DE3322898A1

DE3322898A1 - Einrichtung zum feststellen von windscherungen

Info

Publication number: DE3322898A1
Application number: DE19833322898
Authority: DE
Inventors: Alan Anthony Sharnbrook Bedfordshire Woodfield
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1982-07-02
Filing date: 1983-06-25
Publication date: 1984-01-05
Also published as: FR2529686A1; FR2529686B1; US4585341A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung- zur Feststellung von windscherungen.

Das Flugverhalten von Flugzeugen wird durch Minderungen der Windgeschwindigkeit in verschiedenartiger Weise beeinflußt. Schnelle, aber kleine Änderungen der Windgeschv.indigkeit schütteln das Flugzeug und erzeugen Störungen der Winkellage des Flugzeugs, allerdings ohne wesentlichen Einfluß auf den Flugweg des Flugzeugs durch die Luft. Diese Windschwankungen werden gewohnlich als Turbulenzen bezeichnet. Größere Minderungen der Windgeschwindigkeit, die den Flugweg des Flugzeugs durch die Luft beeinträchtigen, und insbesondere solche Windänderungen, die erhebliche Störungen der Sinkgeschwindigkeit sines Flugzeugs verursachen, werde ι als Windscherung bezeichnet. In extremen Fällen kann eine

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Windseherung den Absturz eines Flugzeugs oder sogar das Abbrechen von Flugzeugteilen verursachen,

Die Reaktion eines Flugzeugs auf eine auftretende Windscherung hängt sowohl von der GesamtgrÖße cter Wind~ geschv7indigJceitsänderung als auch von der Ändejmngsgesch^indigkeit, also- dem Zeitverhalten der Windle schwin« digkeitsänderung ab. Ein großes Ausmaß einer Windgeschwim«· _:; digi:eitsänderung in Verbindung mit einer hohenyJinnäerungS"*"" geschwindigkeit führt su einem hohen. MaS an GefShrä^mg des Flugzeugs.

Daher werden große Anstrengungen zur Vorhersage und Vermeidung von Windscherungen unternommen, wozu gegenwärtig ₁_ hauptsächlich meteorologische Verfahren Anwendung finden. Diese meteorologischen Verfahren bieten jedoch nur eine begrenzte Hilfe zur Vermeidung oder zum sicheren Durchfliegen von Windscherungen.

Außerdem sind auch schon in Flugzeugen eingebaute Systeme unter Verwendung handelsüblicher Fühler eingesetzt worden. Obv/ohl sie einige Vorteile bringen, können sie aber eine auftretende Windscherung erst dann feststellen, wenn das Flugzeug bereits hineingeraten ist, aber bereits bei Reaktionsverzögerungen von nur einigen wenigen Sekunden beim Auftreten einer Windscherung können gefährliche Höhenabweichungen auftreten. Ein wesentlicher Faktor, der eine Verzögerung der Identifizierung einer auftretenden Windscherung bedingt, stellt die Schwierigkeit der verzögerungsfreien Unterscheidung zwischen gefährlichen Windscherungen und Turbulenzen dar, närrlich die verzögerungsarme Untersuchung, ob eine große Windänderungsgeschvrindigkeit in Verbindung mit einem großen Gesamtausmaß der Windänderung vorliegt*

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur frühzeitigen Feststellung von Windscherungen zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebene Einrichtung gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist also einen nach vorne gerichteten Fühler auf, der in der Lage ist, die Luftgeschwindigkeit durch Reflexion von Laserlicht an in der Luft enthaltenen Teilchen zu messen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung können sowohl fokkusierte kontinuierliche als auch gepulste Laser Anwendung finden, und in beiden Fällen kann die Luftgeschwindigkeit in weit vor dem Fühler gelegenen Bereichen gemessen werden, um eine Warnung bei auftretenden Windgeschwindigkeitsänderungen zu erhalten bevor diese Änderungen den Ort des Fühlers erreichen. Diese Geschwindigkeitsmessung entspricht nicht genau einer gegebenen Distanz vorderhalb des Fühlers.

