DE4142037A1 - Start- und landesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Start- und Landesystem für ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät (VTOL).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System vorzuschlagen, das für ein VTOL- Fluggerät einen Start von und eine Landung auf einem ruhenden oder einem bewegten Träger (Schiff, Fahrzeug) ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Regelsystem ermöglicht ein selbstständiges Starten und Landen auf einem ruhenden und bewegten Träger, auch wenn dieser eine relativ hohe Geschwindigkeit hat und/oder Schlingerbewegungen aus­ führt. Durch die erfindungsgemäße Automatik ist kein geübter Pilot notwendig. Das Fluggerät kann selbstständig starten, landen, die Position halten und pro­ grammierte Bahnen abfliegen, kann jedoch auch mittels Fernsteuerung von einem Piloten gesteuert werden. Möglich sind unbemannte Versionen ebenso wie Bemannte.

In einer Ausführung der Erfindung vermißt die Start-/Landeplatzsensorik die Relativposition des Fluggeräts zum vorgesehenen Landepunkt. Dies kann z. B. mittels Lasertechnik erfolgen, so kann am Landeplatz ein Lasertracker vorge­ sehen sein, der mit einem Spiegelsystem am Fluggerät zusammen die Entfer­ nung und die Winkel zum Fluggerät ermittelt.

Bei einem bewegten Startplatz kann die Start-/Landeplatzsensorik eine Inerti­ alsensorik zur Erfassung der Bewegungen des Start- und Landeplatzes ent­ halten. Beim Schiff kann dies die Inertialsensorik des Schiffes sein, die mit dem Schiffsrechner zusammenarbeitet.

In einer Ausführung sendet die Datenverbindung zwischen Boden und Flug­ gerät die Relativposition des Fluggeräts und die Bewegungen des Start- Landeplatzes zum Fluggerät.

Das Fluggerät kann eine Inertialsensorik für die Erfassung der eigenen Be­ wegung enthalten. Mit dieser Information und den übermittelten Bewegungs­ daten des Landeplatzes und den relativen Positionsdaten und den Bewe­ gungsdaten des Fluggeräts wird erfindungsgemäß die automatische Bahnfüh­ rung bei Start und Landung durchgeführt.

Die Fesselung des Fluggeräts an den Landeplatz erfolgt bevorzugt mittels Elektromagneten. Sind solche vorgesehen, so kann der automatische Start bei Vorliegen von ein oder mehreren Bedingungen erfolgen. Es ist günstig, wenn der automatische Start nur bei ausreichendem Vertikalschub (hoher An­ stellwinkel der Rotorblätter bei einem Drehflügler) und in der gewünschten Lage der Plattform (z. B. 0°-Rollwinkel) durch automatisches Abschalten der Magnete erfolgt.

Bei der automatischen Landung werden die Magnete dann angeschaltet, wenn eine erste Berührung des Fluggeräts mit der Landeplattform erfolgt. Dazu können Landeschalter am Fluggerät befestigt sein, die eine Berührung registrieren. Bei Anschaltung der Haltemagnete erfolgt automatisch eine Reduktion des Auftriebs (z. B. durch kollektive Blattverstellung und/oder Rück­ nahme der Motordrehzahl).

Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren näher erläutert.

Beide Figuren zeigen schematisch eine Ausführung der Erfindung für ein Fluggerät mit Rotoren, das auf einem Schiffsdeck starten und landen soll.

Fig. 1 zeigt die Bahnführung für den automatischen Start,

Fig. 2 für die automatische Landung.

Fig. 1 zeigt im unteren Teil die wesentlichen Elemente des Systems, die hier am Schiff befestigt sind. Dies ist der Landesensor, der Schiffsrechner, das Schiffsinertialsystem und die Datenübertragung Telecommandsender mit dem Pilotenlenkstand. Im oberen Teil sind die Elemente in Fluggerät gezeigt: Es enthält die Komponenten Telecommandempfänger, ein INS-Stützfilter, das Inertialsystem INS des Fluggeräts, den Positionsregler, den Basisregler, die Bahnführung und magnetische Fesselung.

