-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Steuersystem zum Implementieren
einer vollständigen "Fliegen-durch-Draht"-Steuerung eines
Luftfahrzeugs. In einem solchen System gibt es keine mechanisch
gekoppelte Unterstützung
für die
elektronische Steuerung.
-
Es
ist bereits bekannt, ein Luftfahrzeug zu bauen, bei welchem alle
Flugflächen
durch ein elektrisches Flugsteuersystem gesteuert werden, das Eingaben
durch die Steuerungen eines Piloten empfängt. Diese Bewegung zu computergesteuerten
Systemen lässt
zu, dass die Computer dann, wenn es nötig ist, intervenieren, um
das Luftfahrzeug bzw. Flugzeug auf einer sicheren Flugbahn zu halten.
Jedoch hat es eine derartige Sorge gegeben, dass eine derartige
ansteigende technische Perfektion aufgrund der Möglichkeit eines Datenprozessorausfalls
auch eine Verletzbarkeit mit sich bringt. Um diese Probleme zu überwinden,
ist die Verwendung von mehreren Prozessoren bekannt, wie es in
US 4,744,532 beschrieben
ist. Tatsächlich
offenbart dieses Dokument, dass nicht gleiche Computerarchitekturen
erforderlich sind, um sicherzustellen, dass es unwahrscheinlich
ist, dass sich die am Luftfahrzeug vorgesehenen Computer einem gemeinsamen
Betriebsausfall unterziehen.
-
Der
Anmelder hat realisiert, dass selbst ein Vorsehen von zwei Gruppen
von Computern in nicht gleichen Architekturen bei einem System hoher
Integrität
nicht notwendigerweise ausreichend ist, da man die Möglichkeit
zulassen muss, dass alle Computer vollständig ausfallen werden. Unter
solchen Umständen
ist es wünschenswert,
das Luftfahrzeug noch steuern zu können.
-
Ein
typisches kommerzielles Düsenverkehrsflugzeug
hat normalerweise eine Vielzahl von Steuerflächen. Beispielsweise hat das
in 1 gezeigte Luftfahrzeug auf jeder Seite von ihm
ein Hebewerk bzw. Höhenruder 2,
einen einstellbaren Horizontalstabilisator 4, eine erste
Klappe 6, eine zweite Klappe 8, ein Querruder 10,
fünf Störklappen
bzw. Spoiler, die als Störklappe 1 bis
Störklappe 5 bezeichnet
sind, und Metallstreifen bzw. Leisten, die mit Leiste 1 bis
Leiste 5 bezeichnet sind. Das Luftfahrzeug hat auch ein
entlang der Mittenlinie des Luftfahrzeugs angeordnetes Steuerruder 12 an
der Heckebene 14 angebracht.
-
Im
Einsatz sind unterschiedliche Flugflächen an unterschiedlichen Arbeiten
beteiligt. Somit sind die Schwankungs- bzw. Roll-Steuerflugflächen das
Querruder 10 und die Störklappen 3 bis 5 auf
jeder Seite des Luftfahrzeugs. Das Höhen-Steuerflächen sind
das Höhenruder 2 und
der einstellbare Horizontalstabilisator 4. Die Gier-Steuerfläche ist
das Steuerruder 14.
-
Während eines
Luftfahrzeugsbetriebs, typischerweise während eines Abhebens und eines
Landens, gibt es Zeiten, zu welchen ein Hochheben von den Flügeln erforderlich
ist. Um dies zu erreichen, können
die Leisten 1 bis 5 und die Klappen 6 und 8 aus
ihrer normalen verstauten Position zu Hochhebepositionen bewegt werden,
um ein zusätzliches
Anheben zu erhalten. Schließlich
können
alle von der Störklappe 1 bis
zu der Störklappe 5 während eines
Landens des Luftfahrzeugs auch als Luftbremsen verwendet werden.
Alle dieser Flugsteuerflächen
sorgen für
ein hohes Maß an
Steuerung des Luftfahrzeugs. Jedoch sind nicht alle von Ihnen für einen
Flug nötig.
Somit würde
sich ein Pilot, sollte er den Wunsch haben, die Höhe des Luftfahrzeugs
zu steuern, normalerweise auf eine Betätigung des linksseitigen und
des rechtsseitigen Höhenruders 2 des
Luftfahrzeugs verlassen. Jedoch kann eine Höhensteuerung des Luftfahrzeugs
auch durch die Verwendung von einem Höhenruder 2 in Kombination
mit dem einstellbaren Horizontalstabilisator 4 erreicht
werden. Gleichermaßen
werden zum Steuern des Rollens bzw. Schwankens des Luftfahrzeugs
die zwei Querruder, optional in Kombination mit den Störklappen 3 bis 5,
verwendet. Jedoch kann eine Rollsteuerung auch mit einem Querruder
in Verbindung mit einer oder mehreren der Störklappen 3 bis 5 auf
der gegenüberliegenden
Seite des Luftfahrzeugs implementiert werden. Eine Höhen- bzw. Steighöhen- und
Rollsteuerung stellt die minimale Steueranforderung für einen
fortgesetzten sicheren Flug und ein Landen dar.
-
Schließlich wird
das Ruder zum Steuern des Gierens des Luftfahrzeugs verwendet. Während dies
erwünscht
ist, ist es nicht streng nötig.
Weiterhin ist das Ruder nicht erforderlich, um das Luftfahrzeug
zu drehen, da der Pilot dies entweder durch Schräglegen des Luftfahrzeugs oder
durch Variieren der Stoßpegel
von den Motoren auf gegenüberliegenden
Seiten des Luftfahrzeugs erreichen kann.
-
EP 0573106 offenbart ein
Flug-durch-Draht-System mit drei Steuerungen, von welchen jede das
Luftfahrzeug in dem Fall fliegen kann, in welchem die anderen zwei
Steuerungen ausfallen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Flugflächensteuersystem
für ein
Luftfahrzeug zur Verfügung gestellt,
wobei das Steuersystem einen ersten und einen zweiten Steuerkanal
aufweist, die ungleich sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder
Kanal eine Vielzahl von Steuerungen aufweist, wobei jede Steuerung
angeordnet ist, um eine Aktivierung von zugehörigen Flugsteuerflächen zu
steuern, wobei unterschiedliche Steuerungen unterschiedliche der
Flugflächen
steuern, so dass in dem Fall eines derartigen Ausfalls innerhalb
des Flugsteuersystems, dass nur ein Kanal funktioniert, und der
Ausfall einer weiteren der Steuerungen innerhalb des funktionsfähigen Kanals
die übrigen
betriebsmäßigen Steuerungen
ausreichende der Flugsteuerflächen steuern,
um eine Steighöhe
bzw. Höhe
und ein Rollen bzw. Schwanken des Luftfahrzeugs zu steuern.
