DE102014108336B4

DE102014108336B4 - Verfahren zur Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen auf Luftfahrzeuge und Luftfahrzeugregelungseinheit

Info

Publication number: DE102014108336B4
Application number: DE102014108336.9A
Authority: DE
Inventors: Jana Schwithal; Dominik Niedermeier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2034-06-14
Also published as: DE102014108336A1

Abstract

Verfahren zur Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen (7) auf Luftfahrzeuge (1), die eine Basisregelungseinheit (3) zur Regelung des Flugzustandes des Luftfahrzeuges (1) in Abhängigkeit von vorgegebenen Lagesteuerungswerten und eine Luftwirbelkompensationseinheit (9) zur Erfassung von Luftströmungsverwirbelungen (7) in der Umgebung des Luftfahrzeuges (1) und zur Ermittlung von Kompensationswerten (K) zur Reduzierung des Einflusses der erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) hat, wobei die Ausgangssignale (K) der Luftwirbelkompensationseinheit (9) mit der Basisregelungseinheit (3) verknüpft werden, gekennzeichnet durch weiteres Anpassen der Regelung durch die Luftwirbelkompensationseinheit (9) und/oder Basisregelungseinheit (3) im Falle der aktiven Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit (9) mit der Basisregelungseinheit (3) in Abhängigkeit des Einflusses einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug (1) insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen auf Luftfahrzeuge, die

- eine Basisregelungseinheit zur Regelung des Flugzustandes des Luftfahrzeuges in Abhängigkeit von vorgegebenen Lagesteuerungswerten und
- eine Luftwirbelkompensationseinheit zur Erfassung von Luftströmungsverwirbelungen in der Umgebung des Luftfahrzeuges und zur Ermittlung von Kompensationswerten zur Reduzierung des Einflusses der erfassten Luftströmungsverwirbelungen hat,

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Luftfahrzeugregelungseinheit mit einer Basisregelungseinheit zur Regelung des Flugzustandes des Luftfahrzeuges in Abhängigkeit von vorgegebenen Lagesteuerungswerten, mit mindestens einem Luftströmungssensor zur Erfassung von Luftströmungsverwirbelungen in der Umgebung der Luftfahrzeuges und mit einer Luftwirbelkompensationseinheit zur Ermittlung von Kompensationswerten zur Reduzierung des Einflusses der erfassten Luftströmungsverwirbelungen.
Im Reiseflug und insbesondere während des Starts und der Landung können Luftströmungsverwirbelungen in der Umgebung des Luftfahrzeuges unvorhergesehene und schnelle Änderungen der Lage des Luftfahrzeuges bewirken. Diese Flugzustandsänderungen können zu gefährlichen oder zumindest für die Passagiere unkomfortablen Situationen führen.
Solche Luftströmungsverwirbelungen treten insbesondere durch Wirbelschleppen voraus fliegender Flugzeuge auf. Fliegt ein Flugzeug in die Wirbelschleppe eines voraus fliegenden Flugzeuges, so werden dadurch erhebliche Flugzeugreaktionen hervorgerufen, die einerseits den Passagierkomfort verringern und andererseits vor allem ein signifikantes Sicherheitsrisiko mit sich bringen.
Moderne Luftfahrzeuge, wie insbesondere Verkehrsflugzeuge verfügen in der Regel über eine Fly-by-Wire-Flugsteuerung mit einem automatischen Flugregler, dem so genannten Basisregler. Dieser Basisregler unterstützt den Piloten bei der Steuerung des Flugzeuges und versucht die Auswirkungen von Störungen der Flugzeugbewegungen durch äußere Einflüsse wie Wind zu verhindern. Bei sehr dynamischen Störungen, wie sie während des Durchfluges durch eine Wirbelschleppe auftreten, führt die Aktivität des Basisreglers zwar zu einer Verringerung der wirbelinduzierten Flugzeugreaktion. Da die Basisregler im Normalfall jedoch für den Fall eines Wirbelschleppendurchfluges nicht speziell ausgelegt sind und durch Totzeiten in den Sensoren und Aktoren des Flugzeuges nicht schnell genug reagieren können, ist die Abänderung der wirbelinduzierten Flugzeugreaktion bei der ausschließlichen Verwendung des regulären Basisreglers häufig nicht optimal.
Stand der Technik
Die Erfassung von Luftströmungsverwirbelungen in der Umgebung von Luftfahrzeugen ist hinlänglich bekannt.
In WO 2011/ 023 270 A1 und DE 10 2011 112 121 B4 sind Verfahren zur Ermittlung von Luftströmungsverwirbelungen beschrieben, die eine Grundlage zur nachfolgenden Regelung mit dem Ziel der Reduzierung des Einflusses der Luftströmungsverwirbelungen auf das Luftfahrzeug bilden.
In US 2009 / 0 048 723 A1 ist ein vorausschauendes System zur Kompensation von durch Luftströmungsverwirbelungen verursachten Lageänderungen eines Luftfahrzeuges beschrieben. Diese vorausschauende LuftwirbelKompensationseinheit ist in ein Steuerungssystem integriert, welches das Luftfahrzeug auf einer vorgegebenen Trajektorie führt. Die kommandierten Steuerflächenausschläge der zum Ausgleich von Störungen durch Luftströmungsverwirblungen eingerichteten Gegensteuerungsfunktion werden einfach auf die kommandierten Steuerflächenaufschläge durch den Basisregler aufaddiert.
In S. Kloidt: Beiträge zum Entwurf eines Flugregelungssystem zur Reduktion des Wirbelschleppeneinflusses, Dissertation, TU Berlin 2007 sind Flugregelungssysteme und deren Verhalten beschrieben, die zur Kompensation von Störungen durch Wirbelschleppen ausgelegt sind. Dabei werden auch Flugregelungssysteme beschrieben, bei denen eine Luftwirbelkompensationseinheit einer Basisregelungseinheit eines Fly-by-Wire-Systems vorgeschaltet ist. Auch hier werden die Kommandos der Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktion auf die kommandierten Steuerungsflächenaufschläge des Basisreglers aufaddiert.
In M. Rafi und J. E. Steck: „Response and Recovery of an MRHC Advanced Flight Control System to Wake Vortex Encounters" in AIAA Infotec @ Aerospace Conference, Boston, August 2013, Seiten 1 bis 21, ist ein Flugregler mit einer Kompensationsfunktion für Störungen durch Luftströmungsverwirbelungen beschrieben. Um unerwünschte Seitenruderausschläge in extremen Fluglagen mit sehr großen Hängewinkeln während des Wirbeldurchflugs zu vermeiden, werden die Kommandos des Flugreglers in der Gierachse nicht verwendet, solange sehr große Hängewinkel auftreten. Der Flugregler ist dabei durch spezielle Regelungsfunktionen eingerichtet, um auf Wirbelschleppeneffekte zu reagieren.
