DE19925982A1

DE19925982A1 - Drehflügler mit einer Zelle, an der ein Hauptrotor und ein Heckausleger für einen Heckrotor gelagert sind

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Publication number: DE19925982A1
Application number: DE1999125982
Authority: DE
Inventors: Andreas Bueter; Torsten Gruetzmacher
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: DE19925982B4

Abstract

Bei einem Drehflügler (1) mit einer Zelle (2), an der ein um eine etwa vertikale Rotorachse (3) umlaufender Hauptrotor (4) und ein Heckausleger (8) für einen um eine etwa horizontale Rotorachse umlaufenden Heckrotor (7) gelagert sind, trifft ein von dem umlaufenden Hauptrotor (4) hervorgerufener Rotorstrahl (14) auf den Heckausleger (8). Zwischen dem Heckausleger (8) und der Zelle (2) ist eine aktiv ansteuerbare Schnittstelle (19) vorgesehen, die Aktuatoren zum Aufbringen von Querbiegemomenten zwischen dem Heckausleger (8) und der Zelle (2) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehflügler mit einer Zelle, an der ein um eine etwa vertikale Rotorachse umlaufender Hauptrotor und ein Heckausleger für einen um eine etwa hori zontale Rotorachse umlaufenden Heckrotor gelagert sind, wobei ein von dem umlaufenden Hauptrotor hervorgerufener Rotorstrahl auf den Heckausleger trifft.

Drehflügler ist der Oberbegriff, unter den vorwiegend Hubschrau ber aber prinzipiell auch solche Drehflügler mit überwiegend passivem Antrieb des Hauptrotors durch horizontale Anströmung fallen, die beispielsweise mit horizontal ausgerichteten Strahl triebwerken angetrieben werden. Bei einem Hubschrauber ohne zusätzliche horizontal ausgerichtete Triebwerke wird für den Vortrieb die Rotorachse bzw. der ganze Hubschrauber mit der Zelle nach vorne verkippt. Insofern ist der vertikale Verlauf der Rotorachse hier nicht als starre Angabe zu verstehen.

Hubschrauber zeichnen sich aufgrund ihrer Fähigkeit zum Schwebe- und Vertikalflug durch ein vielfältiges Einsatzspektrum aus. Diesen Vorteilen stehen jedoch auch Nachteile gegenüber, zu denen ein hohes Vibrationsniveau im Inneren der Zelle eines Hubschraubers zählt. Dieses Vibrationsniveau führt neben dem bei Hubschraubern bekannt hohen Lärmniveau zu einer erheblichen Belastung des Piloten und etwaiger Passagiere. Insbesondere bei Rettungseinsätzen und Krankentransporten wirken sich die Vibrationen nachteilig auf den Patienten aus und schränken somit auch die Einsatzbreite des Hubschraubers im medizinischen Bereich wesentlich ein. Neben diesen Einschränkungen im Einsatzbereich führen die Vibrationen auch zu einem erhöhten strukturellen Verschleiß und damit verbunden zu einem hohen Wartungsaufwand bei Hubschraubern. Eine Vibrationsminderung hat daher einen direkten Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Hubschraubern.

Das Strömungsfeld um einen Drehflügler ist im wesentlichen durch die induzierte Strömung, d. h. den Rotorstrahl des Hauptrotors charakterisiert. Ein spezielles Problem in diesem Zusammenhang sind die sich von dem Heckausleger ablösenden Wirbel. Diese Wirbelablösungen können Querschwingungen zunächst des Heckaus legers erzwingen, wenn sich hinter bzw. unter dem Heckausleger eine sogenannte Kármánnsche Wirbelstraße ausbildet. Über die Anbindung des Heckauslegers an die Zelle werden durch die Querschwingungen des Heckauslegers Schwingungen der Zelle angeregt. Im Fall der sogenannten Selbststeuerung können auch Querbiegeeigenformen der Gesamtstruktur aus Zelle und Heckausleger angeregt werden die neben einer Reduktion des Flugkomforts eine erhebliche Strukturbelastung darstellen.

