DE2909244A1

DE2909244A1 - Verfahren und vorrichtung zur rollsteuerung von luftfahrzeugen mittels spoilern

Info

Publication number: DE2909244A1
Application number: DE19792909244
Authority: DE
Inventors: Jan Von Der Dr Ing Decken; Heinz Dipl Ing Max
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1979-03-09
Filing date: 1979-03-09
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2909244C2; IT7969238A0; FR2450745B1; FR2450745A1; GB2043561B; IT1119505B; US4270712A; GB2043561A

Description

DORNIER GMBH

7990 Friedrichshafen

Reg. 2455

Verfahren und Vorrichtung zur Rollsteuerung von Luftfahrzeugen mittels Spoilern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rollsteuerung von Luftfahrzeugen mittels an Auftriebsflächen angebrachten Spoilern und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Verbesserung der Reiseflugleistung eines Flugzeuges wird eine möglichst hohe Flächenbelastung angestrebt. Gute Kurzstart- und LandeIeistungen erfordern dagegen eine geringe Flächenbelastung und bzw. oder hohe Auftriebsbeiwerte. Letztgenannte werden erreicht durch Hochauf tr iebssysteme, wie z.B. Vorderkanten- und Hinterkantenklappen. Ein wesentlicher Teil der Flügelspannweite wird aber bereits durch die zur Rollsteuerung dienenden Querruder eingenommen und ist damit nicht mehr für hochauftriebserzeugende Hinterkantenklappen nutzbar. Als Ausweg wird daher zum Teil mit einer Querruder-Voranstellung

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gearbeitet, was aber nur einen Teil der Hochauftriebserzeugung einer Landeklappe ersetzen kann und zusätzlich entweder zu einer Einschränkung der Querruderwirksamkeit oder zu einer sehr komplizierten Querruder-Betätigungskinematik führt.

Es ist auch allgemein bekannt, die Rollsteuerungsfunktion der Querruder durch ein Spoilersystem ausführen zu lassen. Zwar können sich dann die Landeklappen zur Hochauftriebserzeugung über die gesamte FlügelSpannweite erstrecken, doch weisen die Spoiler den Nachteil der liichtlinearität in der Wirksamkeit bzw. sogar der Wirksamkeitsumkehr bei kleinen Spoilerausschlägen und eingefahrenen Landeklappen auf.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Rollsteuerung mittels Spoilern so zu verbessern, daß ihre Wirksamkeit einen stetigen Verlauf aufweist und praktisch linear zum Steuerknüppelausschlag ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der gesamte Steuerbereich in eine Anzahl von fest abgestuften und nacheinander einstellbaren Steuerschritten unterteilt ist und die einzelnen Steuerschritte durch eine Reihe unterschiedlicher und abhängig voneinander einzeln oder

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in Kombination betätigbarer Teilspoilerflächen einstellbar sind. Zur Erzeugung eines Rollmomentes werden die Teilspoilerflächen jeweils in eine definierte wirksame Lage ausgefahren; das heißt die Teilspoilerflächen sind entweder eingefahren oder ganz ausgefahren (z.B. 60 ) oder schlagartig in eine bestimmte Stellung soweit ausgefahren (z.B. 30 ), daß eine definierte auftriebsvermindernde Wirkung erreicht wird. Kontinuierliche Zwischenstellungen mit der oben genannten Möglichkeit zur Wirkungsumkehr treten gar nicht mehr auf. Durch diese "Ja-Nein"- oder stufenweise Ansteuerung der einzelnen Teilspoilerflächen wird eine Digitalisierung der Rollsteuerung bewirkt. Je nach Größe» Kombination und Ausschlag der einzelnen Teilspoilerflächen erreicht man damit einen quasi-stetigen Verlauf des Rollmomentes über den Steuerknüppelausschlag (Treppenkurve). Da in der Rollachse ein konstanter Steuerflächenausschlag - das heißt ein konstantes Rollmoment - proportional einer stationären Rollgeschwindigkeit um diese Achse ist, läßt sich aus der Kombination von Teilspoilerausschlägen und der Ausschlagzeit jedes beliebige Rollsteuermanöver fliegen.

Nimmt man an, daß im äusseren Spannweitendrittel eines Tragflügels die Auftriebsänderung infolge Spoileraufaufschlag multipliziert mit dem Hebelarm zur Rollachse

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für jeden Profilabschnitt ein gleich großes Rollmoment liefert, so läßt sich eine erste Vorstellung über eine brauchbare Spoilerteilung entwickeln. Unter dieser Voraussetzung ist z.B. ein etwa linearer Verlauf (eine gleichmäßige Treppenkurve) des Rollmomentes über dem Steuerknüppelausschlag für sieben Steuerschritte mit drei Spoilerflächen erreichbar. Mit vier Teilspoilerflächen sind bereits zehn oder sogar fünfzehn Steuerschritte erreichbar. Mit nur einer weiteren oben erwähnten Zwischenstellung (z.B. 30° und 60°) verdoppelt sich jeweils die Anzahl der Steuerschritte. Sieben bis zehn Steuerschritte für den gesamten Steuerungsbereich reichen aber schon aus, um dem Piloten das Gefühl eines "glatten" Steuerungsverhaltens des Flugzeuges zu vermitteln. Gegenüber normalen Querrudern mit ihrer normalerweise gegensinnigen Wirksamkeit ergibt sich auch bei der hier beschriebenen Digitalsteuerung der zusätzliche Vorteil eines kurvensinnig wirkenden Giermomentes, was die Flugzeugführung zusätzlich erleichtert.

