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Die Erfindung betrifft eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber.
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Zur Unterstützung des Landeanflugs von Luftfahrzeugen sind eine Vielzahl von Landeanflughilfssystemen bekannt, die den Piloten bei einer Landung unterstützen und ein Luftfahrzeug automatisch zur Landung führen.
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Bei dem Einsatz von Hubschraubern besteht die besondere Situation, dass die Landeplattform selbst nicht notwendigerweise statisch ist, sondern beweglich sein kann. Dies ist der Fall, wenn die Landeplattform auf einem Schiff montiert ist. Im Gegensatz zu Landeflächen auf Land stellt das Schiffsdeck eine sich gegenüber dem Horizont bewegende Landefläche dar. Die Bewegung des Schiffes hängt in erster Linie von dem vorherrschenden Seegang ab. Ein mehr oder weniger regelmäßiges Wellenmuster resultiert aber aus Stärke, Richtung und räumlicher Ausdehnung des Windes sowie der Tiefe des Wassers. Die Größe des Schiffes bestimmt, wie stark und in welchen Frequenzen der Wellenbewegung gefolgt wird. Kleinere Schiffe führen dabei höher-frequente Bewegungen mit größerer Amplitude aus. Das Schiffsdeck kann dabei beträchtliche Bewegungen in Form von Rollbewegungen, d. h. Drehbewegungen um die Längsachse des Schiffes, Stampfbewegungen, d. h. Nickbewegungen um eine Querachse des Schiffes, sowie Hubbewegungen ausführen.
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Beim Landen eines Hubschraubers auf einer solchen bewegten Landefläche muss der Pilot die Bewegung des Schiffes beobachten und antizipieren, um eine kontrollierte Landung ohne Beschädigung des Hubschraubers durchzuführen. Insbesondere kurz vor dem Aufsetzen kann eine vertikale Abwärtsbewegung des Hubschraubers einer vertikalen Aufwärtsbewegung des Schiffes überlagert werden, so dass es zu einer Überhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Landeplattform und dem Landewerk des Hubschraubers kommt. Die Folge ist ein extrem harter Landestoß. Dieser Landestoß kann zu Beschädigung des Landewerkes und der Hubschrauberzelle, in die dieser Stoß geleitet wird, führen.
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Das Landen auf bewegten Landeplattformen erfordert daher erfahrene und trainierte Piloten, denen mit Hilfe eines auf dem Schiff stehenden Lotsens die Schiffsbewegungen signalisiert werden. Zudem müssen das Landewerk und die Zellenstruktur von Hubschraubern für Schiffsdecklandungen entsprechend verstärkt werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Leergewichts des Hubschraubers und zu einer Reduzierung der mitführbaren Nutzlast.
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DE 697 05 052 T2 zeigt eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber, bei der mittels Satellitenpositionsbestimmung jeweils die Position eines Schiffes und eines Hubschraubers bestimmt werden und ein Verhältnis der jeweiligen Positionen errechnet wird.
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FR 2 667 570 A1 ,
DE 689 05 416 T2 und
FR 2 727 082 A1 zeigen jeweils eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber, bei der mittels einer auf einem Schiff angebrachten Sensorik eine Position des Hubschraubers zum Schiff bestimmt wird und mittels Anzeigetafel angezeigt wird.
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DE 41 42 037 A1 zeigt eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber, bei der sowohl eine Sensorik auf dem Schiff als auch im Hubschrauber vorgesehen ist und eine Funkübertragung der Schiffsdaten an den Hubschrauber erfolgt.
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JP 06127485 A und
JP 06247394 A zeigen jeweils eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber, bei der mittels eines Sensors auf dem Schiffsdeck die Hubschrauberposition erfasst wird und über Funk an den Hubschrauber gesendet wird.
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DE 1 281 154 A1 zeigt eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber, bei der die aktuelle Schiffsneigung angezeigt wird.
