DE60302861T2

DE60302861T2 - System, das eine Anzeigung von Steuerungsschwingungskupplungen verwendet, zur elektrischen Flugsteuerung eines Flugzeugs, sowie Steuerelement für ein solches System

Info

Publication number: DE60302861T2
Application number: DE60302861T
Authority: DE
Inventors: Nathalie Raimbault; Jean-Pierre Gautier; Alain Sagansan; Pierre Fabre
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: US20100200701A1; EP1420320B1; US8473121B2; EP1420320A1; DE60302861D1; ATE313823T1; FR2847352A1; CA2447283C; CA2447283A1; FR2847352B1; US20050021193A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur elektrischen Flugsteuerung eines Flugzeugs mit einer Detektionsvorrichtung für Steuerungsschwingungskopplungen sowie ein Steuerelement für ein solches Steuerungssystem.
Es ist bekannt, dass die Steuerelemente (Hebel, Pedale) von modernen Flugzeugen, insbesondere die sogenannten Sidesticks, sehr bedienerfreundlich für den Piloten und/oder den Copiloten der Flugzeuge sind, da mit ihnen sehr schnelle Ausschläge möglich sind. Die Betätigungsorgane der beweglichen aerodynamischen Flächen von Flugzeugen (Querruder, Klappen, Steuerruder, etc.), die von diesen Steuerelementen betätigt werden, können hingegen nicht sofort auf die elektrischen Steuerbefehle reagieren, die von diesen Steuerelementen erzeugt werden. Bei großen Steueramplituden kann es daher zu einer erheblichen Phasenverschiebung zwischen der Bewegung eines Steuerelements und der Bewegung der von diesem Steuerelement angesteuerten beweglichen aerodynamischen Flächen kommen.
Wenn der Pilot feststellt, dass die Positionsänderung der angesteuerten beweglichen aerodynamischen Flächen, die durch die Wahl der entsprechenden Steuerelementposition herbeigeführt werden soll, mit Verzögerung erfolgt, kann er folglich versucht sein, die Steuerbewegung des Steuerelements zu vergrößern. Der Ausschlag der aerodynamischen Flächen ist dann jedoch möglicherweise größer als jener, der dem ursprünglichen Steuerbefehl entspricht, so dass der Pilot das Steuerelement wieder etwas zurückführt, was eine verzögerte Rückbewegung der aerodynamischen Flächen bewirkt, etc. In dem Flugzeug tritt also eine Steuerungsschwingungskopplung auf, in der Luftfahrt allgemein PIO-Kopplung (Pilot Induced Oscillations) genannt, welche die Steuergenauigkeit verschlechtern kann.
Als Lösungsversuch für ein derartiges Problem ist es bekannt, die Abmessungen der Betätigungsorgane der angesteuerten aerodynamischen Flächen und ihrer hydraulischen und elektrischen Versorgungseinrichtungen zu vergrößern, was zu einer Zunahme der Kosten und der Masse des Flugzeugs führt. Bei groß ausgelegten Flugzeugen kann eine derartige Zunahme der Kosten und der Masse untragbar werden.
Ferner sieht die Druckschrift US-A-4 298 833 vor, den Steuerbefehl aufzubereiten, insbesondere durch Filterung, um ihn in einen Steuerbefehl umzuwandeln, der frei von Steuerungsschwingungskopplungen ist. Diese Aufbereitung erfolgt jedoch ohne tatsächliche Detektion der Schwingungskopplungen und ohne Wissen des Piloten, der daher weiterhin Schwingungskopplungen erzeugen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Sie betrifft ein elektrisches Flugsteuerungssystem und ein Steuerelement, das den Piloten über das Auftreten einer Steuerungsschwingungskopplung informiert und so funktioniert, dass es deren Auswirkungen verhindert.
Das elektrische Flugsteuerungssystem für Flugzeuge, umfassend:

