DE4420059C2

DE4420059C2 - Start- und Landeführungssystem für Drehflügler und andere Senkrechtstarter

Info

Publication number: DE4420059C2
Application number: DE4420059A
Authority: DE
Original assignee: LEUBNER HANS PETER
Current assignee: LEUBNER HANS PETER
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2014-06-09
Also published as: DE4420059A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dessen technische Realisierung, um mehrmotorigen Drehflüglern und anderen senkrechtstartenden Luftfahrzeugen im Fall eines Triebwerksausfalls individuell einen bezüglich Sicherheit optimalen Start- und Landepfad zu ermöglichen, und zwar situationsabhängig, mit der genauen, dreidimensionalen Bestimmung und Anzeige der jeweiligen Start- und Landepfade als Kombination von Flughöhe und Fahrt, der notwendigen Entscheidungspunkte und unter Berücksichtigung aller flugtechnischen, meteorologischen und landeplatzbezogenen Daten und Randbedingungen.

Für den Fall eines Triebwerksausfalls bei zwei- oder mehrmotorigen Hubschraubern werden kontinuierlich situationsspezifisch optimale Flugpfaddaten als Aus gangspunkte für die dann zu realisierenden Notverfahren bereitgestellt. Der Pilot kann dabei über eine integrierte Anzeige geführt werden, oder ein Autopilot höherer Ordnung führt die Start- und Landevorgänge automatisch durch.

Zweimotorige Hubschrauber der Zulassungskategorie A operieren häufig in Gebieten ohne direkte Notlandemöglichkeiten (über Städten, über See). Deshalb wird von ihnen verlangt, dass sie bei Ausfall eines Triebwerkes den Flug sicher zu einem Notlandefeld fortsetzen können. Beim Reiseflug wird dies - abhängig von der Beladung - durch Zurückgehen auf die Geschwindigkeit mit dem geringsten Leistungsbedarf möglich sein. Kritisch ist die Start- und Landephase, da es bei Ausfall eines Triebwerkes, je nach den Gegebenheiten des Einzelfalles, zu einem nicht ausgleichbaren Leistungsdefizit kommen kann. Die Möglichkeit, bei zweimotorigen Hubschraubern beide Triebwerke so leistungsstark auszuführen, dass ein Triebwerk beim Ausfall des anderen dessen Leistung auch in der Start- und Landephase voll übernehmen kann, ist unwirtschaftlich. Denn dann müsste im ungestörten Normalbetrieb ein zu großes Triebwerk-Gewicht mitgeführt werden; außerdem würden überdimensionale Triebwerke nicht im bezüglich Kraftstoffverbrauch günstigen Nennleistungsbereich laufen.

Die Zulassungsbehörden fordern für Verkehrshubschrauber der Kategorie A, dass bei Ausfall eines Triebwerkes

- der Start sicher durchgeführt werden kann oder
- eine sichere Einmotorenlandung ausgeführt werden kann oder
- eine sichere Rückkehr zum Startpunkt (Bohrinsel etc.) möglich ist

Diese Forderungen können durch drastische Reduzierung der Zuladung praktisch immer erfüllt werden, was jedoch äußert unwirtschaftlich wäre. Deshalb wird ein kritischer Entscheidungspunkt (Auch bezeichnet als "Critical Decision Point", Abkürzung: "CDP") jeweils für den Start und für die Landung definiert, der u. a. Fluggeschwindigkeit und Höhe über Grund sowie die Gegebenheiten des Landeplatzes berücksichtigt. Vor Erreichen des kritischen Entscheidungspunktes wird der Start bei Ausfall eines Treibwerkes abgebrochen, nach Erreichen des kritischen Entscheidungspunktes wird der Start fortgesetzt werden. Diese Prozedur ermöglicht akzeptable Nutzlasten, stellt jedoch erhöhte Anforderungen an den Start- und Landeplatz bzw. an die Verfahren für Start- und Landevorgänge.

