Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bedienung der Steuerflächen eines
Flugzeugs, um bei niedrigen Geschwindigkeiten eine seitliche Abweichung der Flugbahn
auszugleichen.
Stand der Technik
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Die Zulassungsbestimmungen für große, vielmotorige Transportflugzeuge schreiben vor,
die Möglichkeit einer am Boden während des Starts auftretenden Motorpanne, gefolgt
von einem Fortsetzen der Abhebens des Flugzeugs bis zu einer vorgegebenen Drehzahl
nach dem Start, in Betracht zu ziehen: die seitliche Abweichung der Flugbahn während
dieser Phase darf einen Grenzwert nicht überschreiten.
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Um dem aufgrund einer Motorpanne auftretenden Giermoment entgegenzuwirken,
verfügt der Pilot über seine primaren Flugsteuerungen und insbesondere das Seitenleitwerk,
das er mit Hilfe des Steuerknüppels lenkt.
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Wenn das Giermoment erhöht ist, kann diese Steuerung die physikalische Grenze des
Lenkausschlags des Seitenleitwerks erreichen, und es gibt eine Mindestgeschwindigkeit,
unterhalb der die seitliche Abweichung nach dem Abheben nicht auf bestimmte Werte
begrenzt werden kann: jede bei einer niedrigeren Geschwindigkeit auftretende
Motorpanne muß dann notwendigerweise zum Abbruch das Starts führen.
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Je höher diese Mindestgeschwindigkeit ist, desto länger wird die Mindeststrecke des
Rollfelds, die erforderlich ist, um einen das Abheben des Flugzeugs bei einer gegebenen
Masse zu ermöglichen oder in äquivalenter Weise: desto geringer wird die abhebbare
Masse einer gegebenen verfügbaren Rollfeldlänge.
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Tatsächlich werden die am Tragwerk verfügbaren Steuerflächen (oder die Flügelflächen)
durch den Piloten mittels des Steuerrads oder des Steuerknüppels gesteuert. Die
Verwendung
dieser Flächen nach dieser kritischen Phase des Starts kann nur durch eine
Aktion des Piloten mit seinem Steuerknüppel oder Steuerrad gemäß der Verwindungsachse
geschehen. Diese Handlung selbst kann nur dann verantwortet werden, wenn das
Flugzeug durch die Auswirkung der Panne stark dazu neigt, die seitliche Roll-
Gleichgewichtslage Null zu verlassen. Bei vielen Flugzeugen besteht diese starke
Tendenz nicht und als Folge davon ist die einzige Aktion, die von dem Piloten ins Auge
gefaßt wird, um die seitliche Abweichung von der Flugbahn bei einer Motorpanne beim
Start zu bestimmen, ist der Einsatz der maximalen Lenkbewegung des Seitentriebwerks.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat die Aufgabe, das Verhalten eines mit einer
elektrischen Flugsteuerung ausgestatteten Flugzeugs bei Auftreten einer derartigen
assymmetrischen Situation, die also eine flugzeuginterne Ursache (Motorpanne, Transport einer
Außenlast, usw.) oder eine flugzeugunabhängige Ursache (Seitenwind, teilweise
überflutete Rollbahn, usw.) haben kann, zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein automatisches Steuerungsverfahren für die
Steuerflächen eines Flugzeugs vor, um bei niedriger Geschwindigkeit eine seitliche
Abweichung der Flugbahn auszugleichen, dadurch gekennzeichnet, daß man jenseits einer
vorgegebenen Einschlaggrenze des Seitenleitwerks eine dem Überschreiten dieser Grenzen
proportionale Schwenkbewegung der Flügelflächen einer der beiden Tragflächen
durchführt, wobei diese Tragfläche diejenige auf der Seite des eingeschlagenen Seitenleitwerks
ist, so daß ein zusatzlicher Widerstand auf dieser Tragfläche und also ein Gieren für das
Flugzeug bewirkt wird.
