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Die Erfindung betrifft eine Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung für Luftfahrt-Anwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik sind Seileinzugsvorrichtungen für den Flugzeugschlepp bekannt, so zum Beispiel aus der
DE-OS 29 23 185 . Die bekannten Vorrichtungen nutzen für den Einzugsprozess einen elektrischen Antrieb in Form eines Elektromotors mit Innenläufer. In der
DE-OS 29 23 185 werden sogar zwei Elektromotoren mit Planetengetriebe vorgeschlagen, die über Keilriemen die Seiltrommel antreiben, so dass bei Ausfall eines Elektromotors, der andere das Seil immer noch sicher einziehen kann. Für den äußersten Notfall, wenn z.B. das Schleppseilende am Flugzeug nicht ausgekuppelt werden kann, ist noch eine Seilkappvorrichtung vorgesehen, die das Schleppseil kappen kann. Im Normalfall jedoch wird das Seil von der Seileinzugsvorrichtung sicher und vollständig eingezogen. Um dabei eine Beschädigung durch zu starkes oder zu weites Einziehen des Seiles zu verhindern, sind bereits konstruktive Lösungen bekannt, welche die Seileinzugskraft limitieren; dies geschieht beispielsweise durch den Einsatz einer Magnetkupplung oder einer Rutschkupplung. Was wiederum den Auszugsprozess des Seiles angeht, so soll insbesondere ein Verknoten des Seils vermieden werden. Hierzu ist ein Bremsmoment an der Seiltrommel notwendig. Dies wird im Stand der Technik durch eine mechanische Bremse realisiert, so wie dies z.B. in der genannten
DE-OS 29 23 185 offenbart wird.
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Aufgrund der konstruktiven Komplexität des Standes der Technik beanspruchen diese Vorrichtungen einen großen Bauraum und hohes Gewicht.
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Weitere Schwierigkeiten können auch am Boden beim Anschleppvorgang auftreten, in welchem der Schlepppilot durch Rollen das Schleppseil strafft. Üblicherweise wird der Anschleppvorgang zumeist rein manuell ausgeführt, wobei es auf die Erfahrung des Schlepppiloten und des Helfers ankommt, der dem Piloten mittels Handzeichen die Phasen des Anschleppvorgangs signalisiert (Seil schlaff, Seil wird angezogen, Seil ist gespannt). Daher kommt es nicht selten zu einem unerwünscht harten Anschleppen, wobei das Schleppflugzeug beim Straffen des Seiles noch eine recht hohe Restgeschwindigkeit aufweist. Dies verursacht dann hohe Lastspitzen in der Struktur des Schleppflugzeuges sowie des geschleppten Flugzeuges oder Objektes.
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Des Weiteren ist zu beachten, dass auch die Bedienung der aktuell bekannten Seileinzugs- und Ausbringungs-Vorrichtungen manuell durch den Piloten des Schleppflugzeuges erfolgt, was wiederum seine Arbeitsbelastung während der komplexen Flugphase des Absteigens nach dem Ausklinken des geschleppten Objektes oder Flugzeuges deutlich erhöht. Dies stellt eine zusätzliche Fehler- und Gefahrenquelle im Flugbetrieb dar. Die Montage der Vorrichtungen des Standes der Technik erfordert häufig den Umgang mit recht komplexen mechanischen und elektrischen Verbindungen. Eine Demontage der jeweiligen Vorrichtung bzw. Einheit ist, wenn überhaupt vorgesehen, mit hohem Arbeitsaufwand unter Verwendung von Spezial-Werkzeug verbunden. Außerdem reduziert das zusätzliche Gewicht der Vorrichtung die Zuladung und Effizienz des Schleppflugzeuges, wenn es nicht im Schleppbetrieb verwendet wird. Eine Demontage der Vorrichtungen des Standes der Technik ist zudem nicht möglich ohne das Seil auf der Vorrichtung komplett zu entfernen und weitere Demontageschritte der am Ende des Seiles vorhandenen Vorrichtung zur Verbindung mit dem zu schleppenden Flugzeug oder Objekt durchzuführen.
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Eine Montage der Vorrichtungen des Standes der Technik ist daher nur mit hohem Aufwand und erneutem Einfädeln des gesamten Seiles in die Vorrichtung sowie eines erneuten langsamen Einziehvorganges möglich.
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AUFGABE UND LÖSUNG GEMÄSS DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass sie eine signifikant reduzierte konstruktive Komplexität aufweist sowie reduzierten Bauraum und Gewicht bietet. Auch sollen Bedienbarkeit und Funktionssicherheit erhöht werden. Diesbezüglich soll auch ein Verfahren zur Steuerung bzw. zum besseren Betrieb einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen werden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung für Luftfahrt-Anwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch.
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Demnach weist die hier vorgestellte Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung als Antriebsmotor einen in die Seiltrommel integrierten Elektromotor auf, der einen Innen angeordneten Stator und einen Außen angeordneten Rotor aufweist. Somit wird in der erfindungsgemäßen Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung für Luftfahrt-Anwendungen ein Außenläufermotor in die Seiltrommel integriert, wodurch eine sehr kompakte und leistungsstarke Konstruktion geschaffen wird, die zum Einbau in Luftfahrzeugen, insbesondere in Schleppflugzeugen, geeignet ist.
