer Start-/Landeplatzsensorik, einer Signalverarbei
tung, einer Datenverbindung zum Fluggerät, einer Fluggerätesensorik,
einer Fluggerätesignalverarbeitung und einer Fluggerätestelleinrich
tung, mit einer Fesseleinrichtung des Fluggeräts am Start-/Landeplatz,
wobei das System eine automatische Positionshaltung, einen automa
tischen Start und eine automatische Landung auf ruhendem oder be
wegtem Start-/Landeplatz ermöglicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Start-/Landeplatzsensorik z. B. mittels Lasertechnik die Relativposition
des Fluggeräts zum vorgesehenen Landepunkt vermißt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Start-/Landeplatzsensorik eine Inertialsensorik
zur Erfassung der Bewegung des Start-/Landeplatzes enthält.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Datenverbindung die Relativposition des
Fluggerätes und die Bewegungen des Start-/Landeplatzes zum Flug
gerät übermittelt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Fluggerät eine Inertialsensorik zur Erfas
sung der Fluggerätebewegung enthält.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zur automatischen Bahnführung bei Start und
Landung die Bewegungsdaten des Start-/Landeplatzes, die relativen
Positionsdaten und die Bewegungsdaten des Fluggerätes verarbeitet
werden.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch eine magnetische Fesselung.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
automatische Start bei ausreichendem Vertikalschub und in ge
wünschter Lage (0°-Rollwinkel) des Startplatzes durch automatisches
Abschalten der Magnete erfolgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch S, dadurch gekenn
zeichnet, daß die automatische Landung bei erster Berührung eines
von mehreren am Fluggerät befestigten Landeschaltern durch auto
matisches Anschalten der Magnete und durch Reduktion des Auftriebs
erfolgt.
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