Die maßgebliche Kennzahl für das oben angesprochene Phänomen der Selbststeuerung ist die sogenannte STROUHAL-Zahl S = f_k D/u, wobei f_k die Frequenz der sich ablösenden Wirbel, D der Durch messer der quer angeströmten Struktur und u die Strömungs geschwindigkeit ist. Die STROUHAL-Zahl ist abhängig von der REYNOLDS-Zahl. Nähert sich die Frequenz f_k der Eigenfrequenz f_e einer Querschwingungseigenform des Heckauslegers, entstehen bei kleiner Dämpfung große Ausschläge. Dieses Phänomen ist bei quer angeströmten Zylindern bekannt und beispielsweise in Hapel, H.-H.: "Festigkeitsanalyse dynamisch beanspruchter Offshore Konstruktionen", Vieweg-Verlag, 1990 beschrieben. Ein in Wirbelresonanz schwingender Zylinder schwingt auch dann mit derselben Amplitude weiter, wenn die Anströmgeschwindigkeit geringfügig wächst oder abnimmt. Das heißt, in einem schmalen Frequenzgang in der Umgebung seiner Resonanzfrequenz wird die Frequenz der sich ablösenden Wirbel nicht von der Höhe der Anströmgeschwindigkeit sondern von dem schwingenden Zylinder selbst bestimmt. Dieses Phänomen wird im speziellen mit Selbststeuerung bezeichnet. Sie führt zu einer zusätzlichen Stabilisierung der Resonanzschwingung, was auch als LOCK-IN Phänomen bezeichnet wird. Aufgrund der Selbststeuerung können bei schwingenden Zylindern auch im überkritischen REYNOLDS- Bereich zwischen dem unterkritischen Bereich und dem trans kritischen Bereich regelmäßige Wirbelablösungen auftreten, was bei starren Strukturen nicht auftritt. Die spezielle wechsel weise Ablösung von Einzelwirbeln auf beiden Seiten eines quer angeströmten schwingenden Zylinders tritt bei typischen STROUHAL-Zahlen von 0,2 und REYNOLDS-Zahlen im Bereich 2,5.10⁶ < Re < 5.10⁶ (überkritischer Bereich) auf. Die Querschwingungen des Heckauslegers eines Drehflüglers sind stark durch das Phänomen der Selbststeuerung geprägt. Die wirbelinduzierten Querbiegemomente weisen als Frequenzanteile im Falle der Selbststeuerung die erste Querbiegeeigenform des Drehflüglers und im Falle ohne Selbststeuerung die Wirbelablösefrequenz auf.

Aus Strehlow, H. et al.: "Applied Helicopter Aeroelastics - Modelling and Testing -"; 22nd European Rotorcraft Forum, Brighton, UK, Sept. 1996 ist es für den Hubschrauber BK 117 bekannt, daß bei STROUHAL-Zahlen von 0,2 in einem bestimmten Fluggeschwindigkeitsbereich eine Selbststeuerung mit starken Querbiegemomenten des Heckauslegers auftritt. Konkret wurden starke Heckauslegerschwingungen im Sinkflug und bei Flug geschwindigkeiten im Bereich zwischen 70 bis 120 kn beobachtet. Der Schwingungsverlauf wies in diesem Zusammenhang eine Schwebung auf. Der Grund für diese Schwebung sind die dicht zusammenliegenden Biege- und Ablösefrequenzen, die mit vergleichbaren Amplituden angeregt werden. Aus der oben zitierten Druckschrift ist weiterhin bekannt, daß die Querbiege momente des Heckauslegers mit den Vibrationen des Pilotensitzes stark korrelieren und für Zellenvibrationen verantwortlich sind. Zudem führen die Querbiegeschwingungen des Heckauslegers zu Wechselwirkungen mit dem Heckrotor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, das Schwingungsniveau bei einem Drehflügler der eingangs beschriebenen Art grundlegend zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem Heckausleger und der Zelle eine aktiv ansteuerbare Schnittstelle vorgesehen ist, die mindestens einen Aktuator zum Aufbringen von Momenten, insbesondere von Querbiegemomenten, zwischen dem Heckausleger und der Zelle aufweist.

Die bei dem neuen Drehflügler vorgesehene aktiv ansteuerbare Schnittstelle ist eine mechanische Schnittstelle. Sie ist an dem Punkt angeordnet, an dem Querbiegemomente zwischen dem Heckaus leger und der Zelle übertragen werden, d. h. an dem Verbindungs punkt dieser beiden Bauteile. Dabei ist die Schnittstelle in dem Sinne aktiv ansteuerbar, daß sie neben den von ihr übertragenen passiven Querbiegemomenten aktive Querbiegemomente zwischen der Zelle und dem Heckausleger erzeugen kann. Hierzu ist mindestens ein Aktuator vorgesehen, um die gewünschten Querbiegemomente zwischen Heckausleger und der Zelle aufzubringen.

Mit nur einem Aktuator kann die Schnittstelle nur vorgesehen sein, um Querbiegemomente zwischen dem Heckausleger und der Zelle in einer Richtung aufzubringen. Die bevorzugte Richtung verläuft dabei horizontal, d. h. um eine Hochachse des Drehflüglers bzw. in der Richtung, in der die Schnittstelle durch horizontale Wedelbewegungen des Heckauslegers und angeregte Eigenbiegeformen der Struktur aus Heckausleger und Zelle auf Verformung beansprucht wird.

