10. Flugsteuerung und Control Laws

Erzeugung von Momeneten um den Schwerpunkt, wodurch die Flugbahn (indirekt über Lageänderung) gesteuert wird.

Anpassung/Stabilisierung des Flugzeugs im jeweiligen Flugzustand der Mission.

• Querruder - aileron

• Höhenruder - elevator

• Seitenruder - rudder

• Rollspoiler - roll spoiler

• Nasenklappen, Vorflügel - Slats

• Hinterkantenklappen - Flaps

• Geschwindigkeitsbremsen - Speed brakes, Spoiler

• Trimmung - Trim

• Propellerblattwinkel - propeller blade pitch control

• Triebwerksschub - engine throttle

• Geginsinniger Ausschlag -> Einleitung Rollbewegung

• Gleichsinniger Ausschlag -> Erhöhung / Verringung des lok. Auftriebs

• Nutzung zur Trimmung der Nicklage -> sek. Flugsteuerung

  • Anstellwinkeländerung d. kompletten HLW

• ALTERNATIV

  • Trimmung durch permanenten Ruderauschlag

    • Höherer Widerstand

    • Große Ruderflächen

Trimable Horizontal Stabilizer Actuator

Fähigkeit nach einer Auslenkung aus der stationären Ausgangslage ohne Beeinflussung durch den Piloten wieder in diese zurück zu gelangen.

Die Fähigkeit, mithilfe der Steuerelemente einen Gleichgewichtszustand zu halten sowie von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen überzugehen und beschleunigte Bewegungen ausführen zu können.

• Das Flugzeug muss in allen Fluglagen und Flugzuständen für den Piloten beherrschbar sein

• Der Übergang in eine andere Fluglage muss sanft erfolgen und sicher fliegbar sein

• Es dürfen keine exzessiven Ruderkräfte wirken

• Gradient der Ruderkraft darf nicht zu hoch sein

• Der Gradient der Ruderkraft darf nicht zu klein sein, um Schäden an der Struktur zu vermeiden

• Rudereingaben müssen intuitiv sein und dürfen sich nicht umkehren.

1. Bedienelemete (Pilot)

• Steuerhorn, -Knüppel oder Sidestick

• Trimmräder bzw. Knöpfe

• Schubhebel

1. Übertragungselemente

• Mech. Übertragung (Seil, Stangen, Kettenantriebe)

• El. oder optische Übertragung - Flugrechner

1. Aktuatoren und Servos

2. Steuerflächen und Schubvariation

3. Spez. Lösung

   • SP. Verschiebung durch Umpumpen von Kraftstoff

Direkt:

• Pilot bewegt Steuerfläche durch Körperkraft

Indirekt:

• Pilot wird durch Servos unterstützt, Steuereingaben können von FCC bewertet und ggf. nicht direkt proportional umgesetzt werden.

• Betätigung von Rudern, Klappen und Ventileingängen in der GA / Segelflug

• Kraftübertragung über kurze Strecken

Vorteile:

• Übertragung von Druck- und Zugkräften

• geringe Schwenkbewegungen möglich bei Anwendung von Kugelgelenken

• Einfache Wartung

Nachteil

• Spielfreie Kraftübertragung nur schwer realisierbar

• hohes Gewicht

• komplexe Mechanismen bei Umlekung.

• Kraftübertragung über lange Strecken (A320-200 und B737 Backup-System)

• Betätigung von Steuerungsanalge, Klappen und Ventilen

Vorteile:

• Spielfriee Übertragung von Kräften

• Problemlose Umlenkung

• Hohe Sicherheit gegen Gewalt- und Dauerbruch

• Geringes Gewicht

Nachteile:

• Nur Übertragung von Zugkräften

• Zeitaufwändige Wartung

Bei Kraftübertragungen über lange Strecken mit geringen Betätigungsgeschwindigkeiten.

• z. B. Höhenrudertrimmung (A320 Backup)

Bei der Übertragung von Rotationsbewegungen.

• Über Kardangelnke (joints) oder Kupplungen (couplings) verbunden

• Slats und Flaps werden so betätigt

Erzeugung einer Luftkraft, welche das Auslenken und Halten eines Ruders erleichtert.

• in der GA oft als Trimmung eingesetzt.

Direkt vom Piloten

• Flettner-Ruder lenkt das Hauptruder aus

• Pilot nimmt nur Kraft am Flettner Ruder war

Reversibles System

• direkte mechanische Übertragung der Steuereingabe an das Ruder

• Pilot “spürt” das Moment auf das Ruder

Irreversibles System

• Steuereingabe nicht direkt übertragen

• Simulation der Steuerkraft ist nötig.

• z. B. mit einer Feder auf das Steuerhorn/-knüppel

• Erhöhte Fluggeschwindigkeit

• Flugzeuggröße

• Manövergeschwindigkeit

• Verbesserung der natürlichen Stabilität erfordert Servos

• aktive Steuerungsformen (direkte Kraftsteuerung, Lastabminderung,…) erfordert Regler und Servos

1. Mechanisch (alt)

2. elektrisch

3. Optisch

Künstliches Steuerkraftsgefühl erzeugen, das proportional zur angreifenden Kraft verläuft.

Electric-hydrostatic Actutor

• Entwicklung, die kein zentrales Hydrauliksystem erfodert

• geschlossene Einheit

  • kleine el. angetrieben Hydraulikpumpe

• el. / optische Ansteuerung

• erste mal beim A380 im Einsatz.