US 8 219 266 B2 beschreibt ein Verfahren und ein Gerät zur Reduzierung der Turbulenzeinflüsse auf ein Flugzeug mit einer Recheneinheit, die Kompensationssignale zur Ansteuerung von Stellflächen in Abhängigkeit von einem ermittelten Rollmoment, einem Schiebewinkel und aktuellen Lagegrößen, wie insbesondere der Roll-, Nick- und Gierrate ermittelt.
Das Hinzufügen einer separaten Luftwirbelkompensationseinheit zu einer bereits vorhandenen und autarken Basisregelungseinheit eines Fly-by-Wire-Systems ist problematisch, da der Basisregler eines Luftfahrzeugs unter Umständen den Kommandos der Luftwirbelkompensationseinheit entgegenwirkt oder diese unzulässig verstärkt, so dass der Erfolg der Abminderung der wirbelinduzierten Luftfahrzeugreaktion gefährdet wird.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen und eine Luftfahrzeugsregelungseinheit zu schaffen, wobei eine Basisregelungseinheit mit einer Luftwirbelkompensationseinheit so miteinander kombiniert wird, dass eine verbesserte Kompensation von Störungen durch Luftströmungsverwirbelungen in der Umgebung des Luftfahrzeuges bewirkt wird.
Lösung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die Luftfahrzeugregelungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Beschreibung der Erfindung
Es wird für die Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit und der Basisregelungseinheit eines Luftfahrzeuges vorgeschlagen, den Einfluss einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels speziell zu berücksichtigen. Hierzu erfolgt über die Zuführung der Ausgangssignale der Luftwirbelkompensationseinheit zu der Basisregelungseinheit beispielsweise durch Addition der Steuerflächenkommandos hinaus eine weitere Anpassung der Regelung durch die Luftwirbelkompensationseinheit und/oder durch die Basiseinheit im Falle der aktiven Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit mit der Basisregelungseinheit in Abhängigkeit des Einflusses einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels.
Die Anpassung erfolgt somit nur dann, wenn auch die Luftwirbelkompensationseinheit aktiv und mit der Basisregeleinheit verknüpft ist. Bei der Zusammenwirkung einer Luftwirbelkompensationseinheit mit einer Basisregeleinheit eines Luftfahrzeugs wurden verschiedene Konflikte erkannt.
Ein Konflikt besteht in unterschiedlichen angestrebten Zielen der Basisregelungseinheit und der Luftwirbelkompensationseinheit zur Ausrichtung der Gierachse. Die Basisregelungseinheit reagiert üblicherweise auf einen vom Piloten durch den Pedalausschlag vorgegebenen Schiebewinkel als Sollwert. Für den Fall, dass kein Pedalausschlag vorhanden ist, versucht der Basisregler einen Schiebewinkel von Null zu erreichen. Das bedeutet, dass der Basisregler während eines Durchflugs durch Luftströmungsverwirblungen anstrebt, den Bug des Flugzeuges in Richtung des resultierenden Windes zu drehen. Damit unterstützt der Basisregler die natürliche Windfahnenstabilität eines Flugzeuges. Ein solches Verhalten, bei dem die Flugzeugnase in den Wind gedreht wird, ist für den Fall von stationärem Seitenwind erwünscht. Während eines Wirbeldurchfluges sollte ein solches Verhalten jedoch gerade verhindert werden. In einem solchen Fall ist gewünscht, dass das Flugzeug möglichst wenig auf die Windgeschwindigkeiten der Wirbelschleppe reagiert. Die Luftwirbelkompensationseinheit versucht somit den Bug des Flugzeugs möglichst unverändert gerade zu halten. Hierzu werden von der Luftwirbelkompensationseinheit Steuerflächenausschläge generiert, die das Gesamtgiermoment zu Null regeln, so dass das Flugzeug keine Gierbewegung durchführt.
Werden nun die Steuerkommandos des Basisreglers, der ein Gieren in den Wind erzeugen möchte, auf die Steuerkommandos der Luftwirbelkompensationseinheit aufaddiert, wird das Ziel der Luftwirbelkompensationseinheit, ein Gieren zu verhindern, nicht mehr vollständig erreicht. Die vom Basisregler erzeugten Kommandos beeinträchtigen also an dieser Stelle den Erfolg der Luftwirbelkompensationseinheit.
Ein weiterer Konflikt tritt bei Fly-by-Wire-Luftfahrzeugen auf, deren Basisregler für die Seitenbewegung eine Entkopplung der Gier- und Rollachse vorsieht. Die Reglerarchitektur des Basisreglers für die Seitenbewegung ist dabei in der Regel so aufgebaut, dass sie die natürliche Kopplung von Gier- und Rollbewegung, die durch den aerodynamischen Schiebe-Rollmomentbeiwert entsteht, künstlich aufhebt. Hierzu wird in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Schiebewinkel mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor auf den kommandierten Querruderausschlag des Rollreglers zurückgeführt. Dies hat zur Folge, dass der Basisregler bei einer reinen Störung des Schiebewinkels (d. h. nur der Schiebewinkel weicht vom Sollwert ab) trotzdem auch einen Querruderausschlag kommandiert und damit erreicht, dass das Flugzeug durch eine reine Gierbewegung auf den Sollwert des Schiebewinkels zurückkehrt, ohne gleichzeitig zu rollen.
Bei einer Kombination eines solchen Basisreglers mit einer Luftwirbelkompensationseinheit tritt das Problem auf, dass der Kopplungsanteil des Schiebewinkel-Rollmoments der Luftströmungsverwirbelung doppelt berücksichtigt und damit übersteuert wird. Der Basisregler unterdrückt nämlich einerseits durch die Schiebewinkel im Rollregler mit einem entsprechenden Querruderkommando bereits die vom wirbelinduzierten Schiebewinkel hervorgerufene Rollbewegung. Andererseits geht in die Berechnung des wirbelinduzierten Rollmomentes, das die Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktion der Luftwirbelkompensationseinheit durch entsprechende Steuerflächenausschläge kompensieren will, ebenfalls der Anteil aus dem wirbelinduzierten Schiebewinkel ein. Da die kommandierten Rollsteuerflächenaufschläge sowohl des Basisreglers als auch der Luftwirbelkompensationseinheit aufaddiert werden, ist eine Anpassung der Regelung entweder durch die Luftwirbelkompensationseinheit oder durch die Basisregelungseinheit erforderlich, um den durch den wirbelinduzierten Schiebewinkel verursachten Anteil am Rollmoment nur an einer Stelle, entweder im Basisregler oder in der Luftwirbelkompensationseinheit zu kompensieren.
