DE69308593T2

DE69308593T2 - Steuerverfahren eines flugzeuges um einen mikro-schwerkraftzustand zu verbessern und angemessenes system

Info

Publication number: DE69308593T2
Application number: DE69308593T
Authority: DE
Inventors: Luc Lefebvre; Flavien Mercier
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2013-12-07
Also published as: DE69308593D1; RU2099256C1; EP0673331B1; ATE149442T1; CA2151265A1; RU95113449A; DK0673331T3; ES2101491T3; EP0673331A1; WO1994013532A1; US5707026A; FR2698846B1; FR2698846A1; JPH08506782A

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Steuerverfahren eines Luftfahrzeugs zur Verbesserung eines Mikroschwerkraftzustandes und ein entsprechendes System zum Gegenstand. Ihre Anwendungen sind die der Mikroschwerkraft: Materialwissenschaft, Lebenswissenschaften bzw. Biologie, Prüfungen von für den Weltraum bestimmten Materialien, etc...

Stand der vorhergehenden Technik

Man weiß, daß man künstlich im Innern eines Luftfahrzeugs ein sehr geringes Schwerkraftniveau erzeugen kann, indem man dieses Luftfahrzeug auf eine Bahn des freien Falls bringt, anders ausgedrückt indem man einen ballistischen Flug ausführt.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine solche Flugbahn z(t). Auf einem Horizontalflug wird das Luftfahrzeug beschleunigt. Dann fängt man es ab. indem man es eingangs zu einem Steigflug zwingt (ressource d'entree). Anschließend wird der Auftrieb annuliert und der Schub reduziert, um noch den Luftwiderstand zu kompensieren. Das Luftfahrzeug beschreibt dann theoretisch eine elliptische Kurve, die einer Parabel nahekommt. Am Ende der Parabel wird das Luftfahrzeug abschließend abgefangen (ressource de sortie).
Um jede Berührung zwischen der Ausrüstung, mit der die Mikroschwerkraftversuche durchgeführt werden, und dem Rumpf des Luftfahrzeugs zu vermeiden, kann man die Ausrüstung zu Beginn der parabolischen Phase in dem Rumpf aussetzen, damit sie anschließend frei schweben kann ("free-floating" in der angelsächsischen Terminologie).
Um die Flugbahn des Luftfahrzeugs anzupassen, sendet man dem Piloten eine Information, die ihm ermöglicht, den Flug derart zu korrigieren, daß die Ausrüstung im freien Schwebezustand bleibt. Eine erste Lösung besteht darin, daß man die Ausrüstung filmt und im Cockpit die Abbildung der Ausrüstung sichtbar macht. I)er Pilot ist dann in der Lage, zu jedem Zeitpunkt die Flugbahn seines Luftfahrzeugs in Abhängigkeit von der momentanen Lage der Ausrüstung zu korrigieren.
Diese Methode wird z.B. in EP-A-0 486 346 beschrieben. Man bestimmt den Abstand zwischen der Lage der Last und der des Luftfahrzeugs und man steuert dieses so, daß dieser Abstand auf einem bestimmten Wert gehalten wird.
Bei dieser Methode fällt das bei diesen Flügen erzielte Mikroschwerkraftniveau nicht unter 10&supmin;³g, was oft völlig unzureichend ist. Zudem ist diese Methode instabil aufgrund der Reaktionszeit des Luftfahrzeugs. Darstellung der Erfindung Die vorliegende Erfindung verfolgt genau das Ziel, diese Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck schlägt sie ein Steuerverfahren eines Luftfahrzeugs vor, das ermöglicht, Freiflugsequenzen von wenigstens 10 Sekunden durchzuführen und sehr viel bessere Mikroschwerkraftnivaus der Größenordnung 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup6; zu erzielen.
Diese Ziele werden in der Erfindung erreicht durch eine besondere Auswahl der dem Piloten zum Zwecke der Bahnkorrektur gesandten Information. Diese Information ist die Vertikalkomponente der relativen Lage der Ausrüstung, wobei diese Komponente nicht mehr die momentane sondern die vorweggenommene Komponente ist. Diese Vorwegnahme, die in der Praxis einige Sekunden beträgt, ermöglicht dem Piloten, beim Korrigieren der Bahn vorzugreifen. So macht man sich frei von der Reaktionszeit des Luftfahrzeugs und vermeidet gewisse Steuerungsinstabilitäten.
Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung also ein Steuerverfahren eines Luftfahrzeugs zur Verbesserung eines Mikroschwerkraftzustandes zum Gegenstand, das die folgenden Schritte umfaßt:
- man läßt das Luftfahrzeug eine im wesentlichen ballistische Flugbahn ausführen,
- man setzt in dem Luftfahrzeug eine Ausrüstung aus, die in den Mikroschwerkraftzustand versetzt werden soll,
- man erarbeitet aufgrund der Lage, die diese Ausrüstung bezüglich des Luftfahrzeugs einnimmt, eine Infomation,
- man korrigiert die Flugbahn des Luftfahrzeugs in Abhängigkeit von dieser Information,
wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Vertikalkomponente der vorweggenommenen relativen Lage der Ausrüstung bestimmt und dabei die Vorwegnahmezeit festgelegt und einstellbar ist und man die Bahn des Luftfahrzeugs korrigiert in Abhängigkeit von dieser Vertikalkomponente.
Außerdem kann man die Vertikalkomponente der vorweggenommenen relativen Lage der Ausrüstung berechnen aufgrund der Aussetzbedingungen dieser Ausrüstung und der Flugparameter des Luftfahrzeugs. Vorteilhafterweise kann man zudem eine zweite Information ausarbeiten, die die Längskomponente der vorweggenommenen relativen Lage der Ausrüstung ist. Man kann ebenfalls eine dritte Information ausarbeiten, die die Querkomponente der vorweggenommenen relativen Lage der Ausrüstung ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf das manuelle Steuern eines Luftfahrzeugs. Sie kann ebenfalls im Falle einer automatischen Steuerung angewandt werden. In diesem Fall wird die berechnete Information, die erfindungsgemäß aus der Vertikalkomponente der vorweggenommenen Lage besteht, verglichen mit einem Sollwert und die Differenz zwischen der berechneten Information und dem Sollwert bildet ein Fehlersignal, das der automatischen Steuerungskorrektur des Luftfahrzeugs dient.
Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls ein Steuersystem zum Gegenstand, welches das soeben definierte Verfahren anwendet. Dieses System umfaßt:
- Einrichtungen zum Aussetzen einer Ausrüstung in dem Luftfahrzeug, die dazu bestimmt ist, in den Mikroschwerkraftzustand versetzt zu werden,
- Einrichtungen zum Ausarbeiten einer Information aufgrund der von dieser Ausrüstung in bezug auf das Luftfahrzeug einnommenen Lage und zum Anzeigen dieser Information im Cockpit,
wobei dieses System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen zum Ausarbeiten der Information imstande sind, die Vertikalkomponente der vorweggenommenen relativen Lage der Ausrüstung zu berechnen und dabei die Vorwegnahmezeit festgelegt und einstellbar ist.
Bei den vorhergehenden Definitionen wird der Begriff "Luftfahrzeug" für jede Art von Fluggerät benutzt, das imstande ist, sich in der Luft fortzubewegen, insbesondere für jede Art von Flugzeug.
In der Folge der Beschreibung und zur Vereinfachung nimmt man an, daß dieses Luftfahrzeug ein Flugzeug ist und die im Rumpf ausgesetzte Ausrüstung eine Plattform ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

- die Figur 1, schon beschrieben, zeigt die Flugbahn eines Flugzeugs, die ermöglicht, einen Mikroschwerkraftzustand künstlich herzustellen,
- die Figur 2 definiert schematisch ein das Flugzeug betreffendes Bezugssystem,
- die Figur 3 zeigt Einrichtungen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- die Figur 4 ist ein Berechnungsorganigramm der zu übertragenden Information.

