-
Die Erfindung betrifft ein Fliegerschulungsgerät zur Nachahmung der
Belastung einer Steuerfläche bei bestimmten Flugzeugtypen, mit einem von Hand betätigten
Steuerorgan sowie mit einer Recheneinrichtung zum Bestimmen von elektrischen Größen,
die den Belastungskräften auf das Steuerorgan entsprechen.
-
In Hiegerschulungsgeräten sind Instrumente vorgesehen, die den Steuerungsorganen
und den Instrumenten eines Flugzeuges entsprechen. Außerdem wird zwischen den Instrumenten
des Schulungsgerätes gewöhnlich mit Hilfe einer Recheneinrichtung eine Beziehung
geschaffen, so daß eine Betätigung der Steuerorgane des Schulungsgerätes eine Anzeige
der Instrumente verursacht, die der Anzeige der entsprechenden Flugbedingungen entspricht.
Die Steuerorgane des Fliegerschulungsgerätes werden hierbei belastet, wobei die
Kräfte nachgebildet werden, die bei gleichen Bedingungen in einem Flugzeug auf die
Steuerorgane einwirken würden.
-
Um die während des Betriebs auf die Steuerorgane eines Flugzeugs einwirkenden
Kräfte wirklichkeitsgetreu nachbilden zu können, ist es erforderlich, daß das Belastungssystem
für die Steuerung bei dem Fliegerschulungsgerät so schnell wie möglich anspricht.
-
Es ist ein Fliegerschulungsgerät bekannt, bei welchem der Steuerknüppel
durch zwei Belastungsmotoren beaufschlagt wird. Diese Motoren arbeiten gleichzeitig
und sie sind gleich aufgebaut. Sie stehen nicht miteinander in Verbindung und arbeiten
nicht innerhalb zweier getrennter Frequenzbänder.
-
Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, bei denen der Steuerknüppel
über ein Getriebe durch einen Motor oder über ein mechanisches Gestänge durch einen
Hydraulikzylinder beaufschlagt wird.
-
Mit keiner dieser bekannten Vorrichtungen wird eine ausreichende Frequenzempfindlichkeit
erreicht. Wenn sich die geforderte Kraft mit relativ hohen Frequenzen ändert, schwanken
bei den bekannten Vorrichtungen die erzeugten Kräfte infolge der Masse und der Fehlerwirkung
der einzelnen Teile der Krafterzeuger nicht entsprechend den geforderten Frequenzen.
Die bekannten Fliegerschulungsgeräte besitzen daher nicht die notwendige Empfindlichkeit,
weshalb eine wirklichkeitsgetreue Nachbildung der beim Fliegen auf die Steuerorgane
des Flugzeugs einwirkenden Kräfte nicht möglich ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fliegerschulungsgerät
zu schaffen, mit welchem die auf die Steuerungsorgane eines Flugzeugs einwirkenden
statischen und dynamischen Kräfte wirklichkeitsgetreu nachgebildet werden können.
-
Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch eine erste Betätigungsvorrichtung,
die das Steuerorgan mit einer statischen Kraft, der eine niedere Änderungsfrequenz
überlagert ist, beaufschlagt und die auf eine erste elektrische Größe anspricht,
weiterhin durch eine Ausgangskraftfühlvorrichtung, deren Ausgangssignal eine zweite
elektrische Größe darstellt, die der durch die erste Betätigungsvorrichtung an das
Steuerorgan geführten Kraft entspricht, wobei die erste Betätigungsvorrichtung durch
eine Größe gesteuert wird, die der Differenz zwischen der ersten und der zweiten
elektrischen Größe entspricht, und durch eine zweite Betätigungsvorrichtung, deren
Ausgangssignal das Steuerorgan ebenfalls mit einer Kraft beaufschlagt, deren Änderungsfrequenzen
über der Frequenz liegen, bei der die erste Betätigungsvorrichtung abzuschalten
beginnt, wobei die zweite Betätigungsvorrichtung auf Eingangssignale anspricht,
in denen auch die Differenz zwischen der ersten und zweiten elektrischen Größe enthalten
ist und auf das Steuerorgan eine kombinierte Kraft einwirkt, die sich entsprechend
der auf das Flugzeug einwirkenden statischen und dynamischen Kräfte ändert.