Bereits beim Aufbringen von nur horizontal verlaufenden Quer biegemomenten zwischen dem Heckausleger und der Zelle kann es aber sinnvoll sein, mehrere Aktuatoren vorzusehen, die bei spielsweise gegeneinander geschaltet sind. Wenn auch vertikal, d. h. um eine Nickachse des Drehflüglers, oder jedenfalls nicht horizontal verlaufende Querbiegemomente zwischen dem Heckaus leger und der Zelle aufgebracht werden sollen, sind entsprechend zusätzliche Aktuatoren in der Schnittstelle vorzusehen. Eine aktiv ansteuerbare Schnittstelle, mit der Querbiegemomente in nahezu beliebigen Richtungen zwischen dem Heckausleger und der Zelle aufbringbar wären, ist beispielsweise aus dem US-Patent 5 765 817 bekannt.

Mit der aktiv ansteuerbaren Schnittstelle ist es bei dem neuen Drehflügler möglich, in sein Schwingungsniveau auf unterschied liche Weise einzugreifen. So kann ein Sensor vorgesehen sein, der die Anregung einer Eigenbiegeform der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger registriert, wobei weiterhin eine Steuereinrichtung für die aktive Ansteuerung der Schnitt stelle vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors die aktive Schnittstelle im Sinne einer Verstimmung der Biegeeigenform der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger ansteuert. Das heißt, wenn festgestellt wird, daß eine der Biegeeigenformen der elastischen Struktur angeregt wird, was grundsätzlich mit der Gefahr von Schwingungen der Gesamtstruktur mit großer Amplitude verbunden ist, wird die Schnittstelle genutzt, um die Biegeeigenform so zu verändern, daß sie nicht mehr angeregt wird. Dies ist unter dem Konzept der Verstimmung der Biegeeigenform zu verstehen. Konkret bedeutet dies beispielsweise, daß die durch Wirbelablösungen vom Heckaus leger erreichte LOCK-IN Region wieder verlassen wird und die Rückkopplung zwischen den sich ablösenden Wirbeln und der Quer schwingung des Heckauslegers aufgehoben wird. Damit wird letzt lich auch die Anregung selbst zumindest teilweise beseitigt.

Statt eines Sensors, der unmittelbar die Anregung der jeweiligen Biegeeigenfrequenz erkennt, kann auch ein Sensor vorgesehen sein, der auf andere Weise die Annäherung des Drehflüglers an einen Betriebszustand feststellt, in dem eine Eigenbiegeform der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger angeregt wird. So kann beispielsweise die Anströmgeschwindigkeit des Heckauslegers durch den Hauptstrahl des Hauptrotors bestimmt werden, um festzustellen, ob die Bedingungen für die Ausbildung einer Kármánnschen Wirbelstraße im Bereich einer Eigenfrequenz der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger vorliegen.

Als spezielle Art des Verstimmens der Biegeeigenformen der Gesamtstruktur aus der Zelle und dem Heckausleger ist es anzusehen, wenn die Steuereinrichtung die aktive Schnittstelle im Sinne einer unendlichen Steifigkeit der elastischen Struktur einer Zelle und dem Heckausleger ansteuert. Es versteht sich, daß die unendliche Steifigkeit nur im Bereich der aktiven Schnittstelle und auch nur in einem bestimmten Frequenzbereich angestrebt werden kann. Damit ist aber durchaus der Bereich der typischerweise auftretenden und störenden Schwingungen einer Zelle eines Drehflüglers abdeckbar.

Bei dem neuen Drehflügler kann auch ein Sensor vorgesehen sein, der die Anregung einer Eigenbiegeform der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger registriert, wobei eine Steuereinrichtung für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors die aktive Schnittstelle im Sinne einer Unterdrückung der Anregung oder einer Änderung der Frequenz der Anregung der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger ansteuert. Auch dieses Konzept kann in der Praxis mit einer Verstimmung der Biegeeigenformen der Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger einhergehen. Ziel ist es aber hier, aktiv im Bereich der Anregungen der elastischen Struktur einzugreifen. Dies kann bedeuten, daß die Ansteuerung der Schnittstelle so erfolgt, daß primär Wedelbewegungen des Heckauslegers verhindert werden, damit das Ausbilden einer Kármánnschen Wirbelstraße unter dem Einfluß der Anströmung durch den Hauptstrom des Hauptrotors verhindert wird. Die Absenkung des Schwingungs gesamtniveaus der elastischen Struktur und insbesondere in der Zelle stellt sich dann von allein ein.

