DE10013751A1

DE10013751A1 - Universelles Luftbetankungssystem

Info

Publication number: DE10013751A1
Application number: DE2000113751
Authority: DE
Inventors: Hermann Schmidt Schieferstein; Jan Von Der Decken
Original assignee: SCHMIDT SCHIEFERSTEIN HERRMANN
Current assignee: SCHMIDT SCHIEFERSTEIN HERRMANN
Priority date: 2000-03-20
Filing date: 2000-03-20
Publication date: 2001-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine universelle Vorrichtung für die Luftbetankung von Flugzeugen über eine kombinierte Betankungsvorrichtung für beide gebräuchlichen und international eingeführten Betankungsverfahren "Boom" und "Hose and Drouge", die im Flug wahlweise gewechselt werden können. Die Vorrichtung besteht aus DOLLAR A È einer Gondel zur Aufnahme der Komponenten DOLLAR A È einem Doppelgelenktankausleger, kardanisch aufgehängt über aerodynamische Stellflächen und motorisch angetrieben positionierbar, DOLLAR A È einem Korbadapter und Fahrmechanismen zum Wechsel der Betankungsart im Flug DOLLAR A È opto-elektronischen Baugruppen zur Automatisierung des Betankungsvorganges. DOLLAR A Die Vorrichtung kann sowohl im Rumpf als auch an den Tragflächen des Tankflugzeuges installiert werden.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Luftbetankung von Flugzeugen bestehend aus einer Kombination der Betankungsvorrichtungen für die beiden gebräuchlichen und international eingeführten Betankungsverfahren mittels Boom (Tankrohrausleger) oder mittels Hose and Drogue (Schlauch und Korb). Die Empfängerflugzeuge sind mit entsprechenden speziellen Aufnahmevorrichtungen für das eine oder andere Verfahren ausgerüstet. Die Erfindung erlaubt weiterhin, daß mehrere Flugzeuge an mehreren Tankstationen des Tankerflugzeuges nach beiden Verfahren gleichzeitig betankt werden können und daß an jeder Station zwischen den beiden genannten Verfahren im Flug umgestellt werden kann.

Zweck

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die Universal-Luftbetankungsgondel, die am Tankflugzeug sowohl unter dem Rumpf wie auch unter den Tragflügeln installiert werden kann und mittels der die Empfängerflugzeuge sowohl nach dem Boom- wie auch nach dem Hose and Drogue (H + D)-Verfahren betankt werden können.

Ein mit dieser Tankanlage an mehreren Stationen ausgerüstetes Tankflugzeug kann jede der mitgeführten Universal-Luftbetankungsgondeln im Flug wahlweise zwischen Boom- und H + D-Verfahren umschalten und somit alle Empfängerflugzeuge unabhängig vom Typ ihrer Betankungsausrüstung betanken.

Stand der Technik

In der Luftfahrttechnik sind international zwei unterschiedlichen Luftbetankungsverfahren eingeführt.