Die erfindungsgemäße Einrichtung liefert also eine frühzeitige Warnung bei vorderhalb des Fühlers auftretender Einäscherung und kann entweder in einem Flugzeug oder an einer Bodenstation eingesetzt werden. In Verbindung mit einer geeigneten Zusatzeinrichtung zur Änderung der Richtung des Laserstrahls kann eine auftretende Winäscherung sowohl in Strahlrichtung als auch quer dazu festgestellt werden. Da der Fühler vorausgerichtet ist und der vom Fühler beobachtete Meßort jeweils vorderhalb des Fühlers liegt, kann eine Windgeschwindigkeitsänderung festgestellt werden, bevor diese den Fühler selbst erreicht, so daß die bei herkömmlichen, die Messung erst am Fühlerort vornehmenden Fühlern unvermeidbare Zeitverzögerung ausgeschaltet werden kann. Da außerdem im selben Augenblick die innerhalb eines Distanzbereiches vorderhalb der notwendigen Meßdistanzen herrschenden maximalen und minimalen Geschwindigkeiten bekannt sind, ist es möglich, ohne irgendeine v?eitere Zeitverzögerung zvri sehen einer Winäscherung und normalen Turbulenzen zu unterscheiden.

Vorzugsweise wird der Windscherungs-Gefahrenpegel in kurzen Zeitintervallen berechnet, um Änderungen der Windgeschwindigkeit und, bei in Flugzeugen eingebauten Einrichtungen, Änderungen der Flugbedingungen zu berücksichtigen. Die Messung des Windscherungs-Gefahrenpegels bzw. sein Vergleich mit zulässigen Grenzwerten wird vorzugsweise an eine Anzeigeeinheit oder an ein Regelsystem zur Erzeugung einer sofortigen Reaktion der Regelung übertragen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden schematischen Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

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Fig. 1

ein Blockschaltbild einer Einrichtung nach der Erfindung für den
Einbau in ein Flugzeug,

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Fig. 2

Fig. 3

die Verteilung von Empfangssignalwerten über eine Meßlänge L bei einer Meßdistanz X,

eine Geschwindigkeitstransformation über der Meßlänge L, und

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Fig. 4

den Verlauf einer zeitlichen Folge augenblicklicher Windgeschwindigkeiten.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Feststellung von Windscherungen, die in ein Flugzeug 10 eingebaut ist, weist einen nach vorne blickenden Fühler in Form einer laseroptischen Einheit 11 auf. Dar Laser ist ein kontinuierlich arbeitender Laser und ist optisch auf einen Punkt 14 fokussiert, der sich un eine Meßdistanz X vorderhalb des Fühlers 11 befindet. Reflexionen an in der Luft befindlichen Schwebeteilchen v/erden von der optischen Einheit empfangen,

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mit einem Teil des ausgesandten Laserstrahls gemischt und mittels eines Detektors in der optischen Einheit 11 erfaßt. Das Ausgangssignal 12 der optischen Einheit enthält Frequenzkomponenten, die Funktionen der Luftgeschwindigkeiten in dem Bereich um den Punkt 14 darstellen. Aufbau und Arbeitsweise der Lasereinheit sind in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben. ^^

