DE69614055T2

DE69614055T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit eines Drehflügelluftfahrzeuges

Info

Publication number: DE69614055T2
Application number: DE69614055T
Authority: DE
Inventors: Alan Brocklehurst
Original assignee: Westland Helicopters Ltd
Current assignee: AgustaWestland Ltd
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JP3860264B2; EP0763743B1; GB9518800D0; EP0763743A1; US5750891A; JPH09127144A; DE69614055D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Luftgeschwindigkeit eines Drehflügelluftfahrzeugs und der Windrichtung und insbesondere auf die Bereitstellung solcher Information bei niedriger Luftgeschwindigkeit.
Ein Mittel zur genauen Erfassung der Luftgeschwindigkeit eines Helikopters und der Windrichtung relativ dazu bei einem Niedriggeschwindigkeitsflug ist sehr erwünscht, insbesondere während bestimmter Betriebsphasen, wie zum Beispiel während eines zurückgewiesenen Take-offs und während des Betriebs von Schiffdecks und Ölbohrplattformen.
Bisher hat es sich als schwierig erwiesen, solche Instrumente mit einer hinreichenden Genauigkeit zu erhalten. Konventionelle am Rumpf angebrachte Einrichtungen, wie zum Beispiel Pitot- und statische Druckerfassungseinrichtungen, werden ungünstig beeinflußt, insbesondere bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten, durch die höchst unregelmäßige Strömung nah an dem Hubschrauberrumpf aufgrund der Wechselwirkung der verschiedenen Einflüsse, umfassend die Auswirkungen des Nachlaufstrahls des Hauptrotors.
In US-A-33 32 282 ist eine Modifikation einer Druckerfassungseinrichtung offenbart, in welcher Pitotsensoren an den Spitzen der Rotorblätter bereitgestellt sind.
Eine andere frühere Vorgehensweise war es, die Rotorsteuerpositionen mit der Luftgeschwindigkeit und der Richtung des Hubschraubers in Beziehung zu setzen. Dies hat sich als schwierig herausgestellt, weil die Schwerpunktslage bekannt sein muß, die Position von Steuer- bzw. Kontrolleinrichtungen, wie zum Beispiel einer Taumelscheibe, muß sehr genau überwacht werden und Zugeständnisse müssen gemacht werden bei den Eingabesteuerungen und den Beschleunigungen, so daß die stetige Luftgeschwindigkeit abgeleitet werden kann.
Eine Hauptaufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Luftgeschwindigkeit eines Drehflügelluftfahrzeugs bereitzustellen, um die zuvor beschriebenen Probleme zu überwinden oder zu reduzieren. Eine weitere Aufgabe ist es, die Hauptaufgabe zu erfüllen, unter Verwendung von Messungen der Luftströmung auf den Haupttragrotorblättern, die direkt in Beziehung gesetzt werden kann zu der Luftgeschwindigkeit und der relativen Windrichtung.
Dementsprechend stellt die Erfindung in einer Ausführung ein Verfahren zum Erfassen der Luftgeschwindigkeit eines Drehflügelluftfahrzeugs bereit, das einen Tragrotor mit einer Anzahl von sich radial erstreckenden Rotorblättern zur Drehung um eine im wesentlichen vertikale Achse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt, fortlaufend auf zumindest einem der Rotorblätter des Tragrotors einen Blattströmungs- Seitenschiebewinkel, der sich auf der Oberfläche des Blatts durch Wechselwirkung zwischen einer durch den relativen Windvektor verursachten Radialströmung und einer senkrecht zu einer Blattverstellachse aufgrund der Drehung des Blatts auftretenden Geschwindigkeit einstellt, zu messen, ein für den genannten Seitenschiebewinkel repräsentatives Signal zu erzeugen, Phase und Amplitude des Signals in einer Verarbeitungseinrichtung zu bestimmen, die Informationen über eine bekannte Beziehung zwischen der Phase des Signals und der relativen Windrichtung und zwischen der Amplitude des Signals und der Größe der Luftgeschwindigkeit enthält, und Ausgangssignale, die für die Größe der Luftgeschwindigkeit und die relative Windrichtung repräsentativ sind, an eine Anzeigeeinrichtung abzugeben.