– ein bewegliches Steuerelement, das so ausgelegt ist, dass es wenigstens einen elektrischen Steuerbefehl zur Steuerung des Flugzeugs um wenigstens eine seiner Manövrierachsen (Längsachse, Querachse, Hochachse) erzeugt; und
– Mittel zur Detektion eventueller Schwingungen in dem Steuerbefehl, die Steuerungsschwingungskopplungen entsprechen,

Dank der vorliegenden Erfindung wird das Steuerelement also im Falle des Auftretens einer Steuerungsschwingungskopplung gebremst, was das Steuergefühl des Piloten verändert und den Piloten somit von dem Vorhandensein einer solchen Kopplung in Kenntnis setzt, und die Phasenverschiebung zwischen der angesteuerten aerodynamischen Fläche und dem Steuerelement verkleinert.
Die Wirkung der steuerbaren Dämpfungsmittel auf das Steuerelement kann unabhängig von der Amplitude der Schwingungen eine konstante Amplitude haben. In dem vorteilhaften Fall, in dem die Detektionsmittel ein Detektionssignal liefern, dessen Amplitude umso größer ist, je größer die Amplitude der Schwingungen ist (siehe beispielsweise den Detektor, der in der französischen Patentanmeldung beschrieben wird, die am 18. November 2002 im Namen der Anmelderin unter der Nummer 02 14381 eingereicht wurde), kann die Wirkung der steuerbaren Dämpfungsmittel auf das Steuerelement jedoch vorteilhafterweise umso größer sein, je größer die Amplitude der Schwingungen ist.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein bewegliches Steuerelement, das so ausgelegt ist, dass es wenigstens einen elektrischen Steuerbefehl zur Steuerung eines Flugzeugs um wenigstens eine seiner Manövrierachsen erzeugt, wobei das Steuerelement für ein elektrisches Flugsteuerungssystem bestimmt ist, das Mittel zur Detektion eventueller Steuerungsschwingungskopplungen in dem Steuerbefehl aufweist. Gemäß der Erfindung zeichnet sich dieses Steuerelement, beispielsweise ein Hebel oder ein Pedal, dadurch aus, dass es steuerbare Dämpfungsmittel für das Steuerelement aufweist, und dass die steuerbaren Dämpfungsmittel so von den Detektionsmitteln gesteuert werden, dass die steuerbaren Dämpfungsmittel eine Wirkung auf das Steuerelement ausüben, die dessen Bewegung verlangsamt, wenn die Detektionsmittel solche Schwingungen erkennen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuerelemente in bekannter Weise bereits mit baulichen Dämpfungsmitteln ausgestattet sind, die so ausgelegt sind, dass sie zu schnelle Steuerbewegungen verhindern. Folglich können die steuerbaren Dämpfungsmittel parallel auf den baulichen Dämpfungsmitteln montiert werden.
Es ist jedoch von Vorteil, insbesondere wenn die Mittel zur Detektion von Schwingungen in den elektrischen Flugsteuerungsrechner des Systems integriert sind (siehe die vorhergehend genannte Patentanmeldung), wenn die baulichen Dämpfungsmittel und die steuerbaren Dämpfungsmittel von einer einzigen steuerbaren Dämpfungsvorrichtung gebildet werden, die so von den Detektionsmitteln gesteuert wird, dass:

– wenn keine Schwingungen vorhanden sind, diese Einzeldämpfungsvorrichtung die Funktion der baulichen Dämpfungsmittel ausübt; und
– wenn Schwingungen vorhanden sind, diese Einzeldämnpfungsvorrichtung die Funktion der steuerbaren Dämpfungsmittel ausübt.

