DE60201685T2

DE60201685T2 - Stellglied für primäre flugsteuerung mit vibrationsmotor

Info

Publication number: DE60201685T2
Application number: DE60201685T
Authority: DE
Inventors: Thierry Jean AUDREN
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: US7165746B2; DE60201685D1; EP1401706B1; CA2449861C; US20040238688A1; EP1401706A1; CA2449861A1; FR2825680B1; WO2002098735A1; FR2825680A1; ES2230505T3; ATE280077T1

Description

Allgemeine Darstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stellglieder für Flugzeuge für die Primärflugsteuerung.
Die Leistungssteuerung der Steuerflächen von Transportflugzeugen erfolgt üblicherweise mittels Hydraulik. Die Flugzeugbauer suchen nach Lösungen, um diese Technologie einerseits aus Gründen der Sicherheit und Gesundheit (Risiko von Feuer auf Grund von Hydraulikflüssigkeiten, Giftigkeit der Hydraulikflüssigkeiten, chemische Aggressivität der Hydraulikflüssigkeiten, Verschmutzung) und andererseits aus ökonomischen Gründen (Reduzierung der Wartungsarbeiten) zu ersetzen.
Jedoch dürfen die vorgeschlagenen Lösungen weder dazu führen, dass die Ausrüstung schwerer wird, noch dazu, dass die Ausrüstung mehr Energie verbraucht, wodurch sich die Kosten beim Betrieb erhöhen würden.
Piezoelektrische Motoren sind ein Bestandteil der Lösungen, die von den Flugzeugbauern in Betracht gezogen wurden, um die Hydrauliksteuerungen zu ersetzen.
Stand der Technik
Die piezoelektrischen Vibrationsmotoren, wie sie in EP 0 907 213 , EP 0 980 102 und in der Patentanmeldung FR 00 03084 beschrieben werden, machen es möglich, mechanische Leistungen von einigen Kilowatt zu erzeugen, was kompatibel ist mit dem, was zur Steuerung einer Steuerfläche für ein Transportflugzeug benötigt wird.
Ihre Vorteile sind:

– ein großes Leistungs-Masse-Verhältnis;
– eine geringe Ausgangsgeschwindigkeit bei hoher Kraft; und
– eine sehr geringe Trägheit des Rotors.

Der erste Vorteil ist wichtig in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit des Flugzeugs. Jede Einsparung an Masse bei der Struktur oder den Geräten trägt zu einer Erhöhung der transportierbaren Nutzlast bei, wobei dies im Übrigen für alle im gleichen Maße gilt.
Der zweite Vorteil macht es möglich, die Anzahl der komplizierten Mechanismen zum Reduzieren der Geschwindigkeit einzuschränken oder auf null zu bringen. Dies ist notwendig, wenn man klassische elektrische Motoren (elektromagnetische) einsetzt. Letztere haben bei gleicher Leistung eine große Geschwindigkeit und liefern eine geringe Kraft. Die Einschränkung der Anzahl der Untersetzungsmechanismen erhöht außerdem den ersten Vorteil.
Der dritte Vorteil macht es möglich, die in dem Motor gespeicherte kinetische Energie zu minimieren. Folglich minimiert man den Energieverbrauch, wenn die Steuerfläche permanent angesteuert wird, um die kleinen Bewegungen auszuführen, die für die Stabilisierung wie auch für die Feinsteuerung des Flugzeugs notwendig sind. Die Minimierung der kinetischen Energie stammt außerdem von dem niedrigen Untersetzungsverhältnis und trägt damit zu dem zweiten Vorteil bei.
In der Patentanmeldung EP 0 921 070 wird ein Stellglied für eine Steuerfläche mit einem derartigen Vibrationsmotor beschrieben.
Nachteile
Nichtsdestotrotz haben die piezoelektrischen Vibrationsmotoren einige Nachteile gegenüber hydraulischen Stellgliedern heutiger Bauart bzw. gegenüber elektromagnetischen Stellgliedern, die eingesetzt werden könnten:

– sie sind im Allgemeinen blockiert ohne elektrische Versorgung;
– sie haben eine Betriebslebensdauer von einigen tausend Stunden, wenn sie mit voller Leistung betrieben werden; man beachte, dass die Betriebsdauer eines Flugzeugs in der Ordnung von mehreren zigtausend Flugstunden liegt;
– die Dauer, über die kontinuierlich eine erhöhte Leistung abgerufen werden kann, ist beschränkt auf einige Minuten, wenn man das Aufheizen berücksichtigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine Stellgliedstruktur zu schaffen, so dass piezoelektrische Vibrationsmotoren eingesetzt werden können.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein Stellglied für eine Steuerfläche, insbesondere für die Primärflugsteuerung eines Flugzeugs mit einem Hauptstellglied für die Steuerfläche in einem Hauptsteuerungssystem vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass das Stellglied in dem Hauptsteuerungssystem einen Vibrationsmotor als Motor umfasst und dass es außerdem in einem Nebensteuerungssystem für die Kompensation ein Kompensationsstellglied und Federungsmittel zwischen dem Kompensationsstellglied und der Steuerfläche umfasst, wobei dieses Kompensationsstellglied die Federungsmittel dehnt oder staucht, so dass sie auf die Steuerfläche eine mittlere Kraft ausüben können, um das Hauptstellglied um die mittlere Kraft zu entlasten, die es auf die Steuerfläche ausüben muss.
Die Erfindung weist bevorzugt die folgenden Eigenschaften auf, seien sie für sich genommen, oder, soweit technisch möglich, in Kombination:

– das Stellglied in dem Kompensationsnebensteuerungssystem umfasst einen Vibrationsmotor als Motor;
– das Kompensationsstellglied dehnt oder staucht die Federungsmittel, wenn das Hauptstellglied eine Kraft ausüben muss, die über eine Dauer, die größer als eine Schwellendauer ist, einen Wert ungleich null hat;
– die Schwellendauer liegt im Wesentlichen zwischen 1 und 20 Sekunden;
– die mechanische Steifigkeit der Federungsmittel ist so gewählt, dass der Hub der Feder, der für das Erreichen der maximalen Kraft des Kompensationsstellgliedes notwendig ist, deutlich größer als der Hub der Steuerfläche ist;
– die Position des Kompensationsstellgliedes wird arretiert, wenn es auf die Steuerfläche eine mittlere Kraft ausübt, die ausreicht, um das Hauptstellglied um die mittlere Kraft zu entlasten, die es auf die Steuerfläche ausüben muss, wobei das Hauptstellglied betriebsbereit bleibt und daher auf die Steuerfläche nur Kräfte für kleine Manöver und die Stabilisierung des Flugzeugs ausübt;
– das Hauptsteuerungssystem umfasst elektrische Kupplungsmittel, die sich zwischen dem Hauptstellglied und der Steuerfläche befinden und die Abkopplung der Steuerfläche von dem Hauptstellglied für den Fall einer Betriebsstörung des letzteren ermöglichen;
– das Hauptsystem umfasst parallel zu den elektrischen Kupplungsmitteln mechanische Dämpfungsmittel;
– die Steuerbefehle für die Positionierung der Steuerfläche werden durch einen Steuerungsrechner erzeugt und über elektronische Steuermittel an das Hauptstellglied und an das Kompensationsstellglied übertragen;
– der Steuerbefehl für die Positionierung der Steuerfläche wird zu dem Hauptstellglied übertragen, wobei ein Rückkopplungskreis zwischen dem Hauptsteuerungssystem und dem Nebensteuerungssystem vorgesehen ist und die Steuerung des Kompensationsstellgliedes über Tiefpassfiltermittel in dem Nebensystem und elektronische Steuermittel, die zwischen den Tiefpassfiltermitteln und dem Kompensationsstellglied vorgesehen sind, ermöglicht;
– der Rückkopplungskreis ist zwischen einem Kraftsensor, der zwischen dem Hauptstellglied und der Steuerfläche vorgesehen ist einerseits und den Tiefpassfiltermitteln andererseits vorgesehen;
– der Rückkopplungskreis ist zwischen einem Analysatorschaltkreis für Steuersignale für den Vibrationsmotor des Hauptstellglieds, wobei diese Steuersignale die Kraft wiedergeben, die von dem Hauptstellglied auf Höhe der Steuerfläche erzeugt wird, einerseits und den Tiefpassfiltermitteln andererseits vorgesehen, wobei der Analysatorschaltkreis Teil der elektronischen Steuermittel des Hauptsteuerungssystems ist;
– es umfasst Einrichtungen, die Manöver der Steuerfläche mit großer Amplitude erfassen und die dann Einrichtungen steuern, mit denen der Rückkopplungskreis zwischen dem Hauptsteuerungssystem und dem Nebensteuerungssystem in Abhängigkeit von der Übertragung am Eingang abgekoppelt werden kann und die Nebensteuerleitung in Abhängigkeit von der Übertragung am Ausgang abgekoppelt werden kann.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellgliedes.
2 zeigt die Entwicklung der Kraft, die durch die verschiedenen Stellglieder erzeugt wird, um der Kraft entgegenzuwirken, die durch den Luftwiderstand erzeugt wird.
3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform mit Kupplung und Dämpfungsvorrichtung in dem Hauptsystem.
4 zeigt einen offenen Steuerkreis für das erfindungsgemäße Stellglied.
5 zeigt einen geschlossenen Steuerkreis für das erfindungsgemäße Stellglied mit einem Kraftsensor.
6 zeigt einen geschlossenen Steuerkreis für das erfindungsgemäße Stellglied ohne Kraftsensor.
7 zeigt einen geschlossenen Steuerkreis für das erfindungsgemäße Stellglied mit einer Abkopplung des geschlossenen Kreises.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Man beachte, dass die primären Steuerflächen die Hauptsteuerflächen für Manöver eines Flugzeugs sind.
Steuerwinkel
Beim Flug befinden sich die primären Steuerflächen meistens in einer Position in der Nähe der Nullposition, was einem minimalen Luftwiderstand entspricht. Sie werden durch kleine Bewegungen gesteuert, deren Frequenzen bis zu einigen Hertz gehen können, um eine Feinstabilisierung des Flugzeugs herbeizuführen.
Bei besonderen Manövern (Rollen, um eine Kurve zu fliegen, in den Sturzflug zu gehen oder zu steigen, um auf eine andere Höhe zu gelangen, Abheben oder Landen) werden große Amplituden bei den Bewegungen der Steuerflächen nötig. Diese Steuerflächen werden daher über sehr kurze Zeitabschnitte gesteuert – einige Sekunden bis einige zig Sekunden.
Kleine notwendige Bewegungen zur Stabilisierung des Flugzeugs kommen zu den großen Bewegungen, mit denen die Flugbahn geändert wird, hinzu.
Kraft
Das Stellglied für die Steuerfläche muss einer aerodynamischen Kraft entgegenwirken, die eine zweifache Ursache hat:

– eine Kraft hängt von dem Anstellwinkel der Steuerfläche ab und führt dazu, sie in eine Gleichgewichtsposition zu bringen (aerodynamische Rückstellung);
– eine konstante Kraft, die von der Geschwindigkeit des Flugzeugs abhängt und die aus dem Moment der Auftriebskräfte auf das Scharnier der Steuerfläche zurückzuführen ist. – Diese Kraft kann je nach Vorzeichen des Auftriebs an dem Ort, an dem sich die Steuerfläche befindet, positiv oder negativ sein. Die Steuerfläche kann sich beispielsweise in der Hauptebene oder in der festen Rückebene befinden. Diese Kraft kann null sein für den Fall, dass eine Steuerfläche für die Richtung perfekt symmetrisch ist.