In einer weiteren Ausführung stellt die Erfindung ein System zum Anzeigen der Luftgeschwindigkeit für ein Drehflügel-Luftfahrzeug bereit, das einen Tragrotor mit einer Anzahl von sich radial erstreckenden Rotorblättern zur Drehung um eine im wesentlichen vertikale Achse aufweist, mit einer Erfassungseinrichtung auf zumindest einem der Rotorblätter zum Erfassen eines Blattströmungs-Seitenschiebewinkels, der sich auf der Oberfläche des Blatts durch Wechselwirkung zwischen einer Radialströmung, die sich durch einen relativen Windvektor und eine Rotationsgeschwindigkeit senkrecht zu einer Blattverstellachse aufgrund der Drehung des Blatts einstellt, und zum Erzeugen eines Signals, das für den Blattströmungs- Seitenschiebewinkel repräsentativ ist, einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen des Signals an eine Verarbeitungseinrichtung auf oder in dem Rumpf des Luftfahrzeugs, wobei die Verarbeitungseinrichtung Informationen über eine bekannte Beziehung zwischen der Phase des Signals und der relativen Windrichtung und zwischen der Amplitude des Signals und der Größe der Luftgeschwindigkeit enthält, und wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu bestimmt ist, die Phase und Amplitude des Signals daraus zu bestimmen und Ausgangssignale, die für die Größe der Luftgeschwingkeit und die relative Windrichtung repräsentativ sind, bereitzustellen, und mit einer Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Ausgangssignale.
Der Luftströmungs-Seitenschiebewinkel β kann durch die Gleichung ausgedrückt werden:
β = arctan{Vcos(Ψ + θ)/(xVT + Vsin (Ψ + θ))},
wobei:
V die Geschwindigkeit des relativen Winds ist, d. h. die Luftgeschwindigkeit,
θ die Richtung des relativen Windvektors ist,
VT die Spitzengeschwindigkeit der Rotorblätter ist,
x die radiale Position der Seitenschiebe-Detektoren auf den Blättern ist, und
Ψ der Rotorblatt-Azimutwinkel ist.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen Hubschrauber ist und Geschwindigkeitsvektoren zeigt, die in dem Verfahren und der Vorrichtung dieser Erfindung verwendet werden,
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die eine Beziehung zwischen einem Blattströmungs- Seitenschiebewinkel und der Luftgeschwindigkeit zeigt,
Fig. 3 den Blattströmungs-Seitenschiebewinkel gegen den Rotor-Azimut für ausgewählte Luftgeschwindigkeiten über 50 Knoten zeigt,
Fig. 4 den Blattströmungs-Seitenschiebewinkel gegen den Rotor-Azimut für ausgewählte Geschwindigkeiten unter 50 Knoten zeigt,
Fig. 5 den Blattströmungs-Seitenschiebewinkel gegen den Rotor-Azimut zeigt und einen Wechsel in der Phase aufgrund eines Wechsels in dem Wind-Azimut illustriert,
Fig. 6 wünschenswerte Charakteristika eines Seitenschiebesensors illustriert,
Fig. 7 bis 10 einige geeignete Erfassungseinrichtungen und Anordnungen zeigen; und
Fig. 11 ein geeignetes Instrument zur Anzeige von Luftgeschwindigkeit- und Windrichtungsinformationen zeigt.
Mit Bezug auf Fig. 1 umfaßt ein Hubschrauber, in einer schematischen Draufsicht gezeigt, einen Rumpf 21 mit einem sich nach hinten erstreckenden Heckausleger 22, der symmetrisch zu einer Längsmittellinie 26 angebracht ist. Der Hubschrauber hat einen Haupttragrotor 23, der vier Rotorblätter 23A, 23B, 23C und 23D umfaßt, die sich radial von einem Rotorkopf (nicht dargestellt) zur Drehung um eine im wesentlichen vertikale Achse 24 in einer im wesentlichen horizontalen Ebene in Richtung des Pfeils 24A erstrecken. Ein Gegendrehmomentrotor 25 ist am Ende des Heckauslegers 22 plaziert.