Detaillierte Darstellung einer Ausführungsart

Die Figur 2 zeigt schematisch in Teil a die Wände 2 und 4 des Flugzeugs, eine als rund angenommene Plattform M, und eine Beschleunigungsmeßplatine A, fest verbunden mit der Wand 4.
Der Teil b zeigt die Längsbezugsachse X, die die Flugzeugachse ist, wobei diese Achse mit dem Horizont H einen Winkel Θ bildet. Der Winkel Θ ist der Trimm bzw. die Trimmlage des Flug- Zeugs.
Die Figur 3 zeigt ein System zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es umfaßt zunächst ein mechanisches Aussetz- bzw. Abwurfsystem, mit 10 bezeichnet, gebildet durch die eine Plattform M tragende Platte 12, zwei gekreuzte, gelenkig miteinander verbundene Arme 14 zum Einstellen der Anfangs- bzw. Ausgangslage der Plattform M, und eine Abwurfvorrichtung, um ihr eine Anfangsgeschwindigkeit zu geben, und ein Steuergehäuse 16.
Das dargestellte System umfaßt ebenfalls eine Beschleunigungsmeßplatine A (davon kann es mehrere geben).
Das dargestellt System umfaßt noch eine kombinierte Erfassungseinheit UAM, verbunden mit mehreren Sensoren 22 (gyroskopische, gyrometrische, etc... Einheiten) und mit der Beschleunigungsmeßplatine A. Es umfaßt noch einen Computer 30 mit einer Verarbeitungseinheit 32, einem Bildschirm 34 und einer Tastatur 36. Die Verarbeitungseinheit 32 empfängt eine Nachricht von der kombinierten Erfassungseinheit UAM. Diese Verarbeitungseinheit 32 enthält eine Erfassungskarte der von der UAM kommenden Informationen: das Flugzeug und seine Steuercharakteristika betreffende Informationen sowie eine Digital-Analog-Umwandlungskarte, die die berechnete Information in analoger Form liefert, sowie eine digitale Abwurfsystem-Steuerkarte. Außerdem kann der Computer mit einem Drucker 40 verbunden sein.
Als Option und zur Sicherheit besitzt ein Selektor 42 zwei Eingänge, jeweils verbunden mit der kombinierten Erfassungseinheit UAM, von wo er direkt ein Bechleunigungssignal Z erhält, und mit der Verarbeitungseinheit 32, von wo er entweder wieder die Beschleunigung Z erhält oder die vorweggenommene Information 1. Dieser Selektor 42 besitzt einen Ausgang für entweder die Beschleunigung Z oder die Information I.
Schließlich umfaßt das System eine Vorrichtung 50, die die Information 1 (oder Z) anzeigt. Diese Vorrichtung ist vorzugsweise analog und kann Leuchtdioden und zwei Cursor umfassen, wobei dann die Information I oder die Beschleunigung Z (da es sich um dieselbe Anzeige handelt) als ein Streifen erscheint, dessen Höhe den Wert angibt. Es kann irgend eine andere Anzeigevorrichtung vorgesehen werden.
Jede andere Anzeigevorrichtung ist natürlich innerhalb des Rahmens der Erfindung. Insbesondere sind Simulationseinrichtungen oder Digitalanzeigevorrichtungen nicht ausgeschlossen.
Der Fachmann kann die vorweggenommene Lage bzw. Position der Plattform berechnen, entweder aus Positionsmessungen oder aus Berechnungen. Rein beispielhaft wird nun beschrieben, wie die Verarbeitungseinheit 32 die vorweggenommene Information bestimmen kann. Die benutzten Konventionen sind die folgenden:
- der Index "0" betrifft einen in bezug auf ein Boden-Bezugssystem gezählten Wert,
- der Index "av" betrifft einen in bezug auf ein mit dem Flugzeug verbundenes Bezugssystem gezählten Wert,
- γ bezeichnet die Beschleunigung, A die Beschleunigungsmeßplatine, M die Plattform, AM die Distanz von der einen zur anderen.
Wenn die Plattform M im freien Flug ist, kann man γ&sub0;(M)=g schreiben.
Außerdem hat man: γ&sub0;(A)=g+n&sub0;g, mit n&sub0;=P(Θ) nav, wo P(Θ) die Übergangsmatrix ist vom Flugzeugbezugssystem zum Bodenbezugssystem, Funktion von Θ,
Θ der Trimm bzw. die Trimmlage des Flugzeugs ist, erfaßt in Echtzeit,
nav das durch die Beschleunigungsmeßplatine A gelieferte Lastvielfache ist, erfaßt in Echtzeit.
