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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Flugzeugelektronik und insbesondere
ein Flugsteuerungsmodul mit integrierter Spoilerbetätigungselektronik.
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STAND DER
TECHNIK
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Bezug
nehmend auf 1 enthält ein typisches Flugzeug den
Rumpf 110, der die Passagiere und die Ladung hält; Flügel 112,
die den zum Fliegen des Flugzeuges benötigten Auftrieb bereitstellen; Seitenflossen 114 und
Höhenflossen 116,
die zur Sicherstellung eines stabilen Fluges benutzt werden; und
Triebwerke 118, die den zum Vorwärtsbewegen des Flugzeuges benötigten Schub
bereitstellen.
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Zum
Führen
eines Flugzeuges ist man von Flugsteuerflächen abhängig, die an Flügeln 112,
Seitenflossen 114 und Höhenflossen 116 angebracht sind.
Die Haupt-Flugsteuerflächen an
einem Flugzeug umfassen die Querruder 100, die Höhenruder 102 und
das Steuerruder 104. Die Querruder 100 befinden
sich an den Hinterkanten der Flügel
des Flugzeuges und steuern das Rollen des Flugzeuges. Rollen eines
Flugzeuges ist in 2A dargestellt. Die Höhenruder 102 befinden
sich an der Höhenflosse
eines Flugzeuges und steuern die Nicklage des Flugzeuges. Nicken
eines Flugzeuges ist in 2B dargestellt.
Das Steuerruder 104 befindet sich an der Seitenflosse und
steuert die Gierlage des Flugzeuges. Gieren eines Flugzeuges ist
in 2C dargestellt.
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An
den Flügeln
eines Flugzeuges befinden sich auch Spoiler 106, Klappen 120 und
Vorflügel 122,
die zusammen als sekundäre
Flugsteuerflächen bezeichnet
werden. Spoiler 106 befinden sich an den Flügeln und
führen
verschiedene unterschiedliche Funktionen durch, indem sie unter
anderem bei der Steuerung des senkrechten Flugweges Unterstützung leisten,
als Luftbremsen zum Regeln der Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeuges
wirken und als Bodenspoiler zum Verringern des Flügelauftriebes wirken,
um beim Bremsen die Aufrechterhaltung von Kontakt zwischen dem Fahrwerk
und der Landebahn zu unterstützen.
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Die
Klappen 120 und Vorflügel 122 befinden sich
an den Flügeln
eines Flugzeuges zum Ändern der
ein Flugzeug beeinflussenden Auftriebs- und Widerstandskräfte, wobei
sich Klappen 120 an der Hinterkante eines Flügels 112 und
Vorflügel 122 an
der Vorderkante des Flügels 112 befinden.
Wenn Klappen 120 und Vorflügel 122 ausgefahren
sind, ändert sich
die Form des Flügels,
um mehr Auftrieb zu bieten. Mit erhöhtem Auftrieb kann das Flugzeug
mit niedrigeren Geschwindigkeiten fliegen und vereinfacht damit
die Landeprozedur und die Startprozedur.
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Die
oben beschriebenen primären
Flugsteuerflächen
werden von einem im Cockpit des Flugzeugs befindlichen Piloten betrieben.
Das Steuerruder 104 wird typischerweise durch ein Paar
Ruderpedale gesteuert, die mit den Füßen des Piloten betätigt werden.
Die Querruder 100 werden durch Verstellen eines Steuerknüppels nach
links oder rechts gesteuert. Durch Bewegen des Steuerknüppels nach
links wird typischerweise das linke Querruder zum Anheben und das
rechte Querruder zum Absenken gesteuert, wodurch bewirkt wird, daß das Flugzeug nach
links rollt. Das Höhenruder 102 wird
durch Verstellen eines Steuerknüppels
nach vorne oder nach hinten gesteuert. Spoiler 106 werden
typischerweise durch einen getrennten Steuerknüppel betätigt.