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Ausgehend hiervon ist es daher die Aufgabe der Erfindung eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber zum Landen auf einem Schiff zu schaffen, die ein sanfteres Aufsetzen des Hubschraubers ermöglicht.
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Die Aufgabe wird mit der Landehilfseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Es wird somit vorgeschlagen, die relative Lage der sich bewegenden Landeplattform zum Hubschrauber ständig aktuell zu erfassen und auf Basis dieser Informationen Landehilfsinformationen zu generieren, die ein sicheres automatisches Landen erlauben.
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Die Sensoren zur Erfassung der relativen Lage von Landeplattform und Hubschrauber können im Hubschrauber fest eingebaut und justiert sein. Derartige Sensoren können bspw. mindestens eine Kamera enthalten, mit der die Landeplattform aufgenommen wird. Aus dem ausgenommenen Bild kann dann in an sich bekannter Weise durch topometrische Methoden die relative Lage bestimmt werden.
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Die Sensoren und in der Folge auch die Auswerteeinheit sind vorzugsweise zur Erfassung der Relativgeschwindigkeit und der Relativposition der Landeplattform gegenüber dem Landewerk des Hubschraubers eingerichtet.
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Die Erfassung der Relativgeschwindigkeit hat den Vorteil, dass Landehilfsinformationen generiert werden können, mit deren Hilfe der Hubschrauber einer sich fortbewegenden Landeplattform nachgeführt werden kann. Mit Hilfe der Relativposition kann der Hubschrauber auf eine feststehende Lage bezogen auf eine normale Ebene der Landeplattform (z. B. bei horizontal stillstehender Landeplattform) geführt werden. Die einzelnen Relativbewegungen sind dann nur noch Roll-, Stampf- und Hubbewegungen.
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Die Sensoren sowie die Auswerteeinheit sollten zudem zur Erfassung dieser Rollbewegungen um die Längsachse der Landeplattform, Stampfbewegungen um die Querachse der Landeplattform und Hubbewegungen senkrecht zu einer horizontalen Ebene der feststehenden Landeplattform eingerichtet sein.
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Diese Informationen können aus Radar- und/oder Bilddaten mit Hilfe an sich bekannter Auswertemethoden extrahiert werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Positions- und Beschleunigungswerte des Hubschraubers selbst mit Hilfe von Positionserfassung- und Beschleunigungssensoren erfasst und von der Auswerteeinheit bei der Ermittlung der relativen Lage und der hieraus abgeleiteten Landehilfsinformationen genutzt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat die Auswerteeinheit eine Anzeige zur Vermittlung eines Eindrucks der relativen Lage der Landeplattform mittels eines die Landeplattform repräsentierenden künstlichen Horizonts. Zudem können auch Steiggeschwindigkeiten und Seitenversatzänderungen bspw. durch von Luftfahrzeug-Navigationsinstrumenten bekannten Falldarstellungen dem Piloten vermittelt werden.
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Ein solcher künstlicher Horizont kann vom Piloten schnell und einfach zur Erkennung der momentanen relativen Lage und der Lageänderung erfasst werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit mit einer Hubschraubersteuerungseinheit verbunden ist und Steuerungsgrößen zur Landeanflugsteuerung in Abhängigkeit von den Landehilfsinformationen generiert. Auf diese Weise ist ein automatisierter Landeanflug möglich.
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Die Auswerteeinheit kann dabei eingerichtet sein, um in einer ersten Landephase durch an die jeweils erfasste momentane relative Lage angepasste Steuerungsgröße den Hubschrauber auf einer annähernd konstanten Position in Bezug auf die Landeplattform zu halten und in einer anschließenden zweiten Landephase einen Sinkflug unter Ausgleich von erkannten Roll-, Stampf- und Hubbewegungen durchzuführen.