Die steuerbaren Dämpfungsmittel können mechanischer oder hydraulischer Art sein.
Vorzugsweise werden die steuerbaren Dämpfungsmittel jedoch von einer Magnetmaschine gebildet, beispielsweise von einer Synchronmaschine mit einem Permanentmagnetrotor, die in bekannter Weise gesteuert wird, um ein Gegenmoment zu liefern, das je nach Rotationsgeschwindigkeit variieren kann.
Selbstverständlich kann das Steuerelement, insbesondere wenn es sich um einen Steuerknüppel handelt, so ausgelegt sein, dass es zwei elektrische Steuerbefehle zur Steuerung des Flugzeugs um zwei seiner Manövrierachsen erzeugt und für ein elektrisches Flugsteuerungssystem bestimmt ist, das Mittel aufweist, um in dem jeweiligen Steuerbefehl eventuelle Schwingungen zu entdecken, die Steuerungsschwingungskopplungen entsprechen.
In diesem Fall weist das Steuerelement steuerbare Dämpfungsmittel auf, die von den Mitteln zur Detektion der Schwingungen gesteuert werden und so ausgelegt sind, dass sie die Bewegungen des Steuerelements, die dem jeweiligen Steuerbefehl entsprechen, beeinflussen.
Aus den Figuren der beifolgenden Zeichnungen ist ersichtlich, wie die Erfindung ausgeführt sein kann. Ähnliche Elemente sind in diesen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die 1 und 2 veranschaulichen schematisch zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Das elektrische Flugsteuerungssystem für Flugzeuge, das in 1 schematisch dargestellt ist, weist ein Steuerknüppelsystem 1 auf, das so ausgelegt ist, dass es einen Steuerbefehl für Rollbewegungen und einen Steuerbefehl für Nickbewegungen erzeugt.
Das Steuerknüppelsystem 1 weist einen beweglichen Handgriff 2 auf, der mit Hilfe eines bekannten Mechanismus in der Lage ist, sich um eine Steuerachse R-R für Rollbewegungen und um eine Steuerachse T-T für Nickbewegungen zu drehen.
Kippbewegungen des Handgriffs 2 um eine Steuerachse für Rollbewegungen R-R (Doppelpfeil 3) werden von einem Sensor 4 erfasst. Desgleichen werden Kippbewegungen des Handgriffs 2 um eine Steuerachse für Nickbewegungen T-T (Doppelpfeil 5) von einem Sensor 6 erfasst.
Die Sensoren 4 und 6 erzeugen elektrische Steuerbefehle für Roll- und Nickbewegungen, die den Kippbewegungen des Handgriffs 2 entsprechen und von einer Leitung 8 beziehungsweise 9 an die elektrischen Flugsteuerungsrechner 7 des Systems übertragen werden. Die Flugrechner 7 berechnen die entsprechenden Ausschlagbefehle für die gesteuerten aerodynamischen Flächen (Querruder, Klappen, Steuerruder, etc.) 10 des (nicht dargestellten) Flugzeugs und übertragen mit Hilfe der Leitungen 11 entsprechende elektrische Steuerbefehle an die Betätigungsorgane 12 dieser gesteuerten aerodynamischen Flächen 10.
Auf den Achsen für Rollbewegungen und für Nickbewegungen sind in bekannter Weise Steuergefühlsimulatoren 13 und 14 vorgesehen, die dem Piloten Steuergefühl vermitteln. Der Simulator 13 wird beispielsweise von Federscheren gebildet und der Simulator 14 von einer Federstange.
Außerdem weist das Steuerknüppelsystem 1 gemäß einer wichtigen Besonderheit der vorliegenden Erfindung zwei Dämpfungsvorrichtungen 15 und 16 auf, deren Dämpfungseigenschaften durch elektrische Befehle geändert werden können. Sie sind beispielsweise von bekannter mechanischer oder hydraulischer Art. Die steuerbare Dämpfungsvorrichtung 15 ist mit der Längsachse R-R verbunden, und die steuerbare Dämpfungsvorrichtung 16 ist mit der Querachse R-R verbunden, um die Drehung des Handgriffs 2 um diese beiden Achsen abzuschwächen.
Ferner beinhalten die elektrischen Flugsteuerungsrechner 7 Mittel, um in den von den Sensoren 4 und 6 ausgegebenen Steuerbefehlen eventuelle Schwingungen zu entdecken, die Steuerungsschwingungskopplungen entsprechen, wobei diese Detektionsmittel so ausgelegt sind, dass sie über entsprechende Leitungen 17 und 18 je nach der Amplitude der Kopplungen Befehle an die Dämpfungsvorrichtungen 15 und 16 zum Ändern deren Dämpfungseigenschaften liefern.
Das System von 1 funktioniert wie folgt:

– wenn der (nicht dargestellte) Pilot den Handgriff 2 so hin- und herbewegt, dass der von dem Sensor 4 (und/oder dem Sensor 6) ausgegebene Befehl zum Rollen (und/oder zum Nicken) frei oder nahezu frei von Steuerungsschwingungskopplungen ist, schicken die Detektionsmittel der Flugrechner 7 über die Leitung 17 (und/oder 18) einen elektrischen Befehl an die Dämpfungsvorrichtung 15 (und/oder 16), der ihre Dämpfungseigenschaft auf den gewünschten Wert regelt, damit die Dämpfungsvorrichtung die normale Funktion der baulichen Dämpfungsvorrichtung des Steuerknüppelsystems 1 ausübt;
– wenn hingegen die Betätigung des schwenkbaren Handgriffs 2 durch den Piloten eine Schwingungskopplung in dem von dem Sensor 4 (und/oder dem Sensor 6) ausgegebenen Befehl zum Rollen (und/oder zum Nicken) erzeugt, schicken die Detektionsmittel der Flugrechner 7 mit Hilfe der Leitung 17 (und/oder 18) einen elektrischen Befehl an die Dämpfungsvorrichtung 15 (und/oder die Dämpfungsvorrichtung 16), der ihre Dämpfungseigenschaft verstärkt, wobei diese Verstärkung entweder konstant ist oder umso größer ist, je größer die Amplitude der Schwingungen ist. Der Steuerausschlag des Handgriffs 2 wird also gebremst.

In der Ausführungsvariante von 2 findet man die in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Elemente 2 bis 14 wieder. Im Fall von 2 weist das Steuerknüppelsystem 20 jedoch anstelle von mechanischen oder hydraulischen Dämpfungsvorrichtungen 15 und 16 elektrische Dämpfungsvorrichtungen 21 und 22 auf. Die Dämpfungsvorrichtungen 21 und 22 sind beispielsweise Synchronmaschinen, deren Rotor Permanentmagneten trägt und auf der Achse R-R beziehungsweise auf der Achse T-T befestigt ist.
Das von diesen Synchronmaschinen auf die Achsen ausgeübte Gegenmoment kann also mit elektrischen Befehlen, die von den Mitteln zur Detektion der Schwingungen der Flugrechner 7 erzeugt und mit Hilfe der Leitungen 23 beziehungsweise 24 an die Dämpfungsvorrichtungen 21 und 22 geschickt werden, gesteuert werden.