-
Für ein kommerzielles
Passagierflugzeug bedeutet dies, dass irgendein arbeitendes Paar
von Steuerungen in irgendeiner der Gruppe von Steuerungen oder Kanälen dazu
fähig sein
muss, eine Höhe über das linksseitige
und das rechtsseitige Höhenruder
bzw. Hebewerk oder über
ein Höhenruder
und den einstellbaren Horizontalstabilisator zu steuern.
-
Weiterhin
muss irgendein arbeitendes Paar von Steuerungen in irgendeinem von
Kanälen
dazu fähig sein,
ein Schwanken über
ein linksseitiges und ein rechtsseitiges Querruder oder über ein
Querruder und eine Störklappe
zu steuern, wobei die Störklappe
auf einer gegenüberliegenden
Seite des Luftfahrzeugs angeordnet ist.
-
Vorzugsweise
ist auch das Steuerruder steuerbar. Jedoch ist es keine Notwendigkeit
für einen
Flug, da der Pilot das Luftfahrzeug schräg stellen kann, um es im Flug
zu drehen.
-
Vorzugsweise
sind die übrigen
operativen Steuerungen auch dazu fähig, die Hochhebeflächen für eine Steuerung
eines Luftfahrzeugs während
eines Abhebens oder eines Landens zu steuern.
-
Die
Steuerungen des ersten Kanals sind ungleich den Steuerungen des
zweiten Kanals, so dass sie keinen gemeinsamen Pfad für einen
Betriebsausfall haben. Dies bedeutet ungleiche Mikroprozessoren,
einen ungleichen Speicher, eine ungleiche Programmierung usw., so
dass ein Fehlermode bzw. Ausfallmode in einer Gruppe von Steuerungen
nicht in der anderen Gruppe von Steuerungen wiederholt wird.
-
Der
Annehmlichkeit halber können
die Steuerungen als "A"-Kanal und als "B"-Kanal angesehen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gibt es drei Steuerungen in jedem Kanal,
so dass sie angenehmerweise mit A1, A2, A3, B1, B2 und B3 bezeichnet
werden können.
-
Im
Betriebsszenario eines schlimmsten Falls, dass beispielsweise nur
eine Gruppe von Steuerungen arbeitet, der A-Kanal arbeitet (weil
der andere B-Kanal einen gemeinsamen Betriebsausfall erlitten hatte)
und eine weitere Steuerung ausfällt,
dann kann es gesehen werden, dass die folgenden Paare von Steuerungen übrig bleiben.
A1
und A2
A1 und A3
A2 und A3
-
Der
Erfinder hat realisiert, dass bei einer Anordnung bzw. einem Aufbau,
bei welcher bzw. welchem die wesentlichen Flugsteuerflächen durch
eine Anordnung mit Redundanz im Aktuatorsystem bzw. Stellgliedsystem
gesteuert werden, bestimmte Entwurfsobjekte verwendet werden können, um
eine geeignete Systemarchitektur abzuleiten.
-
Somit
kann es deshalb, weil es vorzugsweise wenigstens vier Querruderstellglieder
(links Innenbord, links Außenbord,
rechts Innenbord und rechts Außenbord)
gibt, die am Luftfahrzeug vorgesehen sind, gesehen werden, dass
nicht mehr als ein Querruderstellglied von einer Steuerung angetrieben
werden sollte. Weiterhin sollten nicht mehr als zwei Stellglieder
von irgendeinem Kanal angetrieben werden.
-
Mehrfachfunktions-Störklappen
können
verwendet werden, um die Querruder zu unterstützen, und können somit nützlich unter
denjenigen Steuerungen verteilt werden, die nicht an einer Querrudersteuerung beteiligt
sind.
-
Vorzugsweise
gibt es auch wenigstens vier Höhenruderstellglieder,
so dass nicht mehr als eines von diesen von irgendeiner einzelnen
Steuerung angetrieben werden sollte. Weiterhin sollten nicht mehr
als zwei Stellglieder von irgendeinem Kanal angetrieben werden.
-
Der
einstellbare Horizontalstabilisator wirkt als Unterstützung für die Höhenruder,
und daher sollte eine Steuerung von diesem auf die anderen Steuerungen
aufgeteilt werden, die nicht bereits Höhenruder steuern.
-
Vorzugsweise
gibt es drei Stellglieder, die am Steuerruder vorgesehen sind. Daher
sollte es nicht mehr als ein Stellglied geben, das durch irgendeine
einzelne Steuerung gesteuert wird. Weiterhin sollten nicht mehr als
zwei Stellglieder von irgendeinem Kanal gesteuert werden.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung haben die Flugsteuerungen Funktionen, die
auf sie verteilt sind, so dass folgendes gilt:
- A1
steuert ein Querruder auf einer ersten Seite des Luftfahrzeugs,
ein Steuerruderstellglied und einen einstellbaren Horizontalstabilisator.
- A2 steuert ein Querruder auf einer zweiten Seite des Luftfahrzeug
und eines der Höhenruder.
- A3 steuert ein weiteres der Steuerruderstellglieder, das andere
der Höhenruder
und ein Störklappenpaar.
-
Vorzugsweise
steuert die Steuerung A2 auch ein Mehrfachfunktions-Störklappenpaar.
Die Störklappen
sind in Paaren angeordnet, wobei eine der Störklappen von dem Paar auf einer
Seite des Luftfahrzeugs ist und die andere Störklappe des Paars auf der anderen
Seite des Luftfahrzeugs ist. Obwohl die Störklappen in Paaren gruppiert
sind, müssen
sich die Störklappen
in einem Paar nicht übereinstimmend
bewegen. Somit kann dann, wenn eine Notwendigkeit besteht, eine
der Störklappe
ruhig gehalten werden, während
die andere mit den Querrudern zum Steuern eines Schwankens bzw.
Rollens wirkt, oder beide Störklappen
können
sich bewegen.
-
Somit
hat dann, wenn das Steuerpaar A1 und A2 die einzigen aktiven Steuerungen
sind, der Pilot eine Steuerung bzw. Kontrolle über das Steuerruder, beide
Querruder, ein Mehrfachfunktions-Störklappenpaar und ein Höhenruder
in Verbindung mit dem einstellbaren Horizontalstabilisator. Dies
ist ausreichend, um ihm eine vollständige Steuerung für eine Höhe, ein
Schwanken bzw. Rollen und ein Gieren zu geben.
-
Wenn
nur das Steuerpaar A1 und A3 aktiv ist, dann hat der Pilot eine
Steuerung über
das Steuerruder, beide Höhenruder,
ein Querruder und ein Mehrfachfunktions-Störklappenpaar.
Dies ist ausreichend für
eine Flugsteuerung.
-
Wenn
nur das Steuerpaar A2 und A3 in Betrieb sind, dann hat der Pilot
eine Steuerung über
das Steuerruder, beide Höhenruder,
ein Querruder und ein Mehrfachfunktions-Störklappenpaar. Dies ist ausreichend für eine Flugsteuerung.
