DE3533720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Notversorgungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Leistungsübertragungseinheit für dieses Notversor­ gungssystem.

Die Entwürfe von ein- oder zweisitzigen Kampfflugzeugen für die nahe Zukunft (z. B. Jäger 90) zielen schwer­ punktmäßig auf eine Verbesserung der Flugeigenschaften (Wendigkeit, Steigfähigkeit, Langsamflug etc.) ab. Ab­ gesehen von Triebwerkswahl und Werkstoffwahl (z. B. Fa­ serverbundwerkstoffe) ist dabei das aerodynamische Kon­ zept von großer Bedeutung, wobei die Tendenz zum sog. Ententyp mit aerodynamisch instabiler Auslegung geht. Der Ententyp besitzt zahlreiche Steuerflächen speziell im Hinblick auf eine große Beweglichkeit, dies erfor­ dert aber ein weiträumiges Antriebssystem mit dem Nach­ teil großer Verwundbarkeit. Ebenfalls im Hinblick auf große Beweglichkeit sind die Trag- und Steuerflächen - unter Berücksichtigung der Flugzeugschwerpunktslage - so angeordnet, daß sich das Flugzeug aerodynamisch in­ stabil verhält. Damit es dennoch für den Piloten leicht beherrschbar bleibt, muß es durch entsprechende Regel­ systeme künstlich restabilisiert werden, wobei natürlich auch diese Systeme die Verwundbarkeit erhöhen. Um nun trotz der größeren Verwundbarkeit eine mit einfacheren Konzepten vergleichbare Flugsicherheit zu erreichen, müssen zumindest die für die Notflugsteuerung erforder­ lichen Energiequellen und Übertragungssysteme möglichst ausfallsicher sein. Dabei handelt es sich um das elek­ trische Bordsystem zur Leistungserzeugung/-übertragung sowie zur Übertragung von Steuerbefehlen, Meß- und Re­ gelsignalen etc. und um ein oder mehrere Hydraulik­ systeme für die unmittelbare Betätigung der Steuerflä­ chen. Eine übliche Maßnahme, welche nicht nur der Lei­ stungssteigerung sondern auch der Sicherheit dient, ist der Einbau zweier Triebwerke. Dabei besitzt jedes Triebwerk einen eigenen Geräteträger, so daß zumindest die Antriebsaggregate für Hydraulik (Pumpe) und Elek­ trik (Generator) doppelt vorhanden sind (Redundanz).

Aus der DE-OS 31 11 722 ist es bekannt, verschiedenar­ tige, triebwerksunabhängige Energiequellen vorzusehen, beispielsweise eine Fahrtwindturbine, welche einen Ge­ nerator und eine Hydraulikpumpe antreibt. Weiterhin sind die Möglichkeiten genannt, mittels einer zusätzli­ chen Hilfsgasturbine einen Generator und eine Pumpe an­ zutreiben bzw. aus einer Batterie einen Elektromotor zu speisen, welcher seinerseits eine Pumpe antreibt. Der­ artige, ausschließlich für den Notfall vorgesehene Zu­ satzaggregate erhöhen zweifellos die Ausfallsicherheit, sie stellen aber im Normalfall nur zusätzlichen Ballast dar und erschweren bzw. verteuern insbesondere die War­ tung des Flugzeuges.