Auch in diesem Fall muß der Sensor nicht unmittelbar vorgesehen sein, um die Anregung der Eigenbiegeform der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger zu registrieren. Es kann wieder ein Sensor vorgesehen sein, der aufgrund anderer Größen die Annäherung des Drehflüglers an einem Betriebszustand registriert, in dem die Biegeeigenform der elastischen Struktur aus der Zelle und dem Heckausleger angeregt wird.

In einem weiteren Ansatz kann ein Sensor vorgesehen sein, der Schwingungen der Zelle registriert, wobei eine Steuereinrichtung für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors die aktive Schnitt stelle im Sinne eine Erzeugung von Gegenschwingungen ansteuert, die sich mit Schwingungen der Zelle auslöschend überlagern. Hier wird zunächst hingenommen, daß der Heckausleger schwingt. Er wird sogar bei der Erzeugung der Gegenschwingungen aufgrund deren reactio zu weiteren Schwingungen angeregt. Die Konzentra tion des aktiven Eingriffs erfolgt auf die Schwingungen der Zelle, die durch die bewußt hervorgerufenen Gegenschwingungen möglichst weitgehend ausgelöscht werden. Dabei findet aber auch eine Herabsetzung des Gesamtschwingungsniveaus des Drehflüglers statt, so daß defacto auch die Schwingungen des Heckauslegers eher auf einem geringeren Niveau stattfinden als bei einem Drehflügler nach dem Stand der Technik.

In einem weiteren Ansatz ist eine Steuereinrichtung für die An steuerung der Schnittstelle vorgesehen, die die aktive Schnitt stelle in einem bestimmten Frequenzbereich im Sinne einer Abkopplung des Heckauslegers von der Zelle ansteuert. Das bedeutet, daß in dem bestimmten Frequenzbereich die Schnitt stelle aktiv unendlich weich gemacht wird, so daß durch Schwingungen des Heckauslegers in dem Frequenzbereich keine Schwingungen der Zelle angeregt werden können.

In noch einem weiteren Ansatz ist ein Sensor vorgesehen, der Schwingungen der Zelle registriert, wobei eine Steuereinrichtung für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors die aktive Schnitt stelle im Sinne einer Verwendung des Heckauslegers als Tilger für die Schwingungen der Zelle in einem bestimmten Frequenzbe reich ansteuert. Das heißt, die Masse des Heckauslegers und ihre elastische Anbindung an die Zelle wird als Tilger verwendet, der der Zelle Schwingungsenergie in dem bestimmten Frequenzbereich entzieht. Sinn macht diese Anordnung natürlich nur, wenn diese Schwingungsenergie in geeigneter Weise im Bereich des Heckausle gers vernichtet werden kann, beispielsweise durch Dämpfer für die Energieumwandlung in Wärme. Dabei müssen keine separaten Dämpfer vorgesehen sein. Vielmehr ist es sinnvoll, den Heck ausleger selbst aus einer dämpfenden Struktur auszubilden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert und beschrieben, dabei zeigt:

Fig. 1 einen Hubschrauber als Beispiel für einen Drehflügler in der Seitenansicht,

Fig. 2 eine Auftragung der Frequenz der sich von dem Heckaus leger des Hubschraubers gemäß Fig. 1 ablösenden Wir bel in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit auf den Heckausleger,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer Schnittstelle für den Hubschrauber gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht,

Fig. 4 die Schnittstelle gemäß Fig. 3 im Querschnitt,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Schnittstelle für den Hubschrauber gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der Schnittstelle für den Hubschrauber gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht,

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform der Schnittstelle für den Hubschrauber gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht,

Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform der Schnittstelle für den Hubschrauber gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht, und