-
Ein Ausführungsbeispiel des Fliegerschulungsgerätes ist in der Zeichnung
schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Steuerbelastungssystems
für ein Fliegerschulungsgerät, in dem ein Hilfskrafterzeuger in Abhängigkeit von
den Fehlern eines Hauptkrafterzeugers wirksam ist, F i g. 2 ein Blockschaltbild
des Steuerbelastungssystems, in dem die beiden Krafterzeuger über Filterkreise versorgt
werden, F i g. 3 eine schematische Darstellung des Steuerbelastungssystems, wobei
einige Einzelteile und Schaltkreise ausführlich dargestellt sind.
-
In F i g. 1 ist ein Steuerknüppel 1 für ein nachzubildendes Flugzeug
dargestellt. Der Steuerknüppel ist drehbar gelagert und betätigt bei seinem Bewegen
eine Abgriffvorrichtung 10, die mit einem Rechner 9 verbunden ist, in dem
die aerodynamische Verhaltensweise des nachgebildeten Flugzeugs wiedergegeben und
die entsprechenden Anzeigen den Instrumenten im Blickfeld des Flugschülers zugeführt
werden. Während der Nachbildung der Flugzeugleistung werden von einem Hauptkrafterzeuger
2 und einem Hilfskrafterzeuger 3 über eine mechanische Summiervorrichtung 4 Kräfte
auf den Steuerknüppel ausgeübt. Die Anforderungen an die Genauigkeit dieser Einzelteile
für eine gute Nachbildung der auf die Steuerorgane des nachgebildeten Flugzeugs
wirkenden Kräfte sind so hoch, daß es schwierig ist, sie mit einem offenen Schleifensystem
für die auf den Steuerknüppel im Nachbildungsgerät ausgeübten Kräfte zu erfüllen,
d. h. mit einem System ohne Rückkopplung vom Ausgang des Krafterzeugers her, um
einen geradlinigen Leistungverlauf zu erhalten. Bei verschiedenen bekannten Typen
von Fliegerschulgeräten paßt die Frequenzansprechbarkeit des einzigen Krafterzeugers
zum Ausüben von Kräften auf den Steuerknüppel nicht, wenn Stabilität über den weiten
Bereich der Belastungsbedingungen gefordert wird, und gewisse der auf die Steuerorgane
des nachgebildeten Flugzeugs einwirkenden Kräfte werden nicht voll wiedergegeben.
-
Bei der Anordnung nach F i g. 1 wird der Hauptkrafterzeuger 2 mit
Hilfe eines Kraftfühlers 5, beispielsweise eines elektrischen Dehnungsmessers, linearisiert,
der in einem Ausgangsantriebsglied enthalten ist. Die gewünschte Kraft wird in dem
Rechner aus der Verstellung des Steuerknüppels bestimmt, wobei die Fluggeschwindigkeit
und verschiedene andere Faktoren berücksichtigt werden. Ein elektrisches, die gewünschte
Kraft darstellendes Signal wird zusammen mit einem elektrischen Signal des Kraftfühlers
5 im Ausgangsantriebsglied des Hauptkrafterzeugers auf eine Summiereinheit 6 gegeben.
Die Differenz zwischen den beiden auf die Summiereinheit gegebenen Signalen wird
dazu verwendet, über einen Verstärker 7 den Hauptkrafterzeuger 2 zu betreiben. Dieses
Verfahren zum Betrieb des Hauptkrafterzeugers gewährt einen großen Leistungsgewinn
im mittleren
Frequenzbereich, so daß die stationären, auf die Steuerorgane
des nachgebildeten Flugzeugs einwirkenden Kräfte sehr genau nachgebildet werden.