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In der ersten Landephase folgt der Hubschrauber einer sich ggf. fortbewegenden Landeplattform und wird in einer solchen Höhe und Position über der Landeplattform gehalten, dass ein Kontakt zwischen Landeplattform und Hubschrauber vermieden wird. Wenn der Hubschrauber in dieser Position stabilisiert ist, wird die zweite Landephase eingeleitet und unter Beibehaltung der auf die horizontale Ebene feststehende Relativposition zwischen Landeplattform und Hubschrauber und Ausgleich der Roll-, Stampf- und Hubbewegungen der Hubschrauber welch auf der Landeplattform aufgesetzt.
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Nach dem Aufsetzen kann es passieren, dass der Hubschrauber aufgrund der Bewegungen der Landeplattform wieder leicht abhebt. Die Auswerteeinheit sollte daher vorzugsweise weiterhin eingerichtet sein, um in einer dritten Landephase den Hubschrauber durch angepasste Steuerungsgrößen an sensierte Bewegungsdaten des gelandeten Hubschraubers auf einer bewegten Landeplattform zu halten.
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Die drei Landephasen unterscheiden sich somit im Wesentlichen durch die unterschiedliche Art und Weise der Auswertung der sensierten Größen wie Relativposition, Roll-, Stampf- und Hubbewegungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 – Skizze einer auf einem Schiff montierten bewegten Landeplattform und eines Hubschraubers mit einer Landehilfseinrichtung;
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2 – Skizze einer Anzeige zur Darstellung der Landehilfsinformation in Form eines künstlichen Horizonts.
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1 lässt eine Skizze eines Schiffs 1 erkennen, auf dessen Heck eine Landeplattform 2 für Hubschrauber 3 eingebaut ist. Ein sich dem Schiff 1 nähernder Hubschrauber 3 hat eine Landehilfseinrichtung 4 mit einer Sensoreinheit, die mindestens einen Sensor 5 zur Erfassung der relativen Lage zwischen Hubschrauber 3 und Schiff 1 hat. Ein solcher Sensor 5 kann bspw. eine an dem Hubschrauber 3 fest montierte Kamera, ein Radargerät, eine mit Funkbaken auf der Landeplattform 2 zusammenwirkende Positionserfassungseinheit, Drehratensensoren, Beschleunigungssensoren, Positionsortungssensoren etc. sein. Auch eine Kombination unterschiedlicher Sensoren ist denkbar und vorteilhaft, insbesondere um bei unterschiedlichen Wetterbedingungen eine sichere Landung zu ermöglichen.
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Die Sensoreinheit hat weiterhin Sensoren 6 zur Erfassung der Hubschrauberdaten bestehend mindestens aus der Hubschrauberposition und der Beschleunigung in der horizontalen und vertikalen Ebene. Die Sensoren 6 können zudem auch den Nick- und Rollwinkel des Hubschraubers erfassen.
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Auf der Basis der von den Sensoren 5, 6 detektierten Informationen wird die relative Lage zwischen der Landeplattform 2 und dem Landewerk 7 des Hubschraubers 3 mit Hilfe einer Auswerteeinheit 8 ermittelt. Dies kann mit an sich bekannten Bildauswerteverfahren trigonometrischen Messverfahren und trigonometrischen Algorithmen durch eine Recheneinheit automatisch erfolgen.
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Die von den Sensoren 5, 6 gelieferten Rohdaten werden hierzu vorverarbeitet und in der Auswerteeinheit 8 genutzt um die Schiffsbewegungen rollen und stampfen, die Relativgeschwindigkeit des Schiffs 1 gegenüber dem Hubschrauber 3 und die Relativposition des Schiffs 1 gegenüber dem Hubschrauber 3 zu erfassen. Zudem ist der Hubschrauber mit Hilfe der Sensoren 6 in der Lage, seine Lage und Bewegung im Raum zu ermitteln.
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Aus diesen Daten werden nun in der Auswerteeinheit 8 Landehilfsinformationen in Abhängigkeit der mit den Sensoren 5, 6 erfassten relativen Lage ermittelt.