a) Das Boom-Betankungsverfahren (siehe Abb. 1), bei dem das Tankflugzeug (11) den Treibstoff mittels eines ausziehbaren Teleskoprohres (Boom) (10) zum Empfängerflugzeug (12) überträgt. Der Boom ist unter dem Rumpfheck des Tankers mittels eines Kardangelenkes (14) montiert und am Befestigungspunkt um seine Hochachse (15) drehbar gelagert
Der Boom wird durch einen Operateur mittels der am Boom montierten aerodynamischen Steuerflächen (Höhen- und Seitenruder) (16) auf und ab und nach rechts und links bewegt und so auf die Aufnahmemulde (Slipway) des Empfängerflugzeuges dirigiert. Mit der Ein/Ausfahr- Bewegung des teleskopischen Rohr (17/1 + 17/2) wird die Kupplung am Rohrende (Nozzle) (13) des Booms mit der Kupplung (Receptacle) in der Aufnahmemulde des Empfängerflugzeuges verbunden. Wenn der Tankvorgang beendet ist, wird das Teleskoprohr (10) eingefahren und der so verkürzte Boom flach an die Rumpfunterseite des Tankflugzeuges in Parkposition angelegt. Das Boom-Verfahren wird vorzugsweise dann angewendet, wenn große Volumenströme an Kraftstoff in das zu betankende Flugzeug übertragen werden müssen. Die Boom-Tankstation kann aus aeroelastischen Gründen nur am Rumpf und nicht am Flügel des Tankflugzeuges installiert werden. Der Boom wird von einem Operateur, der das Empfangsflugzeug und die an diesem installierte Aufnahmemulde in seinem direkten Blickfeld haben oder mittels optronischer Hilfe beobachten können muß, gesteuert.
b) Das Hose and Drogue (H + D)-Verfahren (siehe Abb. 2), bei dem das Tankflugzeug (21) den Treibstoff mittels eines flexiblen Tankschlauches (Hose) (22), an dessen freiem Ende sich ein Korb (Drogue) (23) befindet, zum Empfängerflugzeug überträgt. Dabei befindet sich der Tankschlauch während des Transitfluges des Tankflugzeuges auf einer Trommel aufgerollt im Inneren der als Gondel ausgebildeten Tankstation (20). Die H + D-Tankvorrichtung kann sowohl in einer Gondel unter den Flügeln wie auch am oder im hinteren Rumpf des Tankers installiert werden. Zum Tanken wird der Tankschlauch ausgefahren und durch den aerodynamischen Widerstand des an seinem freien Ende montierten Korbes (Drogue) (23) nach hinten gezogen. Der Korb entrollt und stabilisiert den frei fliegenden Tankschlauch. Der Pilot des Empfängerflugzeuges steuert den an seinem Flugzeug, in seinem Blickbereich befindlichen Tankstutzen (Probe) (24) in den Korb hinein und koppelt über seine am Tankstutzen befindliche Kupplung (Nozzle) an die im Korbzentrum befindliche Kupplung (Coupler) an. Nach Beendigung des Tankvorganges wird der Tankschlauch wieder eingefahren, auf der Trommel aufgerollt und damit im Innern der Gondel bzw. des Flugzeugrumpfes verstaut.
Im Unterschied zum Boom kann der Tankschlauch (Hose) (22) nicht in eine vorgegebene optimierte Position gesteuert werden, sondern er richtet sich frei im Luftstrom hinter dem Tankerflugzeug aus. Im Vergleich zum Boom erlaubt der Tankschlauch nur geringere Volumenströme

Ein Tankflugzeug, das beide Typen von Empfängerflugzeugen, d. h. sowohl solche, die mit einer Aufnahmemulde (Receptacle), wie auch solche, die mit einem nach vorne herausragenden Tankstutzen (Probe) ausgerüstet sind, betanken können soll, muß bisher mit zwei unterschiedlichen Betankungsausrüstungen ausgetattet sein.

Erstens die auf eine Rumpfinstallation beschränkte Boomstation und zweitens die H + D-Tankstation, die sowohl am Rumpf wie auch unter den Flügeln in einer Gondel installiert werden kann.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde von einem Betankungs- Luftfahrzeug aus die Betankung für beide Betankungsarten wahlweise zu ermöglichen und auch gleichzeitig mehrere Empfänger-Luftfahrzeuge mit unterschiedlichen Betankungsverfahren versorgen zu können.

Lösung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen teleskopisch ausfahrbaren Tankausleger (Foldable Telescopic Boom), der faltbar ist und in einer Gondel (Universal Tank Station) verstaut werden kann. Das ausfahrbare Rohrende des Auslegers ist mit einer Standard Nozzle ausgerüstet und kann im Fluge vor dem Entfalten des Tankauslegers mit einem in der Gondel geparkten Korb bestückt werden. Durch die Einführung des Faltgelenkes (Ellenbogen) am Tankausleger in Kombination mit dem Teleskoprohr kann dieser so verkürzt werden, daß die Unterbringung in einer Gondel möglich wird und die zusätzliche Bewegungsfreiheit des Faltgelenkes zur Absorbierung des Gegendrucks beim Ankoppeln des Empfängerflugzeuges ausgenutzt werden kann. Die Gondel kann somit unter dem Rumpf eines Tankflugzeuges sowie unter dessen Tragflächen installieren werden. Der Boom ohne Korb liefert die erforderlichen hohen Volumenströme.