Wenn die geforderte Kraft mit relativ höheren Frequenzen schwankt, ist der Hauptkrafterzeuger
nicht in der Lage, dieser Forderungen entsprechende Kräfte zu erzeugen, und am Eingang
des Verstärkers erscheint eine die Fehlkraft darstellende Fehlerspannung.
-
Das Ausgangssignal der Sununiereinheit 6 wird auch auf den Hilfskrafterzeuger
3 gegeben, der für die relativ höheren Schwankungsfrequenzen der geforderten Kraft
zuständig ist, und es verstärkt den Kraftfehler mit dem gleichen Verstärkungsgrad
gegenüber dem Steuerknüppel wie der Hauptkrafterzeuaer 2. Das Ausgangssignal des
Hilfskrafterzeugers 3 wird der Ausgangskraft des Hauptkrafterzeugers 2 so hinzugefügt,
daß innerhalb des Frequenzbereichs des Hilfskrafterzeugers 2 die nachzubildenden
Kräfte genau wiedergegeben werden.
-
Um zu verhindern, daß der Hauptkrafterzeuger 2 den Hilfskrafterzeuger
3 bei geringen Schwankungsfrequenzen der geforderten Kraft zurückdrängt, führt ein
Hilfseingangspfad 8 von dem Rechner 9 zu dem Hilfskrafterzeuger 3.
-
In F i g. 2 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach F i
g. 1 dargestellt. Da bekannt ist, bei welcher Änderungsfrequenz der gewünschten
Kraft der Hauptkrafterzeuger abzuschalten beginnt, kann es zweckmäßig sein, das
Frequenzspektrum der gewünschten Kraft so aufzuteilen, daß die unteren Frequenzen,
die der Hauptkrafterzeuger in befriedigender Weise bewältigt, von dem gewünschten
Kraftsignal durch eine Filtereinheit A getrennt wird, und daß der Rest des gewünschten
Kraftsignals auf den Eingang des Hilfskrafterzeugers 3 über eine Filter-2inheit
B geleitet wird. In manchen Fällen kann die natürliche Frequenzansprechbarkeit des
Hauptkrafterzeugers ein hinreichendes Filter bilden, in welchem Falle die Filtereinheit
A weggelassen werden kann. Die Filtereinheit B ist so ausgelegt, daß sie das dem
Hilfskrafterzeuger zugeführte Signal herausfiltert. Die Filtereinheit B kann auch
dazu bestimmt sein, einen Teil der unteren Frequenzkomponenten hindurchzulassen,
um das Hilfseingangssignal für den Hilfskrafterzeuger zu bilden.
-
In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit größerer Ausführlichkeit
dargestellt. Der Hauptkrafterzeuger weist einen Hydraulikkolben 11 auf, der über
ein elektrisch betriebenes Servoventil 12 versorgt wird. Die gewünschte Kraft und
die durch den Hydraulikkolben ausgeübte Kraft werden über einen Verstärker A 1 auf
das Servoventil 12 gegeben. Der Hilfskrafterzeuger weist einen Hilfsmotor
M mit geringer Trägheit und ein Getriebegehäuse 13 auf und wird über einen elektronischen
Verstärker A, versorgt. Die Kombination aus Verstärker A., und Motor M wird
so gewählt, daß das Verhältnis des Ausgangsdrelunoments zur Eingangsspannung annähernd
konstant ist. Der Anteil der hohen Frequenzen in dem gewünschten Kraftspiel ist
relativ gering, und der Hilfskrafterzeuger kann eine geringere Leistung haben als
der Hauptkrafterzeuger.
-
Die durch den Hauptkrafterzeuger und den Hilfskrafterzeuger erzielten
Kräfte werden miteinander addiert, was mit Hilfe eines Summiergestänges 14 erfolgt.