Die Lage des kritischen Entscheidungspunktes in Bezug auf den Startplatz (Landeplatz) hängt nicht nur von den technischen Daten des Hubschraubers, seiner Startmasse, Hindernisfreiheit in Startrichtung und den Umweltbedingungen wie Dichtehöhe und Wind ab. Da bei Ausfall eines Triebwerkes vor dem kritischen Entscheidungspunkt noch auf dem möglicherweise engen Startplatz gelandet werden muss, muss durch Vermindern der Startmasse die Lage des kritischen Entscheidungspunktes so beeinflusst werden, dass der jeweilige Startplatz für eine Einmotorenlandung noch ausreicht. Die genaue, individuelle Berechnung des kritischen Entscheidungspunktes und des idealen Flugpfades zum kritischen Entscheidungspunkt, sowie die entsprechende Führung des Piloten auf dem jeweiligen Flugpfad und die Anzeige, dass der kritischen Entscheidungspunkt erreicht ist, ermöglicht:

- das Erreichen des maximal möglichen Sicherheitsstatus bei Hubschraubern der Zulassungskategorie A, da immer optimale Ausgangsbedingungen für eine Einmotorenlandung herrschen
- die Maximierung der Startmasse für den individuellen Startplatz bei gegebenen Umweltbedingungen
- bei einmotorigen Hubschraubern die Vermeidung der gefährlichen Bereiche des Höhen-Geschwindigkeitsdiagrammes
- bei sonstigen senkrechtstartenden Luftfahrzeugen die Vermeidung des Bereiches der Rezirkulation

Der derzeitige Stand der Technik ist gekennzeichnet durch die jeweilige Schätzung des kritischen Entscheidungspunktes sowie durch Tabellen z. B. bezüglich der Landedistanzen (z. B. Journal of the American Helicopter Society, July 1990, Volume 35 - Number 3).

Praktiziert werden auch Rückwärtsstarts, die bei Triebwerksausfall die Rückkehr zum Startpunkt erlauben, ggf. unter Ausnutzung der zeitlich äußerst begrenzten Nothöchstleistung des verbleibenden Triebwerkes.

Darüber hinaus sind zahlreiche Verfahren bekannt, die ein Luftfahrzeug anhand eines Leitstrahles zur Landung führen (Siehe auch US 48 01 110, Spalte 4, Zeile 41 und Zeile 63).

Neuere Verfahren ermöglichen eine Landeführung durch fortlaufende Positionsbestimmung so, dass das Luftfahrzeug auch einem Gleitpfad mit wechselnder Richtung und wechselndem Gleitwinkel unabhängig von einem festen Leitstrahl folgen kann. Hierbei können auch Positionswerte oder Feinkorrekturen von Positionswerten von einer Bodenstation an das Landesystem im Luftfahrzeug gesendet werden. Die exakte Führung bei einem Startvorgang nach Höhenprofil und Geschwindigkeitsverlauf ist bei neueren Systemen prinzipiell möglich, jedoch bisher unüblich.

Bekannt sind zahlreiche Rechenverfahren zum Verhalten mehrmotoriger Hubschrauber bei Leistungsverlust, z. B.: Journal of Aircraft, Vol 30, No 2, March- April 1993, Yoshinori Okuno, Keiji Kawachi, Optimal Take off of a Helicopter for Category A V/STOL operations.

Bekannt sind Algorithmen zur Berechnung des kritischen Entscheidungspunktes bei definiertem Zustand, die sich auch für Optimierungen eignen. Diese Berechnungen wurden bzw. werden für Zulassungsverfahren eingesetzt und in Flugversuchen verifiziert. Programme und Daten werden in Fachtagungen und Publikationen veröffentlicht.