Diese Konflikte bei der Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit mit der Basisregeleinheit führen dazu, dass die Kompensation von Einflüssen der Luftströmungsverwirbelungen auf die Lage des Luftfahrzeuges mit Hilfe der Luftwirbelkompensationseinheit nicht optimal wirkt.
Die Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit mit einer Basisregelungseinheit eines Luftfahrzeuges kann dadurch verbessert werden, dass eine weitere Anpassung der Regelung unter Berücksichtigung des Einflusses einer durch Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderung des Schiebewinkels erfolgt.
Es wurde nämlich erkannt, dass die Auswirkungen des wirbelinduzierten Schiebewinkels, der insgesamt am Schwerpunkt des Luftfahrzeuges durch die verschiedenen Luftströmungen in der Umgebung des Luftfahrzeugs wirkt, bei der Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit mit einer Basisregelungseinheit entweder über- oder unterkompensiert wird. Dieser wirbelinduzierte resultierende Schiebewinkel ist ein z.B. durch die Luftwirbelkompensationseinheit ermittelter, abstrakter Schiebewinkel, der die physikalisch an den unterschiedlichen Positionen am Luftfahrzeug tatsächlich angreifenden Schiebewinkel auf einen Schiebewinkelwert z.B. bezogen auf den Schwerpunkt des Luftfahrzeuges zusammenfasst.
Mit dem Verfahren wird insbesondere eine Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen auf Luftfahrzeuge in der Seitenbewegung erreicht. Dabei wird der Flugzustand geregelt, wobei der Flugzeugzustand nicht notwendigerweise nur auf ausgewählte Lagewerte (Gierwinkel, Rollwinkel und Nickwinkel) beschränkt ist, sondern auch Geschwindigkeitswerte (Drehgeschwindigkeiten und translatorische Geschwindigkeiten) und Beschleunigungen umfassen kann. Die Basisregelungseinheit ist somit nicht auf eine Lageregelung (Attitude Command) beschränkt, sondern kann auch einen Geschwindigkeitsregler (Rate Command) oder Beschleunigungsregler (Acceleration Command) umfassen. Unter „Lagesteuerungswert“ im Sinne der vorliegenden Erfindung werden somit alle Werte verstanden, die einen Einfluss auf den Flugzustand des Luftfahrzeuges haben.
Im Hinblick auf die Regelung der Lageänderung um die Gierachse ist es dabei vorteilhaft, wenn ein Schiebewinkel-Vorgabesignal für einen insgesamt auf das Luftfahrzeug wirkenden, resultierenden Schiebewinkel als Kompensationssignal durch die Luftwirbelkompensationseinheit ermittelt wird. Dieses ermittelte Schiebewinkel-Vorgabesignal wird dann einem als Sollwert z. B. durch den Piloten über einen Pedalausschlag vorgegebenen Schiebewinkel überlagert. Dies kann beispielsweise durch einfaches Aufaddieren oder Multiplikation mit einem Verstärkungs-/Dämpfungsfaktor erfolgen. Der mit dem Schiebewinkel-Vorgabesignal überlagerte Schiebewinkel-Sollwert wird dann einer Regelungsfunktion des Basisreglers zugeführt, welche die Regelung der Lageänderung um die Gierachse bewirkt. Damit wird der Basisregler durch den angepassten Schiebewinkel-Sollwert, welcher den Sollwert der Luftwirbelkompensationseinheit zusätzlich zum Pedalausschlag des Piloten erfasst, als angepasster Sollwert angesteuert. Damit laufen nicht zwei Regelungsfunktionen gegeneinander. Vielmehr folgt der Basisregler einerseits dem vorgegebenen Pedalausschlag des Piloten und passt im übrigen den Schiebewinkel in Abhängigkeit vom Schiebewinkel-Vorgabesignal der Luftwirbelkompensationseinheit an. Im Hinblick auf die Gierachse wird der Basisregler selbst somit zur Ausregelung der wirbelinduzierten Lageänderungen genutzt, wobei die Luftwirbelkompensationseinheit einen Sollwert vorgibt. Damit werden nicht einfach durch einen Regelungsalgorithmus der Luftwirbelkompensationseinheit und der Basisregeleinheit kommandierte Steuerflächenausschläge aufaddiert. Vielmehr wird ein Kommando der Luftwirbelkompensationseinheit als Sollwert für die nachfolgende Basisregeleinheit verwendet. Eine gegenläufige Aktion durch die Basisregelungseinheit und die Luftwirbelkompensationseinheit wird auf diese Weise vermieden.
Zur Anpassung der Regelung im Hinblick auf die Lageänderung um die Rollachse ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Überkompensation der durch die Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderungen am Rollmoment aufgrund der Schiebewinkeländerung verhindert wird. Dies kann einerseits durch Unterdrückung der wirbelinduzierten Schiebewinkel-Rollmomentregelung in der Luftwirbelkompensationseinheit oder in der Basisregelungseinheit erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt ein Abschwächen einer Rückführung einer Größe für den Schiebewinkel in einer die Regelung die Lageänderung um die Rollachse bewirkenden Regelungsfunktion des Basisreglers. Ein durch den wirbelinduzierten Schiebewinkel verursachtes Regelungsverhalten für das Rollmoment wird bei aktiver Luftwirbelkompensationseinheit damit im Basisregler entfernt, d. h. unberücksichtigt gelassen, indem die Schiebewinkelrückführung im Rollregler des Basisregler aufgehoben wird. Für eine solche Abschwächung kann beispielsweise ein Verstärkungsfaktor der Rollregelungsfunktion im Basisregler reduziert und ggf. ganz auf Null gesetzt werden. Unter „Abschwächen“ wird somit auch ein vollständiges Abschalten der Rückführung verstanden.
Denkbar ist aber auch, dass die Steuerungssignale, die einen aufgrund von durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderung des Schiebewinkels erzeugten Anteil am Rollmoment kompensieren, in einer die Regelung der Lageänderung um die Rollachse bewirkenden Regelungsfunktion der Luftwirbelkompensationseinheit ausgeblendet werden. Damit wird der Einfluss des wirbelinduzierten Schiebewinkels auf das Rollmoment in der Luftwirbelkompensationseinheit unberücksichtigt gelassen. Dies ist insofern unkritisch, als der Basisregler bereits das Rollmoment im Hinblick auf den Schiebewinkel kompensiert und somit auch den wirbelinduzierten Schiebewinkel berücksichtigt.
