DE102009060804A1 - Device, particularly flight controller, for controlling or stabilizing aircraft, particularly rotor aircraft or fuselage or chassis frame, by utilizing gyro effect, has rotors, where outer torque is applied vertically to rotor rotating axis - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung auf Basis von Rotoren für Fluggeräte, welche mit Hilfe von Kreiselkräften gesteuert und stabilisiert werden. Hierbei macht man sich die Kenntnis des physikalischen Prinzips zu Nutze, dass ein Kreisel die Richtung seiner Drehachse etwa 90° zu einem auf ihn ausgeübten äußeren Drehmomentvektor ändert (Präzession).The invention relates to a device based on rotors for aircraft, which are controlled and stabilized by means of centrifugal forces. Here, one makes use of the knowledge of the physical principle that a gyroscope changes the direction of its axis of rotation about 90 ° to an external torque vector exerted on it (precession).
Vorzugsweise werden bei dieser Erfindung schnelldrehende rotationssymmetrische Rotoren zur Anwendung gebracht, auf die gezielt ein äußeres Drehmoment aufgebracht werden kann, welches dann durch Präzession ein Reaktionsmoment in einer anderen nicht parallelen Achse hervorruft. Das äußere Drehmoment kann hier auf unterschiedliche Weise und mit den üblichen Krafterzeugern realisiert werden. Diese sind zum Beispiel konventionelle aerodynamische Steuerflächen, Schubvektorisierung aber auch Schwerkraft und Trägheitskraft können zur Erzeugung des äußeren Moments herangezogen werden.Preferably, in this invention, fast rotating rotationally symmetric rotors are used, to which an external torque can be selectively applied, which then causes by precession a reaction torque in another non-parallel axis. The external torque can be realized here in different ways and with the usual force generators. These are, for example, conventional aerodynamic control surfaces, thrust vectoring but also gravity and inertial force can be used to generate the external moment.
Schnell drehende Rotoren zur Erzeugung von Vortrieb oder Auftrieb, wie zum Beispiel Propeller oder auch rotierende Zylinder, erzeugen am Fluggerät Kreiselkräfte, die als störend empfunden werden. Zum Beispiel bewirkt eine Drehung um die Flugzeugquerachse (Nickbewegung) durch die Kreiselkräfte eines Schubpropellers ein Giermoment und somit eine Gierbewegung. Die Dynamik der Gierbewegung hängt dabei vom Drehimpuls des Schubpropellers und dem, zum Beispiel von einem Höhenruder eingeleiteten Nickmoment ab. Auch bei Rotorflugzeugen, also bei Flugzeugen mit Rotoren zur Erzeugung des Auftriebs durch den Magnus Effekt, wurde bisher die Präzession als Problem gesehen, wofür Maßnahmen zur Minderung der Kreiselkräfte vorgesehen wurden. In der Offenlegungsschrift
Generell kann man sagen, dass in der Luftfahrt mit wenigen Ausnahmen Kreiselkräfte nicht genutzt werden. Eine Ausnahme bildet die Verwendung eines Kreisels bei Cockpitinstrumente zur Flugnavigation. In der Raumfahrt jedoch werden Kreisel zur Stabilisierung und Steuerung von Raumflugkörpern eingesetzt, wobei zum Beispiel eine Drehzahländerung eines Schwungrades zu einer Lageänderung eingesetzt werden kann. Das Aufbringen von äußeren Drehmomenten durch eine aerodynamische Kraft oder durch eine Gewichtskraft ist bei klassischen Raumflugkörpern ausserhalb einer Atmosphäre und in großer Entfernung von Himmelskörpern nicht möglich.In general one can say that in aviation with few exceptions centrifugal forces are not used. An exception is the use of a gyroscope in cockpit instruments for air navigation. In aerospace, however, gyros are used to stabilize and control spacecraft, for example, a speed change of a flywheel can be used to change the position. The application of external torques by an aerodynamic force or by a weight force is not possible in classic spacecraft outside an atmosphere and at a great distance from celestial bodies.