Die Verteilung von Empfangssignalwerten 20 (siehe Fig. 2) von Teilchen reit einer Distanz d vorderhalb der laseroptischen Einheit, die sich am Nullpunkt der Distanzskala befindet, zeigt bei der Distanz X eine Spitze, während die Verteilungskurve vorderhalb und hinterhalb der Distanz X bei 22 und 23 unter einen Rauschpegel KF abfällt. Man erhält also eine Information beiderseits der Meßdistanz X jeweils über eine Länge L. Eine Kurzseitabtastung des Fühlerausgangssignals 12 wird von einem Spektralanalysator 15 empfangen, der in einer weiteren kurzen Periode eine Geschwindigkeitstransformation über der Länge 2L durchführt. Dieser Vorgang wird dann wiederholt, um eine zeitliche Folge von Geschwindigkeitstransformationen auf einer Ausgangsleitung 16 zu erhalten, die zu einem Signalprozessor 17 übertragen wird. Die Geschwinaigkeitstransformation 30 (Fig. 3) gibt noch keine sichere Information bezüglich des Ortes einer gegebenen Geschwindigkeit innerhalb der Längendistanz 2L in der Luft. Us .kann jedoch gezeigt werden, daß Geschwindigkeitsänderungen an der Stelle X, wo die SignalstUrke am größten ist, höchstwahrscheinlich die gleichen wie die Gescliwindigkeitsänderungen bei VI sind, also an dar Spitze der Geschwindigkeitstransformationskurve 30. Selbstverständlich wird, wenn die Meßlänge 2L reduziert werden kann, der Grad der Zuverlässigkeit gesteigert, daß VI die tatsächliche Geschwindigkeit an der Meßdistanz X ist. Die bis hierher beschriebene Einrichtung ist an sich bekannt, und die bisher unternommenen Versuche zur Verbes-

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serung von Windscherungsdetektoren konzentrieren sich auf eine Reduzierung der Meßlänge L.

Gemäß der Erfindung enthält der Signalprozessor 17 (Fig. 1) Ilittel zur Bestimmung der wahrscheinlichen Augenblicksgeschwindigkeit VI an der Meßdistanz X aus dem Ausgangssignal 16 des Spektralanalysators, und, falls erforderlich, Mittel zur Verbesserung der Signalqualität gegenüber dem Rauschen durch Zusammenaddieren einer Reihe von AusgangsSignalen 16. Damit kann eine Darstellung 40 der Luftgeschwindigkeit über der Zeit (Fig. 4) konstruiert werden, und man erhält im Signalprozessor eine Anzeige 45 der Snderungsgeschwindigkeit der Luftgeschwindigkeit durch Differenzieren einer Mehrzahl von augenblicklichen Geschwindigkeit swerten, beispielsweise 41, 42, 43, unter Verwendung an sich bekannter Berechnungsverfahren. Eine beträchtliche Windscherung liegt vor, wenn diese .Mnderungsgeschwindigkeit einen Wert übersteigt, der durch die Fähigkeit des Flugzeugs zur Reaktion auf eine solche Snderungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Dieser Wert kann vorgegeben sein oder jeweils anhand der Flugbedingungen, der Fluglage und der Leistungseinstellung in einem Gefahrengrenzwertrechner 13 (Fig. 1) berechnet und als Signal 18 an den Signalprozessor übermittelt werden. Ein übermäßige iüiderungsgeschwindigkeit allein reicht zur Feststellung einer Windscherung nicht aus, da solche Änderungsgeschwindigkeiten auch in Turbulenzen vorhanden sind. Der Signalprozessor 17 weist daher Mittel zur Anzeige der maximalen Augenblicksgeschwindigkeit VTi (Fig. 3) und der minimalen Augenblicksgeschwindigkeit VN innerhalb der Meßlänge 2L auf. Der Vergleich von Kombinationen dieser Geschwindigkeiten zusammen mit der Änderungsgeschwindigkeit von VI gegenüber Grenzwerten oder gegenüber berechneten Werten des Gefahrengrenzwertrechners führen zu einer Unterscheidung einer Windscherung von Turbulenzen. Außerdem können Mittel zur Reduzierung von Restsignalen vor-

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- liar-

. 9.

gesehen sein, die sich aus Turbulenzen ergeben, so daß die Signale des Signalprozessors sich zur Anzeige oder zur Verwendung in einem Regelsystem eignen.

Nachstehend wird nun die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung mehr im einzelnen beschrieben.