Hinsichtlich der elektrischen Energiequellen ist zu sa­ gen, daß - abgesehen von triebwerksabhängigen und triebwerksunabhängigen Generatoren - sowohl wiederauf­ ladbare Akkumulatoren als auch nichtwiederaufladbare Notbatterien verwendet werden. Dem Stand der Technik entsprechende Hydrauliksysteme sind in der deutschen Zeitschrift "Ölhydraulik und Pneumatik" 10 (1966) Nr. 1, Seite 10 bis 14 beschrieben. Danach ist es bei mo­ derneren Linienverkehrsflugzeugen üblich, für alle wichtigen Funktionen zwei parallelgeschaltete, im we­ sentlichen identische Hydrauliksysteme vorzusehen, wel­ che im Normalbetrieb gemeinsam arbeiten, welche aber so ausgelegt sind, daß im Notfall auch ein System zur Be­ tätigung ausreicht, wobei die Betätigungsvorgänge mit Rücksicht auf die reduzierte Leistung beispielsweise nur mit halber Geschwindigkeit ablaufen. Die beiden Hydrauliksysteme können völlig voneinander getrennt sein, sie können aber auch energetisch verbunden wer­ den, beispielsweise über ein Verbindungsventil. Es ent­ spricht auch dem Stand der Technik, die Hydrauliksy­ steme mit dem elektrischen Bordsystem zu koppeln, indem in jedem der beiden Hydrauliksysteme zusätzlich zu der triebwerksgetriebenen Pumpe für Notfälle eine Zusatz­ pumpe mit elektromotorischem Antrieb vorgesehen ist. Darüber hinaus kann jedes der beiden Hydrauliksysteme in zwei oder mehr Teilkreise aufgespalten sein, welche hintereinandergeschaltet und mittels eines Überdruck­ ventiles verbunden sind. Auf diese Weise wird der weni­ ger wichtige, sekundäre Teilkreis nur dann mit Drucköl versorgt, wenn sich im wichtigeren, primären Teilkreis der volle Öldruck aufbaut. Bei Leckagen im primären Teilkreis bleibt der sekundäre Teilkreis außer Betrieb. Die Ruderfunktionen sind dabei entsprechend ihrer Be­ deutung für die Flugfähigkeit den Teilkreisen zugeord­ net.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die bekannten technischen Lösungen in Notfällen Leistungsübertragun­ gen in die Hydrauliksysteme, zwischen den Hydraulik­ systemen sowie in das elektrische Bordsystem ermögli­ chen, wofür triebwerksabhängige oder -unabhängige Ener­ giequellen in Frage kommen. Dazu sind häufig relativ aufwendige, schwere und wartungsintensive Zusatzaggre­ gate erforderlich, welche die Nutzlast des Flugzeuges reduzieren.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, durch eine Erweiterung der Möglichkeiten zur Leistungs­ übertragung sowie durch gezieltes Verhindern von Über­ tragungsverlusten die Flugsicherheit in Notfällen spür­ bar zu erhöhen, wobei nur wenige, kleine, leichte, preiswerte und zuverlässige Zusatzaggregate zur Anwen­ dung kommen.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie im Nebenanspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Dank der Erfindung ist es möglich, sowohl Leistung von sämtlichen Energiequellen (Generator, Akkumulator, Bat­ terie) des elektrischen Bordsystems in die Hydraulik­ systeme einzuspeisen als auch Leistung aus beiden Hy­ drauliksystemen in das elektrische Bordsystem zu über­ tragen, sei es zur direkten Versorgung elektrischer Verbraucher oder zum Wiederaufladen der Batterien. Durch die Möglichkeit gezielter Abschaltung beschädig­ ter Teilkreise der Hydrauliksysteme, beispielsweise nach Waffeneinwirkung, werden gefährliche Leistungs­ übertragungsverluste weitgehend vermieden.

Konstruktives Kernstück der Erfindung ist die relativ kompakte, einfache und leichte Leistungsübertragungs­ einheit aus zwei Hydropumpen/-motoren und einem Gleich­ strommotor/-generator. Durch die kombinierten Betriebs­ arten Motor/Pumpe, Motor/Generator ergeben sich die er­ findungsgemäßen Leistungsübertragungsmöglichkeiten.

