DE1756435A1 - Flugzeugsteuersystem - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. CURTWALLACH ~~" ^ 7*55 λ 35

DIPL.-ING. GONTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8MUNCHEN2, 20.5.1968

UNSER ZEICHEN: , ,

SPEKIiY RkItD GORPOiUTIOlI, Uew York, N.Y./V.St.v.A.

Plugzeugsteuersystem

Die Erfindung besieht sich aiu ein Flugzeiigsteuersvfitem und insbesondere auf Vorrichtungen zur Kompensation eines Steuersystems beim Zuführen von Eingangssignalen von Hand, um das gewünschte aerodynamische Ansprechen über einen großen Bereich von Plugbedingungen hin zu erhalten.

Moderne Hochgeschwindigkeitsflugzeuge weisen eine beträchtliche Trägheit bezüglich der Bewegung um die Querachse(Längsneigungsbewegung) und bezüglich der Gierbewegung auf, was träge Längscharakteristiken zur Folge hat. Zudem benötigen die heutigen Überschallflugzeuge, um die gewünschten Stabilitätseigenschaften zu erhalten, eine Stabilitätsvergrößerung, insbesondere bezüglich der Quer- und Hochachsen in der !Form von Dämpfungssystemen für die Längsneigungs- und Gierbewegung. Unglücklicherweise verzögern die Dämpfungssysteme die Manövrierfähigkeit oder Empfindlichkeit des Flugzeuges auf Pilotenknüppel
Steuerbefehle noch weiter und normalerweise wird beim Entwurf der JJämpfungGsysteme ein Kompromiß zwischen der Flugzeugstabilität und geeigneten Handhabungseigencchaften geschlossen.

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Bekannte Steuersysteme die bestrebt sind, das erwünschte aerodynamische Ansprechen des Flugzeuges zu erreichen, machen normalerweise Autopilot-Servobetätigungsvorrichtungen mit voller Autorität und eine vergrößerte Öystemkomplixität in der Form von Parameter- oder Verstärkungsregelung über den ganzen Betriebsbereich hinweg erforderlich.

| Gemäß der Erfindung ist ein Flugsteuersystem für ein Flugzeug vorgesehen, bei welchem ein von Hand betätigbarer Steuerknüppel und ein Dämpfungssyatem zur Vergrößerung der Stabilität des Flugzeuges um mindestens eine Achse vorhanden ist, wobei mit dem Steuerknüppel Lage-Abfühlvorrichtungen gekoppelt sind, um ein Lagesigrj&l zu erzeugen, welches die Verschiebung des Steuerknüppels gegenüber einer vorgegebenen Lage darstellt, dabei ist ferner mit dem Steuerknüppel eine Kraft-Abfühlvorrichtung gekoppelt, um ein Kraftsignal zu erzeugen, welches die an den Steuerknüppel angelegte Kraft darstellt, wobei Suminiervorrichtungen auf die Lage- und Kraftsignale ansprechen, um entsprechend der Differenz ein resultierendes Steuersignal zu erzeugen, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß das Lagesignal über einen vorbestimmten Bereich von Flugzeuggeschwindigkeiten hauptsächlich wirksam ist, während jenseits dieses Bereiches das Kraftsignal zunehmend, wirksam wird.

Die Verwendung von sowohl Lage- als auch von Kraftsignalen vom Steuerknüppel bewirkt eine automatische Einstellung über einen großen Bereich von Flugzeuggeschwindigkeiten hinweg. Vorzugsweise

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weist die Summiervorrichtung einen auf das Steuersignal ansprechenden "wash out" - Kreis auf,-um -seine .Wirksamkeit nach' einem vorbestimmten Zeitintervall auszuschließen, wodurchkeine Langzeit-Trimm-Planung mehr erforderlich ist. Durch die vorliegende Erfindung werdeη die Flugzeughandhabungseigenschaften verbessert, ohne die Systernkomplexität merklich : zu vergrößern. 'Zudem erreicht man die Kompensation der dem Flugzeug innewohnenden Trägheit und der infolge des Dämpfungssystems auftretende Trägheit auch bei Verwendung von Aütopilot-Servobetätigungsvorriehtungen mit beschränkter Autorität, anstelle von solchen mit voller Autorität, die normalerweise mit bekannten Steuerknüppelsteuersysteraen verbunden cind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sie:: aus der Beschreibung eines -gemäß der Erfindung ausgebildeten Steuersystems für ein Flugzeug-an Hand der Zeichnung; die : Zeichnung gibt eine scLematische Darstellung - teilweise in

Form eines Blockschaltbildes - des Steuersystem» in Verbindung : mit der Querachse des Flugzeuges.