Im Hinblick auf die Kompensation des Anteils des Rollmomentes, der durch den wirbelinduzierten Schiebewinkel beeinflusst wird, ist es vorteilhaft, wenn der resultierende Schiebewinkel, d. h. der am Schwerpunkt des Luftfahrzeuges angreifende und durch die Luftverwirbelungen verursachte äquivalente wirbelinduzierte Schiebewinkel aus den durch die Luftströmungsverwirbelungen induzierten Kräfte und Momente berechnet und mit dem aerodynamischen Schiebe-Rollmomentbeiwert verknüpft wird. Die Verknüpfung kann beispielsweise durch Addition oder durch Multiplikation mit oder ohne Multiplikationsfaktor erfolgen. Damit wird der Rollmomentanteil, der durch eine Änderung des auf das Luftfahrzeug insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels aufgrund erfasster Luftströmungswirbel bewirkt wird, durch Verknüpfung der durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderungen eines auf das Luftfahrzeug insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels mit dem aerodynamischen Schiebe-Rollmomentbeiwert ermittelt.
Der resultierende Schiebewinkel kann mit einem geeigneten Modell z.B. durch die Luftwirbelkompensationseinheit bestimmt werden. Die weiteren Informationen sind bei den herkömmlichen Luftfahrzeugregelungseinheiten in der Regel bereits verfügbar.
Eine gattungsgemäße Luftfahrzeugregelungseinheit ist in entsprechender Wiese so ausgestaltet, dass die Basisregelungseinheit und/oder die Luftwirbelkompensationseinheit zur weiteren Anpassung der Regelung durch die Luftwirbelkompensationseinheit und/oder die Basisregelungseinheit im Falle der aktiven Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit mit der Basisregelungseinheit in Abhängigkeit des Einflusses einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels eingerichtet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - Skizze eines Luftfahrzeuges mit einer Luftfahrzeugregelungseinheit;
2 - Blockdiagramm einer Luftwirbelkompensationseinheit und der Gierregelfunktion einer Basisregelungseinheit;
3 - Blockdiagramm einer Luftwirbelkompensationseinheit und einer Rollregelfunktion der Basisregelungseinheit;
Figur 4a - Diagramm des Hängewinkels ohne Luftwirbelkompensation und mit einfacher Überlagerung der Regelungskommandos einer Luftwirbelkompensationseinheit und der Basisregelungseinheit;
Figur 4b - Diagramm des Hängewinkels ohne Luftwirbelkompensation und mit erfindungsgemäß angepasster Kopplung der Luftwirbelkompensationseinheit mit der Basisregelungseinheit;
Figur 5a - Diagramm des Gierwinkels ohne Luftwirbelkompensation und mit einfacher Überlagerung der Regelungsausgänge einer Luftwirbelkompensationseinheit und der Basisregelungseinheit;
Figur 5b - Diagramm des Gierwinkels ohne Luftwirbelkompensation und mit erfindungsgemäß angepasster Kopplung der Luftwirbelkompensationseinheit mit der Basisregelungseinheit;
Figur 6a - Diagramm der Steuerungskommandos für das Querruder durch die Luftwirbelkompensationseinheit und die Basisregelungseinheit sowie der resultierenden Steuerflächenausschläge bei einfacher Überlagerung der Steuerungskommandos;
Figur 6b - Diagramm der Steuerungskommandos für das Querruder durch die Luftwirbelkompensationseinheit und die Basisregelungseinheit und der resultierenden Steuerflächenausschläge bei erfindungsgemäßer Kopplung von Luftwirbelkompensationseinheit und Basisregelungseinheit;
Figur 7a - Diagramm der Steuerungskommandos für das Seitenruder durch die Luftwirbelkompensationseinheit und die Basisregelungseinheit sowie der resultierenden Steuerflächenausschläge bei einfacher Überlagerung der Steuerungskommandos;
Figur 7b - Diagramm der Steuerungskommandos für das Seitenruder durch die Luftwirbelkompensationseinheit und die Basisregelungseinheit und der resultierenden Steuerflächenausschläge bei erfindungsgemäßer Kopplung von Luftwirbelkompensationseinheit und Basisregelungseinheit;
Figur 8a - Diagramm des Hängewinkels ohne Luftwirbelkompensation und mit Anpassung der Luftwirbelkompensationseinheit bei der Kopplung der angepassten Luftwirbelkompensationseinheit mit der Basisregelungseinheit;
Figur 8b - Diagramm des Gierwinkels ohne Luftwirbelkompensation und mit Anpassung der Luftwirbelkompensationseinheit bei der Kopplung der angepassten Luftwirbelkompensationseinheit mit der Basisregelungseinheit.

Figur 1 lässt eine Skizze eines Luftfahrzeuges 1 erkennen, dass von einer im Luftfahrzeug 1 eingebauten Luftfahrzeugregelungseinheit 2 angesteuert wird. Der Pilot kann dabei z.B. mittels Pedalbetätigung Sollwerte C für den Flugzustand vorgeben, die einer Basisregelungseinheit 3 als Führungsgröße zugeführt werden. Die Luftfahrzeugregelungseinheit 2 ist mit den Steuerungsorganen zur Regelung des Flugzustandes des Luftfahrzeuges 1 verbunden. Hierbei werden insbesondere die rechten und linken Querruder 4 sowie das Seitenruder 5 zum Ausgleich von Gier- und Rollmomenten angesteuert. Zudem kann die Luftfahrzeugregelungseinheit 2 auch mit dem rechten und linken Höhenruder 6 zur Regelung der Drehung des Luftfahrzeuges um die Querachse, d.h. zum Ausgleich von Nickmomenten verbunden sein. Die weitere Ansteuerung zusätzlicher Stellflächen ist gleichfalls denkbar.
Bei dem Durchflug des Luftfahrzeuges durch Luftströmungsverwirbelungen 7 in der Umgebung des Luftfahrzeuges, die bspw. von Wirbelschleppen vorausfliegender Luftfahrzeuge herrühren können, ist am Luftfahrzeug 1 mindestens ein Luftströmungssensor 8 eingebaut. Die mit dem Luftströmungssensor 8 gegebenenfalls nach rechnergestützter Modellierung erfassten Luftströmungsverwirbelungen werden als Luftströmungsgröße L einer zusätzlichen Luftwirbelkompensationseinheit 9 zugeführt. Die Luftwirbelkompensationseinheit 9 ist eingerichtet, um durch geeignete Steuerflächenausschläge insbesondere für die Querruder 4 und das Seitenruder 5 die von den erfassten Luftverwirbelungen 7 herrührenden Flugzustandsänderungen des Luftfahrzeuges 1 auszugleichen. Hierzu werden die Kompensationssignale K im Ausgang der Luftwirbelkompensationseinheit 9 den Steuerflächenkommandos S der Basisregelungseinheit 3 überlagert. Dabei werden die Kompensationssignale K jeweils für das rechte und linke Querruder 4 und das Seitenruder 5 dem zugehörigen Steuerflächenkommando S z.B. durch Addition überlagert. Die als einfache Linien dargestellten Kompensationssignale K, Steuerflächensignale S und resultierenden Steuerflächenkommandos umfassen somit in technischer Hinsicht mehrere voneinander getrennte Signalwege für die verschiedenen Stellflächen des Luftfahrzeuges 1.