Die Unteransprüche 3 bis 5 enthalten bevorzugte Ausge­ staltungen der Leistungsübertragungseinheit nach An­ spruch 2.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 die für die Notflugsteuerung erforderlichen Steuerflächen sowie Teile der Hydrauliksysteme,

Fig. 2 die Zuordnung der Teilkreise der beiden Hydrau­ liksysteme zu den Steuerflächen nach Fig. 1 so­ wie die Anordnung der Leistungsübertragungsein­ heit,

Fig. 3 Teile des elektrischen Bordsystems im Zusammen­ hang mit dem Anschluß der Leistungsübertra­ gungseinheit,

Fig. 4 die wesentlichen Elemente des elektrischen Bordsystems für die Energieerzeugung, -speiche­ rung und -übertragung.

Die in Fig. 1 schraffiert gezeichneten Flächen stellen diejenigen Steuerflächen dar, welche im Notflugbetrieb noch betätigbar sein müssen. Im einzelnen handelt es sich dabei um die in Flugrichtung am weitesten vorne befindlichen Entenflügel 34 und 35, um die an den Trag­ flügeln 38 und 39 angelenkten äußeren Querruder 40 und 41 und inneren Querruder 42 und 43 sowie um die beiden Seitenruder 36 und 37. Es ist auch erkennbar, daß die Betätigungselemente (z. B. Hydraulikzylinder) dieser Steuerflächen sowohl an das erste, gestrichelt gezeich­ nete Hydrauliksystem 1 als auch an das zweite, durchge­ zogen gezeichnete Hydrauliksystem 2 angeschlossen sind. Dabei werden die beiden Hydrauliksysteme 1 und 2 von je einer regelbaren Hydraulikpumpe 7 und 8 gespeist.

Wie in Fig. 2 zu erkennen, werden die Hydraulikpumpen 7 und 8 über die Geräteträger 32 und 33 von den Triebwer­ ken 30 und 31 angetrieben. Die Pumpen 8, 9 saugen das Öl aus den Hydraulikölbehältern 9 und 10 und fördern es über 2/2-Wegeventile in die entsprechenden Teilkreise 3 und 5 bzw. 4 und 6. Diejenigen Leitungszweige, welche nicht der Notflugsteuerung dienen, sind nur ansatzweise dar­ gestellt. Das Leitungssystem für den Ölrücklauf zu den Hydraulikölbehältern 9 und 10 wurde der Übersichtlich­ keit wegen ebenfalls nicht dargestellt. Jedes Hydrau­ liksystem 1 und 2 ist in je zwei Teilkreise 3 und 5 bzw. 4 und 6 aufgespalten, welche nach Bedarf zu- und abschaltbar sind. Dabei betätigen die parallelgeschal­ teten Teilkreise 3 und 4 die Seitenruder 36 und 37 sowie die inneren Querruder 42 und 43, die ebenfalls parallelgeschalteten Teilkreise 5 und 6 die äußeren Querruder 40 und 41 sowie die Entenflügel 34 und 35. Im Bereich zwischen den Hydraulikpumpen 7 und 8 und der Leitungsverzweigung in die Teilkreise sind die beiden Hydrauliksysteme 1 und 2 über die Leitungsübertra­ gungseinheit 20 hydromechanisch koppelbar. Dabei er­ folgt das Zu- und Abschalten der Hydropumpen/-motoren 21 und 22 über die 2/2-Wegeventile 25 und 26. Die ener­ getische Verbindung zum elektrischen Bordsystem 11 ist zusätzlich durch den auf der gemeinsamen An-/Abtriebs­ welle 24 der Hydropumpen/-motoren 21 und 22 angeordne­ ten Gleichstrommotor/-generator 23 möglich. Die Lei­ stungsübertragungseinheit 20 - einschließlich der 2/2- Wegeventile 25 und 26 - ist auch in Fig. 3 dargestellt, wobei diese Figur die Verbindungsmöglichkeiten des Gleichstrommotors/-generators 23 mit dem elektrischen Bordsystem 11 verdeutlichen soll. Der Gleichstrommo­ tor/-generator 23 arbeitet aus Gewichtsgründen (kleine Wicklungsquerschnitte) mit einer hohen Gleichspannung von 260 V. Zur Leistungsübertragung in eines der beiden Hydrauliksysteme 1 oder 2 kann der Gleichstrommotor/ -generator 23 ca. 3 Minuten lang von den 260 V Gleich­ spannung erzeugenden, nicht wiederaufladbaren Notbatte­ rien 16 und 17 gespeist werden. Dieser Fall tritt dann ein, wenn beide Triebwerke 30 und 31 - beispielsweise infolge extremer Flugmanöver - ausfallen und dadurch weder die Hydraulikpumpen 7 und 8 noch die triebwerksgetriebenen Generatoren 12 und 13 arbeiten. Die Zeit von 3 Minuten muß dann ausreichen, um die Triebwerke 30, 31 erneut zu starten. Falls zwar die Hydraulikpumpen 7 und 8 ausfallen, jedoch we­ nigstens einer der Generatoren 12 oder 13 noch funktio­ niert, gibt es noch eine Möglichkeit, Leistung aus dem elektrischen Bordsystem 11 in eines der Hydrauliksy­ steme 1 oder 2 zu übertragen. Dazu wird die von dem oder den Generatoren 12 und/oder 13 erzeugte Drehspan­ nung von 115/200 V mittels der Transformator-/Gleich­ richtereinheiten 18 und/oder 19 in eine Gleichspannung von 260 V verwandelt und dem Gleichstrommotor/-genera­ tor 23 zugeführt. Die Drehstromschienen (115/200 V) sind in Fig. 3 jeweils über den Transformator-/Gleich­ richtereinheiten 18 und 19 dargestellt. In den Einhei­ ten 18 und 19 werden Dioden zur Gleichrichtung verwen­ det; die nicht näher bezeichneten Schalter/Schütze sind von üblicher Bauart und weisen lediglich auf die ver­ schiedenen Schaltungsmöglichkeiten hin.