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Man kann auf diese Weise ein Schwenken wenigstens eines Querruders der auf der Seite
des eingeschlagenen Seitenleitwerks liegenden Tragfläche bewirken. In vorteilhafter
Weise bewirkt man dann, wenn die Tragfläche zwei Querruder aufweist, ein
differenziertes Schwenken der Querruder der betreffenden Tragfläche, wobei eines nach unten und
das andere nach oben geschwenkt wird, so daß das Verwindungsmoment (oder
Rollmoment) minimiert wird.
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In vorteilhafter Weise kann man gleichermaßen wenigstens einen Spoiler auf der auf der
Seite des eingeschlagenen Seitentriebwerks liegenden Tragfläche so stark nach oben
schwenken, daß das durch die Seitenleitwerkeinheit erzeugte Verwindungsmoment
möglichst niedrig gehalten wird. Man kann ganz generell die gesamte Flügelfläche, deren
Lenkbewegungen den Unterschied zwischen dem Widerstand zwischen den beiden
Tragflächen in gewünschtem Sinn variieren können, steuern.
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Dank dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während der Startphase bei einer
Motorpanne oder Seitenwind die Wirksamkeit der aerodynamischen Lenkbewegungen des
Flugzeugs bezüglich des Gierens erhöht, wenn der Pilot die volle Lenkbewegung des
Seitenleitwerks anwendet, und so kann man ohne eine weitere Aktion des Piloten auf
diese Weise die seitliche Ablenkung verringern oder, was sich daraus ergibt, die
Mindestgeschwindigkeit, unterhalb derer die Abweichung übergroß wird und der Start
abgebrochen werden muß, zu verringern. Daraus folgt unter bestimmten Bedingungen eine
Verbesserung der auf einer gegebenen Rollbahn abhebbaren Masse.
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Außerdem wird diese Erhöhung der Wirksamkeit beim Gieren von einer Minimierung
indirekter und unerwünschter, durch Steuerknüppel-Lenkbewegungen hervorgerufene
Einwirkungen auf die Verwindungsachse begleitet.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch in allen Fällen von
Asymmetrie (Motorpanne beim Start, Seitenwind ....), die bei niedriger Geschwindigkeit sowohl
am Boden wie auch in der Luft auftreten können, möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- Fig. 1 zeigt die Position der Steuerflächen eines Flugzeugs;
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- Fig. 2 zeigt schematisch die Steuerung der Steuerflächen einer Tragfläche gemäß
der Erfindung;
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- Fig. 3 ist eine Kurve, die die Steuerung der Flügelflächen als Funktion der
Steuerung des Seitenleitwerks zeigt, um das erfindungsgemäße Verfahren im Fall
eines Flugzeugs mit einem dem Airbus A340 analogen Aufbau zu zeigen.
Gesamtprinzip
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Die Bewegungeneines Flugzeugs im Flug erhält man durch Bedienung einer bestimmten
Anzahl beweglicher Flächen oder Steuerflächen, welche wiederum durch die dem Piloten
entweder durch einen Knüppel (Querachsen oder Längsachsen) oder Pedale (oder
Steuerknüppel für die Hochachse) verfügbar gemachten Steuerorgane gesteuert werden.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann man in Fall von Flugzeugen 10 des Typs Airbus aufzählen:
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1/ am Tragwerk, wo sich die meisten Steuerflächen befinden:
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- vorne eine Reihe kippbarer Nasen 11 ("slats");
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- hinten eine Reihe von Klappen 12 ("flaps");
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welche beim Start und bei der Landung ausgebreitet werden; da sie einen
zusätzlichen Auftrieb bewirken;
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- eine Reihe von Spoilern 13 (an der Flügeloberseite) mit drei sehr
verschiedenen (und/oder komplementären) Funktionen, nämlich einer Bewegung, die
entweder symmetrisch als Bremsklappe (beim Flug) oder als Landeklappe
(Rollen am Boden bei der Landung) oder asymmetrisch als Unterstützung der
Querruder ist;
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- zwei Querruder 14 je Tragfläche: differenzierte Lenkbewegungen zwischen
links und rechts. Die inneren Querruder sind während des gesamten Flugs
wirksam und werden bei niedriger Geschwindigkeit durch die äußeren
Querruder unterstützt.
