DE102004053001A1

DE102004053001A1 - Einzelblatt-Steuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor

Info

Publication number: DE102004053001A1
Application number: DE102004053001A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr.-Ing. Arnold
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-05-04
Also published as: DE502005004615D1; EP1655221A1; EP1655221B1

Abstract

Bei einer Einzelblattsteuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor mit einem drehantreibbaren Rotormast (2), mit einer am Rotormast angeordneten Rotornabe (4), mit mehreren am Umfang der Rotornabe angeordneten Rotorblättern (6, 8, 10, 12), mit Mitteln zum Übertragen von kollektiven und zyklischen Steuervorgaben von einem nichtdrehenden System der Hubschrauberzelle in ein drehendes System des Hauptrotors, ist jedem Rotorblatt im drehenden System mindestens ein individueller Aktuator (16) zur Einstellwinkelverstellung zugeordnet. Es wird vorgeschlagen, dass ein Mittel zur mechanischen Übertragung von ausschließlich kollektiven Steuerbewegungen vom nichtdrehenden System ins drehende System vorgesehen ist, dessen Steuerbewegungen im drehenden System Steuerbewegungen der individuellen Aktuatoren (16) überlagert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelblatt-Steuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Steuerung eines Hubschraubers erfolgt durch kollektive und zyklische Einstellwinkelverstellung der Rotorblätter. Bei der kollektiven Einstellwinkelverstellung werden alle Rotorblätter in gleichem Maße verstellt, während bei der einfachen – monozyklischen – Einstellwinkelverstellung den einzelnen Rotorblättern während eines Umlaufs ein sinusförmiger Einstellwinkelverlauf aufgeprägt wird. Bekannte Lösungen für diese Steueraufgaben beruhen auf der Verwendung einer Taumelscheibe oder einer sogenannten Spinnensteuerung, wobei die Taumelscheibe oder die Spinne dazu dient, sowohl die kollektiven als auch die monozyklischen Steueranteile vom nichtdrehenden System der Hubschrauberzelle ins drehende System des Hubschrauberhauptrotors zu übertragen.

Ein niedrigeres Vibrationsniveau, bessere Flugleistungen und eine geringere Geräuschemission können erzielt werden, indem der kollektiven und monozyklischen Einstellwinkelverstellung individuell höherfrequente Einstellwinkeländerungen überlagert werden.

Die DE 100 52 757 A1 zeigt eine auf dem Prinzip der Spinnensteuerung beruhende Rotorblattsteuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor mit vier Rotorblättern. Bei dieser Steuerungsvorrichtung besteht die Steuerspinne aus zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen, so dass zwei gegenüberliegenden von vier Rotorblättern neben den kollektiven und monozyklischen Steueranteilen weitere Steueranteile überlagert werden können. Die US 4930988 zeigt eine Steuerungsvorrichtung mit einer Taumelscheibe für einen Hubschrauberhauptrotor mit vier Rotorblättern, bei dem im nichtdrehenden System ein Aktuator vorgesehen ist, dessen Steuerbewegung auf zwei gegenüberliegende der vier Rotorblätter wirken.

Die Systeme gemäß der DE 100 52 757 und der US 4930988 verfügen also über einen weiteren Freiheitsgrad, so dass bei einem Hubschrauberhauptrotor mit vier Rotorblättern den Rotorblättern unabhängig voneinander neben den kollektiven und monozyklischen auch höherharmonische Steueranteile aufgeprägt werden können. Allerdings sind diese bekannten Systeme auf Hubschrauberhauptrotoren mit vier Rotorblättern begrenzt.

Bei einem anderen Lösungskonzept wird auf die mechanische Einsteuerung aus dem nichtdrehenden System verzichtet und sämtliche Steuerbewegungen werden ausschließlich durch Aktuatoren ausgeführt, welche im drehenden System den Rotorblättern individuell zugeordnet sind. Die US 4379678 zeigt eine solche Einzelblattsteuerungsvorrichtung die ohne eine Taumelscheibe oder eine Steuerspinne funktioniert. Allerdings müssen die den Rotorblättern individuell zugeordneten Aktuatoren sehr hohe Stellwege aufweisen. Die Aktuatoren sind daher groß und schwer und weisen einen hohen Leistungsbedarf auf. Das System ist außerdem wegen der geforderten Ausfallsicherheit mehrfach redundant und daher aufwändig, da bei einem Ausfall der Aktuatoren im drehenden System jegliche Steuerungsmöglichkeit des Hubschrauberhauptrotors entfallen würde.