Daraus ergibt sich γ&sub0;(M)-γ&sub0;(A)=-n&sub0; g,
das heißt (d²(AM)/dt²)&sub0;=n&sub0; g
Mit X, Y, Z als Koordinaten von AM und nx, ny, nz als Koordinaten von n ergibt erhält man das folgende System:
X"&sub0;(t) = -nx0(t) g,
Y"&sub0;(t) = -ny0(t) g,
Z"&sub0;(t) = -nz0(t) g.
Wenn man animmt, daß nx0 und nz0 konstant bleiben während eines Zeitschritts t, kann man schreiben:
X&sub0;(t+dt)=X&sub0;(t)+X'&sub0;(t) dt+1/2X"&sub0;(t) dt² dann
X'&sub0;(t+dt)=X'&sub0;(t)+X"&sub0;(t) dt,
Y&sub0;(t+dt)=Y'&sub0;(t)+Y'&sub0;(t) dt+1/2Y"&sub0;(t) dt² dann
Y'&sub0;(t+dt)=Y'&sub0;(t)+Y"&sub0;(t)dt,
Z&sub0;(t+dt)=Z&sub0;(t)+Z'&sub0;(t) dt+1/2Z"&sub0;(t) dt² dann
Z'&sub0;(t+dt)=Z'&sub0;(t)+Z"&sub0;(t) dt.
Man kann dann schreiben:
AMav(t+dt)=p&supmin;¹(Θ(t+dt)) AM&sub0;(t+dt)
mit: Θ(t+dt)=Θ(t)+Θ'(t) dt,
wo Θ' die Dreh- bzw. Rotationsgeschwindigkeit des Flugzeugs ist, erfaßt in Echtzeit.
Dieser Algorithmus ermöglicht also, die Flugbahn der Plattform im Flugzeug zu erhalten. Es sind jedoch auch andere vorstellbar
Wenn man nun animmt, daß nx0, ny0 und nz0 konstant bleiben während einer Zeit dt, so kann man schreiben:
X&sub0;(t+dt)=x&sub0;(t)+x'&sub0;(t) dt+1/2X"&sub0;(t) dt²
Y&sub0;(t+dt)=Y'&sub0;(t)+Y'&sub0;(t) dt+1/2Y"&sub0;(t) dt²
Z&sub0;(t+dt)=Z&sub0;(t)+Z'&sub0;(t) dt+1/2Z"&sub0;(t) dt²
Dann schreibt man:
AMav(t+dt)=p&supmin;¹(e(t+dt)) AM&sub0;(t+dt) mit
Θ(t+dt)=Θ(t)+Θ'(t) dt.
Man erhält so die vorweggenommene relative Lage der Plattform. Auch hier sind andere Algorithmen möglich.
Die dem Pioten gesandte vorweggenommene Information ist Zav(t+dt).
Die Anfangs- bzw. Ausgangsbedingungen sind AM&sub0;(t&sub0;) und (d(AM)/dt)&sub0;(t&sub0;).
Man kann schreiben:
AM&sub0;(t&sub0;)=P(Θ(t&sub0;)) AMav(t&sub0;) mit Amav(to): relative Ausgangslage der Plattform,
und
(d(AM)/dt)&sub0;(t&sub0;)=V&sub0;(M) (t&sub0;)-V&sub0;(A)(t&sub0;)=
Vrel&sub0;(M)(t&sub0;)+ω&sub0;)&sub0;(t&sub0;) AM&sub0;j(t&sub0;),
wo Vrel&sub0;(M)(t&sub0;)=P(Θ(t&sub0;)) Vrelav(M)(t&sub0;) mit
Vrelav(M)(t&sub0;): Aussetzgeschwindigkeit der Plattform, und
ω&sub0;(t&sub0;)=(0, Θ'(t&sub0;),0).
Die Figur 4 schließlich ist ein Berechnungsorgamgramm der Information Zav(t+dt) nach dem soeben beschriebenen Verfahren.
Die Bedeutung der verschiedenen Blöcke ist folgende:
60: Parametereingabe (Tastatur),
62: Parametererfassung (UAM),
64: Berechnung der Übergangsmatrix,
66: Berechnung Ausgangsbedingungen/Bodenbezugssystem
68: Berechnung wirkliche und vorweggenommene Lagen/Bodenbezugssystem,
70: Berechnung vorweggenommene Lage/Flugzeugbezugssystem und Information
72: Übertragung der Information, Anzeige der Parameter, Aufzeichnung der Parameter,
74: Speicherung der Parameter.
In der vorhergehenden Beschreibung werden die Informationen traditionell durch elektrische Signale übertragen, die durch Leiter fließen. Man würde den Rahmen der Erfindung durch die Verwendung drahtloser Datenübertragungseinrichtungen nicht verlassen (Funkeinrichtungen, Infraroteinrichtungen, etc...), vor allem zwischen der Plattform und der Verarbeitungseinheit. Indem man die Plattform derart ausrüstet, ist es möglich, ihre Beschleunigung zu kennen. Man erhält so eine bessere Genauigkeit der Flugbahn.
Man kann ebenfalls das Lastvielfache mit Vorwegnahme (einige Sekunden) in Abhängigkeit von der Tiefensteuerung (commande de profondeur) bestimmen, unter Berücksichtigung der Reaktionszeit des Luftfahrzeugs.
Man kann das System erfindungsgemäß noch mit Kompensationseinrichtungen der Anfangsdrehgeschwindigkeit der Plattform versehen.
Schließlich kann man dem Piloten eine weitere Information liefern, so daß er dem Flugzeug eine Flugbahn geben kann, die die Plattform in gedämpfter Weise in eine bestimmte Position bzw. Lage zurückbringt.