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Bei
den meisten kleineren Flugzeugen gibt es ein direktes mechanisches
Gestänge
zwischen den Steuerorganen des Piloten und den beweglichen Flächen. In
den meisten größeren Flugzeugen
können
es Kabel oder Drähte
sein, die die Steuerorgane des Piloten mit den zur Bewegung der
primären
Steuerflächen
benutzten hydraulischen Stellgliedern verbinden. In neueren Flugzeugen
ist ein "Fly-by-Wire" bezeichnetes System
entwickelt worden.
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Bei
einem typischen Fly-by-Wire-Flugzeug des Standes der Technik sind
elektronische Sensoren an den Steuerorganen des Piloten angebracht. Diese
Sensoren übertragen
elektronische Daten zu verschiedenen Flugregelungsrechnern (FCC – flight control
computer). Ein als Stellgliedsteuerungselektronik (ACE – actuator
control electronics) bezeichnetes System empfängt die elektronischen Signale
vom Flugregelungsrechner und bewegt hydraulische Stellglieder auf
Grundlage der empfangenen Signale. Jedes hydraulische Stellglied
ist an eine bewegliche Fläche
angekuppelt, so daß durch
Bewegung des Stellgliedes die primäre Steuerfläche bewegt wird.
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Das
Fly-by-Wire-Konzept ergibt ein Gewichtsersparnis, da kein Erfordernis
für schwere
Gestänge,
Kabel, Seilscheiben und Tragarme mehr besteht, die überall im
Flugzeug zum Steuern der Stellglieder entlanglaufen, nur elektrische
Kabel zum FCC und der ACE. Weiterhin kann dieses Konzept einen glatteren
Flug ergeben, bei dem der Pilot weniger Mühe aufbringen muß.
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Obwohl
sich Fly-by-Wire-Systeme in der Vergangenheit als sehr zuverlässig erwiesen
haben, könnte
ein sekundäres
Reservesystem wünschenswert
sein. Bei dem Stand der Technik ist eine mechanische Reserve benutzt
worden. Beispielsweise benutzt das Flugzeug Boeing 777 einen kabelgesteuerten
Spoiler an jedem Flügel
und ein hydraulisch gesteuertes Trimsystem an der Höhenflosse
zum Steuern des Flugzeuges bei einem Ausfall der primären Flugsteuerflächen. Mit
der vorliegenden Erfindung wird die Notwendigkeit einer mechanischen
Reserveeinrichtung eliminiert.
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In
JP-A-08020394 sind hydraulische Steuerschaltungen offenbart.
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Die
vorliegende Erfindung bietet ein Modul zum Einstecken in eine integrierte
modulare Avionikeinheit zur Verwendung in einem Flugzeug, mit folgendem:
einem
Flugregelungsrechner; und
Betätigungsglied-Steuerelektronik
zur Ankupplung an einen Spoiler; wobei
das Modul im Gebrauch
in die integrierte modulare Avionikeinheit eingesteckt wird und
der Flugregelungsrechner die Steuerung des Flugzeuges verstärkt, und
wobei die Betätigungsglied-Steuerelektronik
zum Betreiben des Spoilers bei einem Ausfall des Flugregelungsrechners
aufgebaut ist, um Reserve-Rollsteuerung für das Flugzeug bereitzustellen.
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Die
Spoiler-ACE kann auch eine Betriebsweise aufweisen, bei der Verstärkungssignale
vom FCM übertragen
werden. Diese Verstärkungssignale können durch
Begrenzer und Verriegelungseinheiten so begrenzt werden, daß das FCM
keine möglicherweise
gefährlichen
Signale zu den hydraulischen Betätigungsgliedern überträgt.
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Die
Erfindung wird weiterhin in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 ein
beispielhaftes Flugzeug in einer perspektivischen Ansicht darstellt;
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2A, 2B und 2C die
drei Achsen zeigen, um die ein Flugzeug gesteuert werden kann; und
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3 eine
Ausführungsform
der integrierten modularen Avionikeinheit der vorliegenden Erfindung in
Blockdiagrammformat darstellt.