Zusätzlich zu dieser einfachen Kombination der Luftwirbelkompensationseinheit 9 mit der Basisregelungseinheit 3 durch Überlagerung der Regelungsausgänge K und S erfolgt eine weitere Anpassung der Regelung durch die Luftwirbelkompensationseinheit 9 und die Basisregelungseinheit 3 für den Fall, dass die Luftwirbelkompensationseinheit 9 aktiv ist. Hierbei wird unter anderem ein Schiebewinkel-Vorgabesignal β_WV durch die Luftwirbelkompensationseinheit 9 ermittelt und als Führungsgröße (Sollwert) der Basisregelungseinheit 3 zugeführt. Dieses Schiebewinkel-Vorgabesignal β_WV wird dem durch Pedalausschlag von dem Piloten vorgegebenen Schiebewinkel β_Pedal als ein Sollwert C z.B. durch Addition überlagert. Damit lässt sich die Wirkung der Luftfahrzeugregelungseinheit bei der Kompensation von Luftverwirbelungen im Hinblick auf die Flugzustandsänderung um die Gierachse verbessern.
Generell erfolgt die weitere Anpassung der Luftwirbelkompensationseinheit 9 und der Basisregelungseinheit 3 so, dass der Einfluss einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen L bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug 1 insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels berücksichtigt wird.
Figur 2 lässt ein Blockdiagramm einer Luftfahrzeugregelungseinheit mit einem Luftströmungssensor 8, einer Luftwirbelkompensationseinheit 9 und einer Basisregelungseinheit 3 erkennen. Die durch den Luftströmungssensor 8 erfassten Luftströmungsverwirbelungen werden entweder als Messgröße oder als aufbereitete Information der Luftwirbelkompensationseinheit 9 zugeführt, die in an sich bekannter Weise am Ausgang Steuerkommandos δ_r,WV zur Kompensation der durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen bewirkten Änderungen der Lage des Luftfahrzeuges 1 in Bezug auf die Gierachse bereitstellt. Diese Steuerkommandos δ_r,WV werden als Kompensationssignale den Steuerflächenkommandos δ_r,C der Basisregelungseinheit 3 durch Addition überlagert und dem Seitenruder 5 zu dessen Ansteuerung zugeführt.
Der Basisregler erhält als Führungsgrößen von dem Luftfahrzeug 1 Messwerte und Sollwerte umfassend den durch Pedalausschlag vorgegebenen Schiebewinkel β_Pedal. Diesem Sollwert β_Pedal, der den Schiebewinkel beeinflusst, wird ein Schiebewinkel-Vorgabesignal β_WV der Luftwirbelkompensationseinheit 9 durch Addition überlagert. Die Kompensation des wirbelinduzierten Gierwinkels erfolgt dann durch die Luftwirbelkompensationseinheit 9. Die Anpassung des Sollwertes der Basisregelungseinheit 3 bewirkt, dass die Basisregelungseinheit 3 nicht mehr dieser Kompensation entgegenwirkt
Indem von dieser resultierenden Schiebewinkel-Führungsgröße ein rückgeführter Schiebewinkel β_est abgezogen wird, ergibt sich der zu minimierende Regelfehler.. Das Ergebnis wird dann mit zugeordneten Verstärkungsfaktoren K_Pβ,δr als proportionalem Verstärkungsfaktor und K_Iβ,δr als integraler Verstärkungsfaktor multipliziert. Der Ausgang des integralen Verstärkungsfaktors K_Iβ,δr wird integriert und als Gierregler-Integratorzustand x_r einem Summierer 11 zugeführt. In dem Summierer 11 werden die gewichteten Größen der Basisregelungseinheit 3 summiert, um einen kommandierten Seitenruderausschlag δ_r,C zu erhalten.
In entsprechender Weise wird der Hängewinkel Φ, die Rollrate p, die Gierrate r und der Rollregler-Integratorzustand x_p einer Rollregelungsfunktion der Basisregelungseinheit 3 mit zugeordneten Verstärkungsfaktoren multipliziert und der Summiereinheit 11 zugeführt.
Hierbei werden proportionale Verstärkungsfaktoren des Zustandes i auf die Steuerfläche δ_j definiert, d.h. K_Pi,δj. Die Zustände sind der Hängewinkel Φ, der die Rollrate p, die Gierrate r und der Rollregler-Integratorzustand x_p.
Durch die zusätzliche Anpassung der Rollreglerfunktion der Basisregelungseinheit 3 durch Überlagerung des durch Pedalausschlag kommandierten Schiebewinkels β_Pedal durch die aufgrund der Luftströmungsverwirbelungen erfolgten Änderungen des Schiebewinkels für den Fall, dass die Luftwirbelkompensationseinheit aktiv ist, wird das Regelungsverhalten im Hinblick auf die Lageänderung des Luftfahrzeuges 1 um die Gierachse verbessert.
Figur 3 lässt ein Blockdiagramm einer Luftfahrzeugregelungseinheit 2 mit einem Luftströmungssensor 8, einer Luftwirbelkompensationseinheit 9 und einer Rollregelungsfunktion der Basisregelungseinheit 3 erkennen. Wiederum werden die Steuerkommandos δ_a,WV der Luftwirbelkompensationseinheit 9 den Steuerflächenkommandos δ_a,C der Basisregelungseinheit 3 überlagert. Im Hinblick auf die Lageänderung um die Rollachse wird nun eine Überkompensation im Hinblick auf den Einfluss des Schiebewinkels dadurch vermieden, dass der Wert des rückgeführten Schiebewinkels β_est in der Basisregelungseinheit 3 ausgeblendet wird. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass der proportionale Verstärkungsfaktor K_Pβ,δa reduziert oder sogar ganz auf Null gesetzt wird, wenn die ansonsten unverändert arbeitende Luftwirbelkompensationseinheit 9 aktiv ist.
Die Rollregelungsfunktion der Basisregelungseinheit 3 hat als Führungsgrößen am Eingang den kommandierten Hängewinkel Φ_C und den gemessenen Hängewinkel Φ, dessen Differenz jeweils einem proportionalem Verstärkungsfaktor K_PΦ,δa und einem integralen Verstärkungsfaktor K_IΦ,δa zugeführt wird. Das mit dem integralen Verstärkungsfaktor K_IΦ,δa gewichtete Ausgangssignal wird einem Integrator zugeführt, um den Rollregler-Integratorzustand x_p zu ermitteln. Dabei handelt es sich um den Rollregler-Integratorzustand x_p, der als Rückführgröße der Gierreglerfunktion der Basisregelungseinheit 3 gemäß 2 zugeführt wird.