Das Steuersystem weist einen u:j eine .i-c-ise 2 schwenkbar angeordneten -Steuerknüppel. 1 auf, der über ein mechanisches Gestän— ^! Se 3, welches einen Uberseizutigswechsler/f. aufweist, Hand-Eingangssignale für eine Eingangsverbinaunir einer algebraischen Suinmiervorrichtunr 5 erzeugt. IUe Ausriin^s.jröße der Suniaiervcrrichtung r steuert eine Ste-aerflächeii-HyärauIirZveritil-Setiitigungsvorriclitung o, un die 8~euerflä3he einzustellen: in

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vorliegeiiden Fall isj/die steuerfläche ein Höhenruder 7 des Flugzeuges 'ö. "üblicherweise ist mit dem Steuerknüppel 1 eine _t. Zentralioierfeder 10, ein Dämpfer 11 und ein Pendelgewicht 12 oder ein Pendelgewichtsäroulator verbunden, der auf die Beschleunigung θ der Querbewegung und die normale Beschleunigung "g" des Flugzeuges 8 anspricht.

^ Um die gewünschten Stabilitätseigennchaften zu erhalten, ist das Flugzeugsteueroystem weiterhin nit einer Stabilitätsvergrüßerunjsvorrichtung ausgestattet, und zwar in diesem Beispiel bezüglich der Querachse in der Form eines Därap'fers 13 für die Bewegung urn die Querachse. Der Dämpfer 13 für die Bhxmk Bewegimg ura die Querachse weist einen Längsneigangs-Geschwindigkeitskreisel 14 auf und erzeugt otabilitätsvergrößerungssignale entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit Q um die Querachse des Flugzeugs Die Stabilitäts'vergrößerungssignale werden über einen algebraischen Sumniorverstarier 15 des Autopilotdämpfers an eine Auto-

ψ pilot-HydrauliKventilbetätirangsvorrichtung 16 angeregt, die ihrerseits eine Autopilct-Dänpfereingangsgröße für eine weitere Eingangsverbindung der algebraischen Summiervorrichtung 5 in Verbindung mit der Eingangsgröße erzeugt,· die durch den Piloten

gein Form einer an der. Steuerknüppel 1 angelegten i.raft/steuert

ist. Vorzugsweise besitzt die Hydrauliiiventilbetätigungsvorrichtung 16 nur begrenzte Autorität, um so zu verhindern, daß eiri ungewolltes Fehlersignal bewirkt, daß sich das Höhenruder 7 in

. be einem solchen Ausmaß biegt, daß die Flugzeugzelle übeipknsprucht

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wird, oder das Flugzeug 8 ±s± in. eine gefährliche Stellung gebracht wird» Der (Längsneigungs-)Dämpfer 15 für die Bewegung ■ um die Querachse kann ferner einen "wash-out¹¹ -Kreis in der Form eines Kondensators 17 und auch eine im ganzen bei 18 gezeigte Nacheilkompensationssehaltung aufweisen, wobei die Yer-

des

Stärkung 3ΘώίίοΕΚ: (Längsneigungs-) Dämpfungssignals für die Bewegung um die Querachse entsprechend den Eigenschaften des speziellen Flugzeuges ausgewählt wird. Die Verwendung der Längs-' neigungsbewegiings-Hacheilkompensation gestattet ein schnelles, gut gedämpftes und kurz periodiges Ansprechen auf Störungen durch Windstöße» Andererseits ist jedoch die Folge, daß das Flugzeug auf Manövrierbefehle für stetigen Zustand ("steady state") bei niedrigen Flugzuständen träge anspricht, wenn nicht die erfindungsgemäßen Maßnahmen vorgesehen sind»

Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist das Ansprechen eines modernen Hochgeschwindigkeitsflugzeuges hinsichtlich der Bewegung um die Querachse und hinsichtlich der G-ierbewegung normalerweise träge* Das Zufügen der Dämpfer für die Bewegung um die Querachse und der (Herbewegung zum Zwecke der Verbesserung der Stabilität vermindert die Flugzeugansprechfähigkeiten noch weiter* Die vorliegende Erfindung schafft eine Form der Steuerknüppel steuerung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel in bezug auf die Querachse und das Längsneigungs-Dämpfungssystem 13 dargestellt ist, um das Ansprechen des Flugzeuges hinsichtlich der Bewegung um die Querachse au verbessern» Die Erfindung ist in gleicher Weise auf die anderen Achsen anwendbar, '

Zum weiteren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei ,die Dynamik des Steuerknüppelpendelgewiohts eines Überschallflugzeuges betrachtet und durch die folgende Übertragungsfunktion dargestellt:

+ 1

Gemäß der Erfindung kann das Ansprechen eines Plugzeuges auf Befehle, die sich auf stetigen Zustand beziehen, dadurch beschleunigt werden, daß man eine Form der "washed out"-Steuerknüppelsteuerung verwendet, welche als Pseudosteuerknüppelsteuerung bezeichnet wird* Ein derartiges System ist in der Zeichnung dargestellt, wobei ein Verschiebungsfühler 20 so angeschaltet ist, daß er auf die Bewegung des Steuerknüppels 1 über ein Gestänge 3 anspricht, um ein Steuerknüppel-Lagesignal zu erzeugen, welches der Autopilot-Servobetätigungsvorrichtung 16 in einer ) solchen Polarität hinzugeführt wird, daß die vom Piloten befohlenen Manöver unterstützt werden, und der Tendenz des Längs-

neigungsbewegungsdämpfungssystems 13 derartige Manöver zu verhinge
dern, ent ge ge gewirkt wird» Die Wirkung des Steuerknüppellagesignals besteht in erster Linie in einer Beschleunigung des Ansprechens bei Niediriggeschwindigkeitsflugzmständen, weil das Plugzeug oei niedrigen Geschwindigkeiten normalerweise träge ist, während es bei hohen Geschwindigkeiten normalerweise anspricht. Wenn jedoch die Verstärkung des Steuerknüpptllage- oder Verschiebungssignals geeicht ist, um die Niedriggtgöhwindigkeits-Anspreehkennwerte im

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erforderlichen Ausmaß zu verbessern, um so die gewünschten Flugzeugansprecherfordernisse zu erreichen, so ist normalerweise das Pseudo-Steuerknüppelsignal, bei hohen Flugzeuggeschwindigkeiten zu groß. Dies bewirkt, daß das Flugzeug bei Manövern · bei hohen Geschwindigkeiten überempfindlich ist, was durch ein Darüberhinausschiessen beim "g" Ansprechen auf Pilotenmanövrierbefehle deutlich wird, obwohl das Flugzeug grundsätzlich gut . gedämpft ist.

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Zur Beseitigung der Tendenz nach Überempfindlichkeit bei hohen Geschwindigkeiten, wird ein 'oteuerknüppell.raftsi.'-nal von einem Kraftfühler 21 erzeugt, ■der mit den "Steuerknüppel 1 gekuppelt ist und der ein Kraftsignal proportional der Kraft erzeugt, die durch den Piloten an neu Steuerknüppel 1 u-.velegt wiret. Die Verwendung >ies Lraf uyigr.als '_v-rünäet nick au' .VIe Tatnaehe, ύα,?, «ie mit de.:i .Kaiiövrlerf-lui: verbundenen knarrei.-rafte sehr schnell nit der ueschwindig^eit des J¹IiI.-seu.res ansteigeu. Da aie Lnüppelkräfte bei hoher Geschwinäifs.eit koch sintl und die Größe uer knüppelbewejung eei hohen Gescliv/iniif'. eisen λ: er inrer ist als bei ' niedrigen öeseliwindi·/. eiten -für I-ia::iralni-a::ö-ver, wird die ^uto:."₍a-