Die azimutale Position der Rotorblätter in der Drehscheibe wird typischerweise von 0º an gekennzeichnet, bezogen auf die Längsmittellinie am hinteren Ende des Heckauslegers 22 in Richtung der Rotation, und die 0º, 90º, 180º und 270º Azimutpositionen sind in Fig. 1 gekennzeichnet. Diese kennzeichnende Vereinbarung wird im Verlauf dieser Beschreibung beibehalten.
Normalerweise, wenn der Hubschrauber vorwärts parallel zu der Längsmittellinie 26 fliegt, wird ein Rotorblatt, welches sich zwischen 0º und 180º Azimut bewegt, als vorlaufendes Blatt bezeichnet, und wenn es sich zwischen 180º und 360º bewegt, als rücklaufendes Blatt. In dieser Beschreibung jedoch werden diese Bezeichnungen angewendet, bezogen auf eine Drehung der Blätter beginnend an Positionen senkrecht zu einem relativen Windvektor (wie nachstehend beschrieben). Im Gegensatz dazu sind Windazimutwinkel mit 0º gekennzeichnet, die sich in der Nähe der Nase des Hubschraubers befinden, und im Uhrzeigersinn umlaufend von dieser Position.
Das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung basieren auf der Erkenntnis durch den Erfinder, daß während sich ein Hubschrauber in irgendeiner Richtung relativ zu dem Wind bewegt, eine zyklische Luftstromgeschwindigkeitskomponente entlang der radialen Dimension, d. h. der Spannweite, der Hauptrotorblätter erzeugt wird.
Die Geschwindigkeitsvektordiagramme, die sich auf diese Erfindung beziehen, sind in Fig. 1 gezeigt. Das Vektordiagramm im oberen Bereich der Figur ist eine Darstellung einer Hubschraubergeschwindigkeit 27, die als Vorwärtsgeschwindigkeit entlang der Längsmittellinie 26 dargestellt ist, und einer natürlichen Windrichtung 28, welche in einen tatsächlich durch den Hubschrauber wahrgenommenen relativen Windvektor 29 aufgelöst ist. Der relative Windvektor 29 erstreckt sich unter einem Winkel α von der 0º Windazimutposition und beträgt, nur zum Zwecke der Beschreibung, 75º, wie in Fig. 1 gezeigt.
Die in Verbindung mit den Rotorblättern 23A und 23C gezeigten Vektordiagramme sind an einer vorbestimmten radialen Position plaziert (wie nachstehend diskutiert) und umfassen einen Rotationsgeschwindigkeitsvektor 30, der senkrecht zu einer Blattverstellachse liegt, und den relativen Windvektor 29. Diese Vektoren zerfallen in einen Vektor 31, der mit einem Vektor 30 einen Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β definiert. Es wird deutlich, daß β ein Maximum einnimmt bezüglich der diametral entgegengesetzten Blätter 23A und 23C, welche parallel zu dem relativen Windvektor 29 (bei Blattazimutpositionen von 105º und 285º, wie zuvor definiert) sind, und daß β Null ist (d. h., daß es keinen Blattströmungs- Seitenschiebewinkel gibt) auf diametral entgegengesetzten Blättern 23B und 23D, wo die Rotationsgeschwindigkeit 30 und der relative Windvektor 29 parallel sind (bei Blattazimutpositionen von 15º und 195º).
Daher wird klar, daß die tatsächliche Azimutposition der maximalen und nullwertigen Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β von der Richtung des relativen Windvektors 29 abhängt und daß diese immer ungefähr 90º sein wird, mit Ausnahme in der Rotordrehscheibe, wie durch Gleichung 1 bestimmt.
Dementsprechend erfährt jedes der Rotorblätter 23A, 23B, 23C und 23D eine Variation in dem Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β, während sich die Blätter um den Rotor-Azimut drehen, und der Erfinder hat herausgefunden, daß die Luftgschwindigkeit und die relative Windrichtung durch Messungen des Blattströmungs-Seitenschiebewinkels β bestimmt werden können.
Die Beziehung zwischen dem Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β und der Luftgeschwindigkeit in Richtung des relativen Windvektors ist durch die Gleichung gegeben:
β = arctan{Vcos(Ψ + θ)/(xVT + Vsin(Ψ + θ))} ..................................(1), wobei:
V die Geschwindigkeit des relativen Winds ist, d. h. die Luftgschwindigkeit,
θ die Richtung des relativen Windvektors ist,