Weiterhin gibt es noch die Möglichkeit, Leistung aus den Hydrauliksystemen 1 und 2 in das elektrische Bord­ system 11 zu übertragen. Dabei dient wenigstens eine(r) der Hydropumpen/-motoren 21 und 22 als Antriebsaggregat für den als Generator arbeitenden Gleichstrommotor/ -generator 23. Da u. a. die wiederaufladbaren Batterien 14 und 15 (Fig. 4) mit einer Spannung von nur 28 V ar­ beiten, muß die erzeugte Gleichspannung von 260 V in einer der Transformator-/Gleichrichtereinheiten 18 oder 19 auf diesen niedrigen Wert transformiert werden. Die Gleichspannungsschienen (28 V) sind in Fig. 3 links neben der Leistungsübertragungseinheit 20 dargestellt. Fig. 4 schließlich zeigt alle wesentlichen energieer­ zeugenden, -speichernden und -übertragenden Elemente des elektrischen Bordsystems 11. Dabei sind die Dreh­ strombereiche mit drei zueinander parallelen Schräg­ strichen gekennzeichnet. Oben im Bild sind die beiden triebwerksgetriebenen Generatoren 12 und 13 (115/200 V 400 Hz) dargestellt. Diese geben ihre Drehspannung an die beiden senkrecht darunter gezeigten Transformator-/Gleichrichterein­ heiten 18 und 19 ab. Von diesen werden dann beispiels­ weise die Batterien 14 und 15 über die Gleichspannungs­ schienen (28 V) ganz unten im Bild aufgeladen. Etwa in Bildmitte sind die Notbatterien 16, 17 zu einem Symbol (260 V 100 A) zusammengefaßt. Darunter ist schließlich noch der Gleichstrommotor/-generator 23 dargestellt.

Das erfindungsgemäße Notversorgungssystem bietet also trotz einfachen Aufbaus eine bisher nicht gekannte Vielfalt von systemverbindenden Leistungsübertragungs­ möglichkeiten. Eigenen Berechnungen zufolge erhöht sich dadurch die Ausfallsicherheit der hydraulischen Notver­ sorgung um einen Faktor von 3,8 gegenüber einem System ohne Leistungsübertragungseinheit. Die geschätzte Zu­ satzmasse für die Leistungsübertragungseinheit, die Notbatterien, für Leitungen, Verkabelung, Steuergeräte, Schalter etc. beläuft sich auf ca. 55 bis 75 kg und ist somit - in Relation zum erzielbaren Nutzen - ohne wei­ teres vertretbar.

