DE4221540A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Kalibrierung von Derivativa-Waagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur dynamischen Kalibrierung von Meßvorrichtungen zum Ermitteln von das dynamische Verhalten von Fluggerä­ ten beschreibenden Größen anhand von Windkanalmodellen dieser Fluggeräte. Derartige Meßvorrichtungen werden auch Derivativa-Waagen genannt.

Um das dynamische Verhalten von Fluggeräten beurteilen zu können, ist die Kenntnis der flugmechanischen Deri­ vativa, in diesem Fall der instationären Derivativa er­ forderlich. Bei den flugmechanischen Derivativa handelt es sich um partielle Ableitungen von (dimensionslosen) Beiwerten aerodynamischer Kräfte und Momente nach den­ jenigen Einflußgrößen, die eine Flugbewegung beschrei­ ben. Bei den Einflußgrößen zur Ermittlung der instatio­ nären Derivativa handelt es sich um die Geschwindig­ keitskomponenten in den translatorischen und rotato­ rischen Freiheitsgraden der Fluggerätbewegung. Instatio­ näre Derivativa sind beispielsweise erforderlich, um das dynamische Verhalten des Fluggerätes, welches z. B. durch Ruderbetätigen zu Bewegungen in den Freiheitsgraden Nicken, Gieren und Rollen angeregt wurde, beschreiben zu können.

Die Bestimmung instationärer Derivativa aus Windkanal­ versuchen läßt sich einordnen als ein Verfahren der Parameteridentifikation innerhalb der Systemanalyse. Hierbei wird ein Schwingungsmodell in Form einer Diffe­ rentialgleichung zugrundegelegt, deren Koeffizienten aus den Versuchen zu bestimmen sind. Oft wird von einem linearen Schwingungsmodell ausgegangen, dessen Gültig­ keit jedoch bei großen Nick-, Gier- und Rollamplituden eingeschränkt werden muß.

Zur Ermittlung der instationären Derivativa werden spezielle Meßvorrichtungen, die sogenannten Derivativa- Waagen, eingesetzt, mit denen anhand von Windkanalmodel­ len Kenngrößen ermittelt werden, die das dynamische Ver­ halten des Fluggeräts beschreiben. Die Ermittlung dieser Kenngrößen bzw. Derivativa stellt hohe Anforderungen an die Meßtechnik, weil die gesuchte aerodynamische Infor­ mation oft nur wenige Prozent vom Gesamtsignal beträgt. Daher ist bei Derivativa-Messungen ein mehr oder weniger großer Meßfehler zu berücksichtigen, der von der Anzahl von Versuchsparametern, der Modellkonfiguration, aber auch von der Genauigkeit des Aufgabengesetzes abhängig ist. Damit die Ergebnisse aus dynamischen Windkanalver­ suchen in der Flugmechanik entsprechend bewertet werden können, ist die Angabe dieses Meßfehlers unerläßlich. Der absolute Meßfehler kann oft nicht angegeben werden, weil der "richtige Meßwert" nicht bekannt ist. Außerdem kann der Einfluß bestimmter Parameter auf die Meßge­ nauigkeit nicht ermittelt werden. Es wäre beispielsweise sinnvoll, vor einer Meßreihe beurteilen zu können, ob unter den gegebenen Verhältnissen eine ausreichend ge­ naue Messung überhaupt durchgeführt werden kann.