VT die Spitzengeschwindigkeit der Rotorblätter ist,
x die radiale Position der Seitenschiebe-Detektoren auf den Blättern ist, und
Ψ der Rotorblatt-Azimutwinkel ist.
Fig. 2 ist ein Graph, bei dem verschiedene maximale Blattströmungs-Seitenschiebewinkel (βMAX) gegen die Luftgeschwindigkeit (in Knoten) an einem unteren Ende des Geschwindigkeitsbereichs gezeigt sind, und der klar zeigt, daß die Beziehung nahezu linear ist. Obwohl nicht dargestellt, wurde herausgefunden, daß diese im wesentlichen lineare Beziehung sich bei einem Hubschrauber über alle interessierenden Blattströmungs-Seitenschiebewinkel bis zu einem Maximum von 34º erstreckt, was einer Luftgeschwindigkeit von ungefähr 200 Knoten entspricht.
Fig. 3 zeigt den Blattströmungs-Seitenschiebewinkel (β) gegen den Rotor-Azimut (Ψ) bei einem relativen Windvektor θ = 0, einer Spitzengeschwindigkeit der Rotorblätter VT = 670 Fuß/Sek. und einer Sensorposition x = 0,75 und zeigt die resultierenden Kurven bei Luftgeschwindigkeiten von 50, 100 und 150 Knoten. Der Graph zeigt, daß maximale und minimale Blattströmungs-Seitenschiebewinkel (d. h. Seitenschiebewinkel von entgegengesetztem Vorzeichen) ungefähr mittig zwischen den Punkten auftreten, wo die Kurven durch die Achse bei einem nullwertigen Blattströmungs-Seitenschiebewinkel hindurchgehen.
Da die Gleichung (1) eine Division durch eine Konstante plus einem zyklischen Term umfaßt, werden höhere Harmonische in dem Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β gefunden, und dies war insbesondere evident, als die Luftgeschwindigkeiten über ca. 50 Knoten stiegen, wie in Fig. 3 gezeigt. Wie jedoch in Fig. 4 gezeigt, verschwinden die höheren Harmonischen fast bei den gleichen Auslegungsparametern, und der Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β nähert sich einer einfachen Kosinusvariation bei Geschwindigkeiten von weniger als 50 Knoten.
Fig. 4 umfaßt Kurven zur Darstellung der Luftgeschwindigkeit bei 10, 20, 30, 40 und 50 Knoten, und wie zu erwarten, werden mit θ (Windvektor) = 0 die maximalen Blattströmungs- Seitenschiebewinkel (β) bei 0º und 180º erreicht und nullwertige Blattströmungs- Seitenschiebewinkel treten an den Achsdurchgangspunkten bei 90º und 270º Azimut auf.
Der Wechsel in der Phase des Blattströmungs-Seitenschiebewinkels β aufgrund einer Veränderung in dem relativen Windvektor 0 ist in Fig. 5 gezeigt für eine relative Windgeschwindigkeit V (oder Luftgeschwindigkeit) von 10 Knoten. Die durchgezogene Linie ist eine Darstellung der 10 Knoten-Luftgeschwindigkeitskurve der Fig. 4 in einem größeren Maßstab, und die gestrichelte Linie zeigt die Kurve bei der gleichen Luftgeschwindigkeit, aber bei einem relativen Windvektor 0 = 30º.
Wie dargestellt treten die maximalen Blattströmungs-Seitenschiebewinkel nun bei 150 und 330º Rotor-Azimut auf, und ein nullwertiger Blattströmungs-Seitenschiebewinkel tritt bei 60 und 240º Rotor-Azimut auf. Daher gibt es keine Variation in der Amplitude bezogen auf den Blattströmungs-Seitenschiebewinkel, sondern nur eine Veränderung in der Phase.
Es wird gezeigt, daß die maximale Amplitude des Blattströmungs-Seitenschiebewinkels β in Fig. 5 annähernd 2º ist, was durch geeignete Sensoren einfach meßbar sein sollte, und viel größer ist als irgendeine zyklische Verzögerungsbewegung der Rotorblätter selbst. Es wird erwartet, daß der Blattströmungs-Seitenschiebewinkel besser als 0,5º auflösbar sein sollte, in welchem Fall die Luftgeschwindigkeit mit ca. 2 Knoten auflösbar sein sollte.