Claims (5)

1. Notversorgungssystem zur Aufrechterhaltung der Notflugsteuerung eines aerodynamisch instabil ausgeleg­ ten Hochleistungsflugzeuges, mit zwei zumindest annä­ hernd gleichen, parallelgeschalteten Hydrauliksystemen (1, 2) zur Betätigung der für die Flugfähigkeit erfor­ derlichen Steuerflächen (34 bis 37, 40 bis 43) des Flugzeuges, wobei die Hydrauliksysteme (1, 2) im Normalbetrieb von zwei unabhängigen, triebwerksgetriebenen Hydraulik­ pumpen (7, 8) mit Energie versorgt werden und wobei die Hydrauliksysteme (1, 2) jeweils in einzelnen oder meh­ reren Ruderfunktionen zugeordnete Teilkreise (3, 5 bzw. 4, 6) aufgeteilt und mittels einer Leistungsübertra­ gungseinheit (20) energetisch untereinander verbindbar sind, sowie mit drei unterschiedlichen, elektrischen Energiequellen für das elektrische Bordsystem (11) in Form mindestens je eines triebwerksgetriebenen Genera­ tors (12, 13), einer wiederaufladbaren Batterie (14, 15) und einer nichtwiederaufladbaren Notbatterie (16, 17), dadurch gekennzeichnet, daß mit­ tels der Leistungsübertragungseinheit (20) von jeder der drei elektrischen Energiequellen (12, 13 bzw. 14, 15 bzw. 16, 17) Leistung in beide Hydrauliksysteme (1, 2) eingespeist werden kann, daß aus jedem der beiden Hydrauliksysteme (1, 2) Leistung in das elektrische Bordsystem (11) zum Wiederaufladen der Batterie(n) (14, 15) sowie zur Versorgung elekrischer Verbraucher über­ tragen werden kann, und daß die Teilkreise (3, 5 bzw. 4, 6) gezielt zu- bzw. abgeschaltet werden können.

2. Leistungsübertragungseinheit für das Notversor­ gungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leistungsübertragungs-Einheit (20) hinsichtlich der Hydrauliksysteme (1, 2) aus jeweils einer Hydropum­ pe (21, 22), welche wahlweise als Hydromotor betrieben wird, und hinsichtlich des elektrischen Bordsystems (11) aus einem Gleichstrommotor/-generator (23) be­ steht, daß ihre Geräte (21, 22, 23) im Pumpen- und Mo­ torbetrieb bzw. im Motor- und Generatorbetrieb mit der gleichen Drehrichtung laufen und durch eine gemeinsame An-/Abtriebswelle (24) verbunden sind, und daß der Gleichstrommotor/-generator (23) zwischen den Hydropum­ pen/-motoren (21, 22) angeordnet ist.

3. Leistungsübertragungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydro­ pumpen/-motoren (21, 22) in Axialkolbenbauweise mit Re­ gelung durch Schrägscheiben ausgeführt sind, die aus der Nullförderstellung - senkrecht zur An-/Abtriebswel­ le - um eine die An-/Abtriebswelle (24) im rechten Win­ kel schneidende Achse nach beiden Seiten zur Durchfluß­ regelung und Wahl der Betriebsart stufenlos verschwenk­ bar sind.

4. Leistungsübertragungseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Hydropumpen/-motoren (21, 22) je ein 2/2-Wegeventil (25, 26) zugeordnet ist.

5. Leistungsübertragungseinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gleichstrom­ motor/-generator (23) als regelbarer Nebenschlußmo­ tor/-generator mit Kollektor ausgeführt ist.