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Vorzugsweise ist der Elektromotor als ein elektronisch kommutierter Elektromotor, insbesondere als ein bürstenloser Gleichstrommotor (kurz BLDC-Motor) ausgebildet. Dabei weist die Vorrichtung zur Kommutierung des Elektromotors eine Steuereinheit auf, die zumindest einen der folgenden Betriebsfunktionen des Elektromotors steuert: Drehgeschwindigkeit und/oder Drehmoment und/oder ein Umschalten von Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb und umgekehrt.
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Vorzugsweise wird als Antriebsmotor ein hochpoliger Elektrotor eingesetzte, der eine Pol-Anzahl von 30 bis 200 Polen und eine Nuten-Anzahl von 25 bis 200 aufweist. Hierdurch kann ein Rastmoment erreicht werden, das ausreicht, um die Seilkräfte bei ausgebrachtem Seil sowohl in der Luft wie auch am Boden aufzunehmen und dennoch es weiterhin ermöglicht, dass das Seil leicht ausgezogen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass ein Rastmoment von etwa 0,5 Nm bei einem Trommeldurchmesser von etwa 30 cm ausreichend ist. Dies kann z.B. mit einem Elektromotor realisiert werden, der 70–80 Magnete und 50–60 Nuten aufweist, wobei bevorzugter Weise etwa 6 Windungen pro Phase vorhanden sein sollten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung, wobei eine mit dem elektronisch kommutierbaren Elektromotor verbundene Steuereinheit zumindest eine der folgenden Betriebsfunktionen des Elektromotors steuert:
- – Drehgeschwindigkeit und/oder Drehmoment;
- – Umschalten von Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb.
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Durch die Steuerung wird u.a. eine Kontrolle bzw. Überwachung der ausgezogenen Seillänge ermöglicht, beispielsweise durch Sensoren in der Vorrichtung, dem Seil oder einem anderen Ort. Die Steuerung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass über Drehgeschwindigkeit und/oder Drehmoment die Seileinzugsgeschwindigkeit sowie die Zugkraft optimal geregelt werden können. Im Generatorbetrieb kann die Vorrichtung auch als regelbare Bremse beim Ausbringen bzw. Ausziehen des Seiles genutzt werden, wodurch nicht nur das Auftreten von Seilschlingen oder -knoten effektiv verhindert wird, sondern auch eine Rückspeisung bzw. Umwandlung der Bremsenergie in elektrische Energie genutzt werden kann, um z.B. Akkumulatoren an Bord aufzuladen, oder der Steuereinheit den überwachenden Betrieb auch ohne Zuführung von Fremdenergie zu ermöglichen.
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Des Weiteren kann die Steuerung den Motor in einer Weise aussteuern, dass im Schleppflug eventueller Seildurchhang eingezogen wird und gegen eine Bremse, den Widerstand eines Generatorbetriebes oder einer aktiven Gegenkraft durch den Motor freigegeben wird. Dadurch wird erreicht, dass ein harter Ruck beim Straffen des Seiles gemildert wird, was wiederum die Flugsicherheit erhöht, ein Versagen des Seiles oder der Sollbruchstelle vermeidet und die Belastung auf Schleppflugzeug und das geschleppte Flugzeug oder Objekt reduziert.
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Die Steuerung des Elektromotors bzw. seine Kommutierung erfolgt vorzugsweise mittels mindestens eines Sensors, die mit der Steuereinheit verbunden sind und zumindest einen der folgenden Messgrößen erfasst: Drehzahl- und/oder Lastmoment des Elektromotors; Luftdruck- und/oder Sinkrate während der Flugphase; Position des einzuziehenden bzw. auszubringenden Seils, insbesondere Endpositionen bei eingezogenem bzw. ausgebrachtem Seil. Damit kann z.B. eine Einzugsautomatik realisiert werden, bei der das Seil automatisch eingezogen wird, wenn der/die Sensoren erkennen, dass nach dem Ausklinken des Segelflugzeugs die Schleppmaschine wieder absteigt (Luftdruckmesser, Variometer, Fahrtmesser, Querneigung, GPS/Galileo usw.).
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Eine weitere Variante der beschriebenen Vorrichtung enthält Sensoren, welche die Geschwindigkeit des Seileinzuges und/oder die Position des Seiles relativ zu einer Endposition bestimmen. Diese Sensoren können beispielsweise optisch und/oder auf einem anderen Messprinzip basieren. In einer möglichen Ausführung nutzen diese und/oder andere Sensoren das Seil und/oder in das Seil eingebrachte Vorrichtungen, beispielsweise einen leitfähigen Draht oder leitfähigen Körper, um Messungen vorzunehmen und/oder einen Seilriss zu detektieren.