Γ_max ist die maximale Kraft, die das Stellglied bei Winkelgeschwindigkeit null der aerodynamischen Kraft der Steuerflächen entgegensetzen kann.
Wenn ω_n die Winkelgeschwindigkeit ist, die für das Verstellen der Steuerfläche unter der Kraft Γ_max/2 gewünscht wird, so gilt:

– die gewünschte Winkelgeschwindigkeit für kleine Bewegungen beträgt im Wesentlichen ω_n/2. Die Änderung der Kraft bei den kleinen Bewegungen beträgt Γ_max/10;
– die konstante Kraft, die zum Gegenhalten bleibt, kann die Werte zwischen Γ_max/5 bis Γ_max/2,5 haben.
– die notwendige mechanische Leistung für eine große Verstellung einer Steuerfläche beträgt P_max = ω_n × Γ_max/2;
– die notwendige mechanische Leistung für kleine Verstellungen einer Steuerfläche beträgt maximal P_max = ω_n/2 × (Γ_max/10 + T_max/2,5). Der Term Γ_max/10 entspricht der Kraft, die für kleine Bewegungen der Steuerfläche bereitgestellt wird, der Term Γ_max/2,5 entspricht der konstanten Kraft, die bereitgestellt werden muss, um die mittlere Position der Steuerfläche einzuhalten. Es versteht sich daher, dass sich dann, wenn der Term Γ_max/2,5 verschwindet oder verringert wird, die verbrauchte Leistung erheblich reduziert.

Grundprinzip der Erfindung
Der Aufbau des Stellgliedes gemäß der Erfindung ist in 1 dargestellt.
Zwei Stellsysteme 1 und 2 sind mit der Struktur 8 des Flugzeugs verbunden. Das System 1 wird Hauptsystem genannt, das System 2 wird Nebensystem genannt.
Das Hauptstellsystem 1 und das Nebenstellsystem 2 umfassen lineare Stellglieder 3 und 4. Das Stellglied 3 ist direkt mit einer Steuerfläche 7 verbunden.
Das Stellglied 3 kann die Steuerfläche 7 in jeder gewünschten Weise bewegen.
Das Stellglied 3 ist mit der Steuerfläche 7 über Federungsmittel 5 verbunden. Diese Mittel 5 dienen dazu, die konstante Kraft, die von der Steuerfläche 7 in Gegenrichtung ausgeübt wird, zu kompensieren.
Die lineare Bewegung der Stellglieder 3 und 4 wird in eine Drehbewegung der Steuerfläche 7 um ihre Achse 6 übersetzt – wie es häufig bei Flugzeugen der Fall ist. Man kann jedoch auch eine reine Rotationseinrichtung oder eine Kombination aus diesen beiden Bewegungsarten realisieren.
Die Funktion der Vorrichtung ist die folgende:

– Wenn das Flugzeug ein Manöver durchführen muss, so wird mittels Steuer vom Piloten oder den Pilotrechnern das Vorzeichen für das Hauptstellglied 3 ausgegeben.
– Wenn die Kraft, die auf die Steuerfläche ausgeübt werden muss, über eine längere Zeit nicht den mittleren Wert null hat – über 10 Sekunden zum Beispiel -, so wird das Kompensationsstellglied 4 in Betrieb genommen. Somit baut man die Kraft ab, die das Hauptstellglied 3 ausüben muss. Zu diesem Zweck spannt das Kompensationsstellglied 4 die Federungsmittel 5, bis die Kraft erreicht wird, die für die Steuerfläche 7 benötigt wird.