Anhand der Zeichnung sei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Spoileraufteilung für sieben S teuer s ehr i tte,

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Fig. 2 eine schematische Spoileraufteilung für zehn

Steuerschritte,
Fig. 3 die Spoileranordnung an einem Flugzeug in der

Draufsicht,
Fig. 4 die Spoileranordnung an einem Flugzeug in der

Vorderansicht und
Fig. 5 ein konstruktives Ausführungsbeispiel für die Spoilerbetätigung.

In Fig. 1 ist von der strichpunktiert eingezeichneten Längsmittelachse eines Flugzeuges ausgehend ein Tragflügel 6 schematisch dargestellt. Der Einfachheit halber ist der dazu symmetrisch liegende andere Tragflügel weggelassen. Etwa im äusseren Drittel des Tragflügels 6 sind drei Texlspoilerflächen 1, 2 und 3 angedeutet. Durch die Schraffur soll angedeutet werden, daß diese Teilspoilerflächen in der Art einer "Ja-Nein"-Steuerung getrennt voneinander betätigbar sind. Die Teilung der Spoilerflächen ist so gewählt, daß die Teilspoilerfläche 1 etwa 14,3 %, die Teilspoilerfläche 2 etwa 28,6 % und die Teilspoilerfläche 3 etwa 57,1 % wirksame Rollmomentänderung ergeben. Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, ergeben sich aus den genannten drei Teilspoilerflächen, wenn sie einzeln oder in Kombination ausgefahren werden, treppenkurvenartig sieben gleichmäßige Steuerschritte für die Rollmomentenänderung. Wird nun angenommen, daß die in

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der Fig. 1 oben mit Linkssehraffur dargestellten Teilspoilerflächen 1 und 3 ausgefahren sind, so ergibt sich aus der Tabelle 1, daß diese Kombination dem Steuerschritt 5 mit einer Rollmomentenänderung von 71,4 % entspricht.

Die Spoilerteilung ist so gewählt, daß die von den einzelnen Teilspoilerflächen hervorgerufenen Rollmomentenänderungen jeweils ein ganzzahliges Vielfaches des von der kleinsten Teilspoilerfläche hervorgerufenen Rollmomentes betragen. Hier im Beispiel weist die Spoilerteilung eine Stufung nach Zweier-Potenzen (1-2-4) auf.

Wird die Anordnung so getroffen, daß die Teilspoilerflächen jeweils auf drei definierte Stellungen eingestellt werden können, z.B. "eingefahren" - "30^O" - "60°", so ergeben sich statt der oben erwähnten sieben Steuerschritte bereits vierzehn Steuerschritte von jeweils etwa 7,1 % Rollmomentenänderung. Da aber die Teilspoilerflächen stets eine genau definierte Stellung einnehmen und kleine Spoilerausschläge vermieden werden, kann es nicht zu der eingangs als Nachteil genannten Wirksamkeitsumkehr kommen.

Die Fig. 2 ist analog'zur Fig. 1 aufgebaut. Der Unter-

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schied besteht darin, daß hier vier Teilspoilerflächen 1 bis 4 etwa im ausseren Drittel des Tragflügels 6 angeordnet sind. Die Teilung der Spoilerflächen ist hier so gewählt, daß zehn gleichmässige Steuerschritte erreichbar sind. Aus der Tabelle 2 gehen die zehn Steuerschritte und die zugeordneten Spoilerkombinationen sowie die RoIlmomentenänderung hervor. Wird angenommen, daß die in der Fig. 2 oben mit Linksschraffur angedeuteten Teilspoilerflächen 2 und 4 ausgefahren sind, so ergibt sich aus der Tabelle 2, daß diese Kombination dem Steuerschritt 6 mit 60 % Rollmomentenänderung entspricht. Auch hier lassen sich durch die oben erwähnte Möglichkeit der stufenweisen Einstellung der Teilspoilerflächen in definierte Zwischenstellungen die Steuerschritte verfeinern, z.B. verdoppeln.

Durch eine andere Aufteilung der vier Teilspoilerflächen, z.B. in Stufen von 6,66 %, 13,33 %, 26,66 % und 53,33 % ergeben sich sogar fünfzehn gleichmäßige Steuerschritte einer Treppenkurve, wobei jede Treppenstufe 6,66 % Rollmomentenänderung entspricht. Wenn auch unter Berücksichtigung der wirklichen Auftriebsänderung durch Spoilerausschlag und des angestrebten Rollmomentenverlaufs über dem Steuerknüppelausschlag die jeweiligen Teilspoilerflächen in ihrer Größe von Flügel zu Flügel variieren, zeigen die vorstehenden Tabellen und Ausführungen, daß zur Realisierung

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einer Sieben-Schritt-Steuerung bzw. Zehn-Schritt-Steuerung nur drei bzw. vier "Ja-Nein"- angesteuerte Teilspoilerflächen nötig sind. Eine einfache Steuerkineinatik ist daher in jedem Fall zu erwarten.