Fig. 9ff. verschiedene Blockdiagramme zur Ansteuerung der Schnittstelle des Hubschraubers gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 als Beispiel für einen Drehflügler dargestellte Hubschrauber 1 weist eine Zelle 2 auf, an der ein um eine im wesentlichen vertikale Rotorachse 3 umlaufender Hauptrotor 4 gelagert ist. Ebenfalls an der Zelle 2 ist ein Triebwerk 5 für den Hauptrotor 4 gelagert. Das Triebwerk 5 treibt über eine nach hinten führende Antriebswelle 6 zudem einen Heckrotor 7 an, der an einem Heckausleger 8 um eine horizontale Rotorachse 9 ver schwenkbar gelagert ist. Der Heckausleger 8 ist an der Zelle 2 gelagert und trägt an seinem freien Ende neben dem Heckrotor 7 ein Leitwerk 10. Unten an der Zelle 2 sind Kufen 11 gelagert. Statt der Kufen 11 könnte auch ein Fahrwerk vorgesehen sein. In der Zelle 2 befinden sich ein oder mehrere Pilotensitze 12 und ein oder mehrere Passagiersitze 13. Der von dem Triebwerk 5 um die Rotorachse 3 angetriebene Hauptrotor 4 verursacht einen abwärts gerichteten Rotorstrahl 14, der mit zunehmender Ge schwindigkeit des Hubschraubers 1 in einer Flugrichtung 15 im zunehmenden Maße auch nach hinten gerichtet ist. Der Rotorstrahl 14 trifft von oben auf den Heckausleger 8 auf und kann dabei Querschwingungen des Heckauslegers 8 senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 hervorrufen, die möglicherweise Querbiegeeigenformen der gesamten Zellenstruktur anregen.

Die mit der Anregung der Querbiegeeigenformen des Hubschraubers 1 verbundenen Phänomene sind in Fig. 2 skizziert. Oben in Fig. 2 ist dargestellt, wie sich bei einem durch den Rotorstrahl 14 quer angeströmten zweidimensionalen Zylinder 16, der als Modell für den Heckausleger 8 gemäß Fig. 1 dient, Wirbel 17 und 18 wechselweise von beiden Seiten des Zylinders 16 ablösen. Dabei bezieht sich die Zuordnung der Seiten auf eine Ebene, die von dem Rotorstrahl 14 und der Haupterstreckungsrichtung des Zylin ders 16 aufgespannt wird. Das derart beschriebene Phänomen der sich wechselseitig von dem Zylinder 16 bzw. dem Ausleger 8 ablösenden Wirbel 17 und 18 wird auch als Kármánnsche Wirbel straße bezeichnet. Die Frequenz f_k der sich ablösenden Wirbel 17 und 18, die in Fig. 2 unter dem Prinzipschaubild über der Anströmgeschwindigkeit u aufgetragen ist, steigt mit der Anströmgeschwindigkeit u linear an, bis sie in den Bereich einer Eigenfrequenz f_e der Querschwingungseigenform der Gesamtstruktur des Hubschraubers 1 gemäß Fig. 1 gelangt. Dort kommt es in einer LOCK-IN Region zu einer Stabilisierung der Frequenz f_k unabhängig von der Anströmgeschwindigkeit u. Gleichzeitig erfolgt eine Anregung der Querschwingungseigenform des Hub schraubers mit der Eigenfrequenz f_e über die gesamte LOCK-IN Region hinweg, so daß es zu starken strukturellen Belastungen kommt. Aber auch über den restlichen Bereich der Ausbildung der Kármánnschen Wirbelstraße treten unerwünschte Querschwingungen des Heckauslegers 8 und damit verbundene strukturelle Belastun gen des Hubschraubers 1 auf.

Um beispielsweise die Ausbildung der Kärmännschen Wirbelstraße und dabei insbesondere das Eintreten in die LOCK-IN Region gemäß Fig. 2 zu vermeiden ist bei dem Hubschrauber 1 gemäß Fig. 1 eine aktiv ansteuerbare Schnittstelle 19 zwischen der Zelle 2 und dem Heckausleger 8 vorgesehen. Die Schnittstelle 19 dient zum Aufbringen von Querbiegemomenten zwischen der Zelle 2 und dem Heckausleger 8 vornehmlich in horizontaler Richtung, d. h. in der Richtung von Biegeeigenformen der elastischen Struktur aus der Zelle 2 und dem Heckausleger 8. Für die Ansteuerung der Schnittstelle 19 ist eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen. Eingangssignale erhält die Steuereinrichtung 20 von Sensoren 21 bis 23, die an der Zelle 2, an dem Heckausleger 8 und in dem Bereich der Schnittstelle 19 selbst vorgesehen sind. Jedes der Signale der Regler 21 bis 23 kann als Eingangssignal und/oder Kontrollsignal der Steuereinrichtung 20 Verwendung finden. Der Sensor 21 registriert Schwingungen der Zelle 2, die es zur Verbesserung des Flugkomforts des Hubschraubers 1 zu verhindern gilt. Der Regler 22 registriert Schwingungen des Heckauslegers 8, die eine potenzielle Anregung von Schwingungen der Zelle 2 darstellen. Der Sensor 23 liegt im Bereich des Knotens der ersten Biegeeigenform der elastischen Struktur aus der Zelle 2 und dem Heckausleger 8 und registriert das Anregen dieser und höherer Biegeeigenformen.