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Bei
einem beispielhaften System ist ein Flugsteuerungsmodul (FCM – flight
control module) an die integrierte modulare Avionikeinheit (IMA – integrated
modular avionics) eines modernen Fly-by-Wire-Flugzeuges angekoppelt.
Die IMA-Einheit enthält eine
Rückwand,
in die verschiedene Modulen eingesteckt werden. Beispielsweise kann
es ein Modul geben, das die IMA-Rückwand, Prozessoreinheiten
und Eingabe-/Ausgabeeinheiten mit Strom versorgt. Wenn ein Modul
in die IMA eingesteckt wird, tritt ein Verbinder an der Rückseite
des Moduls mit der Rückwand
in Verbindung. Diese Verbindung liefert dem Modul Strom und ermöglicht auch
die Informationsübertragung
von der Rückwand
zum Modul.
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Zu
den von der IMA gesteuerten Funktionen gehört Flugleitung, Anzeigen, Navigation,
zentrale Wartung, Flugzeugzustandsüberwachung, Cockpitkommunikation,
Schubregelung, digitale Flugdaten, Triebwerkdatenschnittstelle und
Datenwandlung.
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Wie
in der oben erwähnten
Patentoffenbarung erläutert,
können
die primären
Steuerflächen
eines Flugzeuges durch eine primäre
ACE mit durch das FCM durchgeführter
Verstärkung
verschiedener Formen gesteuert werden. Wenn das FCM in Betrieb ist,
empfängt
die primäre
ACE Verstärkungsinformationen
vom FCM. Bei Ausfall des FCM behält
der Pilot jedoch die Kontrolle über
die primären
Steuerflächen über einen "direkten Modus", in dem die ACE die
primäre
Steuerfläche
allein auf Grundlage der Eingabe vom Piloten steuert. Dieser "direkte Modus" reicht aus, das
Flugzeug zu steuern. Durch den direkten Modus der ACE wird im Effekt
eine Reserve für das
FCM-verstärkte Verhalten
der ACE geboten.
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Es
besteht jedoch ein Wunsch, eine zusätzliche Schicht an Reserve
bereitzustellen, obwohl dies nicht durch die Regeln erfordert wird.
Das FCM enthält
daher auch als Spoiler-ACE bezeichnete Stellgliedsteuerelektronik
(ACE – actuator
control elektronics) für
Spoiler 106.
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Die
Spoiler können
mehrere unterschiedliche Funktionen aufweisen. Beispielsweise wirken gewisse
Spoiler als Geschwindigkeitsbremsen in der Luft, um das Flugzeug
zu bremsen. Gewisse Spoiler wirken auch als Bodenspoiler, um den
Betrieb der Bremsen am Fahrwerk nach der Landung zu unterstützen. Zusätzlich dazu,
daß sie
als Geschwindigkeitsbremsen und Bodenspoiler wirken, können gewisse
Spoiler auch die Querruder unterstützen, um Rollsteuerung bei
niedrigen Luftgeschwindigkeiten bereitzustellen. Auf diese Weise
wirkende Spoiler werden als "Rollsteuerungsspoiler" bezeichnet. Bei niedrigen
Luftgeschwindigkeiten haben die Querruder nicht genug Einfluß, das Flugzeug
alleine zu rollen. Sobald die Querruder an einem Flügel um ein
gewisses Maß angehoben
sind, werden die Spoiler dieses Flügels angehoben, um dem Flugzeug
zusätzliche
Rollfähigkeit
zu verleihen. Es ist zu beachten, daß ein Spoiler eine beliebige
Kombination der drei oben beschriebenen Funktionen durchführen kann.