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Bevorzugter Weise kann die Steuereinheit mindestens eines der folgenden Ausgangssignale erzeugen: Signale über die Endposition und/oder Näherung an die Endposition bei ausgebrachtem Seil; Log-Signale über den laufenden Betrieb der Vorrichtung; Signale, welche einen erfolgten Ausklinkvorgang oder einen Seilriss anzeigen. Solche Signale können dazu dienen, den Piloten zu warnen bzw. über einen bestimmten Zustand aufmerksam zu machen, wie z.B. beim Anschleppen mit dem Signal, dass sich nur noch wenige Meter Seil auf der Trommel befinden oder, dass eine Trennung vom geschleppten Flugzeug oder Objekt erfolgt ist. Des Weiteren können Logdaten erzeugt werden, um diese an Auswertungssysteme weiterzugeben, wie z.B. ein Aufwandserfassungs- und Abbrechungssystem für Flugzeugschleppdienste. Diese Logdaten können auch Informationen von mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundenen Informationsquellen enthalten, beispielsweise Positionsinformationen des Schleppflugzeuges und des geschleppten Flugzeuges sowie beispielsweise Flugzeugkennung des geschleppten Flugzeuges.
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Die Steuereinheit der Seil-Einzugs- und Ausbringungsvorrichtung enthält in einer weiteren Ausführung Schnittstellen welche eine Datenübertragung per Speichermedium, Kabel oder Funk erlauben. Diese übertragenen Daten können beispielsweise die Logdaten sein und während des Fluges oder am Boden übertragen werden.
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Vorzugsweise sind der Stator und/oder die Steuereinheit in ein Gehäuse und/oder in eine Gehäuse-Wand eingebettet, in der die Seiltrommel untergebracht ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in das Gehäuse und/oder in die Seiltrommel, insbesondere in die Trommelwand und/oder in den Trommelboden, Material zur elektromagnetischen Abschirmung eingebettet ist oder aus diesem besteht (z.B. CFK, Metall). Damit kann durch konstruktive Maßnahmen an der Vorrichtung selbst die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) effektiv und ohne eine weitere Gewichtszunahme in Kauf nehmen zu müssen verbessert werden.
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Zur einfachen Montage weist die Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung mit einem zentralen Befestigungsmechanismus wie beispielsweise einer Rändelschraube, welche in einer möglichen Ausführung mit einer Verdrehsicherung versehen ist; eine Bajonettverbindung oder eine anders geartete Form der Verbindung welche geeignet ist die Vorrichtung werkzeuglos zu fixieren.
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Als weitere Kraftübertragungselemente können Bolzen oder Stifte integriert sein, welche eine Kraftübertragung zum Beispiel quer zu dem Befestigungsmechanismus übertragen, sodass die gesamte Vorrichtung über das Fixieren des Befestigungsmechanismus montiert wird und durch ein Lösen dieses Mechanismus entfernt werden kann.
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Dies erlaubt eine Zulassung der Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung als Zuladung und damit eine effizientere Nutzung eines Schleppflugzeuges in anderen Anwendungen aufgrund einer höheren zugelassenen und möglichen Zuladung sowie eines reduzierten Gewichtes.
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Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
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Anhand der beiliegenden Figuren, werden nun die Details, Funktionen sowie die Vorteile der Erfindung eingehend beschrieben:
Die 1 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung; und die 2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung.
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Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen, welche im Querschnitt den Aufbau einer Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung WM zum Einbau in ein Schleppflugzeug zeigt. Die Vorrichtung enthält im Wesentlichen eine Seiltrommel 10 und einen Elektromotor E, der als permanent-erregter Synchronmotor (z.B. ein BLDC-Motor) in Form eines Außenläufermotors ausgebildet ist. Demnach ist im Innern der Konstruktion der Stator 1 angeordnet und der Rotor 2 ist Außen um den Rotor herum angeordnet. Die Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung weist zur Kommutierung des Elektromotors E eine Steuereinheit 3 bzw. eine Leistungselektronik auf, die mit (nicht dargestellten) Sensoren bzw. Einheiten verbunden ist, die Messdaten und sonstige Eingangsdaten liefern. Abhängig davon kann die Steuerung des Elektromotors E für die jeweilige Phase des Schleppvorgangs optimiert werden.
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Die integrierte Steuerungseinheit 3 und Auslegung der Vorrichtung WM erlauben auch eine stark vereinfachte Bedienung unter anderem mit automatischem Einzug des Seils. Die Integration verschiedener Sensoren, beispielsweise Druck-, Kraft- und Positionssensoren, erlaubt die Integration einer Steuerung, welche den Betrieb und die Überwachung des Betriebs der Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung für den Piloten deutlich vereinfacht. Insbesondere kann ein automatischer Seileinzug (Einzugsautomatik) nach dem Ausklinken realisiert werden, welcher nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Die Einzugsautomatik kann über eine Bedieneinheit im Cockpit des Schleppflugzeuges vom Piloten aktiviert oder deaktiviert werden. Im letzten Fall muss der Seileinzug dann vom Piloten manuell ausgelöst werden. Im ersten Fall (Einzugsautomatik aktiv) löst die Steuerung den Seileinzug aus, ohne dass der Schlepp-Pilot sich darum kümmern muss. Die Einzugsautomatik sollte möglichst in einer weniger komplexen und gefährlichen Flugphase oder am Boden aktiviert werden.
