DE4013678A1 - Helmvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Helmvorrichtung nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Helmvor­ richtung, die von Piloten und anderen Besatzungsmitgliedern an Bord von gut manövrierbaren Flugzeugen getragen werden.

Es ist bekannt, daß Piloten und andere Besatzungsmitglieder bei heftigen Flugzeugmanövern starken Beschleunigungskräften unterworfen sind, die zu einer Reihe von Nachteilen führen. Insbesondere ist es für die Piloten von Militärflugzeugen sehr schwierig, eine Kopfstellung beizubehalten, die einen richtigen Ausblick aus dem Flugzeug gewährleistet. Zusätz­ liche vom Kopf getragene Massen, wie beispielsweise Helme, Sichtvorrichtungen usw., vergrößern dieses Problem. Die Verbindungsstücke, Kabel und Leiter, die zum Betrieb solcher Vorrichtungen erforderlich sind, erhöhen zudem den Wider­ stand zum Bewegen solcher Helme.

Es besteht die Aufgabe, die Helmvorrichtung so auszubilden, daß die Muskelanstrengungen zur Bewegung des Kopfes ver­ mindert werden bzw. daß die Muskelanstrengungen zur Beibe­ haltung einer bestimmten Kopfstellung bei Beschleunigungen vermindert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Mit dem Erfindungsgegenstand können Flugzeugbesatzungen weit größere Beschleunigungen als üblich aushalten, die Beschleunigungskräfte können über längere Zeit wirken und es ist auch möglich, am Helm zusätzliche Vorrichtungen anzu­ bringen, ohne daß darunter die Bewegungsmöglichkeiten des Kopfes leiden.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des einen Helm tragenden Kopf eines Piloten zur Erläuterung der um die Kippachse wirkenden Kräfte;

Fig. 2 eine Vorderansicht auf Kopf und Helm zur Er­ läuterung der um die Rollachse wirkenden Kräf­ te;

Fig. 3 eine Draufsicht auf Kopf und Helm zur Erläu­ terung der um die Gierachse wirkenden Kräfte;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Helm­ vorrichtung und der damit verbundenen Steuer­ elemente;

Fig. 5 eine Darstellung der Bauteile der Vorrichtung zum Anbringen an einen konventionellen Helm, wie bei Fig. 4 vorgesehen;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer inte­ gralen Helmvorrichtung;

Fig. 7 ein perspektivischer Teilschnitt der bei Fig. 6 verwendeten Betätigungsbälgen und

Fig. 8 eine weitere Helmvorrichtung in perspektivi­ scher Darstellung.

Die Helmvorrichtung nach den Fig. 1 bis 5 besteht aus einem konventionellen Helm 1 und 6 Betätigungsgliedern in Form von getrennten Luftsäcken 2 bis 7, welche an einem Tragrahmen 8 angeordnet sind, der am Helm gesichert ist. Die Luftsäcke sind am Rahmen 8 so angeordnet, daß wenn sie aufgeblasen werden, sie in Kontakt treten mit dem oberen Teil des Trägers 9 oder der Kopfstütze 10 des Sitzes. Die Luftsäcke 2 bis 7 sind einzeln mit Luft auf­ blasbar und entlüftbar, wobei die Luft unter der Steuerung eines Steuersystems 12 von einer Pneumatikquelle 11 im Flugzeug zugeführt wird, um die Kraft zwischen dem Helm und dem Körper 9 des Trägers oder der Kopfstütze 10 zu erhöhen oder zu vermindern.

