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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit Drehflügeln, zum
Beispiel von der Art Hubschrauber, bei dem die Blattwinkelverstellung
eines mit Blättern
versehenen und die Drehflügel
bildenden Rotors vollständig
elektrisch gesteuert wird.
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Es
ist bekannt, dass die üblichen
Hubschrauber viele mechanische und hydromechanische Organe aufweisen,
die zur Steuerung des kollektiven Blatteinstellwinkels und des zyklischen
Blatteinstellwinkels der Blätter
ihres Rotors notwendig sind. Solche Organe sind teuer und weisen
außerdem
eine große
Masse auf.
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Es
wurde daher bereits versucht, die Masse und die Kosten eines solchen
Hubschraubers zu reduzieren (siehe zum Beispiel die Patente US-5
387 083, US-5 409 183 und US-5 626 312), indem elektrische Flugsteuerungen
vorgesehen wurden, die den Ausschlag von Klappen steuern, die je
auf eines der Blätter
des Rotors montiert und in der Lage sind, die Blattwinkeleinstellung
des zugeordneten Blatts aerodynamisch zu steuern, was es ermöglicht,
einige mechanische und hydromechanische Organe wie Stellzylinder,
Pumpen und Hydraulikschaltungen, aber keines der anderen mechanischen
Organe wegzulassen.
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Außerdem treten
bei diesen bekannten Ausführungsformen
von Hubschraubern mit elektrischen Steuerungen und Blattwinkelsteuerungsklappen
derartige Probleme der Instabilität auf, dass zum Beispiel die
in der Luftfahrt üblichen
Sicherheitskriterien hinsichtlich elementarer oder kombinierter
Störfälle, die
nicht höchst
unwahrscheinlich sind, nicht erfüllt werden
können.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen.
Sie betrifft ein Luftfahrzeug, bei dem die Winkelverstellungen der Blätter mit Hilfe
von Klappen erhalten werden, die so verbessert wurden, dass praktisch
alle mechanischen und hydromechanischen Organe der Blattwinkelsteuerung des
Rotors weggelassen werden können
und gleichzeitig eine perfekte Betriebssicherheit gewährleistet wird.
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Zu
diesem Zweck weist das Luftfahrzeug auf:
- – einen
Rumpf;
- – einem
Piloten zur Verfügung
stehende Steuerorgane, die in dem Rumpf angeordnet und in der Lage
sind, Steueranweisungen zu erzeugen;
- – mindestens
einen Rotor, der sich in Bezug auf den Rumpf dreht und die Funktionen
des Auftriebs des Luftfahrzeuges und seiner Bewegung entlang von
Roll- und Nickachsen sowie in vertikaler und horizontaler Translation
gewährleistet, wobei
der Rotor mindestens zwei Blätter
aufweist, deren Blattwinkel gesteuert werden kann, um dem Rotor
zu ermöglichen,
die Funktionen zu gewährleisten;
- – verstellbare
Klappen, die von den Blättern
getragen werden, um deren Blattwinkel zu steuern, wobei jedes der
Blätter
eine Vielzahl von Klappen trägt,
die entlang der Spannweite des Blatts angeordnet sind, und wobei
jedes Blatt so viele in gleicher Weise angeordnete Klappen trägt, wie
ein beliebiges anderes Blatt;
- – elektrische
Betätigungsvorrichtungen,
die von den Blättern
getragen werden, um die verstellbaren Klappen im Hinblick auf die
Steuerung des Blattwinkels zu betätigen;
- – eine
Flugsteuerungsvorrichtung, die im Rumpf angeordnet ist und ausgehend
von den Steueranweisungen und von Signalen, die für Flugparameter
repräsentativ
sind, eine Vielzahl von Steuerbefehlen für die Vielzahl der elektrischen
Betätigungsvorrichtungen
erzeugt;
- – eine
Vielzahl von Verbindungen, die zwischen der Flugsteue rungsvorrichtung
und jeder der elektrischen Betätigungsvorrichtungen
vorgesehen sind, um an jede dieser elektrischen Vorrichtungen über eine
Schnittstelle einen der Steuerbefehle zu senden; und
- – eine
Stator-Rotor-Schnittstelle zwischen dem Rumpf und dem Rotor, die
es der Vielzahl von Verbindungen ermöglicht, die Steuerbefehle zu den
elektrischen Betätigungsvorrichtungen
zu übertragen.