■ .tische Koir.pencation-aes knüppeisi."nr.l3 daaurch erreicht, aaß man

■ ixn das Knüppelkraftrignal \~on den: Knüppellagesignal subtrahiert, um ein gröiseret· Ausmaß an «JeschwindijSieitsv-oinpensation. für dns Pseudo-Steuei'kmippelsteuersyster. über einer, großen 3ereich von Flugzeuggeschwindigkeiten cu erkalten. Das Knüppelkraftsignal vom Kraftfühler 21 läuft durch einen Filter in Form eines Versögerungsnetzwerkes, 22, bevor es von dem Knüppellagesignal in

einem algebraischen Sumier-Verstürker 23 subtrahiert wird. Das resultierende Signal vom Verstärker 2 3 gelangt dann durch einen "wash - out" -Kreis in der Form eines Kondensators 24, der das resultierende Signal nach einem vorbestimmten Zeitintervall "auswäscht" um die ilotwendigkeit für eine Langzeit-Trimmeinstellung auszuschließen, Das resultierende Signal wird sodann über ein Nacheilfilternetzwerk 25 an den algebraischen Sunimierverstärker 15 angelegt und zwar in Gegenwirkung zu dem LängSneigungsbewegungsaämpiungseingangssignal.

Me Kombination der Pseudo-Steuerknüppelsteuereagnale in der Form von Lage- und ILraftknüppelsignalen entgegengesetzt zu den·Dämpfungssignalen kompensiert- wie gezeigt - die Trägheit bei niedrigen Geschwindigkeiten und eliminiert das "g" überschießen, welches mit dem Flugzeuransprechen bei hohen Geschwindigkeiten verbunden ist und zwar erfolgt dies auf verhältnisraässig einfache Ueise, ohne die Komplexität der Plugzeugsteuersysteme merklich zu vergrößern.

Patentansprüche:

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BAD ORiGiNAL

Claims (3)

- 9 Patentansprüche :

1. Plugsteuersystem für ein Plugzeug, bei welchem ein von Hand betätigbarer Steuerknüppel und ein Dämpfungssystem zur Vergrößerung der Stabilität des Plugzeugs um mindestens eine Achse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Steuerknüppel (1) eine Lageabfühlvorrichtung (20) gekuppelt ist um ein die Verschiebung des Steuerknüppels gegenüber einer vorgegebenen Lage darstellendes Lagesignal su erzeugen, daß mit dein Steuerknüppel (1) ferner Lraftabfühlvorrichtungen (21) gekuppelt sind, um ein die an den Steuerknüppel (1) angelegte Kraft darstellendes Kraftsignal zu erzeugen, und daß eine auf die Lage-und Kraftsignale ansprechende Summiervorrichtung vorgesehen ist, um entsprechend der dazwischen auftretenden Differenz ein resultierendes Steuersignal zu erzeugen, wobei die Anordnung derart ausgebildet ist, daß in einem vorgegebenen Bereich von Plugzeuggeschwindigkeiten das Lagesignal in erster Linie v/irksam ist und daß oberhalb dieses Bereiches das Kraftsignal zunehmend wirksam wird. i

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summiervorrichtung (5) eine Auswasch-Schaltung auf v/eist, die auf das resultierende Steuersignal anspricht, um seine Wirksamkeit nach einem vorbestimmten Zeitintervall au eliminieren und um Langzeiteinstellungen des Steuersystems zu vermeiden.

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3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte (reschwindigkeitsbereich eine verhäl tnisiaUssig niedrige Fluggeschwindigkeit überdeckt, wodurch zum Manövrieren bei höheren Geschwindigkeiten eine wachsende Pilotenkraft erforderlich ist, jedoch mit einer geringeren Verschiebung des Steuerknüppels.

4· Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sumniervorrichtungen eine erste
algebraische Summiervorrichtung zur Ableitung des resultierenden Steuersignals und zweite algebraische Summiervorrichtungen aufweist, die auf Signale von dem Däapfungssystem und auf das erwähnte resultierende bteuersysten anspricht, um ein End-Steuersignal entsprechend der Differenz zwischen diesen zu erzeugen.

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