Wegen der Ungenauigkeit der Eingabedaten und wegen der kurzen Entscheidungszeiten bei Triebwerks-Ausfall, ist es für den Piloten äußerst schwierig, wenn nicht unmöglich, unter den Gegebenheiten im konkreten Einzelfall die jeweilige Kombination aus Höhe und Fahrt bis zu jenem Punkt (kritischer Entscheidungspunkt) einzuhalten, ab dem die Fortsetzung des Starts nach Triebwerks-Ausfall sicher möglich ist.

Eine Führung des Piloten auf einem - unter Berücksichtigung aller wirksamen, wesentlichen Parameter - optimalen Flugpfad zum jeweiligen kritischen Start- oder Landeentscheidungspunkt ist bisher nicht bekannt.

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens und der technischen Realisierung ist es daher,

- unter Berücksichtigung der jeweiligen aktuellen Daten für den Hubschrauber und die Umwelt, die kritischen Entscheidungspunkte für Start und Landung sowie die optimalen Start- und Landepfade zu berechnen (für alle Start- und Landearten)
- die Besatzung auf dem optimalen Startpfad zum jeweiligen kritischen Entscheidungspunkt zu führen und diesen anzuzeigen bzw. sie zum kritischen Entscheidungspunkt, der für die individuelle Landung berechnet ist, zu führen, den kritischen Entscheidungspunkt anzuzeigen und die Besatzung dann auf dem optimalen Landepfad zur Landung zu führen.
- bei gegebenen Umwelt- und Start-/Landeplatzbedingungen die maximale ausnutzbare Nutzlast/Abflugmasse zu bestimmen, bei der bis zum Erreichen des kritischen Entscheidungspunktes noch eine Einmotorenlandung auf dem Startplatz durchgeführt werden kann.

Außerdem soll der Besatzung eine Warnung gegeben werden, sobald sie sich gefährlichen Bereichen des Höhen-Geschwindigkeitsdiagrammes nähert.

Bei einmotorigen Hubschraubern kann eine Warnung erfolgen, wenn gefährliche Bereiche des Höhen-Geschwindigkeitsdiagrammes berührt werden, bei sonstigen senkrechtstartenden Luftfahrzeugen kann eine Warnung erfolgen, wenn z. B. der Bereich der Rezirkulation erreicht wird.

Das erfindungsgemäße System kann zur Flugvorbereitung dienen, indem die Werte für einen optimalen Start/Landung berechnet werden können und als Grundlage für die Flugvorbereitung Verwendung finden können.

Das erfindungsgemäße Start- und Landeführungssystem wird gemäß Fig. 1 beschrieben:

Es besteht aus einem Teil im Hubschrauber, sowie einem Teil 2 am jeweiligen Star- oder Landeplatz. Kernstücke der Anlage sind die zentrale Recheneinheit 3, in der die Daten für alle Flug- und Umweltzustände gespeichert sind oder aktuell errechnet werden, sowie ein System zur genauen 3-dimensionalen Positionsbestimmung 10, 13 des Hubschraubers relativ zum Landeplatz. Ferner sind ein Niedriggeschwindigkeitsmesser 7, eine integrierte Anzeige 9 der Daten für den Piloten sowie ggf. eine Ankopplung zum Autopiloten 6 vorhanden. Hub schrauberdateneingaben erfolgen automatisch über das Eingabegerät 14, manuelle Dateneingaben sind über das Dateneingabegerät 8 möglich. Die Daten (geographische Koordinaten, Höhe über NN und Geländedaten der Umgebung) der in Frage kommenden Landeplätze sind über des Dateneingabegerät 4 für Landeplatzdaten eingebbar, soweit nicht gemäß Luftfahrtpublikationen gespeichert.

Die zentrale Recheneinheit 3 enthält die Software zur Verarbeitung der eingegebenen Daten und der anfallenden Echtzeitdaten, die Algorithmen für die Interpolation aus den vorausberechneten Hubschrauberdaten ("table look up") 15 sowie zur Steuerung der integrierten Anzeige 9 für den Piloten.