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Luftfahrzeug,
bei dem:
- – die
Flugsteuerungsvorrichtung so viele unterschiedliche Steuerwege aufweist,
wie es Klappen auf jedem Blatt gibt,
- – die
Schnittstelle so viele unterschiedliche Übertragungswege aufweist wie
es unterschiedliche Steuerwege gibt;
- – die
unterschiedlichen Steuerwege der Flugsteuerungsvorrichtung jeweils
den unterschiedlichen Übertragungswegen
der Schnittstelle zugeordnet sind, um mit den Verbindungen so viele
unterschiedliche Steuerkanäle
zu bilden, wie es Klappen auf jedem Blatt gibt, und
- – jeder
der Steuerkanäle
die Steuerbefehle für
alle elektrischen Betätigungsvorrichtungen
der Klappen vom gleichen Rang auf den Blättern erzeugt und transportiert.
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Aufgrund
der Vielzahl von auf jedes der Blätter montierten Klappen und
der Vielzahl von Steuerbefehlen, die auf elektrischem und/oder optischem Weg
an die elektrischen Betätigungsvorrichtungen der
Klappen gerichtet werden, ist es somit möglich, die Gesamtheit der Blattwinkelsteuerungen
des Rotors des Luftfahrzeugs elektrisch durchzuführen. Man kann also alle üblicherweise
zu diesem Zweck verwendeten mechanischen und hydromechanischen Organe
weglassen, das heißt
die Blattwinkeleinstellhebel, die Steuerstangen, die gleitenden
und drehenden Taumelscheiben, die Pumpen und Hydraulikkreise, die
Stellzylinder, die Steuerstangen und -hebel und den Steuerschalter.
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Dies
führt zu
einer starken Gewichtsverminderung und einer beträchtlichen
Vereinfachung der zu einem Luftfahrzeug mit Drehflügeln, und
insbesondere einem Hubschrauber, gehörenden mechanischen Einheiten.
Außerdem
ist ein solches Rotorsteuerungssystem von einem Luftfahrzeugtyp
zum anderen leicht übertragbar
und rekonfigurierbar, wobei die Hauptveränderungen dann in einer neuen Einstellung
der verschiedenen Parameter mit einer beschränkten Einwirkung auf die Hardware-Vorrichtungen
besteht.
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Außerdem ermöglicht beim
Luftfahrzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung die Vielzahl von Verbindungen zwischen der Flugsteuerungsvorrichtung und
den Klappen der Blätter
den Erhalt einer Vielzahl von unabhängigen Steuerkanälen, die
kein Organ gemeinsam haben.
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Bei
einem Ausfall von Software- oder Hardware-Elementen kann das erfindungsgemäße Luftfahrzeug
also weiter absolut sicher gesteuert werden, wenn auch möglicherweise
mit verringerten Leistungen. Die Flugsicherheit ist also gewährleistet.
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Die
Flugsteuerungsvorrichtung kann von der Art sein, wie sie im amerikanischen
Patent US-6 059 225 beschrieben ist, das als nächstliegender Stand der Technik
angesehen wird.
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Um
die Zuverlässigkeit
und die Sicherheit noch zu erhöhen,
können
die Steuerkanäle
gemäß unterschiedlichen
Technologien hergestellt sein. Es ist dann vorteilhaft, wenn die
Steuerkanäle
der Klappen nahe den freien Enden der Blätter – es sind diese Klappen, die
die größte aerodynamische
Wirksamkeit haben – gemäß der als
am zuverlässigsten
erachteten Technologie hergestellt werden.
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Vorzugsweise
ist jede elektrische Betätigungsvorrichtung
im entsprechenden Blatt in direkter Nähe der Klappe angeordnet, der
sie zugeordnet ist. So kann die mechanische Verbindung zwischen
einer elektrischen Betätigungsvorrichtung
und ihrer Klappe kurz sein, so dass die Steuerung der Klappe unmittelbar
und direkt ist, und sich im Blatt fortbewegende, lange Steuerstangen
vermieden werden.
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Aus
zusätzlichen
Sicherheitsgründen
weist jede elektrische Betätigungsvorrichtung
mindestens zwei parallelgeschaltete elektrische Stellglieder – Zylinder
oder Motor – auf.
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Die
Klappen zur Steuerung des Blattwinkels der Blätter könnten auf diesen letzteren
auf der Seite ihrer Vorderkante montiert sein. Aus Gründen der Stabilität ist es
aber vorzuziehen, dass die Klappen sich an der Hinterkante der Blätter befinden.
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Um
einen möglichen
Ausfall eines Steuerkanals aufgrund eines Defekts eines seiner für ein einziges
Blatt spezifischen Elemente, der zur Gefahr eines großen Ungleichgewichts
der auf den Rotor einwirkenden Kräfte führen könnte, abzuwenden, wird ein
Selbstüberwachungssystem
vorgesehen, das permanent für
jeden Steuerkanal die Übereinstimmung
der Durchführung
der Ausschläge
der Klappen des Kanals mit den Steuerbefehlen überprüft. Bei fehlender Übereinstimmung
der Durchführung
werden alle Klappen des Kanals mechanisch blockiert. Der Halt der
Klappen in Stellung, der notwendig ist, um jedes Phänomen des
aerodynamischen oder aeroelastischen Schwimmens zu verhindern, muss
unabhängig
vom betroffenen Ausfall, selbst wenn es sich um den Verlust der
eigenen elektrischen Energie des betrachteten Kanals handelt, wirksam
sein.