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2/ Für das hintere Leitwerk sind die aktiven Flächen:
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- eine einstellbare Höhenflosse 15, die das Justieren des Gleichgewichts des
Flugzeugs in Querrichtung nach der Geschwindigkeit und der Position seines
Schwerpunkts (vor allem veränderbar durch das anfängliche Beladen am
Boden wie auch beim Flug durch das fortschreitende Entleerender
Vorratsbehälter; symmetrisches Funktionieren) erlaubt;
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- Höhenruder 16, die mit letzteren verbunden sind und das Steuern des
Flugzeugs in der vertikalen Querebene (symmetrisches Funktionieren) erlauben:
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- das Seitenruder 17 oder "Steuer", die zum Steuern des Gierens des
Flugzeugs dient.
Ausführliche Darstellung von Ausführungsbeispielen
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Da die Ära der mechanischen oder mechanisch/hydraulischen Steuerungen insbesondere
für die großen Zivil-Lastflugzeuge vergangen ist, sind die heutigen Flugzeuge vom Type
mit elektrischer Flugsteuerung oder "Fly by Wire" für die Anglophilen. Die Vorteile
dabei sind ungezählt: Gewicht, Zuverlässigkeit, Erleichterung der Redundanzen für die
Sicherheit, Mischen der Steuerungen, usw. ...
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zieht man Nutzen aus der elektrischen
Flugsteuerung, um ein wesentliches Lenkbewegung des Steuerknüppels zu erfassen und um als
Folge automatisch und auch dann, wenn der Knüppel oder das Steuerrad bei der
Querrudersteuerung nicht gelenkt werden, eine Lenkbewegung der Flügelflächen, welche
geeignet ist, eine Verbesserung des Widerstands auf einer Tragfläche zu bewirken, zu
steuern. Das kommt durch ein Giermoment, das sich zu dem Giermoment, hervorgerufen
durch das durch den Steuerknüppel bediente Seitenruder, addieren wird, zum Ausdruck.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es in Fig. 2 gezeigt ist beispielsweise,
wenn sich das Flugzeug in der Startphase auf dem Boden befindet, stellt man fest, daß
der Steuerknüppel PA ein Schwenken des Seitenruders 17 nahe am Anschlag erfordert,
jenseits eines bestimmten Grenzwerts S lenkt man unter Steuerung einer Recheneinheit
21 die Querrudersteuerungsflächen einer Tragfläche 18 so, daß der Widerstand auf
dieser Tragfläche erhöht wird. Diese Lenkbewegung ist proportional zum Überschreiten
eines Grenzwerts 20 und addiert sich zu diesem als Ergebnis der Steuerung des
Querruders.
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Wenn jede Tragfläche mit zwei Querrudern 14 versehen ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird
das eine nach unten und das andere nach oben geschwenkt, so daß das
Verwindungsmoment so gering wie möglich gehalten wird. Gleichermaßen können zur Verbesserung
des Giermoments ein oder mehrere Spoiler 13 auf derselben Tragfläche nach oben
geschwenkt werden, derart, daß das durch die Einheit der bewegten Flächen (Querruder,
Seitenruder, Spoiler) erzeugte Verwindungsmoment so gering wie möglich gehalten
wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren führt man nun eine neue Konzeption dei
Differentiallenkung zweier Querruder ein und derselben Tragfläche auf der Seite des
geschwenkten Seitenruders (ohne die Situation auf der gegenüberliegenden Tragfläche zu
verändern) ein, um so einen ergänzenden Widerstand zu erzeugen, der es erlaubt, das
gewünschte Giermoment zu erhalten.
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Zudem wird die Gesamtwirkung der so geschwenkten Einheit von aerodynamischen
Steuerflächen, darunter auch das Seitenruder, gemäß der Verwindungsachse sorgfältig
dosiert, so daß die ungewünschten Wirkungen so gering wie möglich gehalten werden.