Weiterhin wird die Rollrate p, die Gierrate r und der in der Gierregelungsfunktion der Basisregelungseinheit 3 gemäß 2 ermittelte Gierregler-Integratorzustand x_r jeweils mit einem zugeordneten proportionalen Verstärkungsfaktor K_Pp,δa, K_Pr,δa und K_Pxr,δa hinzugeführt.
Die Ergebnisse werden insgesamt wieder in einem Summierer 12 aufsummiert, um als Ergebnis einen kommandierten Querruderausschlag δ_a,C zu erhalten. Dieser kommandierte Querruderausschlag δ_a,C wird mit dem zugeordneten Steuerkommando δ_a,WV der Luftwirbelkompensationseinheit 9 überlagert, um den Querrudern (ailerons) zugeführt zu werden.
Optional kann zusätzlich noch eine Einheit 13 zur Verbindung der Querruderausschläge mit den Spoilerausschlägen vorgesehen sein, die als Eingangssignal den kommandierten Querruderausschlag δ_a,C und als Ausgangssignal ein Spoiler-Kommando Ö_SP,left,C und δ_SP,right,C für den linken und rechten Spoiler bereitstellt.
Alternativ zur Modifikation der Basisregelungseinheit 3 im Hinblick auf die Schiebewinkelrückführung β_est ist auch denkbar, die Luftwirbelkompensationseinheit 9 derart zu modifizieren, dass in dem Steuerkommando δ_a,WV für die Luftwirbelkompensation im Hinblick auf den Querruderausschlag der Einfluss des auf das Rollmoment wirkenden Schiebewinkels unberücksichtigt bleibt.
Die Luftwirbelkompensationseinheit 9 kann bspw. nach dem in der DE 10 2013 012 059.8 beschriebenen Prinzip funktionieren. Die Luftwirbelkompensationseinheit 9 detektiert die Störmomente, die Luftströmungsverwirbelungen, wie z.B. Wirbelschleppen bei einem Flugzeug hervorrufen und kommandiert die Steuerflächenausschläge, die entgegengesetzte Momente zu den Störmomenten erzeugen, sodass die Störung keine Flugzeugbewegungen hervorrufen.
Aus den in den 4a bis 8b dargestellten Diagrammen wird die Wirksamkeit des Verfahrens zur Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen auf Luftfahrzeuge 1 durch weitere Anpassung unter Berücksichtigung der Effekte der Schiebewinkel deutlich.
Figur 4a lässt ein Diagramm des Hängewinkels während eines lateralen 10° Wirbelschleppendurchfluges erkennen, bei dem die Luftwirbelkompensationseinheit 9 in herkömmlicher Weise mit der Basisregelungseinheit 3 derart gekoppelt ist, dass die Kompensationssignale der Luftwirbelkompensationseinheit 9 einfach den Steuerflächenkommandos der Basisregelungseinheit 3 überlagert werden.
Die durchgezogene Linie des Hängewinkels Φ über die Zeit t bei einem Wirbelschleppendurchflug zeigt die Änderung des Hängewinkels Φ ohne Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktion, d.h. bei deaktivierter Luftwirbelkompensationseinheit 9. Deutlich wird, dass sich die Amplitude des Hängewinkels Φ signifikant um die Nulllage in beide Richtungen ändert.
Bei Aktivierung der Luftwirbelkompensationseinheit 9 und einfacher Überlagerung der Kompensationssignale der Luftwirbelkompensationseinheit 9 mit der Basisregelungseinheit 9 wird die Hängewinkeländerung Φ bereits merklich gedämpft.
4b zeigt ein Diagramm der Änderung des Hängewinkels Φ über die Zeit t während des lateralen 10° Wirbelschleppendurchfluges mit erfindungsgemäß angepasster Kombination von Luftwirbelkompensationseinheit 9 und Basisregelungseinheit 3, indem die Schiebewinkelrückführung β_est in der Rollregelfunktion der Basisregelungseinheit 3 eliminiert und für die Gierregelfunktion der Basisregelungseinheit 3 gemäß 2 der vorgegebenen Schiebewinkel β_Pedal mit dem Schiebewinkel-Vorgabesignal β_WV der Luftwirbelkompensationseinheit 9 überlagert wird. Erkennbar ist, dass der bei aktivierter Luftwirbelkompensationseinheit 9 resultierende Hängewinkel Φ im Vergleich zur Steuerung des Luftfahrzeuges 1 ohne Luftwirbelkompensationseinheit (durchgezogene Linie) und im Vergleich zur einfachen herkömmlichen Kopplung der Luftwirbelkompensationseinheit 9 mit der Basisregelungseinheit 3 (4a) signifikant gedämpft wird.
Entsprechend zeigt 5a den Gierwinkel Ψ über die Zeit während des lateralen 10° Wirbelschleppendurchfluges ohne Luftwirbelkompensation mit einer einfachen Kopplung der Luftwirbelkompensationseinheit 9 mit der Basisregelungseinheit 3 durch Überlagerung der Kompensationssignale am Ausgang der Luftwirbelkompensationseinheit 9 mit den Steuerflächenkommandos der Basisregelungseinheit 3. Die durchgezogene Linie zeigt den Gierwinkel Ψ ohne Luftwirbelkompensation, während die gestrichelte Linie das Verhalten des Gierwinkels Ψ während des Wirbelschleppendurchfluges mit aktivierter Luftwirbelkompensation zeigt. Deutlich wird, dass trotz der Luftwirbelkompensation immer noch deutliche Ausschläge des Gierwinkels Ψ vorhanden sind.
5b zeigt hingegen ein Diagramm des Verhaltens des Gierwinkels bei dem lateralen 10° Wirbelschleppendurchflug mit erfindungsgemäß angepasster Kombination aus Luftwirbelkompensationseinheit 9 und Basisregelungseinheit 3, wie im Bezug auf 4b oben bereits beschrieben. Erkennbar ist, dass der ansonsten ohne Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktion auftretende Gierwinkel Ψ (durchgezogene Linie) signifikant gedämpft wird, wenn die Luftwirbelkompensation aktiv ist (gestrichelte Linie). Dies resultiert insbesondere daraus, dass dem durch den Piloten vorgegebenen Schiebewinkel β_Pedal das Schiebewinkel-Vorgabesignal β_WV der Luftwirbelkompensationseinheit 9 überlagert und als Führungsgröße der Basisregelungseinheit 3 zugeführt wird. Damit wird im Wesentlichen verhindert, dass der Basisregler 3 versucht die Nase des Luftfahrzeuges 1 in den Wind zu drehen.
Der Grund für die in den 4a und 5a im Vergleich zu dem Diagramm der 4b und 5b zu beobachtende schlechtere Wirksamkeit der Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktion ohne Anpassung besteht darin, dass die Basisregelungseinheit 3 gegen die Kommandos der Luftwirbelkompensationseinheit 9 arbeitet.