In Fig. 1 sind die Luftsäcke 2 und 6 teilweise aufgeblasen dargestellt. Eine auf den Piloten nach oben wirkende Be­ schleunigung führt dazu, daß der Schwerkraftmittelpunkt 13 der Kombination aus Kopf und Helm infolge der dort an­ greifenden Massekraft 14 um den natürlichen Drehpunkt 15 an der Halsbasis nach unten gedreht wird. Diese Drehbe­ wegung und damit die nach unten wirkende Kraft 14 wird aufgefangen durch den Druck im Luftsack 2, der sowohl gegen den Helm 1 nach oben, als auch gegen den Körper des Piloten nach unten anliegt. Vorwärtskomponenten der Beschleunigung bewirken eine vom Schwerkraftmittelpunkt 13 nach hinten verlaufende Massekraft 16, welche aufgefangen wird durch den Druck im Luftsack 6, der an der Rückseite des Helms 1 angeordnet ist und welcher gegen die Kopfstütze 10 wirkt. Durch Verändern der Luftmenge in den Luftsäcken 2 und 6 ist es möglich, eine stabile Position des Kopfs des Pilo­ ten bei variierenden Beschleunigungen zu erhalten, ohne daß dazu der Pilot eine Muskelkraft aufzuwenden hätte.

Die auf diese Weise auf den Kopf des Piloten über seinen Helm 1 wirkenden Kräfte sind in erster Linie linear, wobei die Kraftrichtungen tangential zu dem Drehpunkt 15 verlau­ fen. Die Betätigungsglieder sind so angeordnet, daß die Kräfte in rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen wir­ ken, so daß der Helm in jede gewünschte Stellung oder Orientierung gedreht und versetzt werden kann.

Die Fig. 2 zeigt eine Frontansicht der Helmvorrichtung. Hierbei wirkt der Luftsack 4 zwischen dem Helm 1 und dem Körper 9 des Piloten zur Stabilisierung des Helms gegen eine seitliche durch Beschleunigung bewirkte Massekraft 17, die dazu tendiert, den Kopf des Piloten seitlich um den Nackendrehpunkt 15 zu kippen. Der Luftsack 2 auf der nach oben gehenden Seite des Helms ist entlüftet darge­ stellt und kann rasch aufgeblasen werden, wenn eine Masse­ kraft 17 seitlich in Gegenrichtung wirkt, wie durch den gestrichelt dargestellten Pfeil 18 verdeutlicht, wobei diese Kraft dazu tendiert, den Kopf des Piloten in Gegen­ richtung zu kippen.

Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung, wobei am Helm 1 an der Rückseite ein gefüllter Luftsack 7 befestigt ist. Dieser Luftsack wirkt gegen die Kopfstütze 10 und widersteht somit einer seitlichen, durch Beschleu­ nigung bewirkten Massekraft 17, die dazu tendiert, den Massemittelpunkt 13 der Kombination aus Kopf und Helm seit­ lich um den Nackendrehpunkt 15 zu drehen, d.h. um die Gier­ achse. Der Luftsack 6 ist entlüftet dargestellt und kann rasch aufgeblasen werden, um die Stellung des Kopfs des Piloten zu stabilisieren, falls eine Kraft entgegen der Kraft 17 wirkt.

Es ist anzumerken, daß jede beliebige Kombination der Luft­ säcke nach den Fig. 1, 2 und 3 möglich ist, um durch Aufblasen die Stellung des Helms des Piloten in anderen nicht dargestellten Lagen zu stabilisieren.