Ein weiterer Gesichtspunkt, der einer genauen Messung entgegensteht, besteht darin, daß die Derivativa-Waagen dynamisch beanspruchte Bauteile sind, deren Eigenschaf­ ten sich im kaufe der Zeit verändern können. Bei den Derivativa-Waagen handelt es sich um mit dem Windkanal­ modell gekoppelte Bauelemente, die bei einer Bewegung des Windkanalmodells mechanisch beansprucht werden. Die mechanische Beanspruchung wird über den Dehnmeßstreifen erfaßt. Eine Derivativa-Waage ist einerseits mit dem Windkanalmodell und andererseits mit dem Halteelement verbunden, über das das Windkanalmodell einschließlich Derivativa-Waage im Windkanal gehalten ist. Verschleiß­ erscheinungen in den (Gleit-)Lagern der Derivativa-Waage und Alterungserscheinungen der Klebeverbindungen der Dehnmeßstreifen können dazu führen, daß sich die Meß­ genauigkeit der Derivativa-Waage im Laufe der Zeit ver­ ändert. Sowohl die Alterungserscheinungen der Lager als auch der Klebeverbindungen lassen sich erfahrungsgemäß nicht notwendigerweise mit Hilfe statischer Belastungs­ tests oder dynamischer Versuche im Leerlaufbetrieb (also nicht im Windkanalbetrieb) nachweisen, sondern aus­ schließlich durch Simulation der im Windkanal tatsäch­ lich auftretenden Kräfte. Außerdem ist zu berücksichti­ gen, daß neben der Datenerfassung, die einen erheblichen meßtechnischen Aufwand erfordert, auch die Auswertung der Windkanalversuche vergleichsweise komplizierte Computerprogramme erforderlich macht. Daher ist eine Überprüfung des ordnungsgemäßen Versuchsablaufs auf ein­ fache Weise nicht mehr möglich. Aus diesen Gründen ist es erforderlich, eine Eichung des Meßsystems aus Wind­ kanalmodell und Derivativa-Waage einschließlich der An­ triebsvorrichtung zur Auslenkung des Windkanalmodells vorzunehmen. Die Antriebsvorrichtung ist erforderlich, um eine Flugbahnänderung durch Auslenkung des Windkanal­ modells während des Windkanalversuchs simulieren zu können. Die Eichung des Meßsystems setzt voraus, daß die im Windkanal wirkenden in stationären Kräfte im Leerlauf­ betrieb bzw. in einem Laborversuch simuliert werden kön­ nen. Oft erweist es sich aufgrund des geringen Anteils an den Gesamtkräften als schwierig, die aerodynamische Dämpfung zu messen. Daher ist eine Simulation gerade dieser Größe besonders gefragt.

Die Ermittlung des Meßfehlers basiert zumeist auf Schätzungen, die aufgrund von simulierten Eingangssigna­ len mit Testdatensätzen und einer Betrachtung der Güte der an dem Meßsystem beteiligten Komponenten vorgenommen werden. Zusätzlich wird die aus mehreren Versuchen be­ rechnete Streuung angegeben. Zur Reduktion des systema­ tischen Fehlers wird die mechanische und elektrische Transferfunktion des Gesamtmeßsystems (inkl. Antriebs­ vorrichtung für die erzwungene Oszillation des Wind­ kanalmodells zur Simulation von Flugbewegungsänderungen) ermittelt. Mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen lassen sich zwar systematische Fehler reduzieren, nicht aber ganz ausschließen; denn bisher konnten lediglich die statischen Kräfte und Massenkräfte des Meßsystems, nicht aber die aerodynamischen Dämpfungen und Steifigkeiten zufriedenstellend simuliert werden. Zur Simulation dieser Größen besteht grundsätzlich die Möglichkeit, mechanische Federn und Dämpfer an das schwingende Modell anzukoppeln. Der Nachteil mechanischer Dämpfer und Federn ist darin zu sehen, daß diese Elemente aufgrund ihrer Masse die Abstimmung des schwingenden Meßsystems verändern. Damit ist eine exakte Simulation nicht mehr gewährleistet. Ferner sind Federn und Dämpfer über zu­ sätzliche Gelenke an dem Windkanalmodell anzukoppeln, was zu weiteren Problemen bezüglich Lagerspiel und -reibung beiträgt. Ferner bestehen Grenzen, was die Simulation betrifft, da eine Variation der Dämpfung oder Steifigkeit nur durch den Austausch von Bauteilen vor­ genommen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Kalibrierung von Meßvorrichtungen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen zur Simulation von aerodynamischen Dämpfungen die Abstimmung des Gesamtmeßsystems im Vergleich zu den Verhältnissen im Windkanal nicht verändert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Simulation der aerodynamischen Dämpfungen mit Hilfe einer Wirbelstrombremsvorrichtung erfolgt. Dabei sind die Auswirkungen der Wirbelstrombremsvorrichtung auf ein in dessen Magnetfeld eingebrachtes und dort be­ wegtes Versuchselement bekannt. Anhand eines Versuchs­ elements aus einem nicht-magnetisierbaren Material und bekannter Gestalt, insbesondere bekannter Dicke, wird die auf das Versuchselement wirkende Bremskraft bzw. das wirkende Bremsmoment in Abhängigkeit von der Bewegungs­ geschwindigkeit des Versuchselements und der Magnetfeld­ stärke der Wirbelstrombremsvorrichtung im vorhinein er­ mittelt. Vorzugsweise wird zu diesen Testzwecken eine rotierende Scheibe aus insbesondere Aluminium oder Kupfer verwendet, die um eine ortsfeste Achse drehend angetrieben wird. Durch Variation der Magnetfeldstärke (bei einem Elektromagneten beispielsweise durch Varia­ tion des Erreger- bzw. Versorgungsstroms) und durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe bzw. der Bahngeschwindigkeit des durch das Magnetfeld hin­ durch bewegten (Ring-) Bereichs der Scheibe verändert sich die auf die Scheibe ausgeübte Bremskraft. Diese Bremskraft kann beispielsweise als diejenige Kraft ge­ messen werden, mit der die Magnetfeld-Erzeugungsvorrich­ tung ausgelenkt wird. Hierbei sollte die Rotationsge­ schwindigkeit der Scheibe konstant gehalten werden, um sicherzugehen, daß es sich bei der Auslenkkraft auch tatsächlich um die Bremskraft handelt.