-
Die "B"-Gruppe von Steuerungen kann auf gleiche
Weise angeordnet sein. Jedoch kann es sein, dass sie nur eine Steuerrudersteuerung
implementieren müssen.
-
Somit
können
die Steuerungen wie folgt angeordnet sein:
- B1
steuert ein Querruder auf der ersten Seite des Luftfahrzeugs und
den einstellbaren Horizontalstabilisator.
- B2 steuert das Querruder auf der zweiten Seite des Luftfahrzeugs
und eines der Hebewerkzeuge bzw. Höhenruder.
- B3 steuert das andere Höhenruder
und ein Steuerruderstellglied und ein Störklappenpaar.
-
Vorzugsweise
steuert die Steuerung B ein Mehrfachfunktions-Störklappenpaar.
-
Die
Steuerungen empfangen vorteilhafterweise elektrische Energie bzw.
Leistung von wenigstens zwei elektrischen Bussen. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
werden drei Busse verwendet und ist jede Steuerung mit zweien der
Busse verbunden. Die Verbindungen sind versetzt bzw. vertauscht,
so dass keine zwei Steuerungen in einer einzelnen Gruppe Leistung
von denselben zwei Bussen empfangen.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass die Steuerungen im "B"-Kanal,
deren Funktionen gleich denjenigen der äquivalenten oder gleichen Steuerung
im "A"-Kanal sind, angeschlossen
sind, um Leistung über
den anderen Bus zu empfangen.
-
Somit
ist dann, wenn A1 mit einem ersten Leistungsbus, dem Bus 1, und
mit einem zweiten Leistungsbus, dem Bus 2, verbunden ist, B1 mit
einem dritten Leistungsbus, dem Bus 3, und auch mit einem der Busse Bus
1 und Bus 2, beispielsweise dem Bus 2, verbunden.
-
Danach
ist daher A2 beispielsweise mit dem Bus 2 und dem Bus 3 verbunden.
Somit ist B2 mit dem Bus 1 und auch beispielsweise dem Bus 3 verbunden.
-
Folgt
man wieder dieser Begründung,
ist die Steuerung A3 mit dem Bus 1 und mit dem Bus 3 verbunden und
ist die Steuerung mit dem Bus 2 und auch beispielsweise mit dem
Bus 1 verbunden.
-
Somit
lässt unter
der Voraussetzung, dass sonst alle Steuerungen funktionsfähig sind,
ein Ausfall von irgendwelchen zweien von den drei Leistungsversorgungsbussen
alle Flugflächen
vollständig
gesteuert.
-
Ebenso
resultiert der Ausfall von irgendeinem Kanal und einem elektrischen
Bus auch in einem steuerbaren Luftfahrzeug.
-
Vorzugsweise
gibt es wenigstens drei Hydrauliksysteme.
-
Es
gibt drei Steuerruderstellglieder, und somit ist es bevorzugt, dass
jedes an einem unterschiedlichen der hydraulischen Versorgungen
sein sollte.
-
Gleichermaßen sind
Paare von wesentlichen Flugsteuerflächen auf gegenüberliegenden
Seiten des Luftfahrzeugs mit unterschiedlichen hydraulischen Versorgungen
verbunden.
-
Vorteilhafterweise
werden einige der Flugsteuerflächen
durch zwei oder mehrere hydraulische Stellglieder gesteuert, wie
es hierin zuvor in Bezug auf das Steuerruder beschrieben worden
ist.
-
Die
Stellglieder sind von einem Typ, bei welchem sie betreibbar sind
in einem aktiven Mode, in welchem das Stellglied eine Motorleistung
oder eine Kraft zum Steuern der Position der Flugfläche zuführt, und
in einem Standby-Mode, in welchem die Stellglieder zurückgetrieben
werden können.
-
Bei
einer derartigen Anordnung kann beispielsweise das linksseitige
Querruder durch ein erstes und ein zweites hydraulisches Stellglied
gesteuert werden. Diese werden als "Innenbord"- und "Außenbord"-Stellglieder bezeichnet
werden, wobei das "Außenbord"-Stellglied dasjenige
ist, das weiter weg von der Längsachse
des Luftfahrzeugs ist.
-
Gleiche
duale Innenbord- und Außenbord-Stellgliederanordnungen
werden an dem rechtsseitigen Querruder und an den linksseitigen
und rechtsseitigen Höhenrudern
gefunden.
-
Somit
können
bei einem Ausführungsbeispiel
des Systems unterschiedliche Steuerungen unterschiedliche Stellglieder
steuern, die an derselben Flugfläche
arbeiten. Vorzugsweise ist jede Steuerung mit Daten in Bezug auf
die Last versehen, die auf das Stellglied wirkt, und verwendet dies
zum Implementieren eines "Kräftekampf"-Reduktionsalgorithmus.
Dies verhindert, dass die Steuerungen gegeneinander kämpfen.
-
Somit
steuert beim Arbeiten mit der hierin zuvor beschriebenen allgemeinen
Konfiguration die Steuerung A1 beispielsweise nur das Innenbord-Stellglied
für das
rechtsseitige Querruder, wohingegen die Steuerung B1 das Außenbord-Stellglied
für dasselbe
(rechtsseitige) Querruder steuert. Das Innenbord-Stellglied kann
an der ersten hydraulischen Versorgung sein, wohingegen das Außenbordstellglied
an einer anderen hydraulischen Versorgung ist, wie beispielsweise
der dritten hydraulischen Versorgung.
-
Ein
gleiches Aufteilen von Flächensteueraufgaben
zwischen unterschiedlichen Stellgliedern an unterschiedlichen hydraulischen
Versorgungen für
eine gegebene Fläche
wird für
andere der Flugsteuerflächen
verwendet.
-
Vorzugsweise
sind auch analoge Steuerungen zum Steuern der Flugflächen vorgesehen,
um in dem unwahrscheinlichen Fall eines Ausfalls von digitalen Systemen
ein weiteres Maß an
Unterstützung
bzw. Hilfe zur Verfügung
zu stellen.
-
Die
analogen Steuerungen können
als Zusatz zu den verschiedenen digitalen Steuerungen implementiert
sein, so dass sie ihre Leistung von den verschiedenen Bussen ableiten,
die die zugehörigen
digitalen Steuerungen versorgen.
-
Im
Einsatz wird dann, wenn eine Steuerung von einem des "A"- oder des "B"-Kanals
ausfällt,
die entsprechende Vorrichtung in der anderen Gruppe von Steuerungen
allein verantwortlich für
ein erhöhtes
Maß an Verantwortlichkeit
zum Steuern der relevanten Flugfläche oder trägt dieses.