Die mechanische Steifigkeit der Federungsmittel 5 wird so gewählt, dass der Hub der Feder, der zum Erreichen der Maximalkraft des Stellgliedes 4 wesentlich größer als der Hub der Steuerfläche 7 ist. Unter dieser Bedingung variiert die Rückstellkraft auf Grund der Feder sehr wenig, wenn das Kompensationsstellglied 4 arretiert wird. Das Hauptstellglied 3 ermöglicht damit kleine Bewegungen der Steuerfläche 7 wie auch die Feinregelung bei der Steuerung des Flugzeugs. Das Hauptstellglied 3 braucht keine dynamische Kraft mehr mit großem mittlerem Wert zu erzeugen. Das Kompensationsstellglied 4 befindet sich in gesperrter Position und liefert über die Federungsmittel 5 den mittleren Wert für die Kraft auf die Steuerfläche 7. Die Funktion der Kompensation wird somit aufrechterhalten.
2 zeigt den Verlauf der Kräfte, die durch das Hauptstellglied 3 und durch das Kompensationsstellglied 4 in Abhängigkeit von dem Winkel der Steuerfläche erzeugt werden. Die durchgezogene Linie zeigt, dass die Widerstandskraft der Steuerfläche 7 mit dem Winkel der Steuerfläche zunimmt. Dieses Phänomen ist auf die Zunahme des Luftwiderstandes zurückzuführen.
Die gestrichelte Linie zeigt, dass sich die durch das Kompensationsstellglied 4 ausgeübte Kraft mit zunehmendem Winkel der Steuerfläche verringert. Der Abstand 9 zeigt den Hub der Feder.
Der schraffierte Teil zeigt die Kraft, die von dem Hauptstellglied bereitgestellt werden muss, um der Kraft auf Grund des Luftwiderstandes entgegenzuwirken.
Im Übrigen ändert sich die Rückstellkraft der Steuerfläche in Abhängigkeit von den Flugbedingungen des Flugzeugs, insbesondere in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.
Die piezoelektrischen Motoren werden vorteilhafterweise bei den Stellgliedern 4 und 5 in einer Struktur verwendet, wie sie in der 1 dargestellt ist:

– Das Hauptstellglied 4 liefert nur geringe Leistungswerte, außer im Fall, dass die einzuschlagenden Winkel groß sind. Die Lebensdauer erhöht sich damit in wesentlichem Maße.
– Das Kompensationsstellglied 5 arbeitet nur, wenn sich die allgemeinen Flugbedingungen des Flugzeugs ändern. Solange die Flugbedingungen stationär sind, kann die Versorgung abgekoppelt werden, der Motor blockiert also und hält die Feder in komprimiertem oder gedehntem Zustand.

Die Verwendung der piezoelektrischen Motoren auf Höhe des Hauptstellgliedes 4 ist einer der Hauptvorteile der Erfindung. Tatsächlich ist die Steuerung von kleinen Bewegungen mit erhöhter Frequenz notwendig für das Führen und für die Stabilität des Flugzeugs. Der Gewinn an Energie auf Grund dieses piezoelektrischen Mechanismus mit geringer Trägheit ist erheblich.