Abb. 3 zeigt einen im Innern der Tankgondel gefalteten Tankausleger (Foldable Telescopic Boom) und einen Korb (Drogue) in Parkposition. Der Korb kann im Flug an den Tankausleger angekoppelt werden. Zum Tanken wird der Tankausleger - wahlweise mit oder ohne Korb - entfaltet und mittels des Teleskopes auf Länge gefahren. Der Tankausleger, der zur Vertikal- und Seite 4 von 18 Horizontalbewegung mit aerodynamischen Steuerflächen und im Ellenbogen- und Schultergelenk mit einem integrierten motorischen Antrieb für seine Armbewegung ausgerüstet ist, kann an seinem Befestigungspunkt an der Gondel um die vertikale und horizontale Achse bewegt werden und so für den Betankungsvorgang in einem begrenzten Fenster im Luftstrom positioniert werden. Nach Beendigung des Tankvorgangs wird der Tankausleger wieder eingefahren und gefaltet, der Korb vom Teleskop abgekoppelt und Teleskop alle Teile jeweils in ihrer Parkposition verriegelt.

Zur Automatisierung der Betankungsankoppelung der Flugzeuge ist hinten in die Tankgondel ein bildauflösender Sensor (z. B. Kamera), der mit einer bildverarbeitenden Einrichtung im Tankerflugzeug verbunden ist, ausgestattet. Der Sensor erfaßt das Empfangsflugzeug sobald dieses in den Zielkorridor hinter dem Tankflugzeug einfliegt und steuert mittels Bildverarbeitung den Tankausleger in eine optimale Position zum Empfängerflugzeug. Mittels dieser Automatik wird beim Boom-Verfahren das freie Ende des Tankauslegers in die Aufnahmemulde des Empfängerflugzeuges hineingesteuert und beim H + D- Verfahren der Korb in eine relativ zur Probe des Empfängerflugzeuges optimale Position dirigiert. Nach Beendigung des Tankvorganges wird der Tankausleger eingefahren, gefaltet, der Korb vom Ausleger abgekoppelt und alle Teile jeweils in ihrer Parkposition verriegelt.

Erzielbare Vorteile

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß statt der bisher erforderlichen auf eines der beiden Betankungsverfahren (Boom- oder H + D spezialisierten Ausrüstung eines Tankflugzeuges bzw. einer Tankstation, das Tankflugzeug erfindungsgemäß mit einheitlichen, universellen Tankgondeln ausgerüstet werden kann und das Betankungsverfahren im Flug jederzeit und an jeder Tankstation individuell wählbar und umschaltbar ist. Somit können Empfängerflugzeuge beiden Typs an jeder Tankstation versorgt werden. Ferner kann die einheitliche, universelle Tankgondel sowohl am Rumpf wie auch unter den Flügeln des Tankflugzeuges installiert werden. Die Kraftstoffdurchflussrate ist flexible anpassbar. Außer der verbesserten Funktion ergeben sich Ersparnisse hinsichtlich Gewicht, Volumen und technischer Komplexitität. Weiterhin wird die Betriebssicherheit während des Tankvorganges von der kritischen Phase des Ankoppelns bis zum Abkoppeln des Empfängerflugzeuges erhöht, indem der Tankausleger einerseits wegen des zusätzlichen Gelenkes (Ellenbogengelenk) mehr Flexibilität aufweist als die derzeitig verwendeten starren Tankausleger und deswegen die durch das Empfängerflugzeug verursachten Andockungsimpulse besser aufnehmen kann. Andererseits ist der Tankausleger nicht so weich und instabil wie ein Tankschlauch (Hose), bei dem es beim Aufprall zur Ausbildung einer gefährlichen Welle kommen kann. Die automatische Positionierung des Booms in einer optimalen räumlichen Position mit Hilfe des bildauflösenden Sensors und der nachgeschalteten Bildverarbeitung entlastet die Besatzung und erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Betankungvorgangs. Die Auslegung des Bildsystems für Nachtsichttauglichkeit macht einen Betankungsbetrieb unter Allwetterflugbedingungen möglich. Beim H + D-Verfahren entfallen die bekannten aerodynamische Betriebshindernisse.