In den Fig. 3 und 4 ist eine erste Ausführungsform der Schnittstelle 19 für den Hubschrauber 1 gemäß Fig. 1 darge stellt. Die Schnittstelle 19 weist zwischen einem zellenseitigen Bauteil 24 und einem heckauslegerseitigem Bauteil 25 eine Mehrzahl von Aktuatoren 26 auf, denen Vorspannschrauben 27 und ein rohrförmiges Führungselement 28 parallel geschaltet sind. Die Aktuatoren 27 sind gestapelte piezoelektrische Aktuatoren und werden von der Steuereinrichtung 20 angesteuert. Die Vorspannschrauben 27 geben eine Vorspannung auf die Aktuatoren 26, um der Schnittstelle 19 eine Grundsteifigkeit zu verleihen. Gleichzeitig wird sichergestellt, daß die Aktuatoren 26 keinen Zugbeanspruchungen ausgesetzt werden, gegenüber denen sie sehr empfindlich sind. Das Führungselement 28 verhindert das Einwir ken von Scherkräften auf die Aktuatoren 26, gegenüber denen sie ebenfalls eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Mit den Aktua toren 26 können zwischen der Zelle 2 und dem Ausleger 8 gemäß Fig. 1 in allen Richtungen, die senkrecht zu einer Achse 29 der Schnittstelle 19 verlaufen, welche mit der Haupterstreckungs richtung des Heckauslegers 8 zusammenfällt, Querbiegemomente willkürlich hervorgerufen werden. Dabei kann die Anordnung der ringförmig um die Achse 29 verteilten Aktuatoren 26 auch noch eine größere Anzahl von Aktuatoren umfassen.

Nur zwei Aktuatoren sind bei der Ausführungsform der aktiv an steuerbaren Schnittstelle 19 gemäß Fig. 5 vorgesehen. Hier sind das zellenseitige Bauteil 24 und das heckauslegerseitige Bauteil 25 Bestandteil eines H-förmigen einstöckigen Grundkörpers 30 mit einem den Aktuatoren 26 parallel angeordneten Steg 31. Der Steg verleiht der Schnittstelle 19 eine Grundsteifigkeit. Er kann aber unter Einwirkung der Aktuatoren 26 in der Zeichenebene der Fig. 5 umgebogen werden, um horizontale, d. h. um eine Hochachse des Hubschraubers 1 verlaufende Querbiegemomente zwischen dem Heckausleger 8 und der Zelle 2 willkürlich aufzubringen. Dazu senkrechte, d. h. um eine Nickachse des Hubschraubers 1 ver laufende Querbiegemomente kann die Schnittstelle 19 nicht hervorrufen.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Schnittstelle 19, die sogar mit nur einem einzigen Aktuator 26 auskommt. Hier ist ein einstückiger Grundkörper 30 C-förmig ausgebildet, wobei seine beiden freien Enden durch den Aktuator 26 auseinandergedrückt werden können. Parallel zu dem Aktuator 26 ist eine Vorspann schraube 27 angeordnet. Auch die Schnittstelle 19 gemäß Fig. 6 ist nur für das Aufbringen von Querbiegemomenten in der Zeichen ebene gedacht. Dabei sollte sie so an dem Hubschrauber 1 gemäß Fig. 1 angeordnet werden, daß das vom Heckrotor 7 aufgebrachte Drehmoment, das eine Drehbewegung der Zelle 2 um die Rotorachse 3 verhindert zu einer Druckbelastung des Aktuators 26 führt.

Zusammen mit der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Schnittstelle 19 sind auch die angrenzenden Bereiche des Heckauslegers 8 und der Zelle 2 wiedergegeben. Diese Bereiche sind jeweils von rohrförmiger Struktur und enden in ringförmigen Flanschen als heckauslegerseitiges Bauteil 25 und zellenseitiges Bauteil 24. Zwischen diesen beiden Bauteilen 24 und 25 sind Stäbe 44 als passive kraftübertragende Elemente vorgesehen, die jeweils paarweise V-förmig zueinander ausgerichtet sind. Zusätz lich sind zwischen den Bauteilen 24 und 25 Verstellelemente mit den aktiv ansteuerbaren Aktuatoren 26 und den diesen parallel geschalteten Vorspannschrauben 27 vorgesehen. Mit den darge stellten vier Verstellelementen bzw. Aktuatoren können Momente, insbesondere Querbiegemomente, zwischen der Zelle 2 und dem Heckausleger 8 in allen Richtungen aufgebracht werden.