Bodenseitig erfordert das erfindungsgemäße Verfahren ein Windfeldbestimmungsgerät 11 sowie das Referenzgerät zur Positionsbestimmung 10 und die Übertragungsstrecke 12 für die Übermittlung der Daten.

Die Berechnung des jeweils gültigen Entscheidungspunktes und der Flugfaktoren bis zum Entscheidungspunkt (optimaler Pfad) werden anhand der festen Hub schraubertypdaten und der fallspezifischen, individuellen Eingaben vor dem Start vorgenommen. Die eingesetzte Software ist Stand der Technik, ebenso die erfor derlichen Qualitätssicherungs- und Verifizierungsmaßnahmen für die Software. Maximiert wird entweder die für den gegebenen Einzelfall maximale Startmasse oder, bei vorgegebener Startmasse, die Sicherheitsreserve (weitere Aufgabenstellungen: siehe oben)

Unter Verwendung der vorbeschriebenen Elemente läuft das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt ab, wobei die in der Praxis besonders wichtige Variante zur Maximierung der Sicherheitsreserve bei vorgegebener Abflugmasse beschrieben wird (Die Variante zur Maximierung der Startmasse verläuft analog).

Beschreibung des Verfahrens a) manuelles Verfahren

Die vom System benötigten Daten werden teilweise automatisch zur Verfügung gestellt (auch abhängig von der Ausstattung des Start- und Landeplatzes) oder von der Besatzung manuell eingegeben. Diese Eingabe erfolgt über ein Abfragemenü, das neben der Vollständigkeit der Daten auch die üblichen Plausibilitätsprüfungen der Daten sowie die Einhaltung der flugbetrieblichen Grenzen überprüft und bei Diskrepanzen entsprechende Fehlermeldungen auswirft.

Nachdem durch die Besatzung alle relevanten Daten eingegeben wurden, führt das System die erfindungsgemäßen Berechnungen durch, mit Hilfe der manuell ein gegebenen und der automatisch zur Verfügung stehenden Daten.

Dabei wird auch überprüft, ob bei der gegebenen Startmasse, den Bedingungen des Startplatzes und der sonstigen Umwelt bei Einleitung einer Einmotorenlandung der Hubschrauber innerhalb der vorgesehenen Fläche sicher zum Stillstand gebracht werden kann. Ergibt sich hier ein negatives Ergebnis, können nach Möglichkeit Abhilfemaßnahmen errechnet werden (Verringerung der Startmasse, Wechsel des Startverfahrens). Weiterhin wird überprüft, ob beim gegebenen Landeplatzumfeld die Fortsetzung des Starts nach Triebwerksausfall möglich ist. Das System kann auch zur Flugvorbereitung verwendet werden.

Danach erfolgt Rollen oder Schwebeflug zum Startpunkt und die Initialisierung des Systems am Startpunkt durch einen Knopf z. B. an den Steuerorganen (Mitteilung an das System, dass von hier aus gestartet wird. Initialisierung könnte auch über Fahrwerksschalter oder anderweitig erfolgen).

Die Einleitung des Startvorganges erfolgt durch Fahrtaufnahme und Höhengewinn. Die Fortsetzung des Starts erfolgt unter Führung durch die Anzeige, die kontinuierlich die einzunehmende Höhe und Geschwindigkeit vorgibt. Dies kann erfolgen durch eine Anzeige der Ablagen von den Sollwerten oder durch Kommandosignale an den Piloten. Das System berücksichtigt dabei auch Änderungen der automatisch eingehenden Daten über eine besondere Filterung, die ein Springen der Anzeigen verhindert und eine Führung des Piloten durch vernünftige und erfliegbare Kommandos sicherstellt. Folgt der Pilot der Anzeige, befindet er sich jeweils in der günstigsten Ausgangslage für eine Einmotorenlandung auf dem Startplatz. Solange der kritische Entscheidungspunkt noch nicht erreicht ist, wird der Pilot bei Triebwerksausfall eine Einmotorenlandung auf dem Startplatz durchführen.