Bauprinzip

Die erfindungsmäßige Vorrichtung zur universellen Betankung von Flugzeugen im Fluge ist gemäß Abb. 3-1 gekennzeichnet durch

a) den Doppelgelenk-Tankausleger (31/1 und 32/2), der mittels des Ellenbogengelenkes (34) gefaltet bzw. entfaltet und durch ein Teleskoprohr (31/3) verlängert werden kann. Das freie Ende des Teleskoprohres ist mit einer Betankungskupplung (Nozzle) (33) für Boom- Betankung bestückt. Der Ausleger ist am Befestigungspunkt an der Gondel um das Kardangelenk (35) und die Hochachse (36) in zwei Freiheitsgraden im gefaltetem und im ausgefahrenen Zustand beweglich
b) aerodynamische Steuerflächen (38) am hinteren Teil des Tankauslegers: Seitenruder (38/1), Höhenruder (38/2) und ggfs. Luftbremse (38/3)
c) einen Korb (Drogue) (40) mit Adapter, der im Zentrum des Trichters (40/1) mit einer Normkupplung für eine Ankopplung an die "Probe" des Empfängerflugzeuges ausgerüstet ist und dessen Rückseite (40/2) ein "Receptacle" zur Ankoppelung an die Einfülldüse (Nozzle) (33) des Booms aufweist. Dadurch ist die Verbindung des Korbes innerhalb der Gondel mit dem geparkten Tankausleger möglich bevor dieser entfaltet wird
d) Korb-Fahr- und Halterungsmechanismen (42) zum Auf- und Abziehen des Korbes auf den Tankausleger und zum Parken im Gondelstauraum.
e) einen bildauflösenden Sensor (50) mit nachgeschalteter Bildverarbeitung zur Automatisierung des Andockvorganges.
f) eine zigarrenförmige Gondel (30/1 bis 30/4), die zur Aufnahme der Hauptelemente Doppelgelenk-Tankausleger (31/1 und 31/2) mit Kardanaufhängung (35, 36), Korb (40), Korb-Fahr- und Halterungsmechanismen (42) und Sensor (50) sowie weiterer zugehöriger Funktionselemente dient und sowohl am Rumpf (Abb. 1) wie am Tragflügel (Abb. 2) montiert werden kann. Die Gondel hat nach unten eine Öffnung, die mit seitlichen Gleittoren geöffnet und verschlossen werden kann. Für den Tankvorgang gleiten die Tore nach oben und gestatten so das Ausfahren des Tankauslegers.

Verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiel

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Abbildungen erläutert.

Tankgondel

Abb. 3-1 zeigt die universelle Tankgondel, die prinzipiell aus vorderem Gerätegehäuse (30/1), zentralem Auslegergehäuse (30/2), Korbgehäuse (30/3) und hinterem Gerätegehäuse (30/4) besteht. Der Tankausleger (31/1 bis 31/3) ist im gefalteten Zustand und der Korb (40) in Parkposition dargestellt. Der Ausleger kann mittels einer Seilwinde (37/1, 37/2) oder motorischer Antriebe, die in die Tank-Auslegergelenke (34, 35) integriert sind, zwischen der mit gestrichelten Linien dargestellten Tankposition und der Parkposition bewegt werden. Der vordere Gehäuseträger (30/1) kann der Aufnahme eines durch die Umströmung angetriebenen Generators zur Erzeugung der benötigten Betriebsenergie dienen.

Die Trichterseite ist innen mit einem Standard "Coupler" (40/1) für die Ankopplung an den Tankstutzen (Probe) des Empfängerflugzeuges versehen. Die Rückseite des Korbes ist mit einem Standard "Receptacle" (40/2) für die Ankopplung an den Tankausleger (Nozzle) modifiziert.

Die Detailskizze innerhalb der Abb. 3-1 zeigt das Teleskoprohr (31/3) mit Einfülldüse (33) am freien Ende des Tankauslegers. Am unteren Teil des Tankauslegers befinden sich die aerodynamischen Steuerflächen (Seiten- und Höhenruder und ggfs. Luftbremse) (38/1 bis 38/3), die innerhalb des Schwenkbereiches die Auf/Ab- und Rechts/Links- Bewegung des Auslegerendes ermöglichen.

Korb

Abb. 4 zeigt das Korbprinzip, das die Koppelung des Korbes an den Tankausleger innerhalb der Tankgondel erlaubt und damit den Wechsel des Betankungsverfahrens im Fluge ermöglicht. Der Korb entspricht in seinem Aufbau dem international eingeführten Standardkorb, ist jedoch auf der Seite des Schlauchanschlusses modifiziert. Die Trichterseite ist mit einem Standard "Coupler" (40/1) für die Tankstutzen-Probe Ankopplung versehen. Die Rückseite des Korbes ist mit einem Standard "Receptacle" (40/2) für die Ankopplung an die Tankausleger-Nozzle modifiziert.