Desweiteren soll erwähnt werden, dass zur Stabilisierung von Fluggeräten in der klassischen Lehre eine Zustandsgröße wie zum Beispiel eine Rollgeschwindigkeit mit Sensoren gemessen und einem Regelungssystem zugeführt wird, welches in Abhängigkeit von einer Abweichung vom Sollzustand eine Steuergröße wie zum Beispiel einen Querruderausschlag berechnet, der durch einen Aktuator dann eingestellt wird. Hierdurch können Schwingungen des Fluggeräts gedämpft werden.Furthermore, it should be mentioned that for the stabilization of aircraft in the classical teaching a state variable such as a rolling speed with sensors measured and fed to a control system which calculates a control variable as a function of a deviation from the target state, such as an aileron deflection by a Actuator is then set. As a result, vibrations of the aircraft can be damped.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, dass Fluggeräte mit Rotoren im gesamten Geschwindigkeitsbereich unter Ausnutzung von Kreiselkräften effektiv gesteuert und stabilisiert werden können.The object of the invention is to design a controller according to the preamble of patent claim 1 such that aircraft with rotors can be effectively controlled and stabilized by utilizing centrifugal forces in the entire speed range.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe von einer Flugsteuerung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach wird bei einer gattungsgemäßen Steuerung durch das Aufbringen eines äußeren Drehmoments senkrecht zu einer Rotordrehachse durch Kreiselkräfte ein Reaktionsmoment in einer anderen Achse hervorgerufen, die senkrecht zu der Rotordrehachse und senkrecht zu dem Drehvektor des äußeren Drehmomentes liegt. Durch diese Art der Ausnutzung des Kreiseleffektes ist es nun möglich ein Fluggerät, das mit Rotoren ausgerüstet ist, zu stabilisieren und zu steuern, ohne, wie bisher berichtet, negative Effekte wie Taumelbewegungen oder ungewolltes Verharren in einer Fluglage zu erwarten.According to the invention the object is achieved by a flight control with the features of claim 1. Accordingly, in a generic control by the application of an external torque perpendicular to a rotor axis of rotation caused by centrifugal forces a reaction torque in another axis, which is perpendicular to the rotor axis and perpendicular to the rotational vector of the external torque. By this way of utilizing the gyro effect, it is now possible to stabilize and control an aircraft equipped with rotors without, as previously reported, anticipating negative effects such as wobbling or unwanted persistence in attitude.
Das Aufbringen der äußeren Drehmomente auf einen Rotor kann durch aerodynamische Kräfte oder Gewichts- oder Trägheitskräfte erzeugt werden. Aerodynamischen Kräften können hier durch Ruderausschläge aber auch durch Schubvektorsteuerung aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausnutzung der Gewichtskraft zur Erzeugung eines äußeren Drehmoments, da sie unabhängig von einer Anströmung durch Luft wirkt und somit auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten oder Schweben eingesetzt werden kann.The application of external torques to a rotor can be generated by aerodynamic forces or inertial forces. Aerodynamic forces can be applied here by rudder deflections but also by thrust vector control. Particularly advantageous is the utilization of the weight for generating an external torque, since it acts independently of an air flow and thus can be used even at low speeds or levitation.
Eine erfindungsgemäße Flugsteuerung umfasst mindestens einen Rotor, dessen Schwungmasse in Form von Kreiselkräften genutzt werden kann und mindestens einen Drehmomenten-Erzeuger, der ein äußeres Drehmoment auf diesen Rotor aufbringt.A flight control according to the invention comprises at least one rotor whose flywheel mass can be used in the form of centrifugal forces and at least one torque generator which applies an external torque to this rotor.
Flugversuche mit einem Rotorflugmodell, dessen Auftrieb durch zwei sogenannte Flettner Rotoren erzeugt werden, zeigten, dass eine seitliche Verschiebung des Schwerpunktes zu einem Giermoment führte. Das Gleiche war der Fall, wenn einer der beiden Flettner Rotoren mit einer abweichenden Soll-Drehzahl betrieben wurde, und somit unterschiedliche Auftriebskräfte pro Rotor ein Rollmoment induzierten, das zu einer Gierbewegung führte. Diese Erfahrungen führten zu der Idee, Kreiselkräfte gezielt zu Steuerung eines Fluggerätes einzusetzen. Flight tests with a rotor flight model, whose lift is generated by two so-called Flettner rotors, showed that a lateral displacement of the center of gravity led to a yaw moment. The same was the case when one of the two Flettner rotors was operated at a different target speed, and thus induced different buoyancy forces per rotor a rolling moment, which led to a yaw motion. These experiences led to the idea to use centrifugal forces targeted to control an aircraft.