Nachdem die Eigenschaften der Wirbelstrombremsvorrich­ tung (theoretisch oder experimentell) ermittelt worden sind, wird diese Wirbelstrombremsvorrichtung zur Simu­ lation aerodynamischer Dämpfungen verwendet. Zu diesem Zweck wird das Windkanalmodell mit einem Plattenelement, vorzugsweise in Form eines Dummy-Flügels versehen, das die gleiche Dicke aufweist wie das Versuchselement und aus dem gleichen nicht-magnetisierbaren Material wie das Versuchselement besteht. Das Plattenelement ragt in das von der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung erzeugte Magnetfeld hinein, wobei die Verhältnisse mit denen bei der Verwendung des Versuchselements vergleichbar sind. Das Windkanalmodell wird anschließend derart oszillie­ rend bewegt, daß sich das Plattenelement, wie bei den mit der Wirbelstrombremsvorrichtung zuvor durchgeführten Versuchen das Versuchselement, nach Art eines von der Wirbelstrombremsvorrichtung abzubremsenden Elements in dem Magnetfeld bewegt. Da der Ablauf der Oszillations­ bewegung des Windkanalmodells und damit der Ablauf der sich im Magnetfeld bewegenden Bereiche des Platten­ elements bekannt ist und auch die Magnetfeldstärke be­ kannt ist, kann anhand der experimentell ermittelten Abhängigkeit der Bremskraft von der Bewegungsgeschwin­ digkeit des Testelements und der Magnetfeldstärke die auf das Windkanalmodell wirkende Bremskraft ermittelt werden. Je größere Ähnlichkeiten das Plattenelement mit dem Versuchselement aufweist und je ähnlicher die Be­ wegung des Plattenelements mit derjenigen des Versuchs­ elements ist, desto genauer ergibt sich aus den Ergeb­ nissen der vorherigen Untersuchungen an der Wirbelstrom­ bremsvorrichtung die auf das Windkanalmodell wirkende Bremskraft. Da diese Bremskraft um 180° phasenverschoben zur Oszillationsbewegung des Windkanalmodells ist, kann mit dieser Kraft die aerodynamische Dämpfung des Wind­ kanalmodells nahezu exakt simuliert werden. Durch Ver­ gleich dieser (Vorgabe-)Bremskraft mit den von der Deri­ vativa-Waage gelieferten Meßwerte kann die Meßvorrich­ tung kalibriert werden.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, das es erlaubt, auf ein Windkanalmodell wirkende Kräfte auf­ zubringen, die dessen aerodynamischer Dämpfung ent­ sprechen. Diese Simulation der aerodynamischen Dämpfung erlaubt es, die Derivativa-Waage vor den eigentlichen Windkanalversuchen zu kalibrieren. Von Vorteil dabei ist, daß zur Simulation von aerodynamischer Dämpfung keinerlei mechanische Änderungen an dem Meßsystem vorge­ nommen werden, die die Abstimmung des schwingenden Meß­ systems verändern. Das an dem Windkanalmodell anzubrin­ gende Plattenelement sollte das Trägheitsmoment des Windkanalmodells nicht beeinflussen.

