DE1964205C3 - Lageregler für Strahlflugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lageregler für Strahlflugzeuge zur Steuerung der Strahlablenker und aerodynamischen Steuerflächen, der mit zunehmender aerodynamischer Steuerwirksamkeit die Strahlablenker auf ihre Nullage zurückregelt.

Durch die DT-OS 19 06 152 ist die Steuerung eines Strahlflugzeuges mit verstellbaren, von einem Lageregler angesteuerten Ablenkeinrichtungen für die Schubstrahlen zur Erzeugung von Steuermomenten bekanntgeworden, bei der in Verbindung mit einer Anstellwinkelsteuerung die schwenkbaren Ablenkdüsen über einen speziellen Regler angesteuert werden, um dem Flugkörper die erforderliche Stabilität zu geben. Durch diese Maßnahmen wird jedoch der an sich schon hohe Aufwand an elektronischen Einrichtungen noch vergrößert.

Es sind weiterhin Einrichtungen bekannt, die die Nick- und Giersteuermomente vollkommen durch den mittels Schwenkdüsen ablenkbaren Schubstrahl aussteuern. Es 2:eigte sich jedoch, daß hiermit große Nachteile verbunden sind; so ist es beispielsweise nicht möglich, ohne elektronischen Regler mit losgelassenem Steuerknüppel! zu fliegen. Außerdem sind bei hohen Anstellwinkeln und hohen Fluggeschwindigkeiten die erzielbaren Steuermomente wegen der starken Neutralpunktwanderung zu gering.

Bei reiner Reaktionssteuerung tritt der Nachteil auf, daß die bei der Verwendung von HochauftriebsmiUeln oder beim Flug mit hohen stationären Lastvielfachen auftretenden Momente ständig durch den abgelenkten Schubstrahl ausgeglichen werden müssen. Dadurch vermindert sich einerseits die sogenannte Autorität der Steuereinrichtung, weil der ständige Ablenkwinkel einem eventuell erforderlichen Steuerausschlag in der gleichen Richtung verloren geht. Andererseits wird vor allem dann, wenn die Hochauftriebseinrichtungen ein kopflastiges Moment ergeben, zu seinem Ausgleich durch herkömmliche Leitwerksflächen am Heck des Flugzeuges eine abwärtswirkende Schubkomponente erforderlich, welche die Wirkung der Hochauftriebmittel zum Teil wieder zunichte macht.

Das Ersetzen dieser bisher üblichen Leitwerksflächen durch Einrichtungen zur Ablenkung der Schubstrahlen dient vor allem dazu den erheblichen Strömungswiderstand dieser für die Langsamflugbedingungen eines Flugzeugs ausgelegten Leitwerksflächen zu vermindern bzw. völlig zu eliminieren.

Nun zählen zum Stand der Technik auch noch Einrichtungen, wie sie beispielsweise in »Interavia« 1974/1, S. 53 bis 58 beschrieben sind, bei denen mit zunehmender aerodynamischer Steuerwirksamkeit die Strahlablenker bzw. Strahltriebwerke in ihre Nullage zurückgeregelt werden, wobei der Schwenkvorgang vom Lageregler selbst vorgenommen wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lageregler der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die große Wirksamkeit der Reaktionssteuerung im Langsamflug mit den stabilisierenden und dämpfenden Eigenschaften der aerodynamischen Steuerung in vorteilhafter Weise und unter Vermeidung der genannten Nachteile beider Steuerungsarten, miteinander auftreten können.

Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß der Lageregler zunächst die Strahlablenker proportional zur Lageabweichung verstellt und dann die aerodynamischen Steuerflächen mit einer der Lageabweichung proportionalen Verstellgeschwindigkeit.

Durch diose Maßnahmen ist es nun möglich, die Vorteile der Reaktionssteuerung und diejenigen der aerodynamischen Steuerung ohne deren Nachteil in Kauf nehmen zu müssen, miteinander gekoppelt einzusetzen. Tritt nun beispielsweise infolge einer äußeren Einwirkung eine Abweichung von der Soll-Lage des Flugzeugs auf, so übernehmen zunächst die proportional zur Lageabweichung verstellten Strahlablenkvorrichtungen den Momentenausgleich, um das Flugzeug in seine Soll-Lage zurückzubringen. Der Lageregler führt nun die aerodynamischen Steuermittel mit einer zur Abweichung proportionalen Verstellgeschwindigkeit im gleichen Sinne nach, worauf die Strahlablenkvo-richtungen in dem Umfang, in dem das Steuermoment von den aerodynamischen Steuermitteln übernommen wird, zurückgeregelt werden. Die aerodynamischen Steuermittel führen also den Steuerungsvorgang zu Ende, während dessen die Strahlablenkvorrichtungen mittlerweile ihre Null-Lage wieder erreicht haben und ihre volle Autorität für ein weiteres Steuerungsmanöver zur Verfügung steht. Nach Abschluß des Steuerungsvorganges werden auch die aerodynamischen Steuermittel wieder in die neutrale Position zurückgeführt.