Schließlich zeigt die DE 198 41 853 A1 eine Einzelblattsteuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor, die eine Taumelscheibe zur Einsteuerung der kollektiven und monozyklischen Blattverstellung aufweist und außerdem den Rotorblättern individuell zugeordnete Aktuatoren im drehenden System. Bei diesem System wird die Primärsteuerung – also die kollektive und die monozyklische Blattwinkelverstellung – durch die Taumelscheibe realisiert, während die den Rotorblättern individuell zugeordneten Aktuatoren im drehenden System lediglich für Zwecke der Sekundärsteuerung – also für die Einsteuerung von höherfrequenten Einstellwinkeländerungen – dient. Wesentliche Steueraufgaben können also durch Stellglieder bewerkstelligt werden, die unterhalb der Taumelscheibe im nichtdrehenden System angeordnet sind. An dieser Stelle ist ihre Ansteuerung und Leistungsversorgung einfacher als die Ansteuerung und Leistungsversorgung der Aktuatoren im drehenden System. Die individuellen Aktuatonen im drehenden System können aufgrund der Primärsteuerung durch die Taumelscheibe kleiner und leichter ausgeführt werden, als wenn sämtliche Einstellwinkelverstellungen von den individuellen Aktuatonen im drehenden System ausgeführt werden müssten. Da dieses System jedoch eine vollständige Primärsteuerung zusätzlich zur individuellen Steuerung im drehenden System aufweist ist es relativ aufwändig. Die Taumelscheibe ist ein hochbelastetes Bauteil, das einen nicht zu vernachlässigenden Anteil zum Gewicht und den Kosten eines Hubschrauberhauptrotors beiträgt. Die Lagerung der Taumelscheibe, die entlang des Rotormastes axial verschiebbar und außerdem in alle Richtungen neigbar sein muss, ist aufwändig. Zur Neigungsverstellung der Taumelscheibe müssen im nichtdrehenden System drei Stellglieder bzw. Booster vorgesehen sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einzelblattsteuerungsvorrichtung für einen Hubschnauberhauptrotor anzugeben, bei der keine Taumelscheibe benötigt wird, bei der die Anzahl der Rotorblätter nicht auf vier begrenzt ist und bei welcher die Aktuatonen im drehenden System dennoch klein und leichtbauend sein können.

Diese Aufgabe wird durch eine auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs aufweisende Einzelblattsteuerungsvorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Betriebsverfahren sind durch die abhängigen Ansprüche gegeben.

Die erfindungsgemäße Einzelblattsteuerungsvorrichtung macht also auch von dem vorteilhaften Konzept der Auftrennung zwischen Primär- und Sekundär steuerung Gebrauch, wobei jedoch durch die Primärsteuerung ausschließlich kollektive Steuerbewegungen vom nichtdrehenden System ins drehende System übertragen werden und die Sekundärsteuerung sämtliche zyklischen Steuerungsaufgaben erfüllt. Gegenüber einer Taumelscheibe die sowohl axial verschiebbar als auch neigbar sein muss, ist ein Mittel zur Übertragung von ausschließlich kollektiven Steuerbewegungen mit wesentlich geringerem Aufwand realisierbar. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht dieses Mittel aus einer durch den hohlen Rotormast verlaufenden Stange, die von Stellgliedern im nichtdrehenden System relativ zum Rotormast vertikal verschiebbar ist, wobei jeder individuelle Aktautor im drehenden System mit einem Ende der Stange verbunden ist.

Bei einem vorteilhaften Betriebsverfahren zur Steuerung eines Hubschraubers mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung werden einer Steuereinheit Steuereingaben eines Piloten zugeführt und die Steuereinheit steuert sowohl die den einzelnen Rotorblättern zugeordneten Aktuatoren als auch das Mittel bzw. die Stellglieder zur mechanischen Übertragung von ausschließlich kollektiven Steuerbewegungen an. Dabei werden kollektive Steueranteile zumindest zum größten Teil durch das Mittel zur mechanischen Übertragung eingesteuert, während sämtliche zyklische Steueranteile ausschließlich durch die individuellen Aktuatoren im drehenden System eingesteuert werden.