Der Signalprozessor 17 liefert eine Anzeige der Änderungsgeschwindigkeit der Luftgeschwindigkeit 45 bei der

IQ Meßdistanz X und der Zeit T2 aus den Äugenblicksgeschwindigkeiten (VI) 46, 47, 43 in den Zeitpunkten T1, T2 und T3. Wie man sieht, ist eine ähnliche Änderungsgeschwindigkeit 49 im Zeitpunkt T5 vorhanden. Im Zeitpunkt T2 ist jedoch nur eine Turbulenz vorhanden, wohingegen der Zeitpunkt T5 eine möglicherweise gefährliche Windscherung auftritt. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel werden diese beiden Fälle durch die Anzeige der maximalen Luftgeschwindigkeit in der Meßlänge 2L angezeigt. Im Zeitpunkt T2 unterscheidet sich die Maximalgeschwindigkeit VM von der Augenblicksgeschwindigkeit VI nur durch einen kleinen Betrag, während dieser Unterschiedsbetrag im Zeitpunkt T5 groß ist. Infolge' dessen kann eine Windscherung durch eine Kombinationsfunktion der Änderungsgeschwindigkeit der Augenblicksgeschwindigkeit und der Differenz zwischen der Augenblicksgeschwindigkeit und der Maximalgeschwindigkeit identifiziert werden. Dies ist bei einer Windscherung der Fall, bei welcher die Geschwindigkeit zeitlich zunimmt. Wenn die Geschwindigkeit bei einer Windscherung zeitlich abnimmt, ist die Änderungsgeschwindigkeit negativ und die Differenz zwischen Augenblicksgeschwindigkeit und Minimalgeschwindigkeit wird zur Unterscheidung einer Windscherung einer Turbulenz verwendet. Die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung, die Maximal- und Minimalgeschwindigkeiten in einer Distanz L vorderhalb des Meßortes X festzustellen, ermöglicht eine zusätzliche Vorhersage im Vergleich zu derjenigen, die möglicL ist, wenn nur die Augenblicksgeschwindigkeit an der Stelle

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X bekannt ist. Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs liefert eine direkte Transformation zwischen Distanz und Zeit.

Die Werte der Kombinationsfunktion beschreiben die Größe der Windscherung, und durch Vergleich dieser Größe mit vorgegebenen (oder berechneten) Windscherungs-Gefahrengrenzwerten für ein gegebenes Flugzeug und gegebene Einsatzbedingungen kann ein Signal erzeugt und einer Anzeige auf dem Instrumentenbrett oder einem Regelsystem zugeführt werden. Das der Anzeige zugeführte Signal kann außerdem Warnanzeigen umfassen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Feststellung von Windscherungen ermöglicht eine frühzeitige Anzeige einer Windscherung und ermöglicht eine maximale Zeitspanne für vom Piloten nach einer Warnanzeige 100 oder von einem Regelsystem 101 vorzunehmende Reaktionsmaßnahmen. Insbesondere ist die Feststellung einer Windscherung erhältlich, sobald sowohl die vorgegebene Änderungsgeschwind!gkeit überschritten als auch eine Maximalgeschwindigkeit oberhalb einer Turbulenzgeschwindigkeitsgrenze in der Geschwindigkeitstransformation vorhanden ist. Beim vorliegenden Beispiel kann im Zeitpunkt T4 (Fig. 4) eine Warnung vorgesehen sein, die also bedeutend früher erfolgt, als wenn abgewartet wird, bis die als Windscherung vorliegende Störung an der Meßstelle X auftritt, wie dies der Fall bei herkömmlichen Systemen ist, die nur auf einer Kenntnis von VI basieren.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß das Fehlen einer ankommenden Windscherung innerhalb L im Zeitpunkt T2 zuverlässig feststellbar ist. Bei herkömmlichen Systemen kann dies erst im Zeitpunkt T4 festgestellt werden.

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Geraäß der Erfindung können die Meßdistanz, die Me 3-länge und die Windscherungsgrenzen im Hinblick auf eine Optimierung der Windscherungsfeststellung entsprechend der jeweiligen besonderen Flugbedingungen gewählt werden und können beispielsweise während des Fluges in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit, der Flughöhe oder der Drosseleinstellung sowie von der Flugzeugkonfiguration verändert werden.