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Aufgrund
der Rollsteuerfähigkeit
der Spoiler können
sie als Reserve für
die Querruder benutzt werden, die dann benutzt wird, wenn der Pilot
keine Kontrolle über
die Querruder besitzt. Flugzeuge mit Fly-by-Wire-Systemen nach dem
Stand der Technik betrieben die Spoiler unter Verwendung des gleichen Systems,
das zum Betreiben der vorher benutzten Kabel zum Betreiben der Spoiler
als Reserve für
die Querruder benutzt wurde. Bei einem Ausfall der Querruder besaß der Pilot
immer noch eine getrennte Steuermöglichkeit, die mechanisch mit
den Spoilern verknüpft
war. Dieses mechanische Gestänge
war unabhängig
von dem zum Steuern der Querruder benutzten System. Bei der vorliegenden
Erfindung wird ein getrenntes Fly-by-Wire-System zum Bewegen der
Spoiler benutzt.
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Die
Funktionsweise des zur Steuerung der primären Flugsteuerflächen benutzten
Systems wird ausführlicher
in der FCM/IMA-Anmeldung beschrieben. Kurz gefaßt empfängt eine primäre ACE ihre Eingabe
direkt vom Piloten. Diese Eingabe wird durch Anweisungen vom FCM
verstärkt,
das im allgemeinen die Reaktion des Flugzeuges ausglättet. Die Spoiler
werden auf ähnliche,
aber nicht identische Weise betrieben.
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Die
Spoiler werden durch Verwendung von elektrisch an Stellgliedsteuerelektronik
für die
Spoiler (die "Spoiler-ACE") angekoppelten hydraulischen Stellgliedern
betätigt.
Die hydraulischen Stellglieder sind mechanisch so an die Spoiler
angekoppelt, daß Bewegung
der hydraulischen Stellglieder den Spoiler bewegt, an den sie angekoppelt
sind. Während
jedoch die primäre
Steuerfläche
durch eine ACE gesteuert wird, die sich in einem getrennten Bereich
des Flugzeuges vom FCM befindet, befindet sich die Spoiler-ACE physikalisch
im FCM. Die Spoiler-ACE ist jedoch elektrisch unabhängig vom
FCM.
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In 3 ist
ein Blockschaltbild der Verbindungen der Spoiler-ACE für einen
Rollsteuerungsspoiler dargestellt. Es ist zu bemerken, daß ein typisches
Flugzeug mindestens zwei Rollsteuerungsspoiler, einen an jedem Flügel, aufweist
und es eine Spoiler-ACE für
jeden Rollsteuerungsspoiler gibt. Zusätzlich kann es Bodenspoiler
oder Geschwindigkeitsbremsenspoiler geben, die keine Rollsteuerungsfunktion
ausüben.
Jeder dieser Spoiler wird ebenfalls durch eine Spoiler-ACE gesteuert.
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Die
Spoiler-ACE 300 fungiert auf ähnliche Weise wie die primäre ACE,
indem die Piloteneingabe 310 durch den Spoiler-Steuerknüppel durch
Anweisungen vom FCM 302 verstärkt wird. Die Verstärkungseinheit 308 enthält einen
Summierer, der die Signale von der Piloteneingabe 310 mit
den Signalen vom Begrenzer 304 und der Verriegelung 306 summiert.
Das Signal wird zu dem außerhalb
der Spoiler-ACE befindlichen hydraulischen Stellglied 314 übertragen,
das physikalisch so an den Spoiler 316 angekuppelt ist,
daß eine
Bewegung des hydraulischen Stellgliedes 314 den Spoiler 316 in
eine vorbestimmte Richtung bewegt. Der Begrenzer 304 und die
Verriegelung 306 werden dazu benutzt, die Übertragung
von fehlerhaften Signalen vom FCM zu den hydraulischen Stellgliedern 314 zu
verhindern.
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Von
der Stromversorgung 320 wird der Spoiler-ACE 300 Strom
zugeführt.