Das Summiergestänge ist so ausgelegt, daß die maximale Ausgangskraft des Hauptkrafterzeugers
gerade noch durch eine vom Hilfskrafterzeuger ausgeübte Ausgleichskraft aufgewogen
werden kann. Bei niederen Frequenzen, wenn beide Krafterzeuger auf das gewünschte
Kraftsignal ansprechen können, wird der Verstärkungsgrad des Verstärkers
A, sorgfältig so eingestellt, daß ein Lenker des Summiergestänges in der
belastungsfreien Stellung mehr oder weniger gleich durch die beiden erzeugten Kräfte
bewegt wird und daher parallel zu seiner Normalstellung bleibt. Eine geringe Verstellrückführung
auf den Hilfskrafterzeuger gewährleistet, daß eine kleine verbliebene Ungleichheit
der erzeugten Kräfte diese Einheit nicht gegen ihre Anschläge schiebt. Bei geringen
Änderungsfrequenzen der geforderten Kraft, wenn die Bewegung des Lenkers des Summiergestänges
so erfolgt, daß der Lenker im wesentlichen parallel mit seiner Normalstellung bleibt,
ist die auf den Steuerknüppel ausgeübte Kraft gleich der von dem Hydraulikkolben
erzeugten Kraft multipliziert mit einem Faktor, der durch das Übersetzungsverhältnis
des Summiergetriebes bestimmt wird und etwas größer als 1 ist. Bei hohen Änderungsfrequenzen
der erforderlichen Kraft fällt die Hauptkraft aus, und die Verstärkung des Fehlereingangssignals
durch den Verstärker A, wird so eingestellt, daß die Kraft auf den Steuerknüppel
wieder hergestellt wird.
-
Tritt keine Verstellrückführung des Hilfskrafterzeugers auf, also
wenn die beiden erzeugten Kräfte ausgeglichen sind, ist der Lenker des Summiergestänges
frei und kann jede Winkellage gegenüber seinem Ausgangsschaft einnehmen, da keiner
von beiden verschiebungsempfindlich ist. Dies ist nicht erwünscht, und daher ist
ein Verstellungsfühler 15 zum Zentrieren des Hilfskrafterzeugers und ein Kraftfühler
16 zum Zentrieren des Hauptkrafterzeugers vorgesehen. Bei höheren Frequenzen ist
das hydraulische System im wesentlichen irreversibel, und der Lenker des Summiergestänges
14 verschwenkt sich um sein oberes Ende. Da die auf den Steuerknüppel wirkende Kraft
nun durch den Hilfskrafterzeuger gesteuert wird, ist vorgesehen, daß die Verstellrückführung
17 die aus einem Filterschaltkreis besteht, entfernt oder vermindert wird.
-
Das in F i g. 2 dargestellte System kann auch unter Verwendung der
Vorrichtung nach F i g. 3 angewandt werden mit dem Unterschied, daß das gefilterte
gewünschte Kraftsignal das Fehlersignal als Eingangssignal für den Hilfskrafterzeuger
ersetzt. Das Ausgangssignal von dem Filter wird dabei aus dem Eingangssignal und
dem Komplement von entweder dem Ausgangssignal des Hauptkrafterzeugers oder dem
Ausgangssignal eines Tiefpaßfilters zusammengesetzt, das dem Hauptkrafterzeuger
vorgeschaltet wird.
-
Dem Rechner können Rechengrößen eingegeben werden, die einer oder
mehreren der nachfolgender Größen entsprechen: dem Betrieb eines Hilfssteuer glieds,
dem Anstellwinkel für das nachgebildete Flug zeug, der Dynamik des nachgebildeten
Flugzeugs, de-Mach-Zahl des nachgebildeten Flugzeugs, der Wii kung der kinetischen
Reibung auf das Steuerorga, des nachgebildeten Flugzeugs, der Wirkung der stau tischen
Reibung auf das Steuerorgan des nachgebil deten Flugzeugs, der Wirkung des Luftschraubenstrahls
auf die Wirkungsweise des Steuerorgans des nachgebildeten Flugzeugs, der Beschleunigung
des nachgebildeten Flugzeugs in der Hochachsrichtung oder Querachsrichtung.