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Aufgrund
der Tatsache, dass im erfindungsgemäßen Luftfahrzeug mit Drehflügeln alle
Blattwinkelsteuerbefehle elektrisch oder optisch sind, kann man
außerdem
auf einfache Weise den Befehlen Hilfssignale hinzufügen, um
zusätzliche
Funktionen auszuführen,
wie zum Beispiel, wie nachfolgend beschrieben wird, eine Antiresonanzfunktion,
eine Flügelselbstregelungsfunktion,
oder auch schwingungs- und schalldämpfende Funktionen.
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Die
Figuren der beiliegenden Zeichnung machen verständlich, wie die Erfindung durchgeführt werden
kann. In diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen einander
entsprechende Elemente.
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1 ist eine allgemeine schematische
Teilansicht eines Hubschraubers, der mit Flugsteuerungen gemäß der vorliegenden
Erfindung versehen ist.
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2 ist ein Schnitt gemäß der Linie
II-II der 1 und stellt
schematisch die Anordnung der Blattwinkelsteuerklappen und ihrer
Stellglieder auf den Blättern
des Rotors des Hubschraubers dar.
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3 ist ein Funktionsplan
des Flugsteuerungssystems der 1.
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Die 4 und 5 stellen zwei Ausführungsformen der Flugsteuerungsvorrichtung
dar, die die Steuerbefehle für
das Ausschlagen der Klappen erzeugt.
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Der
schematisch in 1 dargestellte
Hubschrauber 1 weist einen Rumpf 2 auf, in Bezug
auf den ein Rotor 3 drehen kann (der Hubschrauber könnte mehrere
Rotoren 3 aufweisen), der am oberen Ende einer drehenden
senkrechten Welle 4 mit einer Achse Z-Z mit Hilfe einer
Nabe 4A getragen wird. In dieser 1 ist das Drehantriebssystem des Rotors 3 und
der Welle 4 nicht dargestellt.
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Der
Rumpf ist im Verhältnis
zum Rotor vergrößert dargestellt,
um die verschiedenen in ihm enthaltenen Vorrichtungen zu zeigen.
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An
der Nabe 4A ist eine Vielzahl m von
Blättern 5.1, 5.2,
... 5.i,... 5.m (mit i = 2, 3, ..., m) befestigt, die
gleichmäßig um die
Achse Z-Z der Welle 4 verteilt sind, um den Rotor 3 zu
bilden, und jedes Blatt 5.i weist eine Vielzahl p von Hinterkantenklappen 6.1, 6.2,
... 6.j, ... 6.p (mit j = 2, 3, ..., p) auf, die
entlang der Spannweite des Blatts angeordnet sind. Im besonderen
Beispiel der 1 ist m gleich 4 und p gleich 3.
Bei allen Blättern 5.i ist
die Anzahl p von Klappen 6.j gleich,
und von einem Blatt zum anderen ist die Anordnung der Klappen ebenfalls
gleich.
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Jeder
Hinterkantenklappe 6.j jedes Blatts 5.i ist eine
elektrische Betätigungsvorrichtung 7 zugeordnet,
die aus zwei parallelgeschalteten elektrischen Stellgliedern 7A und 7B besteht.
Alle elektrischen Betätigungsvorrichtungen 7 sind
innerhalb der Blätter 5.i angeordnet,
wobei jede Vorrichtung 7 sich in der Nähe der ihr zugeordneten Klappe 6.j befindet und
mit dieser über
eine kurze und direkte mechanische Verbindung 8 verbunden
ist. So kann jede Vorrichtung 7 die zugeordnete Klappe 6.j mit
Hilfe der mechanischen Verbindung 8 schnell um ihre Achse 9 (von
zur Spannweite des entsprechenden Blatts allgemein paralleler Ausrichtung)
schwenken lassen. Ein solches Schwenken kann beliebig in der einen oder
der anderen Richtung erfolgen.
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Somit
ermöglichen
es solche Klappen in bekannter Weise, das aerodynamische Nickmoment der
sie tragenden Blätter
um die Achse 10 der Blattwinkeländerung der Blätter zu
verändern.
Der Ausschlag γ einer
Klappe 6.j um ihrer Achse 9 ermöglicht es,
den Einstellwinkel θ des
entsprechenden Blatts 5.i zu ändern.