Wie nun klar sein wird, hängt diese Erfindung von der Messung des Blattströmungs- Seitenschiebewinkels β ab, der resultiert aus radialen und tangentialen Luftströmungskomponenten, die auf ein rotierendes Rotorblatt wirken, und dies bedeutet, daß ein geeigneter Blattströmungs-Seitenschiebewinkeldetektor so auf dem Blatt positioniert werden muß, um unabhängig von dem Blattanstellwinkel zu sein und entfernt von Spitzeneffekten. Aus diesen Gründen kann es vorteilhaft sein, daß der Sensor auf einer unteren Oberfläche des Rotors angebracht ist und in einem Bereich zwischen ca. 50% und 95% Blattiefe, wo die lokale Geschwindigkeit relativ unabhängig von dem Anstellwinkel und der Wärmeübertragungskoeffizient annähernd konstant ist.
Die radiale Position des Blattströmungs-Seitenschiebesensors wird ein Kompromiß sein zwischen dem Erfordernis der Maximierung des resultierenden Blattströmungs- Seitenschiebewinkels durch eine innenliegende Anbringung des Sensors und dem Erfordernis, höhere Harmonische zu minimieren, und der Vermeidung irgendwelcher Interferenzeffekte durch den Rumpf, durch eine hinreichend nach außen gerichtete Anbringung desselben. Der Sensor sollte daher außerhalb einer 50%igen radialen Position und bevorzugt bei einer 75%igen radialen Position positioniert sein, wo der Einfluß der Nase und des Heckauslegers nur eine kleine Störung des Blattströmungs-Seitenschiebewinkels produzieren sollte und die Auswirkungen von Blattspitzenwirbeln, die sich mit dem messenden Rotorblatt überkreuzen, übergangsweise sein werden, und durch eine Filterung des Signals entfernt werden können.
Irgendein geeigneter Blattströmungs-Seitenschiebewinkelsensor kann verwendet werden, obwohl die Bauart so sein muß, daß ein elektrischer Ausgang (Volt) im wesentlichen linear proportional zu dem Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β ist, wie in der durchgezogenen Linie in Fig. 6 gezeigt. Eine Reduzierung der Empfindlichkeit bei großen Blattströmungs- Seitenschiebewinkeln kann akzeptabel sein und herauskalibriert werden, jedoch ist ein Verlust an Empfindlichkeit bei kleinen Blattströmungs-Seitenschiebewinkeln, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt, inakzeptabel, da es die Genauigkeit reduzieren würde, mit der die Luftgeschwindigkeit aufgelöst werden kann.
Verschiedene alternative Instrumentationssysteme sind geeignet zur Verwendung einer direkten Messung des Blattströmungs-Seitenschiebewinkels oder alternativ der radialen Strömungskomponente, aus der der Blattströmungs-Seitenschiebewinkel berechnet werden kann.
Zwei Ausführungen eines druckempfindlichen Gierungsmessers, ähnlich dem in Windkanalmessungen verwendeten und an die Messung des Blattströmungs-Seitenschiebewinkels β angepaßten, sind in Fig. 7 gezeigt, in welchem der gezeigte Abschnitt des Blatts 23 umgedreht gezeigt ist. Daher ist entweder eine kleine aerodynamisch geformte blasenförmige Kontur 32 oder eine zulaufende Schaufel 33 in Blattiefenrichtung an dem Blatt 23 angebracht zur Trennung von Drucköffnungen 34, die mit einem Differenzialdruckwandler (nicht dargestellt) verbunden sind, zur Messung der Differenzialdrücke infolge des Blattströmungs- Seitenschiebewinkels.
Ein weiteres alternatives System zur Messung des Blattströmungs-Seitenschiebewinkels, welches mögliche nachteilige Auswirkungen der Zentrifugalkraft eliminiert, ist in Fig. 8 gezeigt und verwendet Heißfilmmeßelemente 35, die an entgegengesetzten Oberflächen einer aerodynamischen blasenförmigen Kontur 36 positioniert sind, um die differenzielle Wärmeübertragung, die durch die Luftströmung erzeugt, um die Kontur 36 erzeugt wird, auf der Oberfläche des Blatts 23 zu messen. Die Meßelemente können als Bestandteil der aerodynamischen Kontur hergestellt werden und mit einer Schutzschicht überzogen sein, um Verunreinigungen zu vermeiden.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform könnten temperaturempfindliche Transistoren in Positionen ähnlich der der Meßelemente 35 der Fig. 8 verwendet werden, um den Unterschied in der Wärmeübertragung auf jeder Seite der aerodynamischen Kontur 36 zu messen, aus welcher der Seitenschiebewinkel β berechnet werden kann.