Wie oben erläutert
enthält
die IMA ein Strommodul, das über
die Rückwand der
IMA Strom an alle in der IMA verhandenen Modulen einschließlich des
FCM verteilt. Obwohl sich jedoch die Spoiler-ACE 300 physikalisch
im FCM 302 befindet, ist die Spoiler-ACE 300 elektrisch
vom FCM 302 getrennt. Während
daher das FCM Strom und Eingangs-/Ausgangsdaten von der Rückwand der IMA
erhält,
wird die Spoiler-ACE 300 durch eine getrennte Verbindung
an der Vorderseite des Moduls bestromt. Auch empfängt die
Spoiler-ACE 300 Eingaben vom Piloten und verteilt Ausgaben
zum hydraulischen Stellglied 314 über eine Verbindung an der
Vorderseite des Moduls. Wenn daher die IMA-Stromversorgung ausfällt oder
selbst wenn das FCM 302 physikalisch aus dem IMA-Gehäuse oder -Schrank
herausgezogen wird, ist die Spoiler-ACE immer noch bestromt und
kommuniziert noch mit den Stellgliedern. Wenn das FCM nicht bestromt
ist, dann empfängt
die Spoiler-ACE keine Verstärkung
vom FCM und der Spoiler arbeitet im direkten Modus. So bleibt die
Spoiler-ACE bei einem FCM-Ausfall oder einem IMA-Ausfall noch betriebsfähig.
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Dadurch,
daß sich
die Spoiler-ACE 300 im FCM 302 befindet, wird
die Kommunikation zwischen FCM 302 und Spoiler-ACE 300 erleichtert.
Das FCM kommuniziert mit der primären ACE über einen ARINC 629-Standardbus.
Wenn die Spoiler-ACE 300 als Reserve für die primäre ACE wirken soll, muß sie bei
einem Ausfall der primären
ACE fungieren. Obwohl es mehrere Fehlerursachen der primä ren ACE geben
kann, kann eine Ursache der Ausfall des das FCM mit der primären ACE
verbindenden ARINC 629-Busses
sein. Dadurch, daß die
Spoiler-ACE 300 physikalisch im FCM 302 angebracht
ist, können
die beiden Systeme selbst bei einem Ausfall des ARINC 629-Busses
kommunizieren. Weiterhin können
die zwei Systeme mit viel schnellerer Rate kommunizieren, da der
ARINC 629-Bus eine
geringere Bandbreite als der interne Kommunikationskanal aufweist.
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Die
von den Spoilern bereitgestellte Rollsteuerung wird im analogen
Teil der Spoiler-ACE 300 gesteuert, wobei Verstärkung vom
FCM 302 bereitgestellt wird. Durch Anordnen der Rollsteuerung
im analogen Teil wird das Flugzeug dagegen geschützt, daß die Spoiler an beiden Sätzen von
Flügeln
zu einer Zeit eingesetzt werden, da die Wahrscheinlichkeit, daß beide
analogen Teile denselben Fehler zur gleichen Zeit aufweisen, sehr
minimal ist.
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Der
Begrenzer 304 wird zum Begrenzen der Wirkung von FCM 302 benutzt.
Wenn das FCM 302 versucht, den Spoiler 316 um
einen größeren Betrag als
einen vorbestimmten Betrag zu bewegen, kann die Bewegung durch den
Begrenzer 304 verhindert werden. Der Begrenzer 304 soll
das Ausmaß an
Kontrolle begrenzen, die die IMA, der FCC, die ACE und der Pilot über das
gesamte Flugleitsystem und damit die gesamte Funktionsweise des
Flugzeuges ausüben
können.