-
Es
ist somit möglich,
eine äußerst fehlertolerante
verteilte Flugsteuerfläche
zur Verfügung
zu stellen. Auf der digitalen Seite des Systems könnten zwei
Drittel des Systems ausfallen, und eine akzeptable Leistungsfähigkeit
würde noch
erreicht werden. Ein Gesamtausfall des digitalen Systems lässt, während es
unangenehm ist, noch zu, dass das Luftfahrzeug mittels des analogen
Hilfssystems geflogen wird, welches selbst verteilt ist, um eine
Fehlertoleranz zur Verfügung
zu stellen.
-
Die
vorliegende Erfindung wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben werden, wobei:
-
1 die
verschiedenen Flugsteuerflächen
an einem kommerziellen Düsenverkehrsflugzeug
schematisch darstellt;
-
2 die
Zuteilung von Steuerfunktion in Bezug auf die Flugsteuerungen bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung schematisch darstellt;
-
3 das
zu dem Steuerruder gehörende
Steuersystem schematisch darstellt;
-
4 das
zu den Höhenrudern
gehörende
Steuersystem schematisch darstellt;
-
5 das
zu den Querrudern gehörende
Steuersystem schematisch darstellt;
-
6 das
zu den Störklappen
gehörende
Steuersystem schematisch darstellt;
-
7 das
zu den Klappen gehörende
Steuersystem schematisch darstellt;
-
8 das
zu den Leisten gehörende
Steuersystem schematisch darstellt;
-
9 das
zu dem einstellbaren Horizontalstabilisator gehörende Steuersystem schematisch
darstellt;
-
10 die
bei einer Höhensteuerung
beteiligten Komponenten schematisch darstellt;
-
11 die
zu einer Roll- bzw. Schwankungssteuerung gehörenden Komponenten schematisch
darstellt;
-
12 die
zu einer Giersteuerung gehörenden
Komponenten schematisch darstellt; und
-
13 die
Beziehung zwischen Steuerungen für
eine einzelne Flugsteuerfläche
schematisch darstellt.
-
Wie
es in 1 gezeigt ist, stellt das Flugsteuersystem die
Mittel zur Verfügung,
durch welche die Flugbelegschaft bzw. Flugcrew und ein Luftfahrzeug-Autopilot
die Position der Luftfahrzeug-Flugsteuerflächen und somit das Luftfahrzeug
selbst steuern.
-
Das
Luftfahrzeug hat zwei Querruderflächen 10 (eine pro
Flügel),
zwei Höhenruderflächen 2 (eine
pro einstellbarer Horizontalstabilisatorseite) und eine Steuerruderfläche für eine primäre Flugsteuerung.
Es gibt auch fünf
Störklappenflächen pro
Flügel,
von welchen vier Mehrfachfunktions-Störklappenflächen (Störklappen 2–5)
sind und eine eine bestimmter Boden-Störklappe
(Störklappe 1)
ist. Drei von den Mehrfachfunktions-Störklappen, nämlich die Störklappen 3–5,
werden für
eine Roll- bzw. Schwankungsaktivierungsvergrößerung verwendet, zwei als
Luftbremsen (die Störklappen 2 und 3),
und alle werden beim Landen als Boden-Störklappen verwendet.
-
Sekundäre Flugsteuerflächen enthalten
fünf führende Randleistenflächen pro
Flügel,
nämlich
die Leisten 1–5,
zwei Klappenflächen
am hinteren Rand pro Flügel 6 und 8 und
einen einstellbaren Horizontalstabilisator 4.
-
Während eines
Flugs wird eine Steuerung eines Schwankens und einer Höhe eines
Luftfahrzeugs unter Verwendung von herkömmlichen Pilot- und Copilot-Rädern und
-Säulen
erreicht. Eine Giersteuerung wird unter Verwendung von herkömmlichen
Pedalen und einem Autopilot-Gierdämpfer erreicht, und Luftbremsen-Störklappen
werden unter Verwendung eines Luftbremsenhebels gesteuert. Die Leisten-
und Klappenpositionen werden über
einen Hochhebehebel ausgewählt,
und eine Höheneinstellung
wird von Schaltern gesteuert, die an den Pilot- und Copilot-Rädern angeordnet
sind, und einem zentralen Sockel sowie von Autopilot-Höheneinstelleingaben. Vorteilhafterweise
wird die Boden-Störklappenaktivierung
aktiv, wenn der Luftbremsenhebel in einer spezifizierten Position
ist, und wird beim Landen automatisch durchgeführt.
-
Allgemein
werden die primären
Flugsteuerflächen
durch ein relativ einfaches System einer geschlossenen Schleife
gesteuert, wird die einstellbare Horizontalstabilisatorfläche auf
eine Weise einer offenen Schleife gesteuert und sind die Hochhebeflächen zwischen
einer Anzahl von diskreten Positionen beweglich.
-
Es
ist wünschenswert,
dass die Luftfahrzeug-Flugflächen
durch ein "Flug-durch-Draht"-System mit keinem
mechanischen anwartschaftlichen Betrieb gesteuert werden. Es ist
daher äußerst wünschenswert, dass
das Flug-durch-Draht-Steuersystem
auf eine verteilte Weise ausgebildet ist, so dass das System gegenüber einem
vollständigen
Ausfall von einer oder mehreren Steuerungen darin fehlertolerant
ist.
-
2 stellt
schematisch die Zuteilung von Funktionen zu Steuerungen innerhalb
eines Flug-durch-Draht-Systems dar, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
bildet. Wie es in 2 gezeigt ist, gibt es insgesamt
sechs Steuerungen, die jeweils in zwei Gruppen von drei aufgeteilt
sind, wobei die erste Gruppe als eine Gruppe A bezeichnet ist und
wobei die zweite Gruppe als eine Gruppe B bezeichnet ist. Die Gruppen
A und B sind unter Verwendung ungleicher Technologien implementiert,
d.h. ungleicher Hardware und ungleicher Software, so dass es keinen
gemeinsamen Betriebsausfallpfad zwischen der Gruppe A und der Gruppe
B gibt.
-
Jede
Gruppe von Steuerungen ist unabhängig
dazu fähig,
eine vollständige
Flugsteuerung des Luftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Jedoch ist
es auch möglich,
dass eine Steuerung innerhalb einer Gruppe zusätzlich zu einem allgemeinen
Ausfall der anderen Gruppe ausfallen kann. Somit müssen die
Funktionen, d.h. die Steuerung der einzelnen Flugflächen, unter
den Steuerungen in irgendeinem bzw. jedem Kanal so aufgeteilt werden,
dass ein Ausfall von irgendeiner der Steuerungen die Fähigkeit
des Flug-durch-Draht-Systems zum Steuern des Luftfahrzeugs nicht
kompromittiert. Somit hat keine einzelne Steuerung eine Steuerung über beide
Höhenruder,
beide Querruder oder das Steuerruder.