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Im
Inneren des Rumpfs 2 sind ein kollektiver Blattwinkelsteuerungshebel 11 und
ein zyklischer Blattwinkelsteuerungshebel 12 vorgesehen,
die einem Piloten (nicht dargestellt) zur Verfügung stehen. Diesen Hebeln 11 und 12 sind
Messfühler 13 bzw. 14 zugeordnet,
die die Bewegungen der Hebel in elektrische oder optische Steueranweisungen
umwandeln, die über
Verbindungen 15 bzw. 16 an eine elektrische Flugsteuerungsvorrichtung 17 geschickt
werden. Diese letztere empfangt außerdem über Verbindungen 18 Flugparameter,
die von Messfühlern,
Beschleunigungsmessern, Girometern, usw. (nicht dargestellt) geliefert
werden.
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Ausgehend
von den Steueranweisungen und den Flugparametern (siehe auch 3) erarbeitet die elektrische
Flugsteuerungsvorrichtung 17 eine Vielzahl mxp von Steuerbefehlen,
die an den Ausgängen 19 der
Vorrichtung 17 auftreten und je für eine der p Klappen 6.j eines
der m Blätter 5.i bestimmt
sind.
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Über Vielfachverbindungen 20 wird
die von der Vorrichtung 7 erarbeitete Vielzahl von mxp
Steuerbefehlen an eine Einheit von eine Stator-Rotor-Schnittstelle 21 bildenden
drehenden Kollektoren geschickt, die diese Befehle ohne Änderung
vom nicht drehenden Rumpf 2 zum Rotor 3 übertragen. Diese
Befehle werden zu jeder der Betätigungsvorrichtungen 7 der
Klappen 6.j über
mxp Verbindungen 22 übertragen
(siehe 3), wobei die
einem gleichen Blatt 5.i entsprechenden Verbindungen 22 in
einem Kabel 23 zusammengefasst werden können (siehe 1).
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In 4 ist ein Ausführungsbeispiel
der elektrischen Flugsteuerungsvorrichtung 17 gemäß derjenigen
des Patents US-6 059 225 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel
weist auf:
- – eine Vielzahl von n Befehlserzeugungskanälen A1, A2, ... An, die ausgehend
von über
die Verbindungen 15, 16, 18 erhaltenen
Signalen eine Einheit von n ersten
Steuerbefehlen erzeugen;
- – eine
Vielzahl von p Regelungskanälen B1,
B2, ..., Bp, die je einen der Befehlserzeugungskanäle A1 bis
An mit Hilfe einer Wählvorrichtung
S1 bis Sp auswählen
und zweite Steuerbefehle mit Hilfe eines Rechners C1 bis Cp erarbeiten;
und
- – eine
Vielzahl von p Demultiplexern M1, M2, ... Mj, ... Mp, wobei jeder
Demultiplexer Mj ausgehend von den zweiten Befehlen Steuerbefehle
für die
Klappe 6.j jedes Blatts 5.i erarbeitet.
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So
bildet die Gesamtheit der Ausgänge
der Demultiplexer Mj die Ausgänge 19 der
Vorrichtung 17.
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Diese
Ausgänge 19 sind
je mit einer Vielzahl p von Drehkollektoren D1, D2, ... Dj, ...
Dp verbunden, die die Schnittstelle 21 bilden, um die Steuerbefehle über die
Verbindungen 22 an die Klappen 6.j der Blätter 5.i zu übertragen.
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Mit
einer solchen Flugsteuerungsvorrichtung 17 bilden die Verbindungen 22 p Gruppen 22.1, 22.2, ... 22.p,
von denen jede zur Steuerung aller Klappen 6.j in der entsprechenden
Reihenfolge bestimmt ist: die Gruppe 22.1 steuert die Klappe 6.1 jedes
der m Blätter 5.1 bis 5.m,
die Gruppe 22.2 steuert die Klappe 6.2 jedes der
Blätter 5.1 bis 5.m,
usw.
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Somit:
- – wird
die Klappe 6.1 des Blatts 5.i von der spezifischen
Verbindung 22.1i der Gruppe 22.1 gesteuert;
- – wird
die Klappe 6.2 des Blatts 5.i von der spezifischen
Verbindung 22.2i der Gruppe 22.2 gesteuert; usw.
... und
- – wird
die Klappe 6.p des Blatts 5.i von der spezifischen
Verbindung 22.pi der Gruppe 22.p gesteuert.
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Die
Verbindungen 22 zwischen der Schnittstelle 21 und
den Vorrichtungen 7 zur Betätigung der Klappen 6.j werden
mechanisch und elektrisch sorgfältig
in der Welle 4 und der Nabe 4A und innerhalb der
Blätter 5.i
geschützt.