Ein piezoelektrischer Motor ist außerdem von Vorteil bei der Verwendung in dem Kompensationsstellglied 5. Jedoch kann man in dem Nebensystem 2 einen klassischen elektrischen Motor vorsehen, auf den eine große Untersetzungsstufe folgt.
Die Untersetzungsstufe kann mit nur einer Laufrichtung aufgebaut werden, damit der Motor stehen bleibt, wenn die Versorgung abgekoppelt wird. Die Steuerfläche bleibt dann in ihrer Position stehen, obwohl eine Gegenkraft von der Steuerfläche 7 wirkt.
Wenn dies nicht der Fall ist, kann die Vorrichtung außerdem mit einer Bremse ausgestattet werden.
BESCHREIBUNG EINER ODER MEHRERER VARIANTEN DER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Allgemeiner Aufbau der Stellglieder
Obgleich die piezoelektrischen Motoren ihre Leistung mit sehr viel niedrigeren Geschwindigkeiten abgeben als die klassischen elektrischen Motoren, ist ihre Geschwindigkeit doch oft höher als die, die für die Steuerfläche 7 gewünscht wird. Eine Untersetzung ist notwendig, sie kann mit Getrieberädern, Zahnstangen oder Verschraubungen, wenn man eine lineare Bewegung anstrebt, umgesetzt werden.
Erste Variante: Auskuppeln des Hauptstellgliedes
Aus Sicherheitsgründen muss die Steuerfläche 7 automatisch in eine neutrale Position zurückkehren, wenn die elektrische Versorgung gekappt wird.
Ein Stellglied, bei dem ein piezoelektrischer Motor eingesetzt wird, bleibt in der Position arretiert, in der es sich im Augenblick der Unterbrechung der elektrischen Versorgung befindet.
3 zeigt eine Vorrichtung, die in dem kinetischen System 1 eine elektrische Kupplung 10 umfasst, die die Steuerfläche 7 abkoppelt, wenn die Versorgungsspannung des Stellgliedmotors 3 verschwindet. Auf diese Art kann die Steuerfläche in die Neutralposition zurückkehren.
Die Mittel 10 sind dem Fachmann an sich bekannt und werden im Folgenden nicht weiter im Einzelnen erläutert.
Zweite Variante: Dämpfung des Hauptstellgliedes
Vorzugsweise wird die Bewegung der Steuerfläche, wenn sie frei wird, gedämpft. Die Dämpfung kann mit Hilfe eines Kupplungssystems realisiert werden. Dies kann eine Restreibung aufweisen, die in der ausgekuppelten Position nicht vernachlässigbar ist.
Außerdem kann sich eine Dämpfung 11 zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Kupplung 10 befinden, wie es in 3 gezeigt ist.
Eines der oder beide Zusatzelemente 10 und 11 können linear oder drehbar sein. Sie können sich an jeder Stelle in dem kinetischen System zwischen dem Ausgang des Motors und der Steuerfläche 7 befinden.
BESCHREIBUNG EINER ODER MEHRERER BETRIEBSARTEN BEZÜGLICH DER STEUERUNG DER BEIDEN STELLGLIEDER
Es gibt mehrere Steuerungsverfahren für dieses doppelte Stellglied, wobei ohne Anspruch auf Vollständigkeit hier genannt seien:

– offener Kreis,
– geschlossener Kreis mit Kraftsensor,
– geschlossener Kreis ohne Kraftsensor.

Man kann alle diese Steuerungskategorien mit dem Merkmal verknüpfen, dass das eine oder das andere der beiden Stellglieder mit Winkel- oder linearen Bewegungssensoren ausgestattet ist.
Erste mögliche Ausführungsform: Steuerung mit offenem Kreis
4 zeigt die Struktur eines Stellgliedes gemäß der Erfindung, bei der die Steuerung der Stellglieder 3 und 4 im offenen Kreis erfolgt.
In diesem Fall bestimmt ein Rechner 12 im Flugzeug selbst die Steuerung der Kompensation, die in Abhängigkeit von den allgemeinen Flugbedingungen erforderlich ist, über die er selbst dann über Sensoren und/oder dank Befehlsgruppen informiert ist, die auf die Gruppe der Stellglieder des Flugzeugs angewendet werden müssen.
Die Befehle des Rechners 12 des Flugzeugs werden mit Hilfe von Steuerelektroniken 13 und 14 übermittelt, die den Stellgliedern 3 und 4 entsprechen.
Erste Variante: Steuerung im geschlossenen Kreis mit Kraftsensoren
In der Struktur in 5 misst ein Kraftsensor 16 die Kraft oder die Wirkung, die durch das Hauptstellglied 3 ausgeübt wird. Das Signal 17 wird mit Hilfe eines elektronischen Steuerblocks 15 verarbeitet, der eine lineare Transferfunktion in der Art eines Tiefpasses hat oder nicht.
Der Ausgang des Blocks 15 wird zu einer Steuerelektronik 14 verzweigt. Der Elektronikblock 15 umfasst Einrichtungen zur Steuerung piezoelektrischer Elemente, die eine analoge Elektronik und/oder digitale Elektronik umfassen können, die ihrerseits einen Signalverarbeitungs- und Logikprozessor umfassen, einen programmierbaren Schaltkreis oder jede andere Steuerung. Diese Steuerungsmittel sind geeignet, um die Steuerelektronik 14 des Kompensationsstellgliedes 4 zu steuern, bis das Signal des Kraftsensors einen mittleren Wert null anzeigt.
Zweite Variante: Steuerung im geschlossenen Kreis ohne Kraftsensor
In der Struktur in 6 ermöglicht es eine Steuerelektronik des Hauptstellgliedes 13, insbesondere unter Beobachtung des Verbrauchs des Schaltkreises, der darin enthalten ist, die Kraft zu evaluieren, die durch das Hauptstellglied 3 erzeugt wird. Die Überwachung des Verbrauchs der Schaltkreise erfolgt durch einen Block 18. Das Signal 19 am Ausgang des Blocks 18 wird über einen Block 15 übermittelt, der eine lineare Transferfunktion in der Art eines Tiefpasses hat oder nicht.
In den beiden letzteren Fällen mit geschlossenem Kreis ist der Befehl 20, der durch das Steuerungssystem erzeugt wird, der gewünschte Gesamtbefehl. Es ist nicht notwendig, diesen mit Hilfe anderer Informationen oder Verarbeitungen in zwei Teile zu unterteilen. Der geschlossene Kreis erlaubt es, die Position des Stellgliedes 4 geradeaus zu richten, um auf Höhe der Steuerfläche 7 ein Minimum an Kraft zu erreichen, die durch das Stellglied 3 erzeugt werden muss.
Die Transferfunktion des Blockes 15 ist ein Korrekturnetz. Die Häufigkeit der Unterbrechungen des Kompensationskreises 2, der so aufgebaut ist, wird ausreichend niedrig gewählt, um alle kleinen Bewegungen der Steuerfläche herauszufiltern. Jedoch wird sie ausreichend hoch gewählt, um die allgemeine Entwicklung bezüglich der Konfiguration des Fluges des Flugzeuges verfolgen zu können, insbesondere seine Geschwindigkeit. Ein Wert von einigen hundert Hertz scheint hier adäquat zu sein.
Die Effizienz der Transferfunktion 15 kann vorteilhaft durch Einführung von Schwellen vergrößert werden. Wenn die Abschätzung der mittleren Kraft, die durch das Hauptstellglied 3 erzeugt wird, mit dem Absolutwert unter diesen Schwellenwert sinkt, wird nach keiner besseren Kompensation gesucht, man arretiert die Steuerung des Kompen sationsstellgliedes 4. Auf Grund des großen Hubes, der für das Kompensationsstellglied 4 notwendig ist (geringe Steifigkeit der Feder), läuft man bei der Suche nach einer perfekten Kompensation tatsächlich Gefahr, in dem Kompensationsstellglied 4 einen höheren Energieverbrauch zu haben, als man auf Höhe des Hauptstellgliedes 3 dank einer perfekten Kompensation gewinnen könnte.
Dritte Variante
Wie die Struktur in 7 zeigt, unterbricht man den Betrieb der Transferfunktion 15 sowohl am Eingang durch einen Unterbrecher 21 als auch am Ausgang durch einen Unterbrecher 23, um die Abschätzung der mittleren Kraft nicht zu stören, wenn Einschlagwinkel der Steuerfläche 7 groß werden – wie es durch die Mittel 22 erkannt wird.
Die Erfindung wird mit Vorteilen auf Stellglieder für Steuerflächen von Flugzeugen angewendet, aber sie kann genauso gut auf jedes System angewendet werden, bei dem die Last aus zwei Teilen zusammengesetzt ist: Einem Teil, bei dem die Kraft quasi konstant ist und einer mittleren Position entspricht, und einem Teil, bei dem die Kraft variabel ist um diese quasi konstante Kraft herum, die kleinen gesteuerten Bewegungen entspricht.