Die Änderungsgeschwindigkeit der Luftgeschwinöigkeit kann mit verschiedenen Kombinationen der gleichzeitig verfügbaren Geschwindigkeitsinformation kombiniert werden. Beispielsweise stellt die Differenz zvrischen VM und VlJ eine weitere Funktion zur Unterscheidung einer Windscherunc von Turbulenzen dar.

Bei Ausführungsformen, bei denen anstelle einer fokussierten kontinuierlich arbeitenden Lasereinheit eine gepulste Lasereinheit Anwendung findet, wird die Länge 2L durch Form und Dauer der Laserimpulse und die Distanz X ^iU durch Zeitsteuerung der Empfangs iaapul se bestimmt.

Im übrigen treffen die oben beschriebenen Grundsätze der Windscherungsfeststellung auf beide Lasertypen zu.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet sich für den Einbau in Luftfahrzeuge mit dem Siel der Gewinnung einer frühzeitigen Warnung bei vorderhalb eines Flugzeugs auftretenden Windscherungsbedingungen.

Jedoch beschränkt sich das Anwendungsgebiet der Erfindung hierauf nicht, sondern die erfindungsgemäße Einrichtung kann insbesondere auch in Bodenstationen Anwendung finden, urn den zeitlichen Verlauf von augenblicklichen Windgeschwindigkeiten an einem entfernten Meßort zur Durchführung!

von Geschwindigkeitstransformationen bei verschiedenen Meßdistanzen zu erhalten.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.}Einrichtung zur Feststellung von Windscherungen, gekennzeichnet durch einen nach vorne gerichteten Laser-Luftgeschwinaigkeitsfühler (11), der ein Signal erzeugt, dar eine information über die Luftgeschwindigkeit über einen, eine Meßdistanz (X) umgebenden Distanzbereich (2L) enthält, weiter durch einen Spektralanalysator (15) zur Identifizierung aller in einem zeitlich abgetasteten Signalabschnitt enthaltenen Geschwindigkeitswerte, ferner durch Mittel (17) zur Bestimmung der höchsten und niedrigsten Geschwindigkeiten innerhalb eines Distanzbereiches beiderseits der Meßdistanz, durch Mittel zur Kombination einer zeitlichen Folge dieser Geschwindigkeitswerte zur Bestimmung ihrer Änderungsgeschwindigkeit, durch Mittel zur Berechnung des windscherungsbedingten Gefahrenpegels aufgrund dieser Geschwindigkeiten, ihrer änderungsgeschwindiglceit, der Meßdistanz und des den in jedem Zeitpunkt gemessenen Geschwindigkeiten zugeordneten Distanzbereiches, und durch Mittel zum Vergleich des jeweils ermittelten Windscherungs-Gefahrenpegels mit für die jexveils herrschenden Bedingungen gegebenen Grenzwerten einer zulässigen Windscherung.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daS der windscherungsbedingte Gefahrenpegel in kurzen Zeitintervallen jeweils neu berechnet wird.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils ermittelte windscherungsbedingte Gefahrenpegel oder das Ergebnis seines Vergleichs mit zu-

lässigen Grenzwerten einer Windscherung an eine Anzeigeeinheit (100) übermittelt wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß sie einen kontinuierlich arbeitenden Laser enthält.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser auf einen der Meßdistanz (X) entsprechenden Punkt (14) optisch fokussiert ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Windscherungs-Gefahrengrenzwert jeweils in Abhängigkeit von den herrschenden Bedingungen mittels eines Gefahrengrenzwertrechners (13) berechnet wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, für Luftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der den jeweils ermittelten windscherungsbedingten Gefahrenpegel oder das Ergebnis seines Vergleichs mit zulässigen Grenzwerten einer Windscherung führende Signalausgang mit einem Flugzeugregelsystem (101) verbindbar ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für Luftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdistanz oder die zulässigen Windscherungs-Grenzwerte während des Fluges veränderbar sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Bodenstationen, dadurch gekennzeichnet, äaß sie unter Ausführung von Geschwindigkeitstransformationen bei ver-

bllcks-Winclgoschvinäljkuitciwerte an einer entferten Meßstelle konstruiert.