Der Basisregler dient zur künstlichen Stabilisierung des Fluggeräts. Er be­ rechnet aus der Differenz von Soll- und Istwerten des jeweiligen Flugzustan­ des über geeignete Proportional- und Integralaufschaltungen Sollwerte für die Stellsysteme. Der Flugzustand wird beschrieben durch Drehraten, Beschleu­ nigungen, Geschwindigkeiten, geodätische Position und die Eulerwinkel. In der Längsbewegung werden z. B. die Nicklage und die Nickdrehgeschwin­ digkeit benötigt. In der Seitenbewegung können je nach Eigendynamik des Fluggeräts ähnliche Bedingungen gelten, wobei die Rolldrehgeschwindigkeit und die Gierdrehgeschwindigkeit hier immer zurückgeführt werden. Für die Hochachse ist die Vertikalgeschwindigkeit erforderlich.

Je nach Phasennacheilung der ausgewählten Signale, bedingt durch Mes­ sung und Weiterverarbeitung, kann es angebracht sein, eine Kompensation mit Hilfe von Phasenvorhaltfiltern durchzuführen. Zusätzlich können Kerbfilter integriert werden, um den Einfluß unerwünschter Strukturkopplungen oder -frequenzen zu beseitigen.

Beim automatischen Start hebt das Fluggerät von einer ruhenden oder sich bewegenden Landeplattform automatisch ab. Das Fluggerät ist mittels magne­ tischer Fesselung am Schiffsdeck gefesselt. Zum Einleiten des automatischen Startvorganges betätigt der Pilot einen Taster (Startkommando). Da das Flug­ gerät die Landeplattform möglichst schnell verlassen soll, wird der Kollektiv­ winkel unter Beibehaltung der magnetischen Fesselung auf nahezu seinen Maximalwert gebracht. Diese Maßnahme bewirkt einen Sprungstart von der sich bewegenden Schiffsplattform, nach dem die magnetische Fesselung ab­ geschaltet wurde.

Es ist günstig, wenn die Rotordrehzahl nach dem Hochfahren des Kollektiv­ winkels möglichst schnell wieder ihren Nennwert einnimmt, bevor das Flugge­ rät abhebt. Dadurch wird verhindert, daß das Fluggerät infolge Leistungsein­ bußen durch zu geringe Rotordrehzahl den Bereich der Plattform nicht ausrei­ chend schnell verläßt.

Die Lage des Fluggeräts soll während und nach Beendigung des automati­ schen Startvorganges stabil über dem Mittelpunkt der Start-Landeplattform beibehalten werden (automatische Positionshaltung). Bei der Vorgabe, daß der automatische Start in Rollage Null einzuleiten ist, erhält man unter der An­ nahme sinusförmiger Bewegungen der Startplattform (Schlingern) das Maxi­ mum der Rolldrehgeschwindigkeit beim Start. Diese Anfangswertstörung so­ wie äußere Störungen in Form von Böen und Wind werden von der erfin­ dungsgemäßen Regelung unterdrückt. Basis- und Positionsregler sind daher mit Vorgaben der Bahnführung für Höhe, Position, Kurs und Vertikalgeschwin­ digkeit beaufschlagt.

Fig. 2 zeigt den automatischen Landevorgang. Der automatische Landevor­ gang wird vom Piloten wiederum durch Drücken eines Tasters initiiert. Der Landeanflug beginnt mit der automatischen Transition zur einer Position über dem Aufsetzpunkt.

Dabei soll das Fluggerät aus diesem Zustand in einer vorgegebenen Höhe genau dann mit einer definierten Relativgeschwindigkeit auf dem Landeplatz aufsetzen, wenn die Rollage des Landesplatzes ihren Nulldurchgang hat. Dazu ist es erforderlich, daß während des Absenkens auf das Deck die Hö­ henführung gleitend in eine Relativbewegung zum Deck übergeht. Dies ge­ schieht in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines hochgenauen Laser­ trackers.