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Die Einzugsautomatik nutzt eine in der Steuerung implementierte Logik, welche auf ein oder mehrere Sensoren zugreift, um insbesondere den steilen Abstieg/Sinkrate nach dem Ausklinken, die Änderungen der Querneigung und/oder der Geschwindigkeit oder eine Kombinationen aus diesen Parametern zu detektieren. Sobald die Logik – erkennt, dass die Parameter gewisse Grenzwerte überschreiten (z.B. Sinkrate > 4m/s; Speed > 200 km/h), führt die Vorrichtung WM einen Einzug des Seils durch.
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Dadurch wird die Arbeitslast für den Piloten in eine unkritische Flugphase oder vor den Schleppflug selbst verlagert. Das Risiko der Landung mit einem nicht eingezogenen Seil wird signifikant reduziert und die Flugsicherheit verbessert.
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Zudem kann auch der Anschleppprozess durch die integrierte Sensorik, Steuerungseinheit und Anzeigeneinheit im Cockpit ebenso deutlich vereinfacht werden. So erlauben integrierte Positionssensoren an dem Seil (nicht dargestellt), an der Trommel 10 selbst oder anderen Bauteilen wie beispielsweise der Welle 12 der Seiltrommel eine Bestimmung der Seilrestlänge auf der Trommel 10, bis ein Kraftschluss und damit Straffen des Schleppseils erreicht wird. Diese Information kann zusätzlich in der Steuerungseinheit 3 verarbeitet werden oder kann direkt dem Piloten angezeigt werden. Dies kann beispielsweise in Form einer LED, eines anderen Lichtsignals, eines Displays oder einer anderen Anzeige erfolgen. Damit ist es dem Pilot möglich, besser einzuschätzen, zu welchem Zeitpunkt die Anschleppgeschwindigkeit zu reduzieren ist, um ein hartes Anschleppen zu vermeiden.
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Des Weiteren kann in einer weiteren Ausführung die Steuerungselektronik anhand der integrierten Sensoren und/oder Auswertung der Daten der Leistungselektronik eine Überlast erkennen. Insbesondere in Verbindung mit Kraft- und/oder Wegsensoren kann die Steuerung so einen Einziehfehler, beispielsweise durch einen Knoten anzeigen. So erkennt der Pilot beispielsweise anhand einer Darstellung im Cockpit, dass der Seileinzugsvorgang fehlerhaft war und möglicherweise noch eine gewisse Seillänge nicht eingezogen wurde. So kann er adäquat auf diese Situation reagieren und eine gefährliche Situation im Flugbetrieb rechtzeitig erkennen und vermeiden.
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Das für den sicheren Auszug des Seiles notwendige Bremsmoment kann bei der vorliegenden Erfindung durch verschiedene Mechanismen bereitgestellt werden: Die Auslegung des verwendeten Motors E erfolgt so, dass das Rastmoment der Polpaare einen bereits ausreichenden Widerstand bietet. Die Steuerungseinheit 3 erlaubt zudem den Betrieb des Antriebsmotors E als Generator, sodass die Auszugsbewegung durch die Generierung von elektrischer Leistung gebremst wird. Diese Leistung kann beispielsweise in das Bordnetz eingespeist werden, zum Betrieb der Seillängenüberwachung bei ausgeschaltetem Motor verwendet werden oder über einen Widerstand in thermische Energie umgewandelt werden.
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Wie eingangs genannt, sind elektromagnetische Felder in Luftfahrt-Anwendungen eine problematische Störung für viele verschiedene empfindliche elektronische und elektrische Systeme. Daher ist die elektromagnetische Verträglichkeit der vorliegenden Erfindung durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt. Die Steuer- bzw. Regelungseinheit 3 mit ihrer Leistungselektronik befindet sich innerhalb des Innenringes bzw. Rotors 1 des Motors, welcher bereits eine schirmende Wirkung aufgrund seiner Konstruktion aus Metall hat oder einem anderen elektrisch und oder magnetisch leitfähigen Werkstoff aufweist.
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Die in die Seil-Trommel 10 integrierte Bauweise des Motors E und der darin enthaltenen Steuer-Elektronik 3 wird ebenso genutzt, um eine weitere Abschirmung zu erreichen. Die Trommel 10 wird, um diesen Effekt zu erreichen, aus einem elektrisch leitfähigen und damit abschirmenden Material gefertigt oder beinhaltet ein solches Material. Dieses Material kann beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff sein oder ein Metallgeflecht, welches in die Trommel 10 eingebracht wird. Zusätzliche Abschirmwirkung kann durch die Verwendung solcher Materialien im umgebenden Gehäuse erreicht werden, wie z.B. in der Seitenwand 22 und/oder in der Abdeckung 23.