Sie folgen dort gut getrennten Wegen und können unterschiedliche Technologien
verwenden. Alle diese Vorsichtsmaßnahmen werden ergriffen, damit
ein lokalisierter mechanischer Schaden oder auch eine elektromagnetische
Störung,
die aufgrund einer externen Ursache auftreten, sie in keinem Fall
alle gleichzeitig funktionsunfähig machen,
und damit so unter allen Umständen
eine Möglichkeit
des Steuerns des Hubschraubers 1 aufrechterhalten wird,
die ausreicht, um den Flug sicher fortzusetzen.
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Man
sieht, dass gemäß diesen
Maßnahmen jeder
Steuerkanal, der aus einem Regelkanal Bj, einem Drehkollektor Dj,
einem Demultiplexer Mj, den Motoren 7 der Gesamtheit der
Klappen 6.j, sowie allen Verbindungen 22 zwischen
diesen Elementen besteht, eine funktionelle Einheit bildet, die
völlig
unabhängig
von den anderen Kanälen
ist, ohne irgendeine andere Gemeinsamkeit als die lebenswichtigen
Primärstrukturen,
die sie tragen, wie zum Beispiel der Rumpf, die Welle 4,
die Nabe 4A und die Blätter.
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Um
die Möglichkeit
einer gemeinsamen Ausfallart noch weiter zu verringern, der zum
Beispiel aus einem Defekt einer Software entstehen kann, verwenden
die verschiedenen Kanäle
vorzugsweise unterschiedliche Technologien. Der Kanal, dessen Technologie
als global am zuverlässigsten
angesehen wird, wird vorzugsweise der Steuerung der Klappen mit
der größten aerodynamischen
Wirksamkeit zugeteilt, d.h. im allgemeinen denjenigen, die sich dem
Ende des Blatts am nächsten
befinden und in der Zeichnung das Bezugszeichen 6.p tragen.
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Um
einem durch eines seiner für
ein einziges Blatt spezifischen Elemente verursachten möglichen Ausfall
eines beliebigen Kanals vorzubeugen, durch den die Gefahr eines
starken Ungleichgewichts der auf den Rotor ausgeübten Kräfte entstehen könnte, weist
jeder Kanal ein Selbstüberwachungssystem 25 auf,
das permanent die Übereinstimmung
der Durchführung
der Ausschläge
der Klappen des Kanals mit zweiten Befehlen überprüft. Bei einer nicht vorhandenen Übereinstimmung
der Durchführung
werden alle Klappen des Kanals mechanisch blockiert. Der Halt der
Klappen in Stellung, der notwendig ist, um jedes Phänomen des
aerodynamischen oder aeroelastischen Schwimmens zu vermeiden, muss
unabhängig
vom betroffenen Ausfall wirksam sein, auch dann, wenn es sich um
den Verlust der dem betreffenden Kanal eigenen elektrischen Energie
handelt.
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Die
in 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet
sich von der Ausführungsform
der 4 dadurch, dass
die Kollektoren D1, D2, ..., Dj, Dp zwischen die Regelkanäle B1, B2,
... Bj, ... Bp und die Demultiplexer M1, M2, ... Mj, ... Mp geschaltet sind,
wobei die Vorrichtung 17 dann in zwei Teile 17A und 17B geteilt
ist, die von der Schnittstelle 211 getrennt werden. In
diesem Fall können
die Demultiplexer in der Nabe 4A des Rotors 3 angeordnet
sein.
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Die
Ausführungsformen
der 4 und 5 sind funktionell gleichwertig.
Man kann einen Vorteil darin sehen, die eine oder die andere dieser
Ausführungsformen
in Abhängigkeit
von den Technologien anzupassen, die im betrachteten Kanal verwendet
werden. Insbesondere ist es möglich,
die eine oder die andere dieser Ausführungsformen für die verschiedenen
Steuerkanäle
zu wählen.
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Außerdem ermöglicht die
vorliegende Erfindung es auf einfache Weise, den Rotor 3 andere Funktionen
als diejenige des Auftriebs und des Antriebs übernehmen zu lassen, ohne ein
zusätzliches mechani sches
Organ hinzuzufügen,
und sogar, indem mechanische Organe weggelassen oder vereinfacht
werden, die derzeit zu diesem Zweck bei den bekannten Hubschraubern
unbedingt notwendig sind.
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Nachfolgend
werden Beispiele für
solche zusätzlichen
Funktionen angegeben.