Die aerodynamische Kontur 36 und die Heißfilmmeßelemente 35 oder temperaturempfindliche Transistoren und die notwendige elektrische Verkabelung können in existierende Rotorblätter nachgerüstet oder bei der Herstellung von neuen Blättern eingebracht werden.
Eine andere Art von Heißfilmeinrichtung, geeignet zur Messung von sowohl der Richtung wie auch der Größe der Strömung über eine Oberfläche, besteht aus Doppelheißfilmstromfäden 37 mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von ungefähr 100 und in Form eines umgedrehten 'V' angebracht, wie in Fig. 9 gezeigt. Ein derartiges Meßelement erfaßt die Strömungsrichtung oberhalb einer glatten Oberfläche durch Messung von Unterschieden in der thermischen Grenzschicht, und die Wärmeübertragung von den Meßelementen und daher folgt ihr Ausgang folgt einer Kosinusbeziehung mit der einfallenden Strömung (wobei der Kosinus zu einer gebrochenen Potenz erhoben ist), von der ein differenzielles Signal erhalten werden kann.
Ein derartiges Heißfilm - 'V' - Meßelement wird als besonders geeignet angesehen zur Verwendung in dieser Erfindung, da das Doppelmeßelement 37 entweder direkt auf der Blattoberfläche angebracht werden kann, wodurch ein Nachrüsten möglich ist, oder auch zuletzt während der Herstellung des Blatts angebracht werden kann. Eine Analyse der Charakteristika derartiger Einrichtungen legt nahe, daß eine optimale Konfiguration erreicht werden kann, welche sowohl die Empfindlichkeit in dem interessierenden Bereich des Blattströmungs- Seitenschiebewinkels maximiert und als auch Ausgang innerhalb dieses Bereiches linear hält.
Eine weitere Methode zur Messung der radialen Luftströmung entlang eines Rotorblatts, von welcher der Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β einfach berechnet werden kann, ist die Verwendung von Ultraschall. Eine mögliche Anordnung ist in Fig. 10 gezeigt, in welcher das Rotorblatt 23 wiederum umgedreht gezeigt ist, umfassend zwei Ultraschallwandler 38 (zur Klarheit vergrößert gezeigt), die in Blattiefenrichtung auf der unteren Oberfläche beabstandet angebracht sind.
Diese Methode hat den Vorteil, daß sie weder durch Zentrifugalkräfte oder Verunreinigungen noch durch Brückenabgleicherfordernisse beeinflußt wird, und wäre sehr robust. Da die Wandler 38 relativ klein sind, kann das System zusammen mit der Funkübertragungselektronik in einem Detektorgehäuse untergebracht werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Richtung des Luftstroms ist die Verwendung von Laserlicht. Kleine Laserdioden könnten ebenso angebracht werden, um die radiale Strömungsgeschwindigkeit zu messen.
Das elektrische Signal von den Blattströmungs-Seitenschiebewinkeldetektoren (eines jeglichen Typs) wird von den rotierenden Blättern an eine Signalverarbeitungseinheit P in dem Rumpf des Luftfahrzeugs geleitet. Dies kann bewerkstelligt werden durch Verwendung von Kontaktschleifringen, aber ein System basierend auf nicht kontaktartiger Übertragung unter Verwendung von Radiowellen oder anderen Einrichtungen ist bevorzugt. Das Übertragungssystem kann klein, leichtgewichtig, robust und kostengünstig sein. Die notwendige elektrische Verkabelung kann in neue Blätter während der Herstellung eingebaut werden, und Sensor- und Übertragungselektroniken könnten integriert werden.