Im Falle des Ausfalls der Steuerung eines Rotorblatts bei einem Hubschrauber mit mindestens vier Rotorblättern kann in vorteilhafter Weise ein gegenüberliegendes Rotorblatt derart angesteuert werden, dass ein vom ausgefallenen Rotorblatt erzeugte veränderte Steuerwirkung ausgeglichen wird. Dabei wird die Steuerautorität der anderen Rotorblätter erhöht, um die entfallene Steuerwirkung des ausgefallenen Rotorblatts und des dem ausgefallenen Rotorblatt gegenüberliegenden Rotorblatt zu kompensieren. Die hierfür erforderliche höhere Steuerautorität beziehungsweise der große Einstellwinkelverstellbereich der Rotorblätter kann durch die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung erreicht werden, ohne dass hierfür die den Rotorblättern im drehenden System zugeordneten Aktuatoren für übermäßig große Stellwege ausgelegt sein müssten, da auch große Änderungen des kollektiven Einstellwinkels mechanisch vom nichtdrehenden System ins drehende System übertragen werden können.

Die Änderung des kollektiven Einstellwinkels ist üblicherweise bei weitem nicht so dynamisch wie die Änderung des zyklischen Einstellwinkels, so dass keine großen Steuerkräfte vom nichtdrehenden System in das drehende System mechanisch übertragen werden müssen. Das Konzept läßt sich gut in eine Fly-by-wire- bzw. Fly-by-light-Architektur wie sie heute bei Flächenflugzeugen üblich ist integrieren. Selbst bei Ausfall von Teilen der Sekundärsteuerung ist immer noch der Kollektivsteuerbereich vorhanden.

Da die Steuerinformation und die benötigte Steuerleistung der harmonischen Einzelblattsteuerung erst im drehenden System miteinander verknüpft werden, ist eine Stellenergiegewinnung im drehenden System möglich, zum Beispiel durch Ausnutzung des Staudrucks durch das Prinzip der Servoklappe.

Gegenüber einem Normalbetrieb ist auch ein degradierter Notlaufbetrieb möglich, bei dem nur der für die zu fordernden Notflugeigenschaften erforderliche zyklische Steuerbereich ausfallsicher und entsprechend redundant realisiert werden muss. Eine Degradation der Flugleistungen und/oder der Manövrierfähigkeit, die sich beispielsweise in einer Verringerung der maximalen Vorwärts-, Seitwärts-, oder Rückwärtsgeschwindigkeit äußern kann, wird für den Fall von sehr unwahrscheinlichen Teilsystemausfällen zugelassen.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Darin zeigen
1 schematisch einen erfindungsgemäßen Hubschrauberhauptrotor und
2 einen Steuerzustand eines erfindungsgemäßen Hubschrauberhauptrotors.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit 2 der Rotormast eines nicht vollständig dargestellten Hubschraubers bezeichnet. Der Rotormast 2 ist über ein Getriebe von Antriebsmaschinen antreibbar. Er trägt eine Rotornabe 4 an deren Umfang verteilt vier Rotorblätter 6, 8, 10, 12 angeordnet sind. Jedes der Rotorblätter 6, 8, 10, 12 weist ein Blatthorn 14 auf. Jedem Rotorblatt ist im drehenden System ein Aktuator 16 zugeordnet, der mit einem Ende mit einem Blatthorn 14 eines Rotorblatts 6 verbunden ist. Das andere Ende 18 des Aktuators ist mit einem Arm 20 einer Spinne 22 verbunden. Die Arme 20 der Spinne 22 erstrecken sich in einer gegenüber dem Rotormast 2 nicht neigbaren Ebene radial nach außen. In ihrem Zentrum 24 ist die Spinne 22 mit einer Stange 26 verbunden, die Stange 26 ist vom nichtdrehenden System der Hubschrauberzelle durch einen nicht dargestellten Aktuator gegenüber dem Rotormast vertikal verschiebbar. Sie verläuft durch den hohlen Rotormast 2. Bei einer vertikalen Verschiebung der Stange 26 werden alle den Rotorblättern individuell zugeordneten Aktuatoren 16 gleichermaßen bewegt, sodass jedes Rotorblatt eine entsprechende gleiche Einstellwinkeländerung erfährt.
2 zeigt schematisch die Lage der Rotorblätter eines Hauptrotors mit sechs Rotorblättern 28, 30, 32, 34, 36, 38. Bei dem Rotorblatt 34 ist die Steueraktuatorik ausgefallen. Die Blattspitze dieses Rotorblatts 34 bewegt sich dadurch auf der abweichenden Rotorblattebene 40. Damit keine für den Hubschrauber schädliche „aerodynamische Unwucht" entsteht, wird das gegenüberliegende Rotorblatt 28 gezielt in die gleiche Stellung gebracht wie das Rotorblatt mit ausgefallenem Aktuator 34, so dass es sich ebenfalls auf der Rotorblattebene 40 bewegt. Die übrigen Blätter 30, 32, 36, 38 werden zur Übernahme der verlorenen Steuerwirkung der Rotorblätter 28, 34 mit entsprechend höherer Amplitude angesteuert.