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Durch das Vorsehen einer Befestigungsvorrichtung 20 mit der dargestellten konstruktiven Auslegung hat die vorliegende Erfindung zudem die Fähigkeit, in kürzester Zeit montiert und demontiert zu werden. Sowohl die mechanische und elektrische Verbindung (wie z.B. die Kontakte 4) wird über einen zentralen Befestigungsmechanismus 20a verbunden und getrennt. Dieser Befestigungsmechanismus 20a kann beispielsweise die Form einer Schraube, in einer weiteren möglichen Ausführung auch mit einer Verdrehsicherung 20b, eines Bajonettverschlusses oder einer weiteren Form der für die Fixierung der Vorrichtung geeigneten Vorrichtung haben. Es sind in einer möglichen Ausführung noch weitere Führungsstifte 21 in die Konstruktion integriert, welche Kräfte aufnehmen können. In einer möglichen Ausführung kann der zentrale Befestigungsmechanismus 20 dann beispielsweise Kräfte in Richtung der Welle der Seiltrommel 12 aufnehmen und die Führungsstifte und/oder Bolzen welche zusätzlich integriert sind nehmen Kräfte in weitere Richtungen auf. So ist eine Montage und Demontage der gesamten Vorrichtung nur durch Lösen oder Befestigen des zentralen Befestigungsmechanismus 20 und Aufschieben oder Abziehen der Vorrichtung von den Führungsstiften und/oder Bolzen möglich. Es verbleibt nach Demontage nur eine Montagegrundplatte oder nur Aussparungen und/oder Gewinde und/oder andere Befestigungsmechanismen im Flugzeug, welche ein sehr geringes Gewichts und kompakte Abmaße ausweisen sodass ein effizienter Betrieb des Schleppflugzeuges außerhalb des Schleppbetriebes möglich ist. Der Aus- und Wiedereinbau ist so mit geringem Aufwand und ohne Werkzeug möglich.
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Eine weitere Ausführung der Erfindung besitzt die Fähigkeit die erfindungsgemäße Vorrichtung mitsamt dem Schleppseil zu demontieren. Diese Fähigkeit ist unter anderem dadurch gegeben, dass die am Ende des Seiles befestigte Vorrichtung zur Verbindung des Seiles mit dem Schleppflugzeug oder dem zu schleppenden in einer Weise konstruiert ist, dass sie schnell und ohne Spezialwerkzeug entfernt werden kann. Dieser Mechanismus kann beispielsweise auf einem Knoten, einem Formschluss, einer zusätzlichen Vorrichtung, welche das Seil fixiert, oder einer anderen geeigneten Verbindungsmethode basieren. Durch die Möglichkeit des schnellen Entfernens dieser Vorrichtung kann der Kraft- und/oder Formschluss beim Einzug des Seiles schnell und einfach entfernt und wiederhergestellt werden, sodass das Seil ganz auf die Trommel 10 gezogen werden kann. Somit kann das Seil dann mitsamt der Trommel aus dem Flugzeug entfernt werden und wieder installiert werden.
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Ein weiterer Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, dass die Vorrichtung zur Befestigung des Seiles an dem zu schleppenden Flugzeug oder Objekt, welche oft eine Sollbruchstelle beinhaltet, schnell und ohne Spezialwerkzeug oder ganz ohne Werkzeug gewechselt werden kann. Somit ist eine zeitaufwändige Demontage der gebrochenen Sollbruchstelle und Montage einer neuen solchen Sollbruchstelle am Seil nicht nötig, sondern die Vorrichtung zur Befestigung des Seiles am zu schleppenden Flugzeug oder Objekt kann durch eine zweite baugleiche Vorrichtung mit intakter Sollbruchstelle schnell ersetzt werden. Dies verkürzt die Standzeiten des Schleppflugzeuges nach einer Überlastung der Sollbruchstelle signifikant und vermeidet mögliche Fehler bei der Montage einer neuen Sollbruchstelle durch Hektik aufgrund des Ausfalls des Schleppflugzeuges.
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Die hier vorgestellten konstruktiven Ausführungen erlauben eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie eine stark vereinfachte Montage und Demontage der Vorrichtung bzw. der gesamten Einheit.
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Ebenso umfasst die vorliegende Erfindung auch weiterreichende Konnektivität der Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung. Eine Kommunikation mit anderen Systemen innerhalb und außerhalb des Flugzeuges möglich, beispielsweise über ein Bus-System oder andere digitalen, analogen oder Funkschnittstellen. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung mit einem Kollisionswarnsystem und/oder einem System welches Informationen beispielsweise über Position und Identität anderer Luftfahrzeuge bereitstellt kommunizieren, welches es einem in die beschriebene Vorrichtung integrierten Datenlogger erlaubt das geschleppte Flugzeug zu erkennen und beispielsweise die Schleppzeit zu speichern.
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Um einen beschleunigten Einzugsvorgang des Seils zu erreichen und eine Beschädigung des Schleppflugzeuges durch Umschlagen des Schleppseiles zu vermeiden, werden bei der vorliegenden Erfindung verschiedene Sensoren und die implementierte Steuerelektronik 3 verwendet, welche die Fähigkeit besitzt den Einzugsvorgang auf verschiedene Weisen zu optimieren, beispielsweise in Hinsicht auf Geschwindigkeit, Beschleunigung und Steuerung des Einzugsvorganges.
