CN101218551A - 用于在翻滚过程中减小航空器机翼上载荷的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在具有电(传)飞行控制系统的航空器中，使用了一种能够通过比较翻滚控制(X)与阈值(X％)并且过滤该控制，而减小在横向翻滚机动过程中施加在机翼上的载荷的装置。由于对翻滚控制进行上述处理，可以预测并减小所引起的机翼上的载荷增加。因此，如果翻滚控制(值)对于航空器的预定用途来说太高，因此可将载荷保持低于机翼的最大设计值，因此限制机翼的尺寸余量。

Description

用于在翻滚过程中减小航空器机翼上载荷的方法和装置
技术领域
本发明涉及航空器结构上的载荷减小。更具体地，本发明涉及一种能在侧翻机动(manoeuvres)过程中限制机翼上载荷的方法。
本发明还涉及一种用来预测航空器对机动指令(尤其是在翻滚中)响应的装置，从而减小结构上尤其是机翼上的载荷。
背景技术
对航空器结构的不同部分定尺寸以便能承受某些载荷而不出现永久变形。在飞机的整个机动过程中产生这些载荷；特别是当航空器遇到强烈的湍流时、当有驾驶失误时、在非正常机动时、或者处于异常的外部条件下，这些载荷可能大于正常载荷。在航空器结构的不同元件的模型制造及尺寸确定中，通常至少部分地考虑这些载荷的过量以便确定没有危险的许可载荷。
此外，特别是对于军用飞机，待实现的机动范围相对于正常情况下的机动范围通常更大：低空飞行、地形跟随、闪避动作...因此，在设计军用航空器时，已注意到，必须将翻滚率(taux de roulis)视为用于确定机翼尺寸的影响参数。实际上，以上所提及的机动需要比民用运输飞机翻滚率高两倍的翻滚率；因此，施加在航空器结构上的载荷以及尤其是施加在机翼根部的弯矩明显大于正常飞行时。
此外，飞机上小翼(以前未被使用)的越来越多的使用也会在传统的翻滚机动中在机翼上产生载荷。因此，对于民用飞机结构(尤其是机翼根部)的尺寸设计还必须考虑这个翻滚率参数。
直至现在，与尺寸设计相比较，过载特性是在以后的试验中确定的。因此，通常通过测量一种参数，特别是速度来检测过载：对于使用航空器的每个区域的特定载荷模型而确定的不同速度，当超出许可速度时(例如四海里/小时)，触发警报。专利中请FR 2864032中描述了对这种过载检测的改进方法，其中，除考虑飞机的速度外，还考虑其垂直载荷系数以便确定飞机结构部分处的过载(载荷过量。
然而，这些方法仅在产生潜在过载的事件发生后才起作用；在这个异常载荷之后，它们简单地发出需要进行航空器维护检查的信号以便检查结构的完整性。
为了考虑到不同的参数且限制过载警报，一种技术方案是机翼的有余量的设计(surdimensionnement)，例如通过考虑由异常翻滚率产生的弯矩。然而，该技术方案导致的直接结果是机翼过载，以及由此飞机重量增加，这将降低飞机的性能。
发明内容
本发明的目的是消除现有的关于以航空器运行条件为函数的航空器机翼尺寸设计的问题。
更概括地，本发明的目的是为了减少在所引起的翻滚过程中的某些载荷，并因此避免机翼的尺寸余量，而将它们考虑到侧翻机动中。
因而，本发明的其中一个方面涉及一种能减小由控制参数(尤其是翻滚率)引起的载荷的方法。首先，将该参数与某一阈值作比较，该阈值例如与产生了最大许用载荷的控制的某一百分比(诸如70％)相等或与最大许用受控翻滚率的某一百分比(诸如70％)相等。当该参数小于该阈值时，所施加的控制指令对应于该参数；根据机动开始时所需的反应性，控制指令与该参数相等或者可以通过低通滤波器对其进行过滤。一旦该参数超过此阈值，差值通过低通滤波器进行过滤，且被加到对应于该阈值的控制指令。因而控制减弱，这样能预测超出最大许用载荷的过载。优选地，如果控制指令通过对高达阈值的参数进行过滤来确定，执行此过滤的时间常数低于用来对差值进行过滤的滤波器的时间常数。