Der Aufbau wird nunmehr im einzelnen anhand der Fig. 4 und 5 erläutert. Der Tragrahmen 8 ist mittels Befesti­ gungsmitteln 19 am Helm 1 des Piloten befestigt. Der Rahmen 8 ist symmetrisch aufgebaut und weist eine konkave, verti­ kal verlaufende Rückseite 80 auf, welche in Kontakt steht mit der Rückseite des Helms 1. Weiterhin sind zwei Schul­ terplatten 81 und 82 am Rahmen vorgesehen, die sich in einer im wesentlichen horizontalen Ebene an gegenüberlie­ genden Seiten des Helms nach vorne erstrecken. An der Un­ terseite der linksseitigen Platte 81 sind die beiden Luft­ säcke 2 und 3 vorgesehen. Der vordere Luftsack 2 ist so angeordnet, daß er in Kontakt tritt mit dem Oberteil der Brust des Trägers. Der hintere Luftsack 3 steht in Kontakt mit der Schulter des Trägers. In gleicher Weise sind an der Unterseite der rechten Platte 82 die Luftsäcke 4 und 5 vorgesehen. An der vertikal verlaufenden Rückseite 80 sind die beiden Luftsäcke 6 und 7 nebeneinander an der dortigen linken und rechten Seite befestigt. Die Luftsäcke 2 bis 7 sind für Reparaturen und zur Wartung lösbar am Rahmen 8 befestigt. Die beiden rückseitigen Luftsäcke 6 und 7 sind an ihren Außenflächen mit glatten Platten 83 versehen, die es ermöglichen, daß der Pilot seinen Kopf mit einem Minimum an Reibung drehen kann, wenn diese Luft­ kissen in Kontakt mit der Kopfstütze 10 stehen. Die Größe der Luftsäcke ist so gewählt, daß das Maß der Versetzung des Kopfs des Piloten auf einen Betrag begrenzt ist, der zu keinen Unpäßlichkeiten beim Piloten führt.

Der Vorrichtung wird Druckluft über 6 flexible Leitungen 20 zugeführt, welche an entsprechenden Anschlüssen 21 am Rahmen 8 angekoppelt sind. Die Anschlüsse 21 sind jeweils mit einem der Luftsäcke 2 bis 7 über Leitungen 22 verbun­ den, die innerhalb des Rahmens 8 verlaufen.

Ein Helmpositionssensor 30 erfaßt die Stellung von Markie­ rungen 31, die am Helm des Piloten angeordnet sind. Der Sensor kann elektromagnetisch, elektrooptisch, mit Ultra­ schall oder mit anderen Mitteln arbeiten. Er errechnet die Stellung des Helms im Raum. Diese Stellungsinformation wird über eine Leitung 32 einem Steuersystem 12 zugeführt, welche einen elektronischen Rechner aufweist. Erfaßte Be­ wegungen des Helms 1 werden verglichen mit errechneten Bewegungen, welche abgeleitet werden von Beschleunigungs­ kräften, die von einem am Flugzeug befestigten Beschleu­ nigungsmeßsensor 33 stammen. Die Genauigkeit, mit welcher die Ansprechbarkeit der Kopf-Helm-Kombination auf Beschleu­ nigungskräfte vorgegeben wird, kann verstärkt werden durch früher aufgezeichnete rechnerverarbeitete Informationen über diese spezielle Kombination, indem der Pilot ein Speichermodul 34 in das Steuersystem 12 eingibt, wenn er das Flugzeug besteigt.

Das Steuersystem 12 kann einen Neuralnetzrechner aufweisen, der über eine Zeit hinweg die gemessenen Effekte der Betäti­ gungsbefehle erfaßt. Auf diese Weise wird ein Modell des Verhaltens der Helmvorrichtung bei einem bestimmten Piloten kontinuierlich aufgebaut, so daß fortschreitend mehr ge­ eignete Betätigungsoperationen befohlen werden können.

Diese Information kann auf dem Speichermodul 34 aufgezeich­ net sein und weist die Form eines Profils der synaptischen Kräfte auf. Anfänglich umfaßt das Steuersystem einen Satz von standardisierten Startinstruktionen auf, welche durch die bessere Kenntnis von Variablen modifiziert wird, die während des Flugs erhalten werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Masse des Kopfs des Piloten. Irgend­ welche Differenzen zwischen den gemessenen und den zu er­ wartenden Bewegungen des Helms 1 werden durch das Steuer­ system 12 interpretiert in Kopfstellungsbefehle, welche überlagert sind durch ausgeübte Muskeleffekte des Piloten. Elektrische Signale werden über das Kabel 35 zu elektrisch betätigten pneumatischen Servoventilen 36 geleitet. Für jeden Luftsack ist ein derartiges Ventil 36 vorgesehen, über das Druckluft von der Druckluftquelle 11 und einem Verteiler 37 in die Leitungen 20 und damit in jeweils einen der Luftsäcke 2 bis 7 geleitet wird, um den Helm 1 in die errechnete befohlene Stellung zu bewegen. Die Ventile 36 werden in entsprechender Weise angesteuert, um bestimmte Luftsäcke zu entlüften, so daß sie unter den auf sie wir­ kenden Kräften zusammenfallen oder es ist eine Absaugung vorgesehen, um das Zusammenfallen zu beschleunigen.