Untersuchungen an einer Wirbelstrombremsvorrichtung mit rotierender Scheibe haben ergeben, daß in einem gewissen Bereich die Bremskraft, ebenso wie es bei der aerodyna­ mischen Dämpfung bei kleinen Auslenkungen und kleinen Auslenkungsgeschwindigkeiten als gültig vorausgesetzt wird, der Geschwindigkeit proportional ist. Mit der Wir­ belstrombremsvorrichtung liegt also eine Krafterzeu­ gungsvorrichtung vor, deren Krafterzeugung, in gewissen Grenzen, vergleichbar ist mit den infolge aerodyna­ mischer Dämpfung wirkenden Kräfte. Darüber hinaus bietet die Wirbelstrombremsvorrichtung gegenüber mechanischen Dämpfern folgende Vorteile:
Das Dämpfungsmoment kann spiel frei und ohne zusätz­ liche Massen aufgebracht werden. Daher bleibt die Abstimmung des Schwingungssystems aus Derivativa- Waage und Windkanalmodell erhalten.
Das Dämpfungsmoment kann über die einem Elektro­ magneten zugeführten Leitungen stufenlos einge­ stellt werden. Mithin kann hierbei mit Hilfe eines Reglers ein vorprogrammierter Dämpfungsverlauf simuliert werden, wobei die Regelung des Erreger­ stroms in Abhängigkeit von der aktuellen Windkanal- Modell-Position erfolgt.
Die vorhandenen Windkanalmodell müssen nur leicht modifiziert werden, indem die vorhandenen Flügel durch solche aus nicht-magnetisierbarem Material (z. B. Aluminium oder Kupfer) ersetzt werden. Ein solcher ersetzter Flügel stellt dann das Platten­ element dar, das der Wirbelstrombremsung ausgesetzt wird.

Wie bereits oben kurz erläutert, erfolgt die Ermittlung des Kennlinienfeldes der Wirbelstrombremsvorrichtung experimentell. Dabei wird die Bremskraft vorteilhafter­ weise mit einer (Präzisions-)Waage gemessen. Zu diesem Zweck wird die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung derart angeordnet, daß sie auf der Waage ruht. Bei von der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung erzeugtem Magnetfeld und konstant gehaltener Rotationsgeschwindigkeit der als Testelement eingesetzten Scheibe wird dann anhand des von der Waage gelieferten Meßwerts unter Berücksichti­ gung des Eigengewichts der Magnetfeld-Erzeugungsvorrich­ tung die Auslenkungskraft bzw. die Bremskraft gemessen. Durch Variation der Magnetfeldstärke, was bei einer mit einem Elektromagneten versehenen Magnetfeld-Erzeugungs­ vorrichtung durch Variation des Versorgungsstroms er­ folgt, und durch Variation der Rotations- bzw. Bahnge­ schwindigkeit der Scheibe läßt sich dann experimentell das Kennlinienfeld der Wirbelstrombremsvorrichtung er­ mitteln. Dabei zeigt sich, daß für kleine Rotationsge­ schwindigkeiten die Bremskraft proportional zur Rota­ tionsgeschwindigkeit ist. Dieses Verhalten entspricht dem theoretisch zu erwartenden Ergebnis, demzufolge bei einer Wirbelstrombremsvorrichtung die Bremskraft für kleine Geschwindigkeiten proportional zur Geschwindig­ keit ist.

Aus dem Kennlinienfeld der Wirbelstrombremsvorrichtung mit dem Versorgungsstrom als Parameter ergibt sich, daß man durch Variation des Versorgungsstroms den Lineari­ tätsbereich vergrößern kann, innerhalb dessen die Brems­ kraft proportional zur Geschwindigkeit ist. Durch Rege­ lung des Versorgungsstroms in Abhängigkeit von dem Aus­ lenkungswinkel des Windkanalmodells bei dessen Oszilla­ tionsbewegung läßt sich die Wirbelstrombremsvorrichtung also jeweils in einem Bereich betreiben, in dem der Funktionsverlauf der Bremskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit linear ist. Dies erhöht die Genauigkeit der Kalibrierung.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zei­ gen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Wirbelstrombrems­ vorrichtung mit Elektromagnet und rotierender Scheibe,

Fig. 2 das Kennlinienfeld einer Wirbelstrombremsvor­ richtung nach Fig. 1, das die Abhängigkeit des Bremsmoments von der Bahngeschwindigkeit der rotierenden Scheibe mit dem Versorgungsstrom des Elektromagneten als Parameter zeigt, und

Fig. 3 eine Darstellung eines Windkanalmodells eines Fluggeräts mit einer Wirbelstrombremsvorrichtung zur Simulation aerodynamischer Dämpfungen.

Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Bestandteile eines Meßaufbaus zur meßtechnischen Ermittlung des von einer Wirbelstrombremse erzeugten Bremsmoments. Die Wir­ belstrombremse 10 weist eine Magnetfeld-Erzeugungsvor­ richtung 12 auf, bei der es sich um einen Elektromagne­ ten handelt. Der Elektromagnet ist mit einer Spule 14 versehen, durch die sich hindurch ein Eisenkern 16 mit einem Luftspalt 18 erstreckt. In den Luftspalt 18 hinein ragt eine Scheibe 20 aus Aluminium. Die Scheibe 20 weist eine Dicke d auf. Die Scheibe 20 ist um eine Achse 22 drehbar, die ihrerseits an Lagern 24 ortsfest gelagert ist. Über eine (nicht dargestellte) Antriebsvorrichtung wird die Scheibe 20 in Richtung des Pfeils 26 drehend angetrieben.