Fig. 8 zeigt eine Variante der Schnittstelle in der Ausfüh rungsform gemäß Fig. 7. Hier ist auf zusätzliche Stellelemente zu den Stäben zwischen den Bauteilen 24 und 25 verzichtet. Statt dessen ist ein Teil der passiven Stäbe 44 durch aktive Stäbe 45 ersetzt, wie sie beispielsweise aus der DE 43 10 825 C1 bekannt sind. Die aktiven Stäbe 45 weisen einen integrierten von der Steuereinrichtung 20 ansteuerbaren Aktuator auf, mit dem die lineare Länge der Stäbe 45 veränderbar ist. Auf diese Weise sind Querbiegemomente zwischen dem Heckausleger 8 und der Zelle 2 aufbringbar. Durch entsprechend abgestimmte Ansteuerung ausge wählter aktiver Stäbe 45 sind bei der Ausführungsform der Schnittstelle 19 gemäß Fig. 8 Querbiegemomente zwischen dem Heckausleger 8 und der Zelle 2 sowohl um eine horizontal verlaufende Nickachse als auch um eine vertikal verlaufende Hochachse des Drehflüglers 1 gemäß Fig. 1 aufbringbar.

Fig. 9 skizziert den Verfahrensablauf bei einer ersten Ausfüh rungsform der Ansteuerung der Schnittstelle 19 durch die Steuereinrichtung 20. In einem ersten Schritt 32 wird das Signal mindestens eines der Sensoren 21 bis 23 abgefragt. In einem zweiten Schritt 33 wird überprüft, ob eines der Signale einen Hinweis darauf enthält, daß eine Biegeeigenform der elastischen Struktur aus der Zelle 2 und dem Heckausleger 8 gemäß Fig. 1 bereits konkret angeregt wird oder die Gefahr einer solchen Anregung aufgrund des jeweiligen Betriebszustands besteht. Wenn die Anregung erfolgt oder bevorsteht, wird in einen Schritt 34 die Schnittstelle 19 von der Steuereinrichtung 20 so angesteu ert, daß eine Verstimmung der jeweiligen Biegeeigenform erfolgt. Das heißt, durch eine aktive Veränderung der Steifigkeit der Schnittstelle 19 zumindest in dem für die Biegeeigenform rele vanten Frequenzbereich wird die gesamte elastische Struktur verändert, bis die betrachtete Biegeeigenform nicht mehr angeregt wird bzw. nicht mehr die Gefahr einer solchen Anregung besteht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Schnittstelle 19 in dem relevanten Frequenzbereich aktiv auf eine unendliche Steifigkeit versteift wird. Diese Abfolge wird stetig wiederholt, um sich ändernde Betriebszustände des Hubschraubers 1 gemäß Fig. 1 zu erfassen.

Bei dem in Fig. 10 als Blockdiagramm dargestellten Verfahren zur Ansteuerung der Schnittstelle 19 durch die Steuereinrichtung 20 wird in einem ersten Schritt 35 das Signal des Sensors 21 an der Zelle 2 gemäß Fig. 1 eingelesen. In dem Schritt 36 werden dann Gegenschwingungen bestimmt, die zur Auslöschung der von dem Sensor 21 registrierten Schwingungen erforderlich wären. Hierbei wird auch die Übertragungsfunktion von der Schnittstelle 19 bis zu dem Sensor 21 berücksichtigt. In dem Schritt 37 wird die Schnittstelle 19 dann so angeregt, daß die zuvor bestimmten Gegenschwingungen tatsächlich erzeugt werden, damit sich die Gegenschwingungen im Bereich der Zelle 2 mit den dort bereits vorhandenen Schwingungen destruktiv überlagern.

Gemäß dem in Fig. 11 skizzierten Verfahren werden in einem ersten Schritt mit dem Sensor 22 an dem Heckausleger 8 gemäß Fig. 1 Schwingungen des Heckauslegers 8 registriert. In einem zweiten Schritt 39 wird das Signal des Sensors 22 verarbeitet, um in einem Schritt 40 die Schnittstelle 19 für einen bestimmten Frequenzbereich so anzusteuern, daß für die Schnittstelle 19 aktiv eine minimale Steifigkeit, d. h. eine unendliche Weichheit erreicht wird. Auf diese Weise wird der Heckausleger 8 für Schwingungen in dem Frequenzbereich von der Zelle 2 abgekoppelt.

In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 12 werden in einem ersten Verfahrensschritt die Schwingungen der Zelle 2 mit dem Sensor 21 gemäß Fig. 1 registriert. In einem zweiten Schritt 42 wird das Signal des Sensors 21 analysiert, um in einem Schritt 43 die Schnittstelle 19 so anzusteuern, daß der Heckausleger 8 als Til ger für Schwingungen der Zelle 2 in einem bestimmten Frequenz bereich wirkt. Dabei müssen an dem Heckausleger 8 energiever nichtende Maßnahmen zur Vernichtung der aufgenommenen Schwingungsenergie vorgesehen sein.