Das System zeigt dem Piloten das Erreichen des kritischen Entscheidungspunktes an. Ab diesem Zeitpunkt kann der Pilot unter den von den Zulassungsbehörden definierten Bedingungen den Start auch mit einem Triebwerk fortsetzen.

Bei der Landung führt das System den Piloten an den kritischen Landeentscheidungspunkt heran. Davor kann die Landung bei Triebwerksausfall abgebrochen und durchgestartet werden. Ab Erreichen des kritischen Landeentscheidungspunktes muss eine Einmotorenlandung auf dem Landeplatz durchgeführt werden. Das System führt den Piloten auf dem optimalen Landepfad bis zur Landung.

b) Autopilot

Das Verfahren entspricht bis zur Einleitung des Startvorganges dem manuellen Verfahren. Ab diesem Zeitpunkt übernimmt der Autopilot die Steuerung des Hub schraubers nach den Informationen des Systems, die den allgemeinen Navigationsinformationen überlagert werden. Hierbei gilt es zu erwähnen, dass die navigatorischen Komponenten des Starts- und Landeführungssystems auch für die allgemeine Navigation verwendet werden können.

Bezugszeichenliste

1

Komponenten im Luftfahrzeug

2

Komponenten am Boden

3

Zentrale Recheneinheit

4

Dateneingabegerät für Landeplatzdaten

5

Vorausberechnete Hubschrauberdaten und Algorithmen zur Interpolation ("Table look up" Hubschrauber)

6

Autopilot

7

Niedriggeschwindigkeitsmesser

8

Dateneingabegerät

9

Anzeigegerät

10

Referenzgerät zur Positionsbestimmung

11

Windfeldbestimmungsgerät

12

Übertragungsstrecke für Daten

13

Bord-Satellitennavigationsgerät

14

automatische Dateneingabe

15

Präzisionshöhenmesser (nicht dargestellt)

16

Flugpfadoptimierungssoftware (nicht dargestellt)

Claims

1. Verfahren zur Start und Landeführung von zwei- und mehrmotorigen Drehflüglern und anderen senkrecht startenden und landenden Luftfahrzeugen wobei individuell und situationsabhängig für den jeweiligen Einzelfall der optimale Start- und/oder Landepfad (jeweils als Kombination der variablen Flughöhe und des variablen Betrages/Richtung des Geschwindigkeitvektors) sowie entsprechende Entscheidungspunkte unter Berücksichtigung aller flug- und luftfahrzeugtechnischen, meteorologischen und start-/landebezogenen Daten sowie Randbedingungen und Vorschriften ermittelt werden und dem Piloten in geeigneter Weise zur Anzeige gebracht werden, und alle relevanten Daten in einer bordseitigen zentralen Recheneinheit erfasst, verarbeitet und ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass

a) exakte Daten über Windfeld und
b) weitere meteorologische Daten zusätzlich zu den
c) Daten der Positionsbestimmung
d) von bodenseitigen Geräten über eine Funkstrecke vom Boden zum Luftfahrzeug an die zentrale Recheneinheit übermittelt werden.

2. Verfahren zur Start- und Landeführung von zwei- und mehrmotorigen Drehflüglern und anderen senkrecht startenden und landenden Luftfahrzeugen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Recheneinheit bordseits durch:

a) ein Gerät zur genauen dreidimensionalen Positionsbestimmung des Luftfahrzeuges relativ zum Landeplatz sowie der Geschwindigkeit über Grund (13), insbesondere differentielle Satelliten-Navigation
b) Niedriggeschwindigkeitsmesser (7) relativ zur umgebenden Luft
c) Automatische Eingabe von Luftfahrzeugdaten über ein geeignetes Schnittstellengerät (14)
d) Manuelles Dateneingabegerät (8) unterstützt wird.