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Es
ist bekannt, das die Rotoren von Hubschraubern, die einen großen Durchmesser
haben und Blätter
von schnittiger Form tragen, am Boden Schwingungen des Schwerpunkts
der Blätter
in einer Ebene parallel zur Drehebene dieser letzteren ausgesetzt
sind. Dieser Schwingungsmodus kann sich bei ansteigender Drehzahl
des Rotors an die Bewegungen des Rumpfes auf seinem Fahrwerk koppeln, mit
einer großen
Gefahr der Divergenz dieser gekoppelten Schwingungen, was als mögliche Folge
das Umdrehen und die Zerstörung
des Geräts
haben kann. Es handelt sich um das sogenannte "Bodenresonanz"-Phänomen. Eine ähnliche
Kopplung, divergierend oder selbstunterhaltend, kann auch im Flug auftreten,
wenn der Rotor durch Zusammenwirken des Rotors mit einem Eigenmodus
des Rollens des Geräts
einen starken Schub erzeugt; das ist das sogenannte "Luftresonanz"-Phänomen.
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Die
allgemein zur Beseitigung der Resonanzprobleme verwendete Lösung besteht
darin, die Nabe mit ebenso vielen mechanischen Vorrichtungen, die
Adapter (Steifigkeitswirkungen) oder Luftwiderstandsdämpfer (Dämpfungswirkung)
genannt werden, wie Blätter
vorhanden sind, auszustatten.
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Um
dieses Resonanzproblem im Luftfahrzeug der vorliegenden Erfindung
zu lösen,
genügt
es dagegen, eine Vorrichtung 26 vorzusehen, die (nicht dargestellten)
Beschleunigungsmessern zugeordnet wird und in der Lage ist, den
Steuerbefehlen zumindest in manchen der Steuerkanäle ein Signal
hinzuzufügen,
das aus kleinen Schwingungskomponenten mit der dem Rotor eigenen
Resonanzfrequenz (Frequenz, die von einem ortsfesten Beobachter
gesehen wird, immer geringer als die Hälfte der Drehfrequenz des Rotors)
besteht, mit einer maximalen Amplitude in der Größenordnung von 1 Grad Blattwinkel. Diese
Komponenten sind proportional zu den bei dieser gleichen Frequenz
von zwei der Beschleunigungsmessern gemessenen Beschleunigungen,
die im ortsfesten Bereich auf dem Rotorgetriebe, das den Rotor trägt, und
gemäß zwei Richtungen
orthogonal zur Achse des Rotors und orthogonal zueinander angeordnet
sind. Die in die Steuerbefehle eingegebenen Komponenten sind phasenverschoben,
um eine Rückkopplung
zu erzeugen, die die Eigenschwingungen des Rotors dämpft.
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Im
Vergleich mit dem oben beschriebenen Basissteuerungssystem ist es
notwendig, für
jeden so behandelten Regelkanal zwei Beschleunigungsmesser sowie
ein zyklisches Phasenverzögerungsfilter
mit zwei Eingängen
und zwei Ausgängen
hinzuzufügen,
das analog hergestellt sein kann. Wenn der Regelkanal eine digitale
Technologie verwendet, können
die Filterungs-/Phasenverzögerungsfunktionen
ganz oder teilweise mit Hilfe einer geeigneten Software angewandt
werden.
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Wenn
man die mechanischen Dämpfungsvorrichtungen
ganz weglassen möchte,
hat die Antiresonanzfunktion einen kritischen Charakter; es ist dann
angebracht, auf jeden der Steuerkanäle getrennt einzuwirken. Ohne
spezifische Vorrichtung profitiert diese Funktion von der Selbstüberwachung der
Durchführung
der Befehle, die in das Basissystem (Vorrichtung 25) integriert
ist, sowie von der automatischen Blockierung des Kanals bei nicht
vorhandener Übereinstimmung.
Bei Ausfall eines Kanals im die Antiresonanzbefehle ausarbeitenden
Teil reichen die anderen Kanäle,
die j e über
eine Autorität
gleich derjenigen, die ausgefallen ist, verfügen, zum Kompensieren dieses
Ausfalls aus.
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In
einer Variante kann man wählen,
die Antiresonanzfunktion nur bei bestimmten Steuerkanälen anzuwenden,
ohne Redundanz, aber mit Selbstüberwachung
und automatischer Blockierung; vereinfachte und leichter gemachte
mechanische Adapter (nicht dargestellt) sind dann notwendig, um
vor möglichen Ausfallen
zu schützen,
in Kombination mit Vorsichtsmaßnahmen
für die
Landung und einer Begrenzung des Manövrierbereichs.
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Außerdem ist
bekannt, dass die Herstellungstoleranzen dazu führen, dass die Blätter, selbst wenn
sie neu und vom Hersteller eingestellt sind, nie perfekt identisch
sind. Wenn der Rotor sich dreht, erzeugen leichte Unterschiede in
der Massenverteilung und der Oberflächenform Ungleichgewichte sowohl bei
den Trägheitskräften als
auch bei den aerodynamischen Kräften.