-
3 stellt
schematisch das Steuerruder-Steuersystem in detaillierter dar. Wie
es gezeigt ist, wird das Steuerruder 12 durch drei einzelne
Stellglieder 20, 22 und 24 gesteuert,
von welchen jedes auf eine andere der Steuerungen reagiert und von
welchen jedes von einem anderen hydraulischen System aktiviert wird.
Somit wird das erste Stellglied 20, das dem Stellglied
des unteren Steuerruders entspricht, durch die Steuerung B3 gesteuert
und ist mit dem Hydrauliksystem 1 verbunden. Das zweite
Stellglied 22 entspricht dem Stellglied des mittleren Steuerruders
und wird durch die Steuerung A1 gesteuert und ist mit dem Hydrauliksystem
der Nummer 2 verbunden. Das dritte Stellglied 24 entspricht
dem Stellglied des obersten Steuerruders und wird durch die Steuerung
A3 gesteuert und ist mit dem Hydrauliksystem der Nummer 3 verbunden.
Somit wird in einem Luftfahrzeug mit drei Hydrauliksystemen ein
Ausfall von irgendeinem Hydrauliksystem noch zwei der Stellglieder
lassen, die das Steuerruder betätigen
können,
und ein Ausfall von zwei Hydrauliksystemen wird noch ein Stellglied
funktionsfähig
lassen, um das Steuerruder zu betätigen. Wie es gezeigt ist,
empfängt
auch jede Steuerung zwei Leistungsversorgungen. Die Steuerung B3
empfängt
Leistung vom DC-Bus 1 und vom DC-Bus 2, wobei der DC-Bus 2 der Vorgabebus
ist und der DC-Bus 1 der Hilfsbus ist. Die Steuerung A1 empfängt auch
Leistung vom DC-Bus 1 und vom DC-Bus
2, wobei aber der Bus 1 der Vorgabebus ist und der Bus 2 der Hilfsbus
ist. Die Steuerung A3 empfängt
Leistung vom DC-Bus 3 als ihren Vorgabebus und vom DC-Bus 1 als ihren Hilfsbus.
Somit veranlasst ein Ausfall von irgendeinem Bus nicht, dass irgendeine
der Steuerungen A1, A3 oder B3 abschaltet. Dahingegen kann ein Ausfall
von zweien der Busse dazu führen,
dass eine oder zwei der Steuerungen abschalten.
-
Sowohl
der Pilot als auch der Copilot sind mit Steuerruderpedalen 30 bzw. 32 versehen,
die mechanisch verbunden sind, so dass eine Betätigung von einer Gruppe von
Pedalen auch die andere Gruppe von Pedalen betätigen wird. Eine Vielzahl von
Wandlern 34 misst die Steuerruderpedalpositionen und stellt
Eingaben für
die Steuerungen B3, A1 und A3 zur Verfügung. Es gibt sechs einzelne
Wandler, die in 3 gezeigt sind, wobei zwei von
ihnen Eingaben zur Steuerung B3 liefern, zwei Eingaben zur Steuerung
A1 liefern und zwei Eingaben zur Steuerung A3 liefern. Durch ein
derartiges Anordnen, dass kein Wandler 34 mehr als einer Steuerung
von B3, A1 oder A3 dient, ist es möglich, einen Ausfall bei einer
Steuerung zu stoppen, der zurück zu
den Wandlern ausgebreitet wird und dann zu einer weiteren der Steuerungen
ausgebreitet wird.
-
Jede
Steuerung tauscht Information in Bezug auf ihren Status, d.h. eine
Bestätigung,
dass sie richtig funktioniert, mit einer anderen Steuerung aus.
Somit bestätigen
die Steuerungen A1 und A3 ihren Status unter Verwendung einer Verbindung 36,
tauschen die Steuerungen A1 und B3 Daten miteinander über die
Verbindung 38 aus und tauschen die Steuerungen A3 und B3
Statusdaten über
eine Verbindung 40 aus.
-
Eingaben
zu den Steuerungen werden daher über
die Pilot- und Copilot-Steuerpedale
empfangen, und wenn sie in Eingriff sind, können sie auch über den
Autopiloten zu den Zwecken einer Gierdämpfung ausgegeben werden. Diese
Anforderungen kommen über
Datenbusse und eine diskrete Signalgabe von den Luftfahrzeug-Avioniksystemen
in das Steuerrudersystem. Die Autorität der Autopilot-Gierdämpferanforderung
ist so begrenzt, dass sich der Pilot über die Pedaleingaben immer über ihren
Effekt hinwegsetzen kann. Basierend auf diesen Anforderungen berechnet
jede der Steuerungen die erwünschte
Steuerruderposition und erzeugt Steuersignale zum Steuern von elektrohydraulischen
Steuerventilen, die zu den Stellgliedern gehören. Bei einem normalen Einsatz
sind alle drei Stellglieder 20, 22 und 24 aktiv,
und somit müssen
die Steuerungen die Stellgliederpositionen über jeweilige Positionssensoren 46, 48 und 50 und
Stellgliederpositionssensoren 21, 23 und 25 überwachen.
Jedes Stellglied enthält
auch Drucksensoren 52, 54 und 56, die
den differentiellen Druck über
dem Stellgliedkolben erfassen. Diese Messungen einer Stellgliedposition
und eines differentiellen Drucks über den Stellgliedkolben werden
durch jede der Steuerungen zum Implementieren von "Kräftekampf"-Reduktionsalgorithmen verwendet, um
sicherzustellen, dass ein Stellglied nicht damit anfängt, gegen die
durch eines der anderen Stellglieder erzeugte Bewegung zu kämpfen. Die
Steuerungen können
angeordnet sein, um die Anforderungen der Flugcrew und des Gierdämpfers als
Funktion einer Luftgeschwindigkeit zu skalieren.
-
Die
Stellglieder 52, 54 und 56 sind in zwei
Moden betreibbar. Im aktiven Mode wird jedes durch zugehörige elektrohydraulische
Steuerventile angetrieben und gesteuert. Jedoch dann, wenn sie nicht
aktiv sind, treten die Stellglieder in einen Umgehungs-Mode ein, so dass
sie zurückgetrieben
werden können.
Dies stellt in einem Fall eines Ausfalls von einer der Steuerungen
sicher, dass sie damit aufhört,
ihr zugehöriges
Stellglied zu steuern, damit die übrigen Stellglieder noch die
Position des Steuerruders variieren bzw. ändern können. Wenn ein Stellglied in
einem hydraulisch verriegelten Mode ausfällt, dann würde das Steuerruder selbst
in eine verriegelte Position gelangen und würde den übrigen zwei betriebsmäßigen Steuerkanälen bezüglich ihrer
Aufgabe zum Steuern der Steuerruderposition entgegengewirkt werden.
Weiterhin stellen die Stellglieder dann, wenn sie im Umgehungs-Mode
sind, ein Maß eines
Dämpfens
zur Verfügung,
welches dazu verwendet werden kann, eine ausreichende Kraft zum
Dämpfen
von Windstößen zur
Verfügung
zu stellen, wenn das Luftfahrzeug auf dem Boden ist.