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Unter Bezugnahme auf die 2 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Steuerungs-Verfahren noch eingehender beschrieben:
Das Verfahren 100 umfasst im Wesentlichen zwei Schritte: einen ersten Schritt 110, der das Ausbringen des Seils betrifft und einen zweiten Schritt 120, der das Einziehen des Seils betrifft:
Das Verfahren 100 von der Steuerungseinheit 3 (s. auch 1) durchgeführt und entspricht im Wesentlichen einer Interrupt-gesteuerten Kommutierung des Elektromotors auf Grundlage von Sensorsignalen, die vorzugsweise von Hallsensoren kommen. In bestimmten Ausnahmefällen kann von dieser Sensor-gesteuerten Kommutierung auf eine Sensor-losen Kommutierung umgeschaltet werden (Fallback-Lösung). Dies kann z.B. bei auftretenden Störungen, insbesondere bei Ausfall der Sensoren sinnvoll sein.
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Im Normalbetrieb wird das Verfahren 100 wie folgt durchgeführt, wobei hier nur einige exemplarische Schritte beschrieben werden:
Zum Ausbringen des Seils (im Schritt / Block 110) werden insbesondere folgende Teilschritte durchlaufen:
In einem ersten Teilschritt 111 wird der Ausbringvorgang überwacht. Das geschieht durch Überwachung der Bewegung der Seiltrommel mittels Sensoren, insbesondere mittels der verbauten Hallsensoren.
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In einem weiteren Teilschritt 112 wird dem Piloten der Zustand des Ausbringvorganges fortlaufend angezeigt. Das geschieht z.B. durch optisches Anzeigen, insbesondere optisches Blinken eines elektrooptischen Elements, insbesondere einer LED. Das Blinken wird mit einer veränderbaren Blinkfrequenz gesteuert, die abhängig von der Auszugslänge des Seiles ist.
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Das Einziehen des Seils wiederum erfolgt in einem Schritt 120, der sich im Wesentlichen in folgende zwei Teilschritte unterteilen lässt:
In einem ersten Teilschritt 121 wird das ausgezogene Seil bis zu einer vorgebbaren Auszugslänge des Seils mit einer ersten Motorleistung und/oder -drehzahl eingezogen, die zumindest 80% der maximalen Motorleistung entspricht.
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Dann wird in einem weiteren Teilschritt 122 das restliche Seil eingezogen. Die geschieht sobald die vorgebbare Auszugslänge erreicht oder unterschritten ist. Die restliche Seillänge wird nun mit einer zweiten Motorleistung und/oder -drehzahl eingezogen, die weniger als 50% der ersten Motorleistung und/oder -drehzahl entspricht oder sich laufend an die restliche Seillänge anpasst.
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Wie die nachfolgende Auflistung zeigt, stehen die Schritte 110 und 120 unmittelbar im Kontext mit der Bedienung und dem Betrieb der Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung, die hier auch kurz „Wickelmimik“ genannt wird:
- • Einbau mit aufgespultem Seil, Sicherung durch zentralen Sicherungsmechanismus. Die elektrischen Verbindungen werden bei diesem Schritt bauartbedingt selbsttätig hergestellt.
- • Seil wird in das Führungsrohr eingeschoben, nach Austritt aus dem Flugzeug wird das Seil durch die Krafteinleitungsplatte gefädelt.
- • Seil wird durch Spezialknoten mit dem Sollbruchstellenhalter verbunden.
- • Einschalten der Wickelmimik.
- • Ausziehen des Seils (Schritt 110): Während des Vorgangs wird die Bewegung der Trommel auf Grundlage der Hallsignale durch die Elektronik beobachtet (Teilschritt 111). Dem Bediener, insbesondere dem Schlepp-Piloten, wird durch das Blinken einer LED der Ausziehvorgang angezeigt (Teilschritt 112). Bei konstanter Ausziehgeschwindigkeit erhöht sich die Blinkfrequenz mit zunehmender Länge des ausgegebenen Seils. Kurz vor Ende des Seils geht das Blinken in ein Dauerleuchten über. Alternativ kann das Signal „Seil fast ausgezogen“ auch über Induktive oder optische Sensoren detektiert werden. Da die Vermutung besteht, dass diese im Betrieb beschädigt oder Verschmutzt werden können wird vorerst die vorgehend beschriebene Methode unter Einsatz der Hallsensoren des BLDC Motors verwendet.
- • Betätigen der Einzugsautomatik: Bei eingeschalteter Einzugsautomatik wird z.B. über eine Kombination aus barometrischen, querlage-, und geschwindgikeits- Sensor der Verlauf des Schleppvorgangs ausgewertet und so kann der Seileinzug (Schritt 120) automatisch ausgelöst werden. (Optional kann auch durch einen anderen Sensor das Ausklinken des Seiles detektiert werden; dieser Ansatz ist aber relativ schwierig zu realisieren.)
- • Start des Schleppzugs, Schlepp und Beginn des Abstiegs.
- • Betätigung des Einziehknopfes durch den Schlepp-Piloten. Der Einziehvorgang wird dem Piloten durch ein Dauerleuchten einer Signal-LED oder durch eine alternative Anzeige- oder Signaleinheit signalisiert.
- • Erste Einzugsphase (Teilschritt 121): Das Schleppseil wird mit Maximalleistung eingezogen. Die Elektronik überwacht den Zustand der Trommel bzw. die Länge des ausgegebenen Seils. Detektiert die Elektronik eine voreingestellte Seillänge wird ein Übergang in die zweite Einzugsphase eingeleitet.