Das Steuersystem 12 kann so ausgelegt sein, daß die Luft­ säcke erst gefüllt werden, wenn ein vorgegebener Schwell­ wert der Beschleunigung, der auf den Piloten wirkt, über­ schritten wird.

Vom Steuersystem 50 des Flugzeugs können dem Helmsteuer­ system 12 Informationen über eingegebene und anstehende Flugmanöver zugeführt werden, wodurch eine Betätigung der Luftsäcke 2 bis 7 möglich ist, bevor meßbare Änderungen bei der Beschleunigung entstehen.

Die Leitungen 20 sind mittels des Verbindungsstücks 38 lösbar, wobei an dieses Verbindungsstück 38 alle Leitungen 20 angeschlossen sind, so daß der Pilot leicht ein- und aussteigen kann.

Die Helmvorrichtung verhindert also, daß der Kopf des Piloten durch Beschleunigungskräfte bewegt wird, ohne daß dabei der Pilot Muskelkräfte aufzuwenden hat. Dies ermög­ licht dem Piloten, seine Instrumente und die externe Szenerie zu betrachten, vermindert das Ermüdungsverhalten und die Gefahr von Verletzungen. Dabei kann der Pilot seine Hände frei bewegen.

Falls erforderlich, können die Betätigungsglieder bei­ spielsweise durch Absaugen völlig entleert werden, um die Bewegungsmöglichkeit des Kopfs des Piloten möglichst wenig zu behindern. Das Steuersystem 12 kann mit einem Totmann- Eingang 40 versehen sein, dem beispielsweise im Falle einer Bewußtlosigkeit des Piloten ein Signal zugeführt wird, wodurch dann die Luftsäcke so betätigt werden, daß der Kopf des Piloten in eine Stellung bewegt wird, bei welcher die Verletzungsgefahr am geringsten ist und in welcher eine Rettung am raschesten erfolgen kann. Auch im Falle einer Betätigung eines Schleudersitzes können die Luftsäcke betätigt werden, um die Position des Kopfs des Piloten zu stabilisieren und um Halswirbelschäden weit­ gehend zu verhindern. Durch entsprechende Formgebung der Luftsäcke ist es möglich, Anströmeffekte zu minimieren.

Eine Betätigung der Luftsäcke im Falle einer Betätigung des Schleudersitzes kann durch eine Druckluftquelle im Sitz erfolgen, die vom Steuersystem 12 unabhängig ist. Hierbei kann eine Folgesteuerung vorgesehen sein. Die Fol­ gesteuerung kann auch bewirken, daß die Luftsäcke nach einer Trennung des Pilotensitzes vom Flugzeug entleert werden. Alternativ dazu können die Luftsäcke gefüllt blei­ ben und durch manuelle Steuerung entleert werden, um einen unfallfreien Fallschirmabsprung zu ermöglichen, ebenso eine korrekte Kopfposition bei der Fallschirmlandung.

Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 6 gezeigt, bei welcher der Helm 1′ so geformt ist, daß er angepaßt ist an einen Kinnrahmen 40, der einstückig zur Schale des Helms ist. Der Rahmen 40 weist an seiner Unterkante zwei dort befestigte Luftsäcke 2′ und 4′ auf, welche unterhalb des Kinns des Piloten verlaufen sowie zwei Luftsäcke 3′ und 5′ unterhalb seiner Ohren. Die Luftsäcke 2′ und 4′ sind durch einen Spalt 41 voneinander getrennt, durch wel­ chen die Sauerstoffleitung 42 zur Gesichtsmaske 43 des Piloten verläuft.