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Diese Lagehilfsinformationen oder hieraus abgeleitete Größen können dem Piloten angezeigt werden. Die Anzeige 9 kann einen künstlichen Horizont 10 enthalten, der die relative Lage der Landeplattform 2 zum Hubschrauber 3 und hierbei vorzugsweise zum Landewerk 7 zeigt. Die Landeebene der Landeplattform 2 wird hierbei durch den künstlichen Horizont 10 in einen oberen und unteren Bereich teilenden Linie 11 repräsentiert.
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Die Steiggeschwindigkeit zwischen Landeplattform 2 und Hubschrauber 3 kann durch die vertikale Pfeildarstellung 12 auf der rechten Seite des künstlichen Horizonts vermittelt werden. Während der horizontale Strich einen Soll-Wert der Steiggeschwindigkeit zeigt, weist der Abstand zwischen diesem horizontalen Strich und dem an der Linie positionierten Pfeil auf die Abweichung der Steiggeschwindigkeit vom Soll-Wert hin.
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In entsprechender Weise ist eine horizontale Pfeildarstellung 13 oberhalb des künstlichen Horizonts 10 vorgesehen, der den Kursausschnitt vermittelt. Wiederum zeigt der horizontale Strich den erforderlichen Seitenversatz an, während der Abstand zwischen dem horizontalen Strich und dem an der horizontalen Linie anliegendem Pfeil die Abweichung des Seitenversatzes vom Soll-Wert repräsentiert, d. h. die Seitenversatzänderung.
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Diese Landehilfsinformationen werden direkt als Soll-Werte für ein vorhandenes Regelungssystem verwendet, wie z. B. einem Autopiloten des Hubschraubers 3. Dadurch ist eine voll-automatische Schiffsdecklandung möglich.
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Die Auswerteeinheit 8 ist hierzu mit einer nicht dargestellten Hubschraubersteuerungs-Einheit verbunden und berechnet zunächst mittels geeigneter Regelalgorithmen die erforderlichen Größen, um den Hubschrauber 3 in einer absoluten Höhe über dem Schiff 1 zu positionieren. Diese Hohe kann durch den Piloten gewählt werden oder durch die Auswerteeinheit 8 berechnet und vorgegeben werden. Die Steuerungsgrößen werden dann von der Hubschraubersteuereinheit genutzt, um in einer ersten Landephase den Hubschrauber in einer absoluten Höhe sicher zu halten, so dass der Hubschrauber 3 dem Schiff 1 folgt, sofern dieses Fahrt hat und sich in einer Höhe über dem Schiff 1 nahezu fest positioniert befindet, so dass ein Kontakt zwischen dem Schiff 1 und dem Hubschrauber 3 vermieden wird. Wenn der Hubschrauber 3 in dieser Position stabilisiert ist, erfolgt in der zweiten Landephase das Aufsetzen auf die Landeplattform 2. Dies kann entweder durch den Piloten manuell unterstützt durch Anzeige 9 oder bevorzugt automatisch durch die Auswerteeinheit 8 und Hubschraubersteuerungseinheit erfolgen. In der automatischen Landephase wird von der Auswerteeinheit 8 ein neuer Satz von Steuerungsgrößen berechnet, die den Hubschrauber 3 in einen Sinkflug überführen. Dabei spielen die Roll-, Stampf- und Hubbewegungen der Landeplattform 2 eine sehr wichtige Rolle. Sie bestimmen im Wesentlichen die Sinkgeschwindigkeit, Sinkrichtung und Lageänderung des Hubschraubers 3 bei einem Sinkflug. Während des Sinkflugs wird die momentane relative Lage kontinuierlich erfasst und zur Ermittlung geeigneter Steuerungsgrößen verwenden.
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Nach der Landung kann in einer dritten Landephase ein weiterer Satz von Steuergrößen berechnet werden, die den Hubschrauber 3 sicher auf der Landeplattform 2 erhalten, bevor dieser festgezurrt wird und die Triebwerke dann sicher abgestellt werden können.