-
Obwohl
drei digitale Steuerungen vorgesehen sind, enthält eine der Steuerungen, nämlich A1,
weiterhin einen analogen Hilfskanal 60. Die analoge Hilfe
wird aktiv und übernimmt
die Steuerung der Position des zugehörigen Ruderstellglieds, wenn
sie erfasst, dass keines der anderen Steuerruderstellglieder aktiv
ist. Die Information für
ein aktives Stellglied wird durch jede der Steuerungen A1, A3 und
B3 geliefert. Die analoge Hilfe enthält eine Steuer- und Überwachungsfunktionalität und wird
das Stellglied 22 umgehen, das zu ihr gehört, wenn
es irgendwelche Diskrepanzen bezüglich
der Stellgliedsteuerung gibt.
-
4 stellt
schematisch die Anordnung des Höhenrudersystems
dar. Das Luftfahrzeug hat zwei Höhenruderflächen, nämlich ein
linkes Höhenruder 100 und
ein rechtes Höhenruder 102,
die von dem hinteren Rand des Horizontalstabilisators eingehängt sind.
Die Höhenruder
liefern die primäre
Einrichtung, durch welche die Flugcrew bzw. Flugbesatzung die Luftfahrzeughöhe steuert.
Ein einstellbares Horizontalstabilisatorsystem stellt eine sekundäre Einrichtung
zum Steuern einer Luftfahrzeughöhe
zur Verfügung.
Das linke Höhenruder 100 wird
durch zwei hydraulische Stellglieder angetrieben. Diese sind ein
hydraulisches "Außenbord"-Stellglied 104 und ein hydraulisches "Innenbord"-Stellglied 106.
Gleichermaßen
wird das rechte Höhenruder 102 durch
ein hydraulisches Innenbord-Stellglied 108 und ein hydraulisches
Außenbord-Stellglied 110 gesteuert.
Jedes hydraulische Stellglied enthält elektrische Wandler, die
bis zu dem Zentrum des Stellgliedkolbens installiert sind, um seine
Position zu erfassen. Diese Positionssensoren, wie beispielsweise
die Sensoren 112 und 114 im Stellglied 104,
sind mit den Steuerungen verbunden, die zu diesem Höhenruder
gehören,
und zwar in diesem Fall B2 und A2, so dass jede Steuerung die Position
des Stellglieds 104 kennt. Gleichermaßen werden auch Positionssignale
vom Stellglied 106 zu den Steuerungen von B2 und A2 geliefert.
Eine gleiche Anordnung tritt bei dem rechten Höhenruder auf. Jedes Stellglied
enthält
auch elektrische Druckwandler 116, die den differentiellen
Druck über
dem Stellgliedkolben erfassen und diese Information zu der Steuerung
zurückbringen,
die zu diesem Stellglied gehört.
Somit sind die Sensoren 116 des Stellglieds 104 nur
mit der Steuerung B2 verbunden. Gleichermaßen sind die Drucksensoren
des Stellglieds 106 nur mit dem Stellglied A2 verbunden.
Wie bei den Steuerrudersteuerungen hat jede der Höhenrudersteuerungen
zwei Leistungsversorgungen. Somit ist die Steuerung B2 mit dem DC-Bus
1, der als die Vorgabe-Energieversorgung wirkt, und dem DC-Bus 3,
der die Hilfs-Energieversorgung
darstellt, verbunden. Für
das rechte Höhenruder
ist die Steuerung A3 mit dem DC-Bus 3 verbunden, der eine Vorgabe-Energieversorgung
darstellt, und mit dem DC-Bus 1, der als die Hilfe wirkt, wohingegen
die Steuerung B3 mit dem DC-Bus 2 verbunden ist, der die Vorgabe-Energieversorgung
darstellt, und dem DC-Bus 1, der seine Hilfe darstellt. Somit wird
ein Ausfall von irgendeiner der Energieversorgungen das Steuersystem
unbeeinflusst lassen, während
ein Ausfall von zwei der Energieversorgungen einige der Steuerungen
abschalten wird, aber eine funktionsmäßige Steuerung auf jeder Seite
des Luftfahrzeugs lassen wird. Die hydraulischen Stellglieder sind
auch mit unterschiedlichen Hydrauliksystemen verbunden. Somit ist
das Stellglied 104 mit dem Hydrauliksystem 1 verbunden,
ist das Stellglied 106 mit dem Hydrauliksystem 2 verbunden,
ist das Stellglied 108 mit dem Hydrauliksystem 3 verbunden
und ist das Stellglied 110 mit dem Hydrauliksystem 2 verbunden.
Somit wird ein Ausfall von irgendeinem einzelnen Hydrauliksystem
nicht in einen Verlust einer Steuerung über die Höhenruder resultieren, während ein
Ausfall von irgendwelchen zweien der Hydrauliksysteme (was ein extrem
seltener Fall sein würde)
noch eines der Höhenruder funktionsfähig lassen
wird.
-
Der
Pilot und der Copilot haben Steuersäulen 120 bzw. 122.
Die Säulen
sind über
eine Trennvorrichtung 124 verbunden, die so arbeitet, dass
sich beide Säulen
unter normalen Umständen
miteinander bewegen, aber in dem Fall einzeln betätigt werden
können,
in welchem eine Säule
geklemmt ist. Die Position des linken Höhenruders wird über Positionssensoren 126, 128, 130 und 132 bestimmt.
Jeder Wandler liefert eine Ausgabe zu einer der Steuerungen B2 und
A2, so dass jede Steuerung zwei Messungen der Säulenposition des Piloten empfängt. Eine
gleiche Anordnung ist durch vier Sensoren vorgesehen, die vorgesehen
sind, um die Position der Säule
des Copiloten zu messen, um Steuersignale für das rechte Höhenruder
abzuleiten.
-
Die
Säulenpositionen,
wie sie durch die Sensoren erfasst werden, werden zu den Steuerungen
B2, A2, A3 und B3 geliefert, die dann die erforderlichen Höhenruderpositionen
basierend auf den Eingangssignalen berechnen.