Claims

System zur elektrischen Flugsteuerung eines Flugzeugs mit: – einem beweglichen Steuerelement (1, 20), das so ausgelegt ist, dass es wenigstens einen elektrischen Steuerbefehl zur Steuerung des Flugzeugs um wenigstens eine seiner Manövrierachsen erzeugt; und – Mitteln (7) zur Detektion eventueller Schwingungen in dem Steuerbefehl, die Steuerungsschwingungskopplungen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (1, 20) steuerbare Dämpfungsmittel (15, 16; 21, 22) aufweist, die so ausgelegt sind, dass sie die Bewegungen des Steuerelements dämpfen, und dass die Detektionsmittel (7) die steuerbaren Dämpfungsmittel so steuern, dass diese auf das Steuerelement (1, 20) eine Wirkung ausüben, die dessen Bewegung verlangsamt, wenn die Detektionsmittel (7) solche Schwingungen erkennen.
System zur Flugsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung der steuerbaren Dämpfungsmittel (15, 16; 21, 22) auf das Steuerelement (1, 20) unabhängig von der Amplitude der Schwingungen eine konstante Amplitude hat.
System zur Flugsteuerung nach Anspruch 1, in dem die Detektionsmittel (7) ein Detektionssignal liefern, dessen Amplitude umso größer ist, je größer die Amplitude der Schwingungen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung der steuerbaren Dämpfungsmittel (15, 16; 21, 22) auf das Steuerelement (1, 20) umso größer ist, je größer die Amplitude der Schwingungen ist.
Bewegliches Steuerelement (1, 20), das so ausgelegt ist, dass es wenigstens einen elektrischen Steuerbefehl zur Steuerung eines Flugzeugs um wenigstens eine seiner Manövrierachsen erzeugt, wobei das Steuerorgan für ein elektrisches Flugsteuerungssystem bestimmt ist, das Mittel (7) zur Detektion eventueller Schwingungen in dem Steuerbefehl aufweist, die Steuerungsschwingungskopplungen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass es steuerbare Dämpfungsmittel (15, 16; 21, 22) für das Steuerorgan aufweist, und dass die steuerbaren Dämpfungsmittel so von den Detektionsmitteln (7) gesteuert werden, dass die steuerbaren Dämpfungsmittel auf das Steuerelement eine Wirkung ausüben, die dessen Bewegung verlangsamt, wenn die Detektionsmittel solche Schwingungen entdecken.
Bewegliches Steuerelement nach Anspruch 4, das bauliche Dämpfungsmittel aufweist, die so ausgelegt sind, dass sie zu schnelle Steuerbewegungen verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Dämpfungsmittel parallel auf den baulichen Dämpfungsmitteln montiert sind.
Bewegliches Steuerelement nach Anspruch 4, das bauliche Dämpfungsmittel aufweist, die so ausgelegt sind, dass sie zu schnelle Steuerbewegungen verhindern, und für ein elektrisches Flugsteuerungssystem bestimmt ist, in dem die Detektionsmittel in den elektrischen Flugsteuerungsrechner (7) des Systems integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die baulichen Dämpfungsmittel und die steuerbaren Dämpfungsmittel von einer einzigen steuerbaren Dämpfungsvorrichtung (15, 16) gebildet werden, die so von den Detektionsmitteln (7) gesteuert wird, dass: – wenn keine Schwingungen vorhanden sind, diese Einzeldämpfungsvorrichtung die Funktion der baulichen Dämpfungsmittel ausübt; und – wenn Schwingungen vorhanden sind, diese Einzeldämpfungsvorrichtung die Funktion der steuerbaren Dämpfungsmittel ausübt.
Steuerelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Dämpfungsmittel (15, 16) mechanisch oder hydraulisch sind.
Steuerelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Dämpfungsmittel (21, 22) von einer Magnetmaschine gebildet werden.
Steuerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetmaschine eine Synchronmaschine mit Permanentmagnetrotor ist.
Steuerelement nach einem der Ansprüche 4 bis 9, das so ausgelegt ist, dass es zwei elektrische Steuerbefehle zur Steuerung des Flugzeugs um zwei seiner Manövrierachsen erzeugt und für ein elektrisches Flugsteuerungssystem bestimmt ist, das Mittel (7) aufweist, um in dem jeweiligen Steuerbefehl eventuelle Schwingungen zu entdecken, die Steuerungsschwingungskopplungen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass es steuerbare Dämpfungsmittel (15, 16; 21, 22) aufweist, die von den Detektionsmitteln (7) gesteuert werden und so ausgelegt sind, dass sie die Bewegungen des Steuerelements (1, 20), die dem jeweiligen Steuerbefehl entsprechen, beeinflussen.