Steuerungssystem

Abb. 5 zeigt das Schema des Regelkreises eines Steuerungssystems zur automatischen Führung des Tankauslegers, bestehend aus einer stereoskopischen Anordnung von bildauflösenden, elektro-optischen Sensoren (50/1 und 50/2) (z. B. infrarot-empfindliche Kameras), einem Bild-Analysator (51) und Prozeßsteuerungs-Rechner (53) zur Steuerung von Aktuatoren über Steuerkraftverstärker (54), die die Positionierung des Tankauslegers (55) ausführen. Die Sensoren erfassen beim Tank-Rendevouz das Empfängerflugzeug und den im Bilderfassungsraum befindlichen Tankausleger und leiten die Sensorsignale zur Bildverarbeitung an den Bild-Analysator weiter, der das Bildfeld auf signifikante Merkmale auswertet und eine Steuervorgabe für die Aktuatoren des Tankauslegers ermittelt. Diese Vorgabe wird aus der Entfernung der mit speziellen Markierungen versehenen Tankkupplungen von Tanker und Empfängerflugzeug gewonnen und von der Systemüberwachungs- Einheit (52) derart umgesetzt, daß die Entfernung laufend gemessen und zu einem Minimum gemacht wird. Der Prozeßsteuerungsrechner berechnet die Steuerinformationen zur Führung des Tankauslegers. Bildaufnahme, Bildanalyse, Prozeßsteuerung und Tankausleger bilden einen Regelkreis, der solange eine Nachführung des Auslegers an das Empfängerflugzeug durchführt, bis deren Kupplungen verbunden sind und aktiv bleibt bis der Tankvorgang beendet ist. Der Vorgang basiert auf einer Robotersteuerung.

Claims

1. Universelles Luftbetankungssystem bestehend aus

- einem kardanisch aufgehängtem, mehrgelenkigem und teleskopisch ausfahrbaren Tankausleger,
- welcher während des Transitfluges in eine Tragflügelaußengondel oder in einen konformen Rumpfbehälter oder in den Flugzeugrumppf eingefaltet (Parkposition) und zwecks Durchführung des Betankungsvorganges im Fluge ausgefahren (Betriebsposition) und nach Beendigung des Betankungsvorganges wieder eingefaltet werden kann
- welcher mit aerodynamischen Steuerflächen und Luftbremse ausgerüstet ist,
- welcher an seinem hinteren Rohrende über eine Standard-Einfülldüse (Nozzle) verfügt,
- an die in der Parkposition ein in der Gondel mitgeführter und mit einer Standard-Kupplung versehener Korb (Drogue) ankoppelbar ist,
- wodurch vor dem Ausfahren des Tankauslegers die Wahl- und Wechselmöglichkeit für die Tankverfahren (Boom oder H + D) gegeben ist.

2. Universelles Luftbetankungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tankausleger aus einem oberen, kardanisch aufgehängten und um die Vertikalachse drehbaren Armteil und einem unteren Armteil, der in eine Standard Einfülldüse (Nozzle) mündet, besteht, wobei oberer und unterer Armteil mit einem Ellenbogengelenk faltbar verbunden sind und der untere Arnteil teleskopisch ausziehbar ist (Abb. 6/A).

3. Universelles Luftbetankungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke des Tankauslegers motorisch angetrieben werden.

4. Universelles Luftbetankunssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Mechanismus in einem, am Tanker-Luftfahrzeug adaptierbaren Gehäuse (z. B. Gondel) untergebracht ist (Abb. 6/B).

5. Universelles Luftbetankungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch An- oder Abkoppelung des Korbadapters an den Tankausleger der Betankungsvorgang im Flug zwischen den beiden Betankungsarten (Boom und H + D) gewechselt werden kann (Abb. 6/C).

6. Universelles Luftbetankungssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Andock- und Betankungsvorgang weitgehend automatisiert ist.

7. Universelles Luftbetankungssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendug von stereoskopisch angeordneten bildauflösenden, elektro-optischen Sensoren (z. B. infrarot-empfindliche Kameras) eine Beobachtung des Tankvorganges auch in der Nacht und ohne Beleuchtung und so eine Allwetterfähigkeit möglich ist.