-
Normalerweise
wird jede Höhenruderfläche gleichzeitig
durch zwei Steuerungen und ihre jeweiligen hydraulischen Stellglieder
gesteuert. Somit ist, wie bei dem Steuerruder, jedes hydraulische
Stellglied und jede Steuerung innerhalb einer "Kräftekampf"-Reduktionssteuerschleife
enthalten, um zu verhindern, dass die Stellglieder gegeneinander
arbeiten. In dem Fall eines Ausfalls von irgendeiner der Steuerungen,
und zwar entweder aufgrund eines Ausfalls innerhalb einer Steuerung
selbst, einer Energieversorgungsunterbrechung zur Steuerung, eines
Ausfalls von Sensoren zu der Steuerung oder eines Ausfalls oder
von Fehlern, der oder die innerhalb des Hydrauliksystems auftreten,
das zu einer Steuerung gehört,
kann das zugehörige
hydraulische Stellglied von einem aktiven Mode zu einem gedämpften Mode
umgeschaltet werden, in welchem das Stellglied zurückgetrieben
werden kann, aber eine Kraft erzeugen wird, die der Rücktriebsbewegung
entgegenwirkt. Somit werden im Fall von geringfügigeren Ausfällen, wie
beispielsweise eines Ausfalls von einer Steuerung, beide Höhenruder
noch in Betrieb sein, wobei ein Höhenruder durch zwei Stellglieder
angetrieben wird, während
das andere Höhenruder
nur durch eines angetrieben wird. Jedoch im Fall von ernsthafteren
Ausfällen,
wie beispielsweise eines Ausfalls von zwei Hydrauliksystemen, wie
beispielsweise der Systeme 1 und 2, würde dann
ein Höhenruder
nicht angetrieben werden (welches aber noch gedämpft sein würde), während das andere Höhenruder
noch über
nur ein Stellglied angetrieben werden würde. Jedoch kann, wie es hierin
zuvor angemerkt ist, eine Höhensteuerung
noch durch die Verwendung von einem Höhenruder und dem einstellbaren
Horizontalstabilisator erreicht werden.
-
Wie
es in 4 gezeigt ist, enthalten die Steuerungen A2 und
A3 auch analoge Hilfen für
die linken und rechten innersten Stellglieder der Höhenruder.
Die analoge Hilfe für
das linke Höhenruder
wird einen Betrieb beginnen, wenn sie bestimmt, dass keiner der
digitalen Kanäle
in den Steuerungen A2 oder B2 in Betrieb ist. Gleichermaßen wird
die analoge Hilfe für
das rechte Höhenruder
einen Betrieb beginnen, wenn sie bestimmt, dass keiner der digitalen
Kanäle
A3 oder B3 im Betrieb ist.
-
5 stellt
schematisch das Querrudersystem für das Luftfahrzeug dar. Es
kann direkt gesehen werden, dass das Querrudersystem, das in 5 gezeigt
ist, effektiv die Anordnung spiegelt, die für die Höhenruder vorgesehen ist, wie
es in 4 dargestellt ist. Somit wird das linke Querruder 150 durch
ein Außenbordstellglied 152 angetrieben,
welches wiederum durch die Steuerung B2 gesteuert wird. Das Stellglied 152 enthält Positionssensoren 154 und 156 darin,
die zusätzliche
Information zu der Steuerung B2 für das linke Außenbord-Stellglied
und zu der Steuerung A2 liefern, die das linke Innenbord-Stellglied 158 primär steuert.
Jedes Stellglied ist mit Druckwandlern zum Bestimmen des differentiellen
Drucks über
dem Stellgliedzylinder versehen. Jede der Steuerungen A2 und B3
hat zwei Energieversorgungen, und diese werden so ausgewählt, dass
nur eine der Energieversorgungen für beide Steuerungen gemeinsam
ist. Jede Steuerung B2 und A2 empfängt Positionsinformation von
dem Pilot-Steuerrad 160 mittels eines Blocks von vier Sensoren 162,
die so angeordnet sind, dass jeder Sensor nur eine einzige Ausgabe
liefert und dass zwei der Sensoren Ausgaben zur Steuerung B2 liefern,
wohingegen zwei der Sensoren Ausgaben zur Steuerung A2 liefern.
Eine gleiche Anordnung wird für
das rechte Querruder-Steuersystem mit den Versorgungsbussen zu den
Steuerungen A1 und B1 für
das rechte Querruder wiederholt, das ausgewählt wird, wie es in Bezug auf 2 gezeigt
ist, und die Verbindungen zwischen den verschiedenen hydraulischen
Stellgliedern und den drei Luftfahrzeug-Hydrauliksystemen, die ausgewählt werden,
wie es in 5 gezeigt ist.
-
In
einem normalen Einsatz sind die Pilot- und Copilot-Räder mechanisch über eine
Trennvorrichtung 170 verbunden, die zulässt, dass das Pilotenrad 160 von
dem Copilotenrad 164 in dem Fall eines Klemmens von einem
Rad getrennt wird. Die Position des linken Querruders wird durch
die Position des Piloten-Rads bestimmt, wohingegen die Position
des rechten Querruders durch die Position des Copiloten-Rads bestimmt wird.
Wenn das Luftfahrzeug normal arbeitet, sind beide Steuerungen und
ihre hydraulischen Stellglieder, die zu einem Querruder gehören, aktiv,
so dass jede Steuerung die Ausgabe der Sensoren 162 analysiert,
um die angeforderte Position des Querruders zu bestimmen, und auf
dieser Basis die erforderliche Position des hydraulischen Stellglieds
berechnet, diese mit der aktuellen Position vergleicht und ein Öffnen oder
Schließen von
hydraulischen Steuerventilen anweist, wie es geeignet ist, um zu
veranlassen, dass sich das Stellglied zu der erforderlichen Position
bewegt. Da beide hydraulischen Stellglieder aktiv sind, muss eine
Kräftekampf-Reduktion
implementiert werden, und dies wird durch Vergleichen des differentiellen
Drucks über
den Stellgliedern erreicht, um zu bestimmen, welcher die signifikanteste
Last trägt
und danach sucht, diesen Druck zu reduzieren, während das Querruder bei der
erforderlichen Position gehalten wird.
-
Im
Fall eines Ausfalls von irgendeinem Teil des Steuersystems, das
zu einem hydraulischen Stellglied gehört, oder des Stellglieds selbst,
wird das relevante Stellglied von einem aktiven Mode zu einem passiven Mode
umgeschaltet, in welchem es zurückgetrieben
werden kann, was bedeutet, dass das Stellglied nicht in einer Position
hydraulisch verriegelt wird. Dies ist deshalb wichtig, weil ein
hydraulische Verriegeln eines Stellgliedes die Aktion des übrigen arbeitenden
Stellgliedes zum Steuern dieser Flugfläche frustrieren bzw. blockieren
würde.
-
Wie
bei dem Höhenruder-Steuersystem
können
die Steuereinheiten die Pilotanforderungen, wenn sie von den Steuerrädern empfangen
werden, als Funktion einer Luftgeschwindigkeit vor einem Ankommen
bei der erforderlichen Stellgliedbewegung skalieren. Ein Ausfall
von irgendeinem einzelnen Energie- bzw. Leistungsbus hat eine Wirkung
auf den Betrieb des Flugsteuersystems, wohingegen ein Ausfall von
zwei Bussen ein Potential zum Entfernen von einer Steuerung für jedes
der Querruder hat, während
er aber noch eine Steuerung für
jedes Querruder aktiv lässt.