Der Eisenkern 16 mit Spule 14 liegt auf einer schema­ tisch bei 28 angedeuteten Waage auf. Bei Rotation der Aluminium-Scheibe 20 in Richtung des Pfeils 26 und stromdurchflossener Spule 14 derart, daß sich in dem Luftspalt 18 ein Magnetfeld bzw. eine Magnetflußdichte in Richtung des Pfeils 30 ergibt, wird der Eisenkern 16 mit Spule 14 in Richtung des Pfeils 32 mit der Kraft F bewegt. Der Eisenkern 16 ist in tangentialer Richtung zur Scheibe 20 bewegbar gelagert. Wenn es gelingt, die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe 20 auf einen konstanten Wert zu regeln, kann durch Ablesen des Meß­ wertes auf der Waage 28 die von der Wirbelstrombrems­ vorrichtung 10 erzeugte Bremskraft F ermittelt werden. Bei Kenntnis des (mittleren) Durchmessers R des sich bei Rotation der Scheibe durch den Luftspalt bewegenden Ringbereichs der Scheibe 20 kann dann das auf dieses wirkende Bremsmoment aus der Kraft F berechnet werden.

Um das Verhalten der Wirbelstrombremsvorrichtung gemäß Fig. 1 meßtechnisch erfassen zu können, wird die Kraft F für unterschiedliche Bahngeschwindigkeiten V und unter­ schiedliche Spulenströme I gemessen und das Bremsmoment in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit V und dem Strom 1 als Parameter aufgetragen. Dabei ergibt sich für eine Aluminium-Scheibe beispielsweise das Kennlinienfeld gemäß Fig. 2. Deutlich ist zu erkennen, daß sich für kleine Bahngeschwindigkeiten zwischen der Bahngeschwin­ digkeit und dem Bremsmoment für sämtliche Spulenströme I eine lineare Abhängigkeit ergibt. Untersuchungen an Kupfer-Scheiben haben gezeigt, daß der Zusammenhang zwischen der Bremskraft und dem Spulenstrom weniger linear ist als bei Aluminium. Da überdies der Tempera­ tureinfluß bei Aluminium geringer ist als bei Kupfer, wird Aluminium als Material für die Scheibe 20 bevorzugt verwendet.

Die durch Vorversuche meßtechnisch ermittelten Ergeb­ nisse, die die Wirkungsweise der Wirbelstrombremse gemäß Fig. 1 auf ein Versuchselement bekannter Gestalt und bekannter Dicke beschreiben, werden für die anschließend durchzuführende Kalibrierung einer Derivativa-Waage, die an einem Windkanalmodell angebracht ist, benötigt. Der Aufbau des Meßsystems bestehend aus Flugkörpermodell, Derivativa-Waage, Antriebsvorrichtung zur oszillierenden Bewegung des Windkanalmodells und Wirbelstrombremse ist in Fig. 3 wiedergegeben. Im Innern eines Windkanal­ modells 34 ist ein Derivativa-Waage angeordnet, die mit dem Windkanalmodell 34 fest verbunden ist, was bei 38 angedeutet ist. Die Derivativa-Waage 36 weist ein mas­ sives Bauteil 40 auf, das Verjüngungen 42 aufweist, in deren Bereich jeweils zwei Paare von um 90° gegeneinan­ der verdreht angeordnete Dehnmeßstreifen angebracht sind. Der massive Körper 40 ist um eine Achse 46 drehbar an einem Halteschwert 48 gelagert. Das Halteschwert 48 ist an der Wandung 50 des Windkanals befestigt. Das Halteschwert 48 trägt also über die Derivativa-Waage 36 das Windkanalmodell 34. Die Derivativa-Waage 36 stellt also das Verbindungselement zwischen Halteschwert 48 und Windkanalmodell 34 dar. Zur Simulation von Flugbahnände­ rungen des Windkanalmodells 34 in der im Windkanal in Richtung des Pfeils 52 erzeugten Luftströmung dient eine bei 54 angedeutete Antriebsvorrichtung. Die Antriebsvor­ richtung 54 weist eine vor- und zurückbewegbare Schub­ stange 56 auf, die gelenkig mit der Derivativa-Waage 36 gekoppelt ist. Durch Vor- und Zurückbewegung der Schub­ stange 56 gemäß dem Doppelpfeil 58 oszilliert das Wind­ kanalmodell 34 zusammen mit der Derivativa-Waage 36 um die Achse 46, womit in dem in Fig. 3 dargestellten Fall Nickbewegungen des Windkanalmodells 34 simuliert werden. Aufgrund der durch die Anströmung auf das Windkanal­ modell 34 wirkenden Kräfte wird der Körper 40 der Deri­ vativa-Waage 36 mechanisch beansprucht, was durch die Dehnmeßstreifen 44 erfaßt wird. Mit Hilfe der von den Dehnmeßstreifen 44 gelieferten Meßwerten lassen sich dann die instationären Derivativa des Windkanalmodells ermitteln.