在另一方面，本发明涉及一种适于这种方法的装置。该装置包括确定控制参数的方法。有利地，这些装置与一种应用控制指令的控制系统相关，该控制系统能将控制指令(诸如翻滚控制)从一个部件(诸如航空器操纵杆)施加到一个(或多个)控制面(诸如扰流器或飞机副翼)上。该装置还包括用于计算已确定的参数与阈值之间的差值的装置。如果该差值为正，则本发明装置备有第一低通滤波器以便对该差值进行过滤；如果以上所述的差值为负，则本发明装置可备有第二低通滤波器以便要么对剩余阈值(valeur seuilrésiduelle)要么对控制参数进行过滤。本发明装置包括用于确定待施加的控制指令的装置，该控制指令对应于前述这些值的总和。
附图说明
参照附图阅读如下描述，将更好地理解本发明的特征和优点，附图示例性而不是限制性地给出。
图1示出了根据本发明的方法的逻辑图。
图2示意性示出了在通常情况(1)下和根据本发明的两个实施例(2、3)，作为时间函数的由翻滚控制(une commande en roulis)施加的载荷。
图3示出了在通常情况(1)下以及具有根据本发明的滤波的情况(2)下，在飞机上进行传统的侧翻机动过程中，施加在机翼上的弯矩随时间的变化。
具体实施方式
本发明运用于所有具有电(传)飞行控制系统的航空器，特别是具有在航空器中的用于控制翻滚的装置(l’organe)与翻滚控制面(gouverne)之间的功能连接的航空器。通常且优选地，翻滚控制装置为航空器的操纵杆，而控制面包括副翼和/或设置在机翼上的减速板，对于这种产生翻滚的功能，减速板被称为“扰流器”。
已发现，机翼上的最大载荷峰值出现在翻滚机动的某一特定时刻，也就是当飞机响应飞行员通过操纵杆作出的、接近最大控制(值)的一个百分比的控制时，其中该最大控制对应于产生最大载荷峰值的控制，该最大载荷峰值确定(航空器)结构的尺寸。对于军用飞机，这个最大载荷峰值可出现在作用于翻滚率的最大控制(值)的70％与100％之间。
通过了解飞机对翻滚控制的响应，因此有可能预测过载，并可以在施加于机翼的载荷变成等于最大载荷(为其确定机翼尺寸)的时刻，或者稍微在未超出最大载荷之前对传送的控制采取措施。这种措施将确实产生飞机性能的轻微降低，但是它将机翼上的载荷限制成小于或等于最大许用载荷，这避免了对结构的内在损害和所需的维护操作。
因此，如图1和图2中所示，由航空器的翻滚控制装置施加的翻滚控制X通过连接至飞行控制系统的装置来测定。这种确定(测定)是连续的或者以规则的时间间隔(例如在10ms与50ms之间)进行。
此外，最大翻滚控制(图2中的界限Xmax)通常由飞机说明书的性能约束来确定。然而，在值Xmax的附近施加于机翼的载荷C就达到其最大值或超出最大载荷Cmax，其中该最大载荷可施加给机翼而无损害的危险。
连续地或优选地以大约10至50ms的频率将测得的翻滚控制(值)与阈值X％相比较。根据飞机、预定的用途(尤其是民用还是军用)等预先确定该阈值，以便一旦建议所施加的载荷应该减小时就使载荷的减轻方法起作用。通常，该阈值对应于界限Xmax的某一百分比(例如在军用飞机上为70％)。
当翻滚控制(值)X小于或等于阈值X％时，由于机翼上不会有任何过载，可以施加控制X。
根据本发明，当翻滚控制(值)X变为大于阈值X％时，减弱控制。具体地，计算控制X与阈值X％之间的差值，且该结果由具有常数τ1的第一低通滤波器过滤。这样，施加于翻滚控制面的控制指令O为过滤后的差值与对应于阈值X％的控制(值)的总和。因此，与图2中曲线(1)上示出的传统的未过滤控制X的不同在于实际施加于结构的指令减弱，并且由于在施加于机翼的载荷C变为大于最大载荷Cmax的时刻或稍微在此之前对传送的控制X采取了措施，可预测超出最大载荷Cmax的过载：参照曲线(2)。
此外，如曲线(3)所示，也可以预测(anticiper)过载并在任何时间对翻滚控制X进行过滤。因此，即使参数X未达到阈值X％时，翻滚控制也对应于由具有第二时间常数τ2的低通滤波器过滤的参数X：因此，可预见飞机的响应，并且机翼上的载荷被延迟。基于性能的需求，在第二时间常数小于第一时间常数(τ1≥τ2)的情况下是有利的。
控制改变参数即X％、τ1、τ2的选择被优化以遵守飞机说明书中关于性能的要求。例如，在民用运输飞机的情况下(例如由图2中曲线(3)所示出的)，飞机对飞行员的翻滚控制做出的响应不需要严格地遵循控制，并且该低通滤波器可以具有非零的时间常数τ2。例如，对于其性能可以容许在控制开始后一段(时间上)超出由控制面获得指令的延迟的短暂延迟的飞机，阈值X％可以是大约70％，其中，τ1＝1.2s且τ2＝0.1s。