Electro-mechanical Actuator

Zu groß für heute (bei geforderten Stellkräften und Stellzeit) -> Primärsteuerung in Zukunft unwahrscheinlich

Wesentlich wartungsärmer als hydraulische Systeme.

Electronical Flight Control System - poplärwissenschaftlich “Fly-By-Wire”

Ein EFC-System ist ein FBW-System unter Einbeziehung von Computern zur Überwachung und Regelung des Flugzustands

• EFCS steuert die Lage des Flugzeugs nach den Steuereingaben des Piloten

• AFS regelt die Fluglage automatischen durch den Autopiloten, kann ggf. übersteuert werden

Überwacht und steuert die gesamte (Flug)Mission.

Integration von Schutzfunktionen (Protection Functions) nach 3 Kriterien:

1. Attiutde-Limitierung (Lage im Raum)

2. Geschwindigkeitslimitierung

3. n-Faktor - Limitierung

1. Attiutde-Limitierung (Lage im Raum)

2. Geschwindigkeitslimitierung

3. n-Faktor - Limitierung

• Dissimilarer Aufbau des Systems

• Für die einzelnene Aufgaben werden jeweils min. zwei Computer mit unterschiedlicher Hard- und Software genutzt (primary/secondary Computer)

• Die Berechnung des Steuerflächensignals erfolgt in jedem Coputer über zwei verschiedene Channels. Der Computer gibt nur ein Signal aus, wenn das Ergebniss beider Channels übereinstimmt.

• im Normalbetrieb teilen sich alle Computer die Rechenaufgaben

• Im Fehlerfall wird der jeweilige Rechner isoliert.

• Sicherheit von 10^-9

• Mind. 3 unabhängige Quellen

• Sicherheit gegen Totalsausfall durch einen Single Failer State (z. B. Kurzschluss) durch Aufteilung der Schaltkreise.

• Min. benötigte Computer können aus Batterien gespeist werden.

• im Netz befinden sich aus Sidesticks, Sensorik, …

• Direct Law - keine Protections und Autopilot

• Alternate Law - schlechtere Kontrollen (Rollen, Gieren,…)

• Normal Law -Standard

-> Wechselt im Fehlerfall zu Alternate/Direct

Querneigung:

• max. 67°

Längsneigung:

• max +30° (nose up)

• -10° (nose down)

Maximal (V_MO: Maximum Operation Speed)

• Normal: V_MO plus 6 Knoten

• Nose down: V_MO plus 16 Knoten

Minimal

• Anstellwinkel-Limitierung

• niedrige Geschw.: Anstellwinkel ~ Sidestick-Ausschlag

• Auto Ground Spoiler - Spoiler Ausschlag bei Landung

• Yaw Damping - Schutz vor Dutch-Roll-Mode (Taumelschwingung)

• Rudder Travel Limitation - Schutz vor extremen Strukturlasten

• Windshear Protection - Warnung vor Scherwinden

• Low Energy Protection - Warnung bei niedrigen Schub und niedriger Geschwindigkeit

• Load Alleviation - SChutz vor extremen Strukturlasten

  • MLA - Manoeuver Load Alleviatio

  • GLA- Fust Load Alleviation

• 10^-7 / flight hour

• So kann der Pilot die Funktion der einzelnen Steuerflächen vor dem Start testen

Fly-By-Wire ist besonders anfällig gegenüber elektromagentischer Interferenz (EMI) und Blitzschlag.

Anwendung:

• In Bereichn von starker elektromagnetischer Interferenzen

• Trankappenbomber B-2 Spirit.

• Arbeitsaufwand des Piloten mindern

• Flug wirtschaftlicher gestalten

• Autopilot (AP) - automatische Regelung der Fluglage

• Flight Director (FD) - Vorgabe eines optimalen Flugpfades

• Auto Thrust System (ATS) - automatische Triebwerksregelung

• Automatic Pitch Trim System (Autotrim) - automatische Trimmung

• Yaq Damper System (YD) - Dämpfung der Dutch Roll (Taumelschwingung)

• FD bestimmt geforderte Lageänderung des Flugzeugs

• Werden im Primary Flight Display ausgegeben

  1. Anhaltspunkte für Piloten für manuelle Steuerung

  2. Vorgabe für Autopiloten

• Berechnet optimalen Flugpfad (laterale Nav.) & Flugprofil (vertikale Nav.) zwischen Start- und Zielflughafen

• Ergebniss: 4D-Flugprofil

• Navigationsdatenbank (Update alle 28 Tage)

• Wetterdaten (ATC)

• Direkte Kraftsteuerung (direct force control)

• Flatter-Unterdrückung (flutter suppression)

• Manöverlastabminderung (manoeuvre limitating)

• Böenabminderung (gust (load) alleviation)

• Reduzierte statische Stabilität (relaxed static stability)

Um die Flügelmasse zu verringern, werden Ansätze verfolgt, den Auftrieb im Flügelaußenbereich bei hohen Lasten durch aktiven Ausschlag der Steuerflächen zu verringern.

• Für Manöverlasten bereits im Einsatz (A340)

• Für Böenlasten in Erprobung.

• Laserbasiert

• Senden Impulse an Luftmoleküle und misst Distanz über die Impulslaufzeit

• Bewegende Luftteilchen durch Doppler-Frequenzverschiebung messbar

• Verschiebung der Luftteilchen ~ Geschwindigkeit der Böe

Mini-Trailing-Edge-Devices

• Zur Auftriebssteuerung am Außenflügel

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