Claims

Stellglied für eine Steuerfläche (7), insbesondere für die Primärflugsteuerung eines Flugzeugs, mit einem Hauptstellglied (3) für die Steuerfläche (7) in einem Hauptsteuerungssystem (1) sowie mit einem Motor nach Art eines Vibrationsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem in einem Kompensationsnebensteuerungssystem (2) ein Kompensationsstellglied (4) und Federungsmittel (5) zwischen dem Kompensationsstellglied (4) und der Steuerfläche (7) umfasst, wobei dieses Kompensationsstellglied (4) die Federungsmittel dehnt oder staucht, so dass sie auf die Steuerfläche (7) eine mittlere Kraft ausüben können, um das Hauptstellglied (3) um die mittlere Kraft zu entlasten, die es auf die Steuerfläche (7) ausüben muss.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (4) in dem Kompensationsnebensystem (2) einen zweiten Motor nach der Art eines Vibrationsmotors umfasst.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsstellglied (4) die Federungsmittel (5) dehnt oder staucht, wenn das Hauptstellglied eine Kraft ausüben muss, die über eine Dauer, die größer als eine Schwellendauer ist, einen Wert ungleich null hat.
Stellglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellendauer im Wesentlichen zwischen einer und zwanzig Sekunden liegt.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Steifigkeit der Federungsmittel so gewählt ist, dass der Hub der Feder, der für das Erreichen der maximalen Kraft des Kompensationsstellgliedes (4) notwendig ist, deutlich größer als der Hub der Steuerfläche (7) ist.
Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Kompensationsstellgliedes (4) arretiert wird, wenn es auf die Steuerfläche (7) eine mittlere Kraft ausübt, die ausreicht, um das Hauptstellglied um die mittlere Kraft zu entlasten, die es auf die Steuerfläche (7) ausüben muss, wobei das Hauptstellglied (3) betriebsbereit bleibt und daher auf die Steuerfläche (7) nur Kräfte für kleine Manöver und die Stabilisierung des Flugzeugs ausübt.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptsteuerungssystem elektrische Kupplungsmittel (10) umfasst, die sich zwischen dem Hauptstellglied und der Steuerfläche befinden und die Abkopplung der Steuerfläche (7) von dem Hauptstellglied (3) für den Fall einer Betriebsstörung des letzteren ermöglichen.
Stellglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptsystem parallel zu den elektrischen Kupplungsmitteln mechanische Dämpfungsmittel (11) aufweist.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbefehle für die Positionierung der Steuerfläche (7) durch einen Steuerungsrechner (12) erzeugt werden und über elektronische Steuermittel (13, 14) an das Hauptstellglied (3) und an das Kompensationsstellglied (4) übertragen werden.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerbefehl für die Positionierung der Steuerfläche (7) zu dem Hauptstellglied (3) übertragen wird, wobei ein Rückkopplungskreis (17, 19) zwischen dem Hauptsteuerungssystem (1) und dem Nebensteuerungssystem (2) vorgesehen ist und die Steuerung des Kompensationsstellgliedes (4) über Tiefpassfiltermittel (15) in dem Nebensystem und elektronische Steuermittel (14), die zwischen den Tiefpassfiltermitteln (15) und dem Kompensationsstellglied (4) vorgesehen sind, ermöglicht.
Stellglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis (17, 19) zwischen einem Kraftsensor (16), der zwischen dem Hauptstellglied (3) und der Steuerfläche (7) vorgesehen ist, einerseits und den Tiefpassfiltermitteln (15) andererseits vorgesehen ist.
Stellglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis (17, 19) zwischen einem Analysatorschaltkreis (18) für Steuersignale für den Vibrationsmotor des Hauptstellglieds (3), wobei diese Steuersignale die Kraft wiedergeben, die von dem Hauptstellglied auf Höhe der Steuerfläche (7) erzeugt wird, einerseits und den Tiefpassfiltermitteln (15) andererseits vorgesehen ist, wobei der Analysatorschaltkreis (18) Teil der elektronischen Steuermittel (13) der Hauptsteuerungssystem (1) ist.
Stellglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es Einrichtungen (22) umfasst, die Manöver der Steuerfläche (7) mit großer Amplitude erfassen und die dann Einrichtungen (21, 23) steuern, mit denen der Rückkopplungskreis (17, 19) zwischen dem Hauptsteuerungssystem (1) und dem Nebensteuerungssystem (2) in Abhängigkeit von der Übertragung (15) am Eingang abgekoppelt werden kann und die Nebensteuerleitung (2) in Abhängigkeit von der Übertragung (15) am Ausgang abgekoppelt werden kann.