Diese Ungleichgewichte sind die Ursache für Schwingungen, die insbesondere
bei der Drehfrequenz des Rotors (Unwuchtwirkung) spürbar sind,
und erfordern üblicherweise
Rotoreinstellvorgänge
durch Hinzufügen
oder Verschieben von zusätzlichen
Massen und Ausschlägen
kleiner aerodynamischer Oberflächen,
die federgesteuerte Hilfsruder genannt werden. Diese Vorgänge müssen aufgrund
von kleineren Veränderungen
der Blätter
(Stöße, Abnutzung
der Vorderkanten, Feuchtigkeitsabsorption, usw.), die die Blätter nie
in gleicher Weise beeinflussen, regelmäßig wiederholt werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Luftfahrzeug
ist es einfach, eine Vorrichtung 27 vorzusehen, die mindestens
einem Beschleunigungsmesser (nicht dargestellt) zugeordnet ist,
um kleinere Anpassungen durchzuführen,
die es ermöglichen,
automatisch und permanent die Ungleichgewichte zwischen Blättern zu
kompensieren, und so die manuellen Einstellvorgänge zu vermeiden – oder zumindest
weniger häu fig zu
machen – und
gleichzeitig eine kontinuierliche Erfassung von Fehlern außerhalb
der Norm und eine Überwachung
ihres Fortschreitens zu gewährleisten.
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Wenn
das Steuersystem des Rotors bereits mit der Antiresonanzvorrichtung 26 ausgestattet
ist, kann die Vorrichtung 27 einen der beiden Beschleunigungsmesser
dieser Vorrichtung für
die Selbstregelungsfunktion nutzen; sonst muss die Vorrichtung 27 mindestens
einen spezifischen Beschleunigungsmesser aufweisen, der gemäß den gleichen
Maßnahmen
installiert und vorzugsweise in der Richtung ausgerichtet ist, in
der die Reaktion der ortsfesten Struktur auf die Unwucht des Rotors
sich als am empfindlichsten herausstellt (Längs- oder Seitenrichtung). Die von diesem
Beschleunigungsmesser gelieferte Information wird analysiert und
in Korrektursignale umgewandelt, die zu den Steuerbefehlen mindestens
eines der Steuerkanäle
hinzugefügt
werden. Die Wirkung dieser Signale ist es, die mittlere Stellung
der betroffenen Blätter
leicht zu verschieben. Diese Signale müssen immer von schwacher Amplitude
sein, und ihre Autorität
muss von einem sehr zuverlässigen
Prozess begrenzt werden. Der unkritische Charakter der Selbstregelungsfunktion
ermöglicht
es, nur eine beschränkte
Anzahl von Steuerkanälen,
zum Beispiel nur einen, damit auszustatten. Bei einem Ausfall kann
die Funktion automatisch oder manuell vom Piloten deaktiviert werden.
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Das Überschreiten
von vordefinierten Korrekturschwellen kann gespeichert werden und
eine nützliche
Information für
die Wartung des Geräts
bilden, indem es so das Auftreten oder den Fortschritt von Fehlern
an einem bestimmten Blatt aufdeckt.
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Es
ist außerdem
bekannt, dass die Steuerung eines Rotors, der den Auftrieb eines
Luftfahrzeugs mit Drehflügeln
gewährleistet,
es erfordert, den Blattwinkel gemäß einem zyklischen und sinusförmigen Gesetz
in Abhängigkeit
vom maximalen von jedem der Blätter
eingenommenen Azimutwinkel variieren zu lassen: mittlerer statischer
Wert, mit einer ersten Oberschwingung des Azimutwinkels. Es ist auch
bekannt, dass man die vom Rotor erzeugten und in der Kabine des
Luftfahrzeugs gefühlten Schwingungen
in sehr großem
Maße reduzieren kann,
indem der Blattwinkel gemäß zyklischen
Gesetzen verändert
wird, die bestimmte Oberschwingungen dieses Winkels aufweisen.
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Es
ist auch bekannt, dass man durch die Anwendung von multizyklischen
analogen Gesetzen, die sich mindestens bis zum Rang 4 erstrecken,
das vom Rotor ausgesendete und am Boden empfundene Geräusch sehr
wirksam verringern kann. Diese Schalldämpfung ist besonders wirksam
und schätzenswert
bei notorisch lauten Flugbedingungen, die zusammenkommen, wenn der
Hubschrauber sich seinem Landebereich gemäß einer bestimmten Sinkneigung
nahe 6 Grad und mit mäßiger Geschwindigkeit
nähert
(Fall, bei dem die Blätter
aerodynamisch mit den Wirbeln zusammenwirken, die sie selbst erzeugt
haben).