Bezugszeichenliste

1

Hubschrauber

2

Zelle

3

Rotorachse

4

Hauptrotor

5

Triebwerk

6

Antriebswelle

7

Heckrotor

8

Heckausleger

9

Rotorachse

10

Leitwerk

11

Kufe

12

Pilotensitz

13

Passagiersitz

14

Rotorstrahl

15

Flugrichtung

16

Zylinder

17

Wirbel

18

Wirbel

19

Schnittstelle

20

Steuereinrichtung

21

Sensor

22

Sensor

23

Sensor

24

Bauteil

25

Bauteil

26

Aktuator

27

Vorspannschraube

28

Führungselement

29

Achse

30

Grundkörper

31

Steg

32-43

Schritt

44

Stab

45

aktiver Stab

Claims

1. Drehflügler mit einer Zelle, an der ein um eine etwa verti kale Rotorachse umlaufender Hauptrotor und ein Heckausleger für einen um eine etwa horizontale Rotorachse umlaufenden Heckrotor gelagert sind, wobei ein von dem umlaufenden Hauptrotor hervor gerufener Rotorstrahl auf den Heckausleger trifft, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Heckausleger (8) und der Zelle (2) eine aktiv ansteuerbare Schnittstelle (19) vorgesehen ist, die mindestens einen Aktuator (26) zum Aufbringen von Momenten zwischen dem Heckausleger (8) und der Zelle (2) aufweist.

2. Drehflügler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (19) mindestens einen Aktuator (26) zum Auf bringen von horizontal verlaufenden Querbiegemomenten zwischen dem Heckausleger (8) und der Zelle (2) aufweist.

3. Drehflügler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (23) vorgesehen ist, der die Anregung einer Eigen biegeform der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) registriert und daß eine Steuereinrichtung (20) für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle (19) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors (23) die aktive Schnittstelle (19) im Sinne einer Verstimmung der Biegeeigenform der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) ansteuert.

4. Drehflügler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (21, 22, 23) vorgesehen ist, der die Annäherung des Drehflüglers an einen Betriebszustand registriert, in dem eine Eigenbiegeform der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) angeregt wird, und daß eine Steuerein richtung (20) für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle (19) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors (21, 22, 23) die aktive Schnittstelle (19) im Sinne einer Ver stimmung der Biegeeigenform der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) ansteuert.

5. Drehflügler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) die aktive Schnitt stelle (19) in einem bestimmten Frequenzbereich im Sinne einer unendlichen Steifigkeit der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) ansteuert.

6. Drehflügler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (23) vorgesehen ist, der die Anregung einer Eigen biegeform der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) registriert und daß eine Steuereinrichtung (20) für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle (19) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors (23) die aktive Schnittstelle (20) im Sinne einer Unterdrückung der Anregung oder einer Änderung der Frequenz der Anregung der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) ansteuert.

7. Drehflügler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (21, 22, 23) vorgesehen ist, der die Annäherung des Drehflüglers an einen Betriebszustand registriert, in dem einer Eigenbiegeform der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) angeregt wird, und daß eine Steuerein richtung (20) für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle (19) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors (21, 22, 23) die aktive Schnittstelle (19) im Sinne einer Unter drückung der Anregung oder einer Änderung der Frequenz der Anregung der elastischen Struktur aus der Zelle (2) und dem Heckausleger (8) ansteuert.

8. Drehflügler nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Sensor (21) vorgesehen ist, der Schwin gungen der Zelle (2) registriert und daß eine Steuereinrichtung (20) für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle (19) vorge sehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors (21) die aktive Schnittstelle (19) im Sinne einer Erzeugung von Gegenschwingungen ansteuert, die sich mit den Schwingungen der Zelle (2) auslöschend überlagern.

9. Drehflügler nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (20) für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle (19) vorgesehen ist, die die aktive Schnittstelle (19) in einem bestimmten Frequenzbereich im Sinne einer Abkopplung des Heckauslegers (8) von der Zelle (2) ansteuert.

10. Drehflügler nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Sensor (21) vorgesehen ist, der Schwin gungen der Zelle (2) registriert und daß eine Steuereinrichtung (20) für die aktive Ansteuerung der Schnittstelle (19) vorge sehen ist, die in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors (21) die aktive Schnittstelle (19) im Sinne einer Verwendung des Heckauslegers (8) als Tilger für die Schwingungen der Zelle (2) in einem bestimmten Frequenzbereich ansteuert.