Vor Durchführung der Windkanalversuche wird die Deriva­ tiva-Waage 36 kalibriert. Zu diesem Zweck wird durch eine erzwungene Oszillationsbewegung des Windkanal­ modells 34 mit Hilfe der Antriebsvorrichtung 54 die mechanische und elektrische Transferfunktion des Gesamt­ meßsystems ermittelt. Damit lassen sich die statischen Kräfte und die Massenkräfte, die auf das Gesamtmeßsystem wirken, simulieren. Durch Kalibrierung der Derivativa- Waage 36 entsprechend diesen statischen Kräften und Massekräften lassen sich bei der späteren Durchführung der Windkanalversuche von diesen Kräften befreite Meß­ ergebnisse erzielen.

Neben den statischen Kräften müssen aber auch die dyna­ mischen Kräfte, d. h. die Dämpfungen simuliert werden, um die Derivativa-Waage 36 auch insofern zu kalibrieren. Zu diesem Zweck wird das Windkanalmodell 34 mit einem Plat­ tenelement in Form mindestens eines Flügels 60 versehen, der aus dem gleichen Material bestehen wir das Test­ element (Aluminium-Scheibe 20), für das die Wirbelstrom­ bremsvorrichtung 10 zuvor untersucht worden ist. Die Dicke des Aluminium-Flügels 60 ist dabei gleich der Dicke der Aluminium-Scheibe 20. Ferner wird das Wind­ kanalmodell 34 mit der zuvor untersuchten Wirbelstrom­ bremsvorrichtung 10 versehen. Die Anordnung der Wirbel­ strombremsvorrichtung 10 ist derart, daß der Flügel 60 in den Luftspalt 18 der Wirbelstrombremsvorrichtung 10 hineinragt. Durch entsprechende Wahl der Gestalt des sich durch den Luftspalt 18 der Wirbelstrombremsvorrich­ tung 10 erstreckenden Flügels 60 und entsprechende An­ ordnung der Wirbelstrombremsvorrichtung 10 relativ zum Windkanalmodell 34 und dessen Oszillationsachse 46 sollte dafür gesorgt werden, daß sich der Flügel 60 bei einer Oszillationsbewegung des Windkanalmodells 34 nach Art der Scheibe 20, mit der die Wirbelstrombremsvorrich­ tung 10 untersucht worden ist, verhält.

An der durch die Antriebsvorrichtung 54 erzeugten Oszil­ lationsbewegung des Windkanalmodells 34 läßt sich der Geschwindigkeitsverlauf desjenigen Bereichs des Flügels 60 ermitteln, der durch den Luftspalt 18 der Wirbel­ strombremsvorrichtung 10 bewegt wird. Bei Vorgabe eines bestimmten Spulenstroms läßt sich dann anhand des Kenn­ linienfeldes gemäß Fig. 2 die auf das Windkanalmodell 34 wirkende Bremskraft bzw. das Bremsmoment ermitteln. Bei jeder Geschwindigkeit ist also auch die momentan wirken­ de Bremskraft, die um 180° phasenverschoben zur momen­ tanen Bewegung ist, aus dem Kennlinienfeld ermittelbar; für negative Geschwindigkeiten des Flügels 60 ergibt sich das Bremsmoment als Inversion des sich für positive Geschwindigkeiten aus dem Kennlinienfeld gemäß Fig. 3 ergebenden Wert.

Durch Vergleich der sich aus Fig. 3 ergebenden Brems­ kraft mit dem von der Derivativa-Waage 36 gelieferten Meßwert läßt sich die Derivativa-Waage 36 kalibrieren und ihr absoluter Meßfehler bezüglich der gemessenen Dämpfung angeben.