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Man
versteht leicht, dass beim erfindungsgemäßen Luftfahrzeug eine Vorrichtung 28 vorgesehen werden
kann, die in der Lage ist, die Klappen 6.j der Blätter 5.i zu
steuern, um es zu ermöglichen,
den aerodynamischen Auftrieb schnell und direkt variieren zu lassen,
mit einer lokalisierten, aber trotzdem großen Wirkung und mit geringer
Verzögerung.
Die Reaktion des Blatts bei seiner Winkeldrehbewegung nimmt jenseits
der ersten Oberschwingung schnell ab, und dies ab der zweiten Oberschwingung.
Für die höheren Oberschwingungen
spielt die direkte Reaktion des Auftriebs auf den Ausschlag der
Blätter
also eine dominierende Rolle, aber ohne dass dies die sehr große Energie
erfordern würde,
die zum Schwenken des ganzen Blatts notwendig wäre.
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Zur
Anwendung der multizyklischen Gesetze muss die Vorrichtung 28 für den ganzen
Rotor gemeinsame Ausschlagbefehle erarbeiten, die vom multizyklischen
Ausschlaggesetz abgeleitet werden und den Winkelsteuerungen zumindest
bestimmter Klappen 6.j hinzugefügt werden.
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Zur
Reduzierung der Schwingungen berechnet die Beschleunigungsmessern
(nicht dargestellt) zugeordnete Vorrichtung 28 die Ausschlagbefehle, indem
sie bestimmte Kriterien minimiert, die durch die Gewichtung von
Schwingungsmessungen berechnet werden, die von den Beschleunigungsmessern
durchgeführt
werden, die an mehreren Punkten der Kabine und gemäß mehreren
Richtungen verteilt sind. Es können
mehrere Minimierungsalgorithmen vom selbstregelnden Typ verwendet
werden.
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Im
Hinblick auf die Schalldämpfung
erarbeitet die Vorrichtung 28 ausgehend von vorerstellten Gesetzen,
die in Abhängigkeit
von den allgemeinen Flugparametern, d.h. der reduzierten Masse,
der angezeigten Eigengeschwindigkeit, der allgemeinen Ausschlagsteuerung
der Klappen und der Leistung der Motoren, variieren, multizyklische
Steuerungen aus.
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Wenn
die schalldämpfende
und die schwingungsdämpfende
Funktion gleichzeitig eingesetzt werden, werden die multizyklischen
Steuerungen erhalten, indem die Summe der für jede getrennt betrachtete
Funktion ausgearbeiteten Steuerungen erstellt wird.
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Wenn
die multizyklischen Steuerungen erarbeitet und in zumindest einige
Steuerkanäle
eingegeben wurden, erarbeitet der Multiplexer Mj des betroffenen
Kanals die individuellen Befehle für jedes der Blätter.
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Die
schwingungsdämpfende
Funktion der Vorrichtung 28 erfordert nur begrenzte Ausschlagamplituden
in der Größenordnung
von 2 Grad. Bei einem mangelhaften Betrieb beeinträchtigt sie
den Komfort, bringt das Gerät
aber nicht in Gefahr. Diese Funktion kann also nur bestimmte, aber
nicht alle Steuerkanäle
beeinflussen. Bei einem Ausfall kann die Funktion automatisch oder
manuell vom Piloten deaktiviert werden.
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Um
vollständig
wirksam zu sein, erfordert die schalldämpfende Funktion der Vorrichtung 28 ziemlich
große
Ausschlagamplituden in der Größenordnung
von 5 bis 10 Grad. Ihr möglicher
mangelhafter Betrieb beeinträchtigt
die Flugsicherheit, mit einer Gefahr der schnellen Beschädigung der
mechanischen Einheiten. Um einem solchen Ausfall vorzubeugen, der
durch eines der für
ein einziges Blatt spezifischen Elemente verursacht werden kann,
wird die Selbstüberwachungsfunktion
der Vorrichtung 25, die permanent die Übereinstimmung der Durchführung der
Ausschläge
der Klappen für
die Primärsteuerung überprüft, ausgedehnt,
um außerdem
die Überwachung
der Übereinstimmung
der Durchführung
der multizyklischen Steuerungen zu gewährleisten. Bei einer nicht
vorhandenen Übereinstimmung der
Durchführung
wird nur diese schalldämpfende Funktion
alleine automatisch unterdrückt.
Da die schalldämpfende
Funktion für
die Fortsetzung des Flugs nicht unbedingt notwendig ist, kann eine
beschränkte
Anzahl von Steuerkanälen
damit ausgestattet sein, zum Beispiel ein einziger.