6a zeigt die Kompensationssignale der Luftwirbelkompensationseinheit 9 und die Steuerungssignale der Basisregelungseinheit 3, die als Kommandos für die zugeordneten Steuerflächen des Luftfahrzeuges 1 genutzt werden. Die durchgezogene Linie zeigt das Kompensationssignal der Luftwirbelkompensationseinheit für das rechte Querruder (Aileron RH) über die Zeit t während eines lateralen 10° Wirbelschleppendurchfluges. Die gepunktete Linie zeigt die Steuerflächenkommandos der Basisregelungseinheit 3 für das rechte Querruder und die strichpunktierte Linie den resultierenden, durch Überlagerung des Kompensationssignals der Luftwirbelkompensationseinheit 9 mit dem Steuersignal der Basisregelungseinheit 3 resultierenden Steuerflächenausschlag. Deutlich wird, dass bei einer herkömmlichen Überlagerung der Ausgangssignale der Luftwirbelkompensationseinheit 9 mit der Basisregelungseinheit 3 ohne weitere Anpassung die Steuerflächenkommandos aufaddiert werden. Obwohl die Luftwirbelkompensationseinheit 9 genau die Steuerflächenausschläge kommandiert, die nötig wären, um eine Flugzeugreaktion auf Luftverwirbelungen zu verhindern, erzeugt auch die Basisregelungseinheit 3 noch zusätzliche Steuerungskommandos. Die tatsächlichen Steuerflächenausschläge entsprechen damit nicht mehr den für die Kompensation der Einflüsse der Luftverwirbelungen notwendigen Steuerflächenausschlägen, sodass die wirbelinduzierte Flugzeugreaktion nicht mehr optimal verhindert wird.
Entsprechend zeigt 7a die Kompensationssignale der Luftwirbelkompensationseinheit 9 (durchgezogene Linie), die Steuerflächenkommandos der Basisregelungseinheit 3 (gestrichelte Linie) und den resultierenden Steuerflächenausschlag (strichpunktierte Linie) für das Seitenruder und damit in Bezug auf das Rollverhalten.
Die Steuerflächenkommandos der Basisregelungseinheit 3 resultieren zum Einen daher, dass die Basisregelungseinheit 3 in der Gierachse ein anderes Ziel verfolgt als die Luftwirbelkompensationseinheit 9. Anstatt ein Gieren zu verhindern versucht die Basisregelungseinheit 3, den Schiebewinkel β auf den vom Piloten vorgegebenen Schiebewinkel β_Pedal einzustellen. Wenn der Pilot wie üblich keine Pedaleingaben macht, wird der Schiebewinkel β zu Null geregelt und dafür die Flugzeugnase in Richtung des anströmenden Windes gedreht. Zum Anderen versucht die Basisregelungseinheit 3, den durch den Schiebewinkel entstehenden Anteil des Rollmomentes durch einen Querruderausschlag zu kompensieren. Da der Schiebewinkel β durch die wirbelinduzierten Windgeschwindigkeiten entsteht, berücksichtigt die Luftwirbelkompensationseinheit 9 jedoch bereits diesen Rollmomentanteil und kommandiert ebenfalls einen Querruderausschlag, um diesen auszugleichen. Das Aufsummieren der Kommandos der Luftwirbelkompensationseinheit 9 und der Basisregelungseinheit 3 führt zu einer Überkompensation.
6b und 7b zeigen hingegen die Kompensationssignale der Luftwirbelkompensationseinheit (durchgezogene Linie) und die Steuerflächenkommandos der Basisregelungseinheit 3 (gepunktete Linie) und den resultierenden Steuerflächenausschlag (strichpunktierte Linie) bei Überlagerung der Signale, wenn die Luftwirbelkompensationseinheit und die Basisregelungseinheit im Hinblick auf den Einfluss des Schiebewinkels angepasst ist. Deutlich wird, dass nunmehr der resultierende Steuerflächenausschlag im Wesentlichen dem Kompensationssignal der Luftwirbelkompensationseinheit 9 folgt, während der Basisregler kaum auf die Einflüsse der Wirbelschleppe bei dem untersuchten lateralen 10° Wirbelschleppendurchflug reagiert. Die Basisregelungseinheit 3 kommandiert somit keine störenden Steuerflächenausschläge mehr und die Kommandos der Luftwirbelkompensationseinheit 9 werden nahezu perfekt in tatsächliche Steuerflächenausschläge umgesetzt.
8a zeigt ein Diagramm des Hängewinkels Φ über die Zeit bei einem lateralen 10° Wirbelschleppendurchflug mit unveränderter Rollregelungsfunktion der Basisregelungseinheit 3 aber modifizierter Luftwirbelkompensationseinheit 9. Anstelle der Anpassung der Rollregelfunktion der Basisregelungseinheit 3 werden nunmehr in der Luftwirbelkompensationseinheit 9 keine schiebewinkelinduzierten Rollmomentanteile berücksichtigt. Die Anpassung des Sollwerts des Gierreglers der Basisregelungseinheit 3 wird hingegen analog zur Ausführungsform gemäß 2 durchgeführt.
Für die Anpassung der Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktion wurde das aus den induzierten Wirbelgeschwindigkeiten resultierende Schieberollmoment vom detektierten wirbelinduzierten Rollmoment abgezogen. Dazu wird ein äquivalenter wirbelinduzierter Schiebewinkel aus den wirbelinduzierten Kräften und Momenten berechnet und dieser äquivalente, insgesamt auf das Luftfahrzeug wirkende resultierende Schiebewinkel mit dem aerodynamischen Schiebewinkel-Rollmomentbeiwert C_Iβ multipliziert.
Das Diagramm des Hängewinkels Φ gemäß Figur 8a und des Gierwinkels Ψ gemäß 8b zeigt im Vergleich mit den Figuren 4b und 4b, dass dieser alternative Lösungsansatz geringfügig weniger effizient ist, als das Entfernen der Schiebewinkelrückführung im Rollregler. Die erreichbare Abschwächung des Gierwinkels Ψ durch die Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktion bleibt hingegen gleich (vgl. von Figur 6b und 8). Die Abminderung des Hängewinkels Φ wird im Vergleich zu 5b geringfügig beeinträchtigt. Trotz der geringen Einbußen bzgl. der Abminderung der wirbelinduzierten Flugzeugreaktion hat dieser beschriebene Lösungsansatz zur Anpassung der Luftwirbelkompensationseinheit 9 den Vorteil, dass die Rückführungen der Basisregelungseinheit 3 nicht verändert werden. Dadurch wird die Eigendynamik des Luftfahrzeuges 1, z.B. Flugzeug, die für die Auslegung der Basisregelungseinheit 3 ausschlaggebend war, nicht verändert. Die Anpassung des Sollwerts des Gierreglers hat ebenfalls keine Auswirkung für die Eigendynamik des Luftfahrzeuges 1.