Mit der Verwendung einer Wirbelstrombremsvorrichtung zur Simulation von aerodynamischen Dämpfungen zur Kalibrie­ rung einer an einem Windkanalmodell angebrachten Deriva­ tiva-Waage ist ein Weg aufgezeigt, bei dem es gelingt, zur Simulation die Abstimmung des Schwingungssystems (Meßsystems) aus Windkanalmodell, Derivativa-Waage und Oszillations-Antriebsvorrichtung nicht verändern zu müs­ sen. Das Meßsystem kann, was seine Mechanik und Kon­ struktion angeht, nach der Simulation unverändert für die nachfolgenden Windkanalversuche verwendet werden, weshalb die Kalibrierung der Derivativa-Waage zu exakten Meßergebnissen und zu einer genauen Bestimmung der in­ stationären Derivativa führt. Sofern man sich, was die Geschwindigkeiten des Flügels 60 betrifft, innerhalb desjenigen Bereichs befindet, in dem das Bremsmoment proportional zur Geschwindigkeit ist (also bei kleinen Geschwindigkeiten), lassen sich mit der Wirbelstrom­ bremsvorrichtung aerodynamische Dämpfungen, deren Pro­ portionalität zur Geschwindigkeit der Flugbahnverände­ rung bei kleinen Änderungsgeschwindigkeiten als gültig vorausgesetzt wird, wirklichkeitsgetreu simulieren.

Das Beispiel gemäß Fig. 3 dient der Kalibrierung der Derivativa-Waage in Bezug auf aerodynamische Nick­ dämpfungen. Durch eine 90°-Drehung des Windkanalmodells um dessen Längsachse (die Verbindung 38 zwischen Wind­ kanalmodell 34 und Derivativa-Waage 36 weist ein Dreh­ lager auf) kann man Gierdämpfungen simulieren und die Derivativa-Waage auch insoweit kalibrieren. Zur Simula­ tion von Rolldämpfungen des Windkanalmodells (aerodyna­ mische Dämpfung bei Oszillation des Windkanalmodells um dessen Längsachse) kann die als Testelement eingesetzte Scheibe 20 direkt mit ihrer Drehachse 22 in Deckung mit der Längsachse des Windkanalmodells 34 an diesem be­ festigt werden. Ein Plattenelement, wie es gemäß Fig. 3 in Form des (Dummy-)Flügels 60 benötigt wird, ist dann nicht erforderlich.

Wie man anhand des Kennlinienfeldes gemäß Fig. 2 erken­ nen kann, vergrößert sich der Linearitätsbereich, in dem das Bremsmoment proportional zur Bahngeschwindigkeit ist, mit zunehmenden Spulenstrom. Durch Regelung des Spulenstroms in Abhängigkeit von der Momentan-Geschwin­ digkeit der Oszillationsbewegung kann also erreicht wer­ den, daß die Wirbelstrombremsvorrichtung 10 stets in ihrem linearen Bereich betrieben wird. Mit dieser Rege­ lung ist eine Linearisierung des Kennlinienfeldes mög­ lich.

Claims (10)

1. Verfahren zur dynamischen Kalibrierung von Meßvor­ richtungen zum Ermitteln von das dynamische Ver­ halten von Fluggeräten beschreibenden Größen anhand von Windkanalmodellen dieser Fluggeräte, bei dem