Druckluft wird über die Leitungen 20′ den Anschlüssen 21′ zugeführt, die beidseits des Helms vorgesehen sind und sodann durch die Leitungen 22′ innerhalb der Schale des Helms 1′ zu den Luftsäcken 2′ bis 7′.

Die Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Luftsackes, wie er bei der Vorrich­ tung nach Fig. 6 verwendet wird. Der Luftsack weist eine Hülle 50 in Form von Bälgen aus gummiimprägniertem flexib­ len Material auf. Die in die Bälge einströmende oder von dort ausströmende Luft bewirkt, daß der Luftbalg rechtwink­ lig zu seinen Randstufen expandiert oder sich zusammen­ zieht, während seitliche Änderungen der Form durch innere Diaphragmen 51 verhindert werden, welche mit Löchern 52 versehen sind, um einen freien Luftdurchgang zu ermögli­ chen. Es handelt sich also hierbei um eine ziehharmonika­ artige Struktur.

Die Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Betätigungsglieder in Form von Luftsäcken 2′′ bis 5′′ vom Piloten unabhängig von seinem Helm 1′′ getragen werden. Die Betätigungsglieder sind an der Pilotenjacke 60 befestigt oder stellen Teil eines klei­ neren Bekleidungsstückes dar.

Bei dieser Vorrichtung können zusätzliche Luftsackbetäti­ gungsvorrichtungen 63 und 64 verwendet werden, welche hin­ ter dem Nacken des Piloten angeordnet sind. Der Helm 1′′ ist am Kopf des Piloten mittels eines Kinnriemens 29 be­ festigt, so daß der Helm sich zusammen mit dem Kopf be­ wegen kann. Die Oberseiten der Luftsäcke 2′′ bis 5′′, 63 und 64 im Bereich des Helms sind an einer glattflächigen Platte 44 befestigt, welche aus Segmenten oder einem durch­ gehenden Ring bestehen kann. Auf diese Weise kann die un­ tere Fläche 45 des Helms 1′′ mit minimaler Reibung auf der Platte 44 gleiten, wenn der Pilot seinen Kopf um die Gierachse dreht.

Die Platte 44 ist bevorzugt nicht mit dem Helm 1′′ ver­ bunden. Alternativ dazu kann die Platte 44 in Bezug auf den Helm 1′′ axial festgelegt sein, jedoch in Umfangsrich­ tung drehbar, wodurch eine Halsabdichtung bei einem Druck­ anzug entsteht.

Die Leitungen 20′′, die Druckluft vom Anschlußstück 38′′ zu den Luftsäcken leiten, sind bevorzugt an der Jacke befestigt. Als Luftdruckquelle kann die gleiche verwendet werden, die zum Aufblasen der Pilotenkombination über die Leitungen 61 und 62 dient.

Die nicht dargestellten Luftsäcke, die an der Rückseite des Helms 1′′ befestigt sind, werden über die Leitungen 65 aufgeblasen, welche verbunden werden mit dem Anschluß­ stück 66 einer Luftzuführleitung 20′′.

Ein mit einem Ventil gekoppelter Hebel 67 ist in die Lei­ tungen 20′′ zwischengeschaltet, so daß durch manuelles Drücken des Hebels 67 das Ventil öffnet und somit der Pilot zu jeder Zeit die Luftsäcke entleeren kann.