Durch Vergleich der »Ist-Lage« des Flugzeuges mit der »Soll-Lage« im Regler wird die Lagenabweichung gebildet. Hierbei spielt es keine Rolle, ob sich die Isi-Lage gegenüber einer feststehenden Soll-Lage verstellt, oder ob letztere gegenüber einer bestehenden ist-Lage verändert wird, denn der Regelungsvorgang läuft grundsäztlich in beiden Fällen gleich ab.

Bei Flugzeugen mit Hochauftriebsmitteln treten bei deren Betätigung erhebliche kopflastige Nickmomente auf. Diese werden zunächst durch eine Ablenkung der Schubstrahlen ausgeglichen, so daß sich eine kennbare Lageänderung des Flugzeuges nicht einstellen kann. Die Beendigung des Regelvorganges wird durch die aerodynamischen Steuermittel übernommen, worauf sich die Strahlablenkvorrichtungen in ihrer Nullage wieder zentrieren. Dies bringt besonders für die Startphase den Vorteil, daß im Falle einer reinen Reaktionssteuerung duTh den Ablenkwinkel des Schubstrahles eine Schubkomponente für die Antriebsleistung verlorengehen würde.

Neben der angeführten Trennung in einen reinen proportionalen und einen reinen integralen Regelanteil kann auch den aerodynamischen Steuermittel ein gemischt proportionales und integrales Regelverhalten eingegeben werden,

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß die zwischen dem Vollausschlag der Strahlablenker sowie der vollen Wirksamkeit der aerodynamischen Steuerflächen bestehende zeitliche Verzögerung größer ist als die Zeitdauer typischer instationärer Störungen, wie Böen und Steuerungsungenauigkeiten. In der Regel werden diese Ungenauigkeiten allein durch die Strahlablenkung ausgeglichen, während stationäre Momente, wie sie bei Verwendung von Hochauftriebsmitteln, bei verschiedenen Beladzuständen sowie bei längerdauernden Steuerausschlagen des Piloten auftreten, vorzugsweise durch die aerodynamischen Steuermittel ausgeglichen werden, die außerdem noch eine Steuerfähigkeit des Flugzeuges bei leerlaufendem oder ausgefallenem Strahltriebwerk erlauben. In den letztgenannten Fällen erzeugen ja die Strahlablenkvorrichtungen dann keine Steuermomente mehr.

Mehrere Ausführungsbeispielc der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer Seitenansicht ein Flugzeug mit am Heck angeordneter Schwenkdüse sowie vor dem Schwerpunkt angeordneten Hilfsrudern;

Fig. 2 in einer Seitenansicht ein Flugzeug mit am Heck angeordneter Schwenkdüse sowie mit einem in Flugzeuglängsrichtung verschiebbaren Tragflügel;

F i g. 3 bis 5 Beispiel für eine Verschiebemechanik eines Flügels gemäß F i g. 2 in verschiedenen Ansichten und Stellungen;

Fig. 6 ein Blockschaltbild für die Regelkette zur Ansteuerung der Strahlablenkvorrichtungen sowie der aerodynamischen Steuermittel.

Das in Fig. 1 dargestellte Flugzeug 1 ist mit einem oder zwei nebeneinander liegenden Triebwerken 2 ausgestattet, deren Auslaßdüsen 2 in der vertikalen Symmetrieebene des Flugzeugs schwenkbar sind. Am Rumpfbug ist ein Paar Hilfsruder 4 angeordnet, deren Anstellwinkel einstellbar ist. Die Quersteuerung erfolgt in bekannter Weise durch am Tragflügel 5 angeordnete Querruder, die Seitensteuerung ebenfalls in bekannter Weise durch ein Seitenleitwerk 6. Die in Fig. 1 beispielsweise dargestellte Konfiguration zeigt die Schwenkdüse 3 neben ihrer Normallage in einer um ihre volle Autorität nach oben ausgeschlagenen Position (strichpunktiert), beispielsweise zum Ausgleich einer kopflastig wirkenden Störung, während das Hilfsruder erst um einen geringen Betrag, jedoch in gleicher Richtung wirken, angestellt ist. Bei einer langer andauernden Störung wird das Hilfsruder durch den im Flugzeug eingebauten Flugregler mit einer der Lagenabweichung proportionalen Geschwindigkeit soweit eingestellt, daß es in der Lage ist, die Störung auszugleichen, während sich die Schwenkdüse wieder in ihrer Nullage zentriert.