Der Fachmann wird erkennen, daß die Konstruktion
des Begrenzers 304 entweder in Hardware oder in Software
und entweder in digitalem oder im analogen Format implementiert
werden kann. Ein analoger Begrenzer ist die bevorzugte Ausführungsform,
da er keine gleichartige Redundanz wie eine Softwareimplementierung
erfordert. Der Begrenzer 300 begrenzt uneingeschränkt Ratengrenzen,
Verstärkungsgrenzen,
Luftgeschwindigkeitsgrenzen, Phasengrenzen, Rollgrenzen, Giergrenzen,
Nickgrenzen, Geschwindigkeitsbremsgrenzen, Steuerknüppelpositionsdatengrenzen
und ähnliche
Grenzen, die für
den sicheren Betrieb des Flugzeuges erforderlich sind.
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Die
Verriegelung 306 empfängt
verschiedene Informationen von Hardwaresensoren 312, um gewisse
Operationen zu verhindern, wenn nicht gewisse Zustände vorliegen.
Beispielsweise werden die Bodenspoiler nach dem Landen eines Flugzeuges benutzt,
um die Bremsen am Fahrwerk bei ihrem Betrieb zu unterstützen, indem
sie eine Abwärtskraft
auf die Flügel
ausüben.
Die Bodenspoilerfunktionen werden vom FCM gesteuert. Die Bodenspoiler
sollten jedoch nicht aktiviert werden, wenn das Flugzeug in der
Luft fliegt, da die Bodenspoiler den Auftrieb der Flügel verringern.
Hardwaresensoren 312 können
an das Fahrwerk angekuppelt sein, um zu spüren, wann sich das Flugzeug
am Boden befindet. Die Verriegelung 306 enthält analoge
Logik, die sicherstellt, daß der
Bodenspoiler nur dann ausfährt,
wenn sich das Flugzeug am Boden befindet.
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Bei
einem Ausfall aller primären
Steuerflächen
kann die im FCM befindliche Spoiler-ACE eine elementare Rollkontrolle über das
Flugzeug bereitstellen. In Verbindung mit der begrenzten Kontrolle über Nicken
unter Verwendung der Trimsteuerung der Höhenflosse wäre der Pilot in der Lage, das
Flugzeug in der Luft zu halten, während er die Probleme mit den
primären
Flugsteuerungsflächen
löst.
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Es
gibt viele Nutzen, die aus der in 3 dargestellten
Konfiguration entstehen. Obwohl das in der FCM/IMA-Anmeldung beschriebene
Fly-by-Wire-System genug Sicherheit bietet, um den Regeln zu genügen, wird
durch das Vorhandensein einer weiteren Reserve die Funktionalität des Fly-by-Wire-Systems
verbessert und gestaltet das System als für Flugzeughersteller wünschenswerter.
Weiterhin weist das System der 3 im Vergleich
zu den Systemen des Standes der Technik relativ geringe Kosten auf.
Das Spoilersystem ist nicht kritisch für die gesamte Zeit, da es nicht
voll computergesteuert ist. Es besteht daher kein Erfordernis für ähnliche
Redundanz und kein Erfordernis für
zwei Softwareentwicklungsteams oder zwei Prozessoren. Weiterhin
ergibt der Mangel an mechanischer Reserve für die Spoiler ein Gewichtsersparnis,
wodurch das Flugzeug weiter fliegen oder mehr Passagiere tragen
kann.
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Weitere Änderungen
und Abänderungen
der vorliegenden Erfindung werden dem gewöhnlichen Fachmann offenbar
sein, und mit den anhängigen Ansprüchen wird
beabsichtigt, daß diese Änderungen
und Abänderungen
abgedeckt sind. Die besonderen oben besprochenen Werte und Konfigurationen
können
verändert
werden, sind zur Darstellung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung aufgeführt
und sollen nicht den Umfang der Erfindung begrenzen. Es wird in
Betracht gezogen, daß die
Verwendung der vorliegenden Erfindung Komponenten mit unterschiedlichen
Eigenschaften einschließen
kann, solange wie der Grundsatz, die Darstellung eines Verfahrens
und einer Vorrichtung zur Steuerung der Spoiler eines Flugzeuges,
befolgt wird.