- • Zweite Seileinzugsphase (Teilschritt 122): Das Seil wird drehzahl-gesteuert eingezogen. Hierbei wird das Seil mit einer niedrigeren Drehzahl als in der ersten Phase eingezogen. Hierdurch wird eine niedrigere Differenzgeschwindigkeit zwischen Seilende und Flugzeug realisiert.
- • Detektiert die Elektronik in dieser Einzugsphase das Seilende, z.B. durch ein induktives, optisches oder sonstig geartetes Verfahren oder aufgrund eines durch ein Einlaufen des Seils in seinen Endanschlag ausgelöstes Blockieren der Trommel, wird dieses als Signal für das Ende des Seils gewertet und der interne Zähler für die Länge des ausgegebenen Seiles zurückgesetzt sowie der Motor angehalten.
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Das hier offenbarte Verfahren und die Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung sind beim Einsatz in einem Schleppflugzeug dazu geeignet, das Einziehen des Seils automatisch – ohne Zutun des Piloten – durchzuführen. Diese Einzugsautomatik wird automatisch von der Steuerung durchgeführt, sobald diese mittels Auswertung von mindestens einem Paramter erkennt, dass bei dem Schleppflugzeug ein Abstiegsmanöver eingeleitet wurde. Dazu wird mindestens ein Parameter erfasst und überwacht, von dem auf die aktuelle Sinkrate des Flugzeuges geschlossen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass für viele typische Schleppflugzeuge eine Sinkrate von 4 m/s und mehr ein plausibler Indikator dafür ist, dass ein Abstiegsmanöver eingeleitet wurde. Die Steuerung wertet beispielsweise mittels eines Barometrischen Sensors die Änderung der Flughöhe aus und kann durch Differenzierung eine (deutliche) Abnahme, d.h. eine signifikante Sinkrate, erkennen. Anstelle eines Barometers oder zusätzlich dazu kann auch ein GPS-Sensor bzw. GPS-Messgerät die erforderlichen Daten liefern.
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Neben der Sinkrate ist es sinnvoll, auch noch die Fluggeschwindigkeit zu überwachen, beispielsweise über den Staudruck-Sensor (Fahrtmesser), um eine erhöhte Fluggeschwindigkeit festzustellen, was wiederum typisch für ein Abstiegsmanöver wäre. Beispielsweise sind Fluggeschwindigkeiten von 200 km/h und mehr signifikant. Des Weiteren kann optional die Querneigung des Flugzeugs überwacht werden, z.B. über Beschleunigungs-Sensor(en) und/oder GPS. Für Abstiegsmanöver sind starke Querneigungen, insbesondere nach links (Backboard) gerichtete Querneigungen typisch.
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Mit Hilfe solcher Sensoren, die entweder bereits in dem Flugzeug verbaut sind oder zusätzlich installiert werden, kann ein Abstiegsmanöver zuverlässig erkannt werden und kann dann der Seileinzug automatisch durchgeführt werden (Einzugsautomatik). Es wäre sinnvoll, auch das Ausklinken des Seils selbst zu erfassen; es hat sich aber gezeigt, dass dies im Schleppflugzeug nur mit hohem Aufwand und geringer Zuverlässigkeit erreicht werden kann. Diesbezüglich werden noch weitere Untersuchungen angestellt. Jedenfalls ist durch die oben genannten Maßnahmen die Realisierungs-Möglichkeit einer zuverlässigen Einzugsautomatik gegeben.
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Die Wickelmimik kann ohne größeren Aufwand ausgerüstet werden. Dazu sind im Wesentlichen folgende Schritte auszuführen:
- • Hauptschalter Aus;
- • Sollbruchstellenhalter vom Seilende lösen. Hierfür wird die Schutzhülle über dem Spezialknoten entfernt und dieser durch ziehen an dem losen Ende gelöst und anschließend entknotet.
- • Halteplatte und Trichter durch Auskuppeln entfernen, Sollbruchstellenhalter im Trichter verstauen.
- • Restseil durch händisches Drehen vollständig auf die Trommel wickeln.
- • Zentrale Befestigungsschraube lösen.
- • Wickelmimik von der Befestigungsebene abheben.
- • Die beiliegenden Abdeckkappen verwenden, um die elektrischen Kontakte sowohl Flugzeug-seitig als auch Wickelmimik-seitig zu verschließen.
- • Wickelmimik mit aufgewickeltem Seil sowie Halteplatte und Trichter mit eingestecktem Sollbruchstellenhalter verstauen.
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Zur Dimensionierung der Wickelmimik einschließlich des Elektromotors sei noch folgendes angemerkt:
Bezüglich der Leistungsklasse des Motors hat sich bei der vorgestellten möglichen Ausführungsform eine Leistung von ca. 150 Watt als ausreichend erwiesen. Durch höhere Kupferdichte können höhere Leistungen und kürzere Aufspulzeiten erreicht werden, wobei max. 250 Watt ausreichen sollten.