F i g. 2 zeigt ein Flugzeug 20, mit einem oder zwei nebeneinander liegenden Triebwerken 21, dem Tragflügel 22, welcher in bekannter Weise mit nicht näher dargestellten Querrudern ausgestattet ist, dem Seitenleitwerk 23 sowie den in einer vertikalen Ebene schwenkbaren Strahldüsen 24. Die mit ausgezogenen Linien gezeichnete Position des Tragflügels 22 entspricht der normalen Fluglage, bei der die Wirkungslinie des Auftriebes A durch den Schwerpunkt S verläuft. Bei einer schwanzlastigen, d. h. also aufrichtenden Störung schlägt die Schwenkdüse in die mit strichpunktierten Linien gezeichnete, der Lagenabweichung des Flugzeugs proportionale Stellung aus, um der Störung entgegenzuwirken. Handelt es sich um eine langer andauernde Störung, die über die Zeitdauer der Verzögerung hinausreichl, welche der integrale Regelanteil (aerodynamische Steuermittel) gegenüber dem proportionalen Regelanteil (Strahlablenker) aufweist, so übernehmen die aerodynamischen Steuermittel, in diesem Falle der verschiebbare Tragflügel 22, den Ausgleich dieser Störung, in dem er gegenüber dem Rumpf nach hinten verschoben wird, so daß er beispielsweise in die mit strichpunktierten Linien dargestellte Lage kommt. Gleichzeitig mit der Verschiebung des Tragflügels nach hinten kehrt die Schwenkdüse 24 wieder in ihre neutrale Lage zurück.

Ebenso wie die die Störungen registrierenden Soll-Lagengeber wirken auch die Steuersignale des Piloten über den im Flugzeug eingebauten Regler zunächst auf die Schwenkdüse und mit einer zeitlichen Verzögerung auf die aerodynamischen Steuermittel. Selbstverständlich können anstelle von Lagengebern auch Beschleunigungsgebcr oder Winkelgeschwindigkeitsgeber vorgesehen werden. Das am Beispiel der Nicksteuerung dargestellte Steuerungsprinzip ist eventuell auch auf die Giersteuerung übertragbar.

Grundsätzlich bewegt sich also der Tragflügel so, daß der Gesamtauftriebsmittelpunkt bei einer beansichtigten Änderung einer stabilen Fluglage (Steuerbefehl des Piloten) vom Schwerpunkt entfernt wird, während bei einem Ausgleich einer Störung, bei der also die Wirkungslinie des Gesamtauftriebsmittelpunktes nicht durch den Schwerpunkt läuft, diese auf den Schwerpunkt zubewegt wird.

F i g. 3 bis 5 zeigen skizzenhaft den Tragflügel 22 gemäß F i g. 2, welcher über Stützen 25 in im Rumpf des Flugzeuges 20 gelagerten Gleitschienen 26 gelagert ist. Als Antrieb dient ein hydraulischer Stellmotor 27, welcher seine Befehle vom Regler bekommt.

Fig.6 zeigt das Blockschaltbild einer Regeleinrichtung für das beschriebene Verfahren. Der die Sollage angebende Steuerwertgeber 30, sowie der Istlagengeber 31 geben ihre Signale über eine Vergleichsschaltung 35 an den Lageregler 32, welcher diese Signale mit der Sollage vergleicht und das entsprechende, zum Steuern erforderliche Moment bestimmt. Aus diesem bestimmten Wert ergibt sich das Signal für den Schwenkdüsenantrieb 33 (proportionaler Regelanteil), sowie das Signal für die aerodynamischen Steuermittel 34 (integraler Regelanteil). Bei der Übernahme der Steuerung durch die letzteren werden ständig die Stellungen der Schwenkdüsen sowie der aerodynamischen Steuermittel über Rückführungen im Regler 32 miteinander verglichen, so daß das gesamte, zum Ausgleich der Störung bzw. zur Ausführung des Steuerbefehls erforderliche Moment nicht überschritten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Lageregler für Strahlflugzeuge zur Steuerung der Strahlablenker und aerodynamischen Steuerflächen, der mit zunehmender aerodynamischer Steuerwirksamkeit die Strahlablenker auf ihre Nullage zurückregelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler (32) zunächst die Strahlablenker (3, 24) proportional zur Lageabweichung verstellt und dann die aerodynamischen Steuerflächen (4, 5, 22) mit einer der Lageabweichung proportionalen Verstellgeschwindigkeit.

2. Lageregler nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Vollausschlag der Strahlablenker (3,24) sowie der vollen Wirksamkeit der aerodynamischen Steuerflächen (4, 5, 22) bestehende zeitliche Verzögerung größer ist als die Zeitdauer typischer instationärer Störungen wie Böen und Steuerungsungenauigkeiten.

3. Lageregler nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine direkte Ansteuerbarkeit durch den Piloten.