2: Rotormast
4: Rotornabe
6–12: Rotorblatt
14: Blatthorn
16: Aktuator
18: Ende
20: Arm
22: Spinne
24: Zentrum
26: Stange
28–38: Rotorblatt
40: Rotorblattebene

Claims

Einzelblattsteuerungsvorrichtung für einen Hubschrauberhauptrotor mit einem drehantreibbaren Rotormast (2), mit einer am Rotormast (2) angeordneten Rotornabe (4), mit mehreren am Umfang der Rotornabe (4) angeordneten Rotorblättern (6, 8, 10, 12), mit Mitteln zum Übertragen von kollektiven und zyklischen Steuervorgaben von einem nichtdrehenden System der Hubschrauberzelle in ein drehendes System des Hubschrauberhauptrotors, wobei jedem Rotorblatt im drehenden System mindestens ein individueller Aktuator (16) zur Einstellwinkelverstellung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur mechanischen Übertragung von ausschließlich kollektiven Steuerbewegungen vom nichtdrehenden System ins drehende System vorgesehen ist, dessen Steuerbewegungen im drehenden System Steuerbewegungen der individuellen Aktuatoren überlagert werden.
Einzelblattsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren Linearaktuatoren mit zwei relativ zueinander bewegbaren Enden sind, von denen jeder mit einem Ende mit dem Mittel zur Übertragung der ausschließlich kollektiven Steuerbewegung verbunden ist und mit dem anderen Ende mit einem Blatthorn eines Rotorblatts verbunden ist.
Einzelblattsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur mechanischen Übertragung der kollektiven Steuerbewegungen ein relativ zum Rotormast vertikal verschiebbares Element umfasst.
Einzelblattsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur vertikalen Verschiebung des Elements im nichtdrehenden System des Hubschraubers ein Aktuator vorgesehen ist.
Einzelblattsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormast hohl ausgebildet ist dass vertikal verschiebbare Element eine durch den Rotormast verlaufende Stange (26) ist und dass jeder individuelle Aktuator (16) im drehenden System mit einem Ende mit der Stange verbunden ist.
Einzelblattsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Aktuatoren (16) der Stange (26) eine aus mehreren Armen bestehenden starre Spinne (22) vorgesehen ist, die in ihrem Zentrum (24) mit der Stange (26) verbunden ist und deren Arme (20) sich in einer gegenüber dem Rotormast (2) nicht neigbaren Ebene radial nach außen erstrecken, wo sie mit den Enden (18) der Aktuatoren (16) verbunden sind.
Verfahren zur Steuerung eines Hubschraubers mit einer individuellen Rotorblattsteuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einer Steuereinheit Steuereingaben eines Piloten zugeführt werden und die Steuereinheit abhängig von den Steuereingaben sowohl die den einzelnen Rotorblättern zugeordneten Aktuatoren (16), als auch die Mittel zur mechanischen Übertragung von ausschließlich kollektiven Steuerbewegungen ansteuert, wobei kollektive Steueranteile zumindest zum größten Teil durch die Mittel zur mechanischen Übertragung von ausschließlich kollektiven Steuerbewegungen und zyklische Steueranteile ausschließlich durch die individuellen Aktuatoren (16) im drehenden System eingesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 7 für einen Hubschrauber mit mindestens 4 Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Ausfalls der Steuerung eines Rotorblattes (34) ein gegenüberliegendes Rotorblatt (28) derart angesteuert wird, dass ein vom ausgefallenen Rotorblatt (34) erzeugt – Nick- oder Rollmoment ausgeglichen wird und dass die Steuerautorität der anderen Rotorblätter (30, 32, 36, 38) erhöht wird, um die entfallene Steuerwir kung des ausgefallenen Rotorblatts und des dem ausgefallenen Rotorblatt gegenüberliegenden Rotorblatt zu kompensieren.