• - das Windkanalmodell (34) mit der Meßvorrichtung (36) versehen wird,
• - eine Wirbelstrombremsvorrichtung (10) mit einer Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (12) zur Er­ zeugung eines Magnetfelds einstellbarer Stärke verwendet wird, wobei die Bremskraft, die auf ein dem Magnetfeld ausgesetztes nicht-magneti­ sierbares Versuchselement (20) bekannter Gestalt in Abhängigkeit von dessen Bewegungsgeschwindig­ keit und der Magnetfeldstärke wirkt, bekannt ist,
• - das Windkanalmodell (34) mit einem Platten­ element (60) gleicher Dicke und aus dem gleichen nicht-magnetisierbaren Material wie das Ver­ suchselement (20) versehen wird,
• - das Windkanalmodell (34) derart oszillierend bewegt wird, daß sich das Plattenelement (60) nach Art eines von der Wirbelstrombremsvorrich­ tung (10) abzubremsenden Elements in dem von der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (12) erzeugten Magnetfeld bewegt, die sich aufgrund der Kennt­ nis des Abbremsverhaltens der Wirbelstrombrems­ vorrichtung (10) für das Testelement (20) aus der vorgebbaren Stärke des Magnetfeldes und der momentanen Geschwindigkeit der oszillierenden Bewegung des Plattenelements (60) des Windkanal­ modells (34) ergebende, der Oszillation des Windkanalmodells (34) entgegenwirkende momentane Bremskraft ermittelt wird,
• - die sich aufgrund der Bremskraft ergebende auf das Windkanalmodell (34) auswirkende Belastung mit Hilfe der Meßvorrichtung (36) gemessen wird und
• - die Meßvorrichtung (36) entsprechend der ermit­ telten Bremskraft und dem von der Meßvorrichtung (36) gelieferten Meßergebnis kalibriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrombremsvorrichtung (10) zur Er­ mittlung der Bremskraft in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Testelements (20) und der Magnetfeldstärke mit einer drehend antreibbaren Scheibe als Testelement (20) betrieben wird, und zwar bei unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten und unterschiedlichen Magnetfeldstärken, und daß die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (12) in einer tangentialen Richtung zur Scheibe bewegbar geführt ist und die jeweilige Bremskraft durch Messung der­ jenigen Kraft ermittelt wird, mit der die Magnet­ feld-Erzeugungsvorrichtung (12) bei sich mit konstant gehaltener Rotationsgeschwindigkeit drehender Scheibe in tangentialer Richtung ausge­ nutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (12) auf einer Waage (28) ruht, mit der unter Berücksichti­ gung des Eigengewichts der Magnetfeld-Erzeugungs­ vorrichtung (12) die auf diese wirkende Auslen­ kungskraft gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-magnetisierbare Mate­ rial, aus dem das Testelement (20) und das Platten­ element (60) bestehen, Aluminium oder Kupfer ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Erzeugungsvor­ richtung (12) einen Elektromagneten (14) aufweist und daß die auf das Testelement (20) wirkende Bremskraft in Abhängigkeit von der Bewegungsge­ schwindigkeit des Testelements (20) und dem Versor­ gungsstrom des Elektromagneten (14) gemessen und gespeichert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbringung einer Bremskraft auf das Plat­ tenelement (60) des oszillierenden Windkanalmodells (34) die Stärke des Magnetfelds der Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung (12) durch Einstellen der Stärke des Versorgungsstroms vorgegeben wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (14) der Wir­ belstrombremsvorrichtung (10) zur Linearisierung der Abhängigkeit der von der Wirbelstrombremsvor­ richtung (10) erzeugten auf das Plattenelement (60) wirkenden Bremskraft von einem von dem jeweiligen Auslenkungswinkel des Windkanalmodells (34) bei dessen Oszillationsbewegung oder von einem von der Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung abhängigen Versorgungsstrom durchflossen wird.

8. Vorrichtung zur dynamischen Kalibrierung von Meß­ vorrichtungen zum Ermitteln von das dynamische Ver­ halten von Fluggeräten beschreibenden Größen anhand von Windkanalmodellen dieser Fluggeräte, mit

• - einem mit der Meßvorrichtung (36) versehenen Windkanalmodell (34),
• - einem an dem Windkanalmodell (34) vorgesehenen Plattenelement (60) aus einem nicht-magnetisier­ baren Material und mit vorgegebener Gestalt,
• - einer Antriebsvorrichtung (54) zum oszillieren­ den Bewegen des Windkanalmodells (34),
• - einer Wirbelstrombremsvorrichtung (10) zum Auf­ bringen eines der Oszillationsbewegung des Wind­ kanalmodells (34) entgegenwirkenden Bremskraft, wobei die Auswirkungen der Wirbelstrombremsvor­ richtung (10) auf ein dem Plattenelement insbe­ sondere bezüglich Dicke und Material gleichendes Testelement (20) bekannt sind, und
• - wobei die Meßvorrichtung (36) durch Vergleich der von der Wirbelstrombremsvorrichtung (10) bei der momentanen Magnetfeldstärke und der momenta­ nen Plattenelement-Bewegungsgeschwindigkeit er­ zeugten Bremsbelastung mit der von der Meßvor­ richtung (26) gemessenen auf das Windkanalmodell (34) wirkenden Belastung kalibrierbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die von der Wirbelstrombremsvorrichtung (10) erzeugte momentane Bremskraft anhand eines Kennlinienfeldes ermittelbar ist, das die auf das Testelement (20) wirkende Bremskraft in Abhängig­ keit von der Geschwindigkeit des Testelements (20) und der Stärke des von einer Magnetfeld-Erzeugungs­ vorrichtung der Wirbelstrombremsvorrichtung (10) erzeugten Magnetfelds beschreibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Testelement (20) und das Plattenelement (60) aus Aluminium oder Kupfer be­ stehen.