Als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird vorgeschlagen:
- – ein konventionelles Seitenruder zur Rollsteuerung zu verwenden.
- – ein konventionelles vertikal angebrachtes Querruder zur Giersteuerung zu verwenden.
- – eine laterale Schwerpunktsverschiebung zur Giersteuerung zu verwenden.
- – mindestens einen Rotor durch asymmetrisches Anströmen mit Hilfe mindestens eines Propellers zur Roll- oder Giersteuerung zu verwenden.
- – mindestens zwei Rotoren mit unterschiedlicher Drehzahl zur Roll- oder Giersteuerung zu verwenden.
- - To use a conventional rudder for roll control.
- - To use a conventional vertically mounted aileron for yaw control.
- To use a lateral center of gravity shift for yaw control.
- - To use at least one rotor by asymmetric flow using at least one propeller for roll or yaw control.
- - To use at least two rotors with different speeds for rolling or yaw control.
Desweiteren wird vorgeschlagen die erfindungsgemäße Flugsteuerung mit einer konventionellen Flugsteuerung für die Längsbewegung zu kombinieren.Furthermore, it is proposed to combine the flight control according to the invention with a conventional flight control for the longitudinal movement.
Für die Queranströmung der rotierenden Zylinder ist jede Art von Gebläse einsetzbar, also z. B. ein Propellergebläse oder auch ein Axialgebläse nach Art eines sogenannten Fans, wie er bei modernen Strahltriebwerksflugzeugen zur Anwendung kommt. Auch Querstromgebläse oder der Einsatz von schlagenden Flügeln ist als Gebläse einsetzbar.For the Queranströmung the rotating cylinder each type of blower can be used, so z. As a propeller blower or an axial fan in the manner of a so-called fan, as it comes in modern jet engine aircraft used. Even cross-flow fans or the use of beating wings can be used as a blower.
Desweiteren wird vorgeschlagen, eine digitale Flugsteuerung zu verwenden, basierend auf Sensoren zur Erfassung des Flugzustands und Aktuatoren zum Aufbringen der äußeren Drehmomente auf Rotoren. Beim Entwurf der digitalen Flugsteuerung müssen die Kreiselkräfte mit berücksichtigt werden. Ähnlich wie die Derivative für aerodynamische Roll-Gier-Kopplungen können Derivative für die Kreiselkräfte in das flugmechanische Modell eingeführt werden, und darauf basierend ein Flugregler entworfen werden.Furthermore, it is proposed to use a digital flight control, based on sensors for detecting the state of flight and actuators for applying the external torques on rotors. When designing the digital flight control, the centrifugal forces must be taken into account. Similar to the derivatives for aerodynamic roll-yaw couplings, derivatives for the gyroscopic forces can be introduced into the flight mechanics model, and based thereon a flight controller can be designed.
Die erfindungsgemäße Flugsteuerung ist zur Anwendung bei allen Arten von Luftfahrzeugen geeignet, sofern sie mit drehenden Rotationskörpern ausgerüstet sind, wodurch ein Drehimpuls genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Flugsteuerung bei Rotorflugzeugen eingesetzt werden, bei welchen die Rotoren zur Auftriebserzeugung verwendet werden.The flight control according to the invention is suitable for use in all types of aircraft, provided they are equipped with rotating bodies of revolution, whereby an angular momentum can be used. Particularly advantageously, the flight control according to the invention can be used in rotor aircraft, in which the rotors are used for lift generation.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Die dargestellten Fluggeräte sollen dabei keine Einschränkungen in der Konfigurationsvielfalt bedeuten. Sie können noch ergänzt werden um konventionelle Komponenten eines Fluggeräts wie zum Beispiel einem Rumpf, einem Fahrwerk usw..Reference to the accompanying drawings, embodiments of the invention will be explained. The illustrated aircraft should mean no restrictions in the variety of configurations. They can be supplemented with conventional components of an aircraft such as a fuselage, a landing gear, etc.
In den Zeichnungen zeigtIn the drawings shows
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- DE 3804415 A1 [0003] DE 3804415 A1 [0003]
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