Mit dieser angepassten Luftfahrzeugregelungseinheit 2 und das angepasste Verfahren zur Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen auf Luftfahrzeuge 1 kann die Sicherheit und der Passagierkomfort von Flugzeugen bei Wirbelschleppendurchflügen in allen Flugphasen erhöht werden. Dabei wird es möglich, das Potential von Wirbelschleppen-Gegensteuerungsfunktionen auch bei modernen Flugzeugen mit Fly-by-Wire-Flugsteuerung ohne Beeinträchtigungen durch die existierende Basisregelungseinheit 3 des Luftfahrzeuges 1 vollständig auszunutzen und die Flugzeugreaktion während des Wirbelschleppendurchfluges optimal abzuschwächen. Durch das verbesserte Flugverhalten ist denkbar, dass für die Flugzeuge, die mit der Kombination aus Basisregelungseinheit 3 und Luftwirbelkompensationseinheit 9 ausgestattet sind, geringere Staffelungsabstände eingeführt werden könnten. Somit kann bei gleichbleibender Sicherheit die Kapazität im Luftraum und an Flughäfen deutlich erhöht werden.

Claims

Verfahren zur Reduzierung des Einflusses von Luftströmungsverwirbelungen (7) auf Luftfahrzeuge (1), die eine Basisregelungseinheit (3) zur Regelung des Flugzustandes des Luftfahrzeuges (1) in Abhängigkeit von vorgegebenen Lagesteuerungswerten und eine Luftwirbelkompensationseinheit (9) zur Erfassung von Luftströmungsverwirbelungen (7) in der Umgebung des Luftfahrzeuges (1) und zur Ermittlung von Kompensationswerten (K) zur Reduzierung des Einflusses der erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) hat, wobei die Ausgangssignale (K) der Luftwirbelkompensationseinheit (9) mit der Basisregelungseinheit (3) verknüpft werden, gekennzeichnet durch weiteres Anpassen der Regelung durch die Luftwirbelkompensationseinheit (9) und/oder Basisregelungseinheit (3) im Falle der aktiven Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit (9) mit der Basisregelungseinheit (3) in Abhängigkeit des Einflusses einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug (1) insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ermitteln eines Schiebewinkel-Vorgabesignals (ßwv) für einen insgesamt auf das Luftfahrzeug (1) wirkenden resultierenden Schiebewinkel als Kompensationssignal durch die Luftwirbelkompensationseinheit (9), Überlagern dieses ermittelten Schiebewinkel-Vorgabesignals (ßwv) mit einem als Sollwert (C) vorgegebenen Schiebewinkel (β_Pedal) und Zuführen des mit dem Schiebewinkel-Vorgabesignal (ßwv) überlagerten Schiebewinkel-Sollwertes zu einer die Regelung der Lageänderung um die Gierachse bewirkenden Regelungsfunktion der Basisregelungseinheit (3).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Abschwächen einer Rückführung einer Größe (β_est) für den Schiebewinkel in einer die Regelung der Lageänderung um die Rollachse bewirkenden Regelungsfunktion der Basisregelungseinheit (3).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ausblenden der Steuerungssignale, die einen aufgrund von durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) bewirkten Änderungen des Schiebewinkels erzeugten Anteil am Rollmoment kompensieren, in einer die Regelung der Lageänderung um die Rollachse bewirkenden Regelungsfunktion der Luftwirbelkompensationseinheit (9).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln des Rollmomentanteils, der durch eine Änderung eines auf das Luftfahrzeug (1) insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels aufgrund erfasster Luftströmungsverwirbelungen (7) bewirkt wird, durch Verknüpfung der durch erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug (1) insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels mit einem aerodynamischen Schiebe-Rollmomentenbeiwert (C_iβ).
Luftfahrzeugregelungseinheit (2) mit einer Basisregelungseinheit (3) zur Regelung des Flugzustandes des Luftfahrzeuges (1) in Abhängigkeit von vorgegebenen Lagesteuerungswerten (S), - mit mindestens einem Luftströmungssensor (8) zur Erfassung von Luftströmungsverwirbelungen (7) in der Umgebung des Luftfahrzeuges (1) und - mit einer Luftwirbelkompensationseinheit (9) zur Ermittlung von Kompensationswerten (K) zur Reduzierung des Einflusses der erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7), wobei die Ausgangssignale der Luftwirbelkompensationseinheit (9) mit der Basisregelungseinheit (3) verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisregelungseinheit (3) und/oder die Luftwirbelkompensationseinheit (9) zur weiteren Anpassung der Regelung durch die Luftwirbelkompensationseinheit (9) und/oder die Basisregelungseinheit (3) im Falle der aktiven Zusammenwirkung der Luftwirbelkompensationseinheit (9) mit der Basisregelungseinheit (3) in Abhängigkeit des Einflusses einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug (1) insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels eingerichtet ist.
Luftfahrzeugregelungseinheit (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftwirbelkompensationseinheit (9) zur Ermittlung eines Schiebewinkel-Vorgabesignals (ßwv) eines insgesamt auf das Luftfahrzeug (1) wirkenden Schiebewinkels als Kompensationssignal eingerichtet ist und mit der Basisregelungseinheit (3) so verbunden ist, dass dieses ermittelte Schiebewinkel-Vorgabesignal (ßwv) einem als Sollwert (C) für die Basisregelungseinheit (3) vorgegebenen Schiebewinkel (β_Pedal) überlagert und der mit dem Schiebewinkel-Vorgabesignal (ßwv) überlagerte Schiebewinkel-Sollwert zu einer die Regelung der Lageänderung um die Gierachse bewirkenden Regelungsfunktion der Basisregelungseinheit (3) zugeführt wird.
Luftfahrzeugregelungseinheit (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisregelungseinheit (3) zur Abschwächung einer Rückführung einer Größe für den Schiebewinkel in einer die Regelung der Lageänderung um die Rollachse bewirkenden Regelungsfunktion der Basisregelungseinheit (3) eingerichtet ist.
Luftfahrzeugregelungseinheit (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftwirbelkompensationseinheit (9) so eingerichtet und mit der Basisregelungseinheit (3) verschaltet ist, dass in einer die Regelung der Lageänderung um die Rollachse bewirkenden Regelungsfunktion der Luftwirbelkompensationseinheit (9) die Steuerungssignale zur Kompensation eines Anteils am Rollmomentanteil aufgrund einer durch die erfassten Luftströmungsverwirbelungen (7) bewirkten Änderung eines auf das Luftfahrzeug (1) insgesamt wirkenden resultierenden Schiebewinkels ausgeblendet werden.