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Allgemeiner gesagt kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Flugzeug, dessen
Tragflächen nicht mit zwei Querrudern auf jeder Seite sondern nur mit einem ausgerüstet
sind, was meist der Fall ist, angewendet werden. In diesem Fall wird man, um das
Verfahren anzuwenden, die Lenkbewegung des Kombination aus Spoilern und dem einzigen
Querruder verwenden, was ausreicht, um das angepeilte Ziel zu erreichen.
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In der Folge der Beschreibung wird als nicht einschränkendes Beispiel die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens im Fall eines Flugzeugs mit einer dem Airbus A340
analogen Konstruktion betrachtet.
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In diesem Fall berechnet man, wenn das erfindungsgemäße Verfahren aktiviert ist,
nachdem ein einen Grenzwert dr0 überschreitendes Schwenken des Seitenruders entdeckt
wurde, den Befehl der Lenkbewegung bezüglich der Querruder und Spoiler, die eine
Verbesserung der Wirksamkeit des Seitenruders erlauben. Die Fig. 3 zeigt die in diesem
Fall in die Berechnung einbezogenen Werte.
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Es muß beachtet werden, daß man gleichermaßen die Befehle über einen Grenzwert
hinaus auf den Steuerknüppel (und nicht nur auf die Richtung) berechnen kann.
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Wenn man die folgenden Bezeichnungen beachtet:
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- dr Lenkbewegung des Seitenruders
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- dr0 Grenzweit an dem Seitenruder
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- drmax maximale Lenkbewegung des Seitenruders
mit Beachtung der folgenden Vorzeichen:
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- die Seitenruderlenkbewegung ist positiv, wenn die Hinterkante des Querruders
nach unten gerichtet ist,
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- die Richtung der Lenkbewegung ist positiv, wenn die Hinterkante des Seitenruders
nach links gerichtet ist,
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so erhält man in der Praxis die folgenden Lenkbewegungsbefehle:
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- wenn dr0< dr < drmax-5º ungefähr,
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* geht der Lenkbewegungsbefehl für das äußere Querruder linear von 0 (für
dr =dr0) bis etwa 30º (für dr =drmax-5º ungefähr),
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* geht der Lenkbewegungsbefehl für das innere Querruder linear von 0 (für
dr =dr0) bis etwa -30º (für dr =drmax-5º ungefähr),
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* geht der Lenkbewegungsbefehl für den Spoiler 6 linear von 0 (für dr =dr0)
bis etwa 25º (für dr =drmax-5º ungefähr),
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- wenn dr > drmax-5º ungefähr:
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* ist der Lenkbewegungsbefehl für das äußere Querruder gleich etwa 30º,
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* ist der Lenkbewegungsbefehl für das innere Querruder gleich etwa -30º,
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* ist der Lenkbewegungsbefehl für den Spoiler 6 gleich etwa 25º.
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Diese Lenkbewegungsbefehle werden angewendet:
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- auf die rechte Tragfläche, wenn das Seitenruder nach rechts ausgelenkt ist (dr< 0),
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- auf die linke Tragfläche, wenn das Seitenruder nach links ausgelenkt ist (dr> 0).
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Außerdem wird jeder durch das erfindungsgemäße Verfahren gelieferte Befehl in der
Folge an die berechneten Befehle angehängt, um eine Rollbewegung zu induzieren,
wobei letzterem die Priorität eingeräumt wird. Also streicht man, wenn für eine Flügelfläche
die Summe des durch das erfindungsgemäße Verfahren gelieferten Befehls und des für
die Rollbewegung berechneten Befehls den Maximalwert der zulässigeen Lenkbewegung
überschreitet, auf der entsprechenden Flügelfläche der anderen Tragfläche das, was die
Grenze überschreitet.
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Es muß beachtet werden, daß, wenn das erfindungsgemäße Verfahren erstmals bei einem
großen zivilen Transportflugzeug in der Startphase angewendet wird, dieses Verfahren
gleichermaßen für alle Flugzeugtypen verwendbar ist, und zwar sowohl im Flug wie auch
beim Start.