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Hinsichtlich der Seil-Einzugsgeschwindigkeiten, des Rastmoments, der gesamten Seillänge, der Abmaße der Trommel sowie dem Gewicht ist folgendes zu sagen:
Das optimal dimensionierte Rastmoment von ca. 0,5 Nm nimmt die Seilkräfte bei leicht ausgegebenem Seil sowohl in der Luft als auch am Boden auf. Dennoch lässt sich das Seil beim Ausziehen am Boden und bei einem Notauswurf leicht ausziehen. Ein solches 0,5 Nm betragendes Rastmoment entspricht einer Seilkraft von 2N bis 10N. Allgemein lässt sich sagen, dass ein Rastmoment zwischen 0,1 Nm und 10 Nm einer Seilkraft von etwa 2 N bis 200 N entspricht. Vorzugsweise sollte das Rastmoment im Bereich von 0,25 Nm bis 4 Nm liegen (entspricht ca. 1.7 bis 80 N Seilkraft).
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Es wird ein hochpoliger Motor mit einer Polanzahl zwischen 30 und 200 Polen, und einer Nuten-Zahl zwischen 25 und 200 verwendet. In dem Versuchsaufbau wurde technisch konkret folgendes realisiert: 0,5 Nm Rastmoment mit 76 Magneten, 57 Nuten, bei 6 Windungen per Phase. Hierdurch ist nur eine geringe Gegenkraft zum Ausziehen des Seils notwendig. Dennoch ist ein Seileinzug problemlos bis ca. 250 km/h Fluggeschwindigkeit möglich. Die Seileinzugszeit beträgt max. 1 min. Dabei ist zu beachten, dass im Versuchsaufbau folgende Seil-Trommel technisch realisiert wurde: Durchmesser 300 mm, Höhe ca. 150 mm. Es versteht sich von selbst, dass die Höhe zur Anpassung auf die Seillänge variiert werden kann.
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Die Auslegung der Seil-Trommel und des Elektromotors sind als Einheit zu sehen. Das Rastmoment, die Drehmoment/Drehzahlkennlinie und die Trommelgeometrie sind so aufeinander angepasst, dass im Zusammenspiel die Seilkräfte in jeder Situation jedoch insbesondere in den Betriebszuständen Einziehend, Eingezogen (ohne Bestromung des Motors) und Ausgebend optimiert sind. Für besondere Einbaubedingungen kann zusätzlich zum Rastmoment der Trommel eine elektronisch geregelte Motorbremse zur Verhinderung eines selbsttätigen Ausziehens des Seils als auch zur Anpassung der Ausziehkräfte genutzt werden.
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Neben den bereits genannten Vorteilen wären noch folgende Vorteile bzw. Alleinstellungsmerkmale zu nennen:
- • Trommel und Motor vereint, aufeinander abgestimmt und ohne Rutschkupplung, da das Rastmoment dessen Funktion übernimmt.
- • Ein und Ausbau mit aufgespultem Seil möglich
- • Werkzeuglos ein und ausbaubar.
- • Geregelter Einzug, mit Verringerung der Einziehgeschwindigkeit gegen Ende des Einziehvorgangs zur Vermeidung von Schäden am Schleppflugzeug.
- • Steuerung sowohl über Signalleitungen (technisch realisiert: 1 Eingang, 1 Ausgang 12V Signale) als auch über ein Bussystem (technisch realisiert: CAN Bus)
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Die beschriebene Vorrichtung kann in jeder beliebigen Lage oder Position im Schleppflugzeug installiert werden, sodass eine ideale Ausnutzung des gegebenen Platzes möglich ist und/oder der Einfluss auf den Schwerpunkt, die Zuladung und/oder die Nutzung des Flugzeuges minimiert werden kann.
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Die Erfindung ist besonders gut für den Einsatz in Schleppflugzeugen geeignet, ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch in anderen Bereichen der Luftfahrt angewendet bzw. genutzt werden.
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Ebenso ist eine weitere denkbare Anwendungsmöglichkeit der Schlepp von kleineren unbemannten Luftfahrzeugen ähnlich einer Seilschleppwinde im Segelflug. Solche Luftfahrzeuge können beispielsweise Modellflugzeuge oder Drohnen sein.
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Des Weiteren ist eine Anwendung einer kompakten Version der dargestellten Erfindung in solchen unbemannten Luftfahrzeugen wie Drohnen und/oder Modellflugzeugen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- WM
- Seil-Einzugs- und Ausbringungs-Vorrichtung (kurz Wickel-Mimik)
- E
- Antriebsmotor bzw. Elektromotor
- 1
- Stator des Antriebsmotors
- 2
- Rotor bzw. Läufer Antriebsmotors
- 3
- Leistungselektronik bzw. Steuereinheit
- 4
- Elektrische Kontakte
- 10
- Seiltrommel (kurz Trommel)
- 10a
- Trommelwand
- 10b
- Trommelboden
- 11
- Lagerung der Seiltrommel
- 12
- Welle der Seiltrommel
- 20
- Befestigungs- bzw. Montagevorrichtung
- 20a
- Zentraler Befestigungsmechanismus
- 20b
- Verdrehsicherung
- 21
- Führungsstifte
- 22
- Seitenwand Gehäuse
- 23
- Abdeckung
- 100
- Verfahren mit den Schritten 110 und 120 sowie deren Teilschritten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2923185 A [0002, 0002, 0002]