Claims

Steuerverfahren eines Flugzeugs um einem Mikroschwerkraft- Zustand zu verbessern, die folgenden Schritte umfassend:

- man läßt das Flugzeug eine im wesentlichen ballistische Flugbahn ausführen,

- man wirft in dem Flugzeug ein Gerät ab, das in den Mikroschwerkraftzustand versetzt werden soll,

- man erarbeitet auf Grund der Lage, die dieses Gerät bezüglich des Flugzeugs einnimmt, eine Information,

- man korrigiert die Flugbahn des Flugzeugs in Abhängigkeit von dieser Information,

dadurch gekennzeichnet,

daß man die Vertikalkomponente (Zav(t+Δt)) der antizipierten relativen Lage bzw. Winkellage des Geräts (M) bestimmt, wobei die Antizipationszeit (Δt) festgelegt und einstellbar ist und man die Bahn des Flugzeugs in Abhängigkeit von dieser Vertikalkomponente korrigiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vertikalkomponente der antizipierten relativen Lage des Geräts berechnet auf Grund der Abwurfbedingungen dieses Geräts und der Flugparameter des Flugzeugs.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man außerdem eine zweite Information erarbeitet, die die Längskomponente der antizipierten relativen Lage des Geräts ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man außerdem eine dritte Information erarbeitet, die die Querkomponente der antizipierten relativen Lage des Geräts ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Bahn des Flugzeugs durch den Piloten des Flugzeugs ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Bahn des Flugzeugs automatisch erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antizipationszeit (Δt) einige Sekunden beträgt
8. Steuersystem für die Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend:

- Einrichtungen (10) zum Abwerfen - im Flugzeug - eines Geräts, das in den Mikroschwerkraftzustand versetzt werden soll,

- Einrichtungen zum Erarbeiten einer Information auf Grund der Lage, die dieses Gerät im Verhältnis zum Flugzeug einnimmt, und um diese Information im Cockpit anzuzeigen,

wobei dieses System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen (30, UAM) zum Erarbeiten der Information imstande sind, die Vertikalkomponente (Zav(t+Δt)) der antizipierten relativen Lage des Geräts (M) zu berechnen und dabei die Antizipationszeit (Δt) festgelegt und einstellbar ist.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Einrichtungen zum Erarbeiten der Information wenigstens eine Beschleunigungsmeßplatine (A) und eine mit den diversen Meßgebern (22) und der Beschleunigungsplatine (A) verbundene kombinierte Erfassungseinheit (UAM) enhält sowie einen Computer (30), eine Verarbeitungseinheit (32) umfassendend, verbunden mit der kombinierten Erfassungseinheit (UAM), und ein Anzeigeorgan (50), verbunden mit der Verarbeitungseinrichtung (32).