Fig. 3 zeigt ein Flugzeug 5 in Draufsicht und Fig. 4 das Flugzeug von vorn. Mit 6 sind wieder die Tragflügel bezeichnet. Auf der Oberseite jedes Tragflügels sind die Teilspoilerflächen 1, 2 und 3 angeordnet. Wie die Fig. erkennen läßt, sind auf dem einen Flügel die Teilspoilerflächen 1 und 3 analog zur Fig. 1 ausgefahren. Diese Kombination entspricht wieder dem Steuerschritt 5 der Tabelle 1 mit 71,4 % Wirksamkeit der Rollmomentenänderung bzw. 71,4 % Steuerknüppelausschlag.

Fig. 5 zeigt an einem einfachen .Ausführungsbeispiel, wie die Spoxlersteuerung auf mechanische Weise durchführbar ist. Die hier gezeigte Vorrichtung ist nur schematisch dargestellt und kann in beliebiger dem Fachmann bekannter Weise abgeändert werden. Der Tragflügel 6 enthält im äußeren Drittel wieder die Teilspoilerflächen 1, 2 und Diese Teilspoilerflächen sind um eine gemeinsame Achse 10 verschwenkbar. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind hier die Teilspoilerflächen 2 und 3 voll ausgefahren. Die Betätigung der Teilspoilerflächen erfolgt vom Steuerknüp-

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pel 8 aus über beliebige an sich bekannte und daher nicht näher beschriebene getriebliche Mittel und wirkt auf eine Drehwelle 9. Auf dieser Drehwelle 9 ist für jede Teilspoilerfläche eine Kurvenscheibe angeordnet. In der Fig. sichtbar sind die beiden Kurvenscheiben 11 und 12 für die Teilspoilerflächen 2 bzw. 3. Die Winkelstellung der Kurvenscheiben 11 und 12 in Verbindung mit den Federn 13 bestimmt die Stellung "eingefahren" oder "ausgefahren" der Teilspoilerflächen. Die eingezeichnete Stellung der Teilspoilerflächen 2 und 3 entspricht dem Steuerschritt 6 der Tabelle 1 mit 85,7 % Rollmomentenänderung.

Die Ansteuerung der einzelnen Teilspoilerflächen ist wegen der vergleichsweise kleinen Ausschlagkräfte (Spoilerscharniermomente) nicht aufwendiger oder sogar einfacher als bei Querrudern. Außer der oben beschriebenen mechanischen Spoileransteuerung über eine mit Kurvenscheiben besetzte Drehwelle ist selbstverständlich auch eine hydraulische oder elektrohydraulische Ansteuerung möglich. Auch hier können gemeinsame Drehwellen vorgesehen werden bzw. ist eine der Anzahl der Teilspoilerflächen entsprechende Anzahl von Einzelzylindern vorzusehen, über welche die Teilspoilerflächen betätigt werden. Anstelle der oben erwähnten getrieblichen Mittel zwischen Steuerknüppel und Teilspoilerflächen können selbstverständlich

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beliebige andere an sich bekannte übertragungsmittel eingesetzt werden. Die Art der Ausführung der Ansteuerung hängt damit nur von dem jeweils vorliegenden Fluggerät und seinen Untersystemen ab und ist nicht auf eine spezielle Anwendung beschränkt.

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Claims

23Q924A DORNIER GMBH Friedrichshafen Reg. 2455 Patentansprüche ;

1. Verfahren zur Rollsteuerung von Luftfahrzeugen mittels an Auftriebsflächen angebrachten Spoilern, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Steuerbereich in eine Anzahl von fest abgestuften und nacheinander einstellbaren Steuerschritten unterteilt ist und die einzelnen Steuerschritte durch eine Reihe unterschiedlicher und abhängig voneinander einzeln oder in Kombination betätigbarer Teilspoilerflächen einstellbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Rollmomentes die Teilspoilerflächen jeweils in wenigstens zwei definierte wirksame Lagen {z.B. "ein" - 30° - 60 ) einstellbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugbaren Rollmomente der einzelnen Teilspoilerflächen in gleichmäßigen Stufen abgestuft sind.

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4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spoiler in wenigstens drei getrennte und in Spannweitenrichtung aufeinanderfolgende, einzelne Teilspoilerflächen (1 bis 3 bzw. 1 bis 4) aufgeteilt sind und daß diese Teilspoilerflächen unabhängig voneinander jeweils aus ihrer Null-Lage in eine definierte wirksame Lage einstellbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilspoilerflächen (1 bis 3 bzw. 1 bis 4) unterschiedliche Dimensionen aufweisen, derart, daß die von ihnen hervorgerufenen Rollmomente jeweils ein Vielfaches des geringsten durch eine einzelne Teilspoilerfläche erzeugbaren Rollmomentes betragen.

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