Mit Hilfe eines Prädiktionsverfahrens wird vorausberechnet, zu welchem Zeit­ punkt die Rollage der Landeplattform ihren Nulldurchgang hat. Die Vertikal­ führung des Fluggeräts ist so ausgelegt, daß unabhängig von der Bewegung der Landeplattform der Landevorgang eine genau definierte Zeit dauert. Der Landevorgang wird somit genau dann eingeleitet, wenn die prädizierte Zeit für Rollage Null mit der für die Dauer des Landevorgangs definierten Zeitdauer übereinstimmt.

Die kommandierte Relativsinkgeschwindigkeit setzt sich aus analytisch be­ rechneten Vorgaben und aufbereiteten, telemetrierten Meßdaten der Lande­ plattform zusammen. Außerdem werden Höhe, Kurs und Position als Kom­ mandogrößen der Bahnführung verwendet.

Nachdem das Fluggerät mit dem ersten seiner z. B. vier Landeschalter, die an der Unterseite befestigt sind, Berührung mit dem Landeplatz hatte, schaltet sich die magnetische Fesselung ohne äußeren Eingriff automatisch ein. Gleichzeitig wird der Auftrieb des Fluggeräts durch Blattverstellung und/oder Reduktion der Motordrehzahl verringert.

Die Betriebsart Positionshaltung kann dann angewählt werden, wenn sich das Fluggerät in der Luft befindet. Diese Betriebsart wird ebenfalls wieder durch Betätigung eines Schalters am Pilotenlenkstand aktiviert. Unter Positionshal­ tung ist die Beibehaltung der geodätischen Position des Fluggeräts zu verste­ hen. Die jeweils beim Anwählen dieser automatischen Funktion vorhandene Istposition ist die Sollposition. Sie ist somit das Kommando für die Positions­ haltung.

Gemäß dem Einsatzbereich und der erforderlichen Genauigkeit der Höhen­ haltung kann das Höhenmeßsignal über eine komplementäre Filterung mit dem Vertikalgeschwindigkeitssignal gemischt verwendet werden.

Claims (9)

1. Start- und Landesystem für ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät, mit einer Start-/Landeplatzsensorik, einer Signalverarbei­ tung, einer Datenverbindung zum Fluggerät, einer Fluggerätesensorik, einer Fluggerätesignalverarbeitung und einer Fluggerätestelleinrich­ tung, mit einer Fesseleinrichtung des Fluggeräts am Start-/Landeplatz, wobei das System eine automatische Positionshaltung, einen automa­ tischen Start und eine automatische Landung auf ruhendem oder be­ wegtem Start-/Landeplatz ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Start-/Landeplatzsensorik z. B. mittels Lasertechnik die Relativposition des Fluggeräts zum vorgesehenen Landepunkt vermißt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Start-/Landeplatzsensorik eine Inertialsensorik zur Erfassung der Bewegung des Start-/Landeplatzes enthält.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverbindung die Relativposition des Fluggerätes und die Bewegungen des Start-/Landeplatzes zum Flug­ gerät übermittelt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluggerät eine Inertialsensorik zur Erfas­ sung der Fluggerätebewegung enthält.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Bahnführung bei Start und Landung die Bewegungsdaten des Start-/Landeplatzes, die relativen Positionsdaten und die Bewegungsdaten des Fluggerätes verarbeitet werden.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine magnetische Fesselung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der automatische Start bei ausreichendem Vertikalschub und in ge­ wünschter Lage (0°-Rollwinkel) des Startplatzes durch automatisches Abschalten der Magnete erfolgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch S, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die automatische Landung bei erster Berührung eines von mehreren am Fluggerät befestigten Landeschaltern durch auto­ matisches Anschalten der Magnete und durch Reduktion des Auftriebs erfolgt.