另一方面，对于要求在控制之后马上作出响应的军用运输飞机(例如曲线(2)所示出的)，优选地，将τ2选为零，这等同于除去相应的低通滤波器，从而使飞机立即响应飞行员的翻滚控制，并且在机动开始时没有任何延迟加到驾驶规则(loi de pilotage)内。仅当翻滚控制X超过阈值X％时，才产生限制。因此，对于在控制开始时其性能达到最优化的飞机，各值变为：X％＝0.7·Xmax，τ2＝0，τ1＝0.6s，这可以将施加于机翼上的弯矩减小大约17％，这与不可忽略的重量节约相符合。利用示出了相同过程中正常载荷的曲线(1)为参照，图3中的曲线(2)示出了对于军用飞机在翻转控制处于Xmax期间具有以上这些数值(X％＝0.7Xmax、τ1＝0、τ2＝0.6s)的根据本发明方法的结果。
与机动开始时的性能取决于时间常数τ2一样，可以通过改变时间常数τ1来提高载荷减小的百分比，改善飞机机动性的损失。事实上，不同的参数与电飞行控制的飞机计算器中所限定的驾驶规则的调整以及预定的使用标准紧密相关：可以获得在载荷的减小与机动性之间的可接受的折衷。
因此，为了减少在翻滚机动上的横向载荷，本发明提出通过结合在翻滚控制装置与横向驾驶规则的伺服控制系统之间的特殊载荷减小规则，引入施加到操纵杆的指令的控制规则，该法则能通过减小所产生的载荷而节省(gagner)结构质量。
尽管在此的描述是为了减小当翻滚机动施加在飞机控制装置上时施加在机翼根部的力矩，但是，既然本方法能减小施加到飞机部件上的载荷，显然本方法能够运用于所有其它的驾驶装置。

Claims (10)

1.一种用于减小航空器结构元件上由控制参数(X)引起的载荷(C)的方法，包括如下步骤：
将所述参数(X)与所述参数的阈值(X％)进行比较，
当所述参数小于或等于所述阈值(X≤X％)时，将对应于所述控制参数(X)的控制值运用于装置，
当所述参数大于所述阈值(X＞X％)时：
·由具有第一时间常数(τ1)的低通滤波器对参数与阈值之间的差值(X-X％)进行过滤，
·将与已过滤的差值和对应所述阈值(X％)的控制值的总和相对应的控制指令运用于所述装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制指令对应于所述参数或由具有第二时间常数(τ2)的低通滤波器过滤的所述阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二时间常数小于所述第一时间常数(τ2≤τ1)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述控制参数(X)是翻滚率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述阈值(X％)小于对应于最大许用载荷(Cmax)的控制的100％。
6.一种用于减小在航空器结构元件上由控制引起的载荷的装置，所述装置包括：
用于确定控制参数(X)的装置，
用于计算所述控制参数与所述控制参数的阈值之间的差值(X-X％)的装置，
第一低通滤波器(τ1)，如果计算出的差值为正时，用于过滤所述计算出的差值，
用于确定所述控制指令的装置，如果所述计算出的差值为负，所述控制指令对应于所述控制参数(X)，如果所述差值为正，所述控制指令等于所述过滤的差值和对应于所述阈值的所述指令的总和。
7.根据权利要求6所述的装置，包括第二低通滤波器(τ2)，用于通过过滤确定对应于值(X、X％)的所述控制指令。
8.根据权利要求6或7所述的装置，包括向控制面施加所述控制指令的控制系统。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制系统是电力的，并且用于确定所述控制参数的装置与所述控制系统相关联。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述控制系统被连接于诸如航空器操纵杆的控制结构以及诸如航空器副翼的控制面。
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