Die Signalverarbeitungseinheit wird Informationen in geeigneter Form enthalten, betreffend die Beziehung zwischen dem Blattströmungs-Seitenschiebewinkel β und der Luftgeschwindigkeit. Die Signalverarbeitung ist unkompliziert, da nur eine Filterung des Signals von den Seitenschiebedetektoren und eine Bestimmung von dessen Phase und Amplitude notwendig ist. Bei niedrigen Geschwindigkeiten (wie in Fig. 3 gezeigt) folgt das Signal eng einer Kosinuswelle, wobei sich die Phase und Amplitude direkt mit dem relativen Windvektor und der Luftgeschwindigkeit in Beziehung stehen. Der Phasenwinkel kann bestimmt werden durch Messung des nullwertigen Seitenschiebewinkels, der Punkte in dem Rotor-Azimut kreuzt, um Auswirkungen von jedweden höheren Harmonischen, die bei hohen Luftgeschwindigkeiten vorliegen, zu minimieren. Da die Amplitude und Phase der Harmonischen nur von dem Fortschritts- bzw. Vorlaufverhältnis abhängen, kann das verarbeitete Signal auch zur Verwendung bei hohen Vorwärtsgeschwindigkeiten geeignet kalibriert werden.
Die resultierenden, verarbeiteten Signale, die sich sowohl auf die Luftgeschwindigkeit als auch auf den relativen Windvektor beziehen, können in das vorhandene Instrumentarium in einem Cockpit zur Anzeige für einen Piloten eingegliedert werden. Alternativ könnte ein spezielles Instrument, wie in Fig. 11 gezeigt, verwendet werden. Das Instrument 39 beinhaltet digitale Anzeige 40 und 41 zur Darstellung des relativen Windvektors und der Luftgeschwindigkeit, und einen zentralen kreisförmigen Bildschirm 42 mit einem bewegbaren Balken 43, der die Richtung des relativen Windvektors von der Längsmittellinie des Helikopters anzeigt, wie bei 26 gezeigt. Die Länge des Balkens 43 variiert mit der Luftgschwindigkeit, um in Verbindung mit konzentrischen Ringen 44, die verschiedene Luftgeschwindigkeiten darstellen, eine visuelle Anzeige der Luftgeschwindigkeit für den Piloten bereitzustellen.
Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben und gezeigt wurden, wird verstanden werden, daß viele Modifikationen vorgenommen werden können, ohne das Ziel der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann das Verfahren und die Vorrichtung auf ein Drehflügelluftfahrzeug mit irgendeiner Zahl von Rotorblättern verwendet werden. Irgendeine geeignete Meßeinrichtung kann verwendet werden und eine Vielzahl von Sensoren kann auf jedem Blatt verwendet werden, um den Bereich und die Empfindlichkeit des Systems auszudehnen oder zu optimieren. Bei solch einer Anordnung könnten automatische Schalter zwischen der Vielzahl von Sensoren eingebracht sein, um verschiedene Betriebsphasen abzudecken. Bei manchen Anordnungen können der oder die Sensoren auf einer oberen Oberfläche der Rotorblätter positioniert sein.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen der Luftgeschwindigkeit eines Drehflügelluftfahrzeugs (10), das einen Tragrotor (23) mit einer Anzahl von sich radial erstreckenden Rotorblättern (23A- 23D) zur Drehung um eine im wesentlichen vertikale Achse (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt, fortlaufend auf zumindest einem der Rotorblätter (23A-23D) des Tragrotors (23) einen Blattströmungs-Seitenschiebewinkel (β), der sich auf der Oberfläche des Blatts durch Wechselwirkung zwischen einer durch den relativen Windvektor (29) verursachten Radialströmung und einer senkrecht zu einer Blattverstellachse aufgrund der Drehung des Blatts auftretenden Geschwindigkeit (30) einstellt, zu messen, ein für den genannten Seitenschiebewinkel (β) repräsentatives Signal zu erzeugen, Phase und Amplitude des Signals in einer Verarbeitungseinrichtung zu bestimmen, die Informationen über eine bekannte Beziehung zwischen der Phase des Signals und der relativen Windrichtung und zwischen der Amplitude des Signals und der Größe der Luftgeschwindigkeit (V) enthält, und Ausgangssignale, die für die Größe der Luftgeschwindigkeit (V) und die relative Windrichtung repräsentativ sind, an eine Anzeigeeinrichtung (39) abzugeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Blattströmungs- Seitenschiebewinkel (β) durch die folgende Gleichung ergibt:

β = arctan{Vcos(Ψ + 6)/(xVT + Vsin(Ψ + θ))}

wobei:

V die Geschwindigkeit des relativen Winds ist, d. h. die Luftgeschwindigkeit,

θ die Richtung des relativen Windvektors ist,

VT die Spitzengeschwindigkeit der Rotorblätter ist,

x die radiale Position der Seitenschiebe-Detektoren auf den Blättern ist, und

Ψ der Rotorblau-Azimuthwincel ist.

3. System zum Anzeigen der Luftgeschwindigkeit für ein Drehflügel-Luftfahrzeug (10), das einen Tragrotor (23) mit einer Anzahl von sich radial erstreckenden Rotorblättern (23A- 23D) zur Drehung um eine im wesentlichen vertikale Achse (24) aufweist, mit einer Erfassungseinrichtung (32/33; 34; 35; 36; 37; 38) auf zumindest einem der Rotorblätter (23) zum Erfassen eines Blattströmungs-Seitenschiebewinkels (β), der sich auf der Oberfläche des Blatts durch Wechselwirkung zwischen einer Radialströmung, die durch einen relativen Windvektor (29) und eine Rotationsgeschwindigkeit (30) senkrecht zu einer Blattverstellachse aufgrund der Drehung des Blatts (23) einstellt, und zum Erzeugen eines Signals, das für den Blattströmungs-Seitenschiebewinkel (β) repräsentativ ist, einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen des Signals an eine Verarbeitungseinrichtung (P) auf oder in dem Rumpf des Luftfahrzeugs, wobei die Verarbeitungseinrichtung (P) Informationen über eine bekannte Beziehung zwischen der Phase des Signals und der relativen Windrichtung und zwischen der Amplitude des Signals und der Größe der Luftgeschwindigkeit (V) enthält, und wobei die Verarbeitungseinrichtung (P) dazu bestimmt ist, die Phase und Amplitude des Signals daraus zu bestimmen und Ausgangssignale, die für die Größe der Luftgeschwindigkeit (V) und die relative Windrichtung repräsentativ sind, bereitzustellen, und mit einer Anzeigeeinrichtung (39) zum Anzeigen der Ausgangssignale.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (39) dazu bestimmt ist, die Luftgeschwindigkeit (41) und die relative Windrichtung (40) anzuzeigen.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System ein Mittel enthält, um durch Funk oder ähnliches das Signal von der Erfassungseinrichtung (32/33; 34; 35; 36; 37; 38) zu der Verarbeitungseinrichtung (P) zu übertragen.

6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (32/33; 34; 35; 36; 37; 38) auf der unteren Oberfläche des Rotorblatts (23) und in einem Bereich zwischen etwa 50% und etwa 95% der Blattiefe angeordnet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (32/33; 34; 35; 36; 37; 38) außerhalb eines Punkts von etwa 50% der Radialabmessung angeordnet ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (32/33; 34; 35; 36; 37; 38) an einem Punkt von etwa 75% der Radialabmessung angeordnet ist.

9. System nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (32/33; 34; 35; 36; 37; 38) ein elektrisches Signal erzeugt, das den Seitenschiebewinkel (β) anzeigt.

10. System nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung zumindest eines der folgenden Elemente enthält:

a) eine druckaufnehmende Winkelsonde (32/33; 34) die ein Paar getrennter Drucköffnungen (34) aufweist, die an einem Differentialdruckübertrager angeschlossen sind, der die Differentialdrücke auf dem Rotorblatt (23) aufgrund der seitlichen Schiebung mißt;

b) ein Paar Heißfilm-Meßelemente (35), die so angebracht sind, daß sie die differentielle Wärmeübertragung aufgrund der Luftströmung auf der Oberfläche des Blatts (23) messen;

c) ein Heißfilm-V-Meßelement (37), das die Strömungsrichtung über der Oberfläche des Blatts (23) durch Messen von Unterschieden in der thermischen Grenzschicht und die Wärmeübertragung von den Meßelementen (37) erfaßt;

d) ein Paar Ultraschall-Übertrager (38), die in Blattiefenrichtung beabstandet auf dem Blatt (23) angeordnet sind;

e) eine oder mehrere Laserdioden, die so angeordnet sind, daß sie eine radiale Strömungsgeschwindigkeit erfassen.

11. System nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es mehr als eine unterschiedliche Art von Erfassungseinrichtungen (32/33; 34; 35; 36; 37; 38) umfaßt, um die radiale Strömungsgeschwindigkeit zu erfassen und ein Signal an die Verarbeitungseinrichtung abzugeben.