Die Erfindung ist nicht begrenzt auf die Verwendung von Luftsäcken oder anderen pneumatischen Betätigungsmitteln. Alternativ dazu können hydraulische, mechanische oder elek­ tromechanische Betätigungsmittel verwendet werden. Auch kann eine beliebige Zahl von Betätigungsmitteln verwendet werden, um eine größere Betätigungsmöglichkeit, eine ra­ schere Betätigung oder eine größere Redundanz zu erhalten. Die Helmvorrichtung kann Drucksensoren aufweisen, welche den Druck erfassen, der vom Helm auf den Kopf des Piloten ausgeübt wird. Diese Druckmessung wird dazu verwendet, die Betätigungsglieder so zu steuern, daß dieser Druck reduziert wird. Die Betätigungsglieder müssen nicht die Kräfte über den Helm auf den Kopf des Piloten ausüben. Dies kann auch durch direkten Kontakt mit dem Kopf er­ folgen, beispielsweise durch ein Betätigungsglied unterhalb des Kinns.

Claims (10)

1. Helmvorrichtung mit einem von einer Person getragenen Helm, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens ein Betätigungsglied (2 bis 7) vorgesehen ist, das eine Kraft auf den Kopf des Trägers ausübt, die äußeren auf den Kopf und den Helm wirkenden Kräften entgegengesetzt ist.

2. Helmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie mehrere Betätigungs­ glieder (2 bis 7) aufweist, die Kräfte in Richtung der Kipp-, Roll- und Gierachse erzeugen und äußeren Kräften, die in diesen Richtungen wirken, entgegengerichtet sind.

3. Helmvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein erstes Paar von Be­ tätigungsgliedern (2, 3) an einer Helmseite hintereinan­ der, ein zweites Paar von Betätigungsgliedern (4, 5) an der anderen Helmseite ebenfalls hintereinander und eine drittes Paar von Betätigungsgliedern (6, 7) neben­ einander an der Helmrückseite angeordnet sind.

4. Helmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Betä­ tigungsglied (2 bis 5) in Kontakt mit dem Körper (9) des Trägers steht und mindestens ein Betätigungsglied (6, 7) in Kontakt mit der Kopfstütze (10) des Sitzes steht, auf dem der Träger sitzt.

5. Helmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Betäti­ gungsglieder (2 bis 7) aus aufblasbaren Luftsäcken be­ stehen.

6. Helmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lagesensor (30) vorgesehen ist, der die Stellung des Helms (1) erfaßt und daß das bzw. die Betätigungsglieder (2 bis 7) durch Ausgangssignale des Lagesensors (30) gesteuert werden.

7. Helmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Beschleu­ nigungssensor (33) vorgesehen ist, der die Beschleuni­ gungen des Trägers, denen er unterworfen ist, erfaßt und daß das bzw. die Betätigungsglieder (2 bis 7) durch Ausgangssignale des Beschleunigungssensors (33) ge­ steuert werden.

8. Helmvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Steuersystem (12) vorgesehen ist, das die Betätigung des oder der Betä­ tigungsglieder (2 bis 7) steuert, wobei die Differenz zwischen der gemessenen Stellung des Helms (1) und einer zu erwartenden Stellung des Helms aufgrund der vom Be­ schleunigungssensor (33) gemessenen Beschleunigungen die Steuersignale für das Steuersystem (12) bestimmen.

9. Helmvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Steuersy­ stem (12) Steuersignale vom Flugzeugsteuersystem (50) zugeführt werden, die die eingeleiteten Flugmanöver anzeigen und die Betätigung des oder der Betätigungs­ glieder (2 bis 7) in Abhängigkeit der Differenz zwischen der gemessenen Stellung des Helms (1) und einer zu er­ wartenden Stellung des Helms aufgrund der Steuersignale vom Flugzeugsteuersystem (50) erfolgt.

10. Helmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Steuer­ system (12) zur Betätigung des oder der Betätigungs­ glieder (2 bis 7) vorgesehen ist, das einen Rechner und einen austauschbaren Speichermodul (34) umfaßt, wobei der Speichermodul mit Informationen über das Ver­ halten des Kopfs und des Helms (1) programmiert ist und diese Informationen die Steuerung des Steuersystems (12) mitbestimmen.