Die Steuerungen B2 und B1, die die äußersten Stellglieder der Querruder steuern,
enthalten auch analoge Hilfseinheiten, die dann einen Betrieb beginnen,
wenn eine Einheit bestimmt, dass keines der digitalen Systeme B2
oder A2 oder B1 und A1 tatsächlich
das zugehörige
Querruder steuert. Die Steuerungen sind konfiguriert, um Gesundheitszustandsdaten
auszutauschen, wie beispielsweise über Datenbusse, die aus dem
Diagramm der Klarheit halber weggelassen worden sind.
-
6 stellt
schematisch die Anordnung des Störklappensystems
dar. Wie es unter Bezugnahme auf
1 beschrieben
ist, wirken alle Störklappen
als Boden-Störklappen
zum Verlangsamen des Luftfahrzeugs nach einem Landen oder nach einem
abgebrochenen Abheben. Ein Luftbremsen zum Verlangsamen des Luftfahrzeugs,
während
es fliegt, wird durch Störklappenpaare
2 und
3 mit
einer Schwankunterstützung
durchgeführt,
die durch Störklappenpaare
3,
4 und
5 zur
Verfügung
gestellt wird. Wie es gezeigt ist, aktiviert ein einzelnes hydraulisches
Stellglied jede Störklappenfläche. Ein
Störklappenpaar
1,
welches nur als Boden-Störklappen
S1 links und S1 rechts wirkt, werden als "Bang/Bang"- bzw. "Stoß/Stoß"-Störklappen
gesteuert, was bedeutet, dass sie entweder vollständig zurückgefahren
oder vollständig
ausgefahren sind. Die Störklappen
S1 links und S1 rechts werden von einer einzigen hydraulischen Vielfalt
200 gesteuert,
die im Rumpf des Luftfahrzeugs angeordnet ist. Störklappenpaare
S2 bis S5, die eine Vielfalt von Funktionen implementieren, werden
proportional gesteuert. Die zehn Störklappen sind zwischen den
Steuerungen A3, A2, B1 und B3 so aufgeteilt, dass ein Arbeiten von
links nach rechts in
6 die Konfiguration ist, wie
es folgt:
-
Wie
bei den in Bezug auf das Steuerruder, die Querruder und die Höhenruder
beschriebenen Systemen hat jede Steuerung duale ungleiche elektrische
Versorgungen, die als primäre
Versorgung und als Hilfsversorgung angeordnet sind, und zwar gemäß der Information,
die in 2 aufgezeigt ist. Positionssensoren 180 und 182 sind
vorgesehen, um die Positionen der Piloten- und Copiloten-Steuerräder 160 bzw. 164 zu überwachen
und um diese Information zu geeigneten der Steuerungen zuzuführen, wie
es in 6 gezeigt ist. Ebenso hat, wie es in 6 gezeigt
ist, ein Luftbremsen/Boden-Störklappen-Verstärkungshebel 190 einen Sensorblock 192,
der zu ihm gehört,
um die Hebeposition zu überwachen
und um Ausgaben zu den Steuereinheiten zuzuführen, wie es in 6 angezeigt
ist.
-
Im
Einsatz verstärkt
die Flugbesatzung die Boden-Störklappenfunktion
während
der Annäherungsphase
durch Auswählen
der Boden-Störklappenverstärkungsposition
an einem am zentralen Podest montierten Luftbremshebel. Wenn das
Luftfahrzeug landet, wird das Störklappensystem
angeordnet, um alle Störklappenkanäle einzusetzen,
die vorgesehen sind, damit verschiedene Sicherheitsverriegelungen
erfüllt
werden. Solche Sicherheitsverriegelungen enthalten eine Drosselposition
und die Erfassung eines Gewichts, das durch das Fahrwerk getragen
wird. Wenn die Flugbesatzung ein Abheben abbricht oder einen Umkehrstoß auswählt, dann
setzt das Störklappensystem
automatisch alle Störklappen
ein, um das Luftfahrzeug zu verlangsamen.
-
Eine
Betätigung
des Luftbremshebels in die Luftbremsposition seines Verlaufs lässt zu,
dass die Flugbesatzung einen Einsatz der Luftbrems-Störklappen
S2 und S3 auf jeder Seite des Luftfahrzeugs fordert. Das Ausmaß ihres
Einsatzes ist proportional zur Hebeposition. Störklappen-Schwankunterstützungsanforderungen
für Störklappenpaare
S3, S4 und S5 werden aus der Position der Flugbesatzungs-Radpositionen bestimmt.
Gegensätzlich
zu dem Querruder-Steuersystem werden Radpositionen von dem Pilotenrad 160 zu Steuerungen
zugeführt,
die Störklappen
auf sowohl der linken Seite als auch auf der rechten Seite des Luftfahrzeugs
steuern. Gleichermaßen
wird auch die Copiloten-Radposition zu Steuerungen gesendet, die Störklappen
auf sowohl der linken Seite als auch der rechten Seite des Luftfahrzeugs
steuern. Wie es in 6 gezeigt ist, wird jedes Störklappenpaar
(beispielsweise S5 links und S5 rechts) von derselben hydraulischen Versorgung
angetrieben und wird durch dieselbe Steuerung gesteuert, so dass
sie gleichzeitig ausfallen. Somit wird ein Ausfall von irgendeiner
der Steuersystemkomponenten durch einen symmetrischen Ausfall von Störklappenpaaren
offenkundig.
-
Da
jede Störklappe
nur durch ein zugehöriges
Stellglied aktiviert wird, gibt es keine Notwendigkeit zum Implementieren
von Kräftekampf-Algorithmen
für diesen
Teil des Steuersystems. Jedoch werden die Stellglieder so modifiziert,
dass sie mechanisch vorgespannt sind, um im Fall eines Ausfalls
einer Komponente oder eines Hydrauliksystems zu der zurückgezogenen
Position zurückkehren.
-
7 stellt
schematisch das Klappen-Steuersystem dar. Wie es in 1 gezeigt
ist, hat jeder Flügel des
Luftfahrzeugs zwei Klappen-Hochhebeflächen am hinteren Rand. Diese
Flächen
werden eingesetzt, um die aerodynamischen Hebeeigenschaften des
Flügels
zu verstärken,
um langsame Geschwindigkeiten während
eines Abhebens und eines Landens zu ermöglichen. Die Klappen können bei
vier Positionen eingesetzt werden, wie es durch die Flugbesatzung
gefordert wird. Dies ermöglicht
unterschiedliche Einstellungen für
ein Abheben gemäß den Umgebungsbedingungen
und dem Luftfahrzeuggewicht und eine progressive Erhöhung bezüglich der
Hebeleistungsfähigkeit,
während
sich ein Luftfahrzeug einem Landen annähert. Die Klappen 6 und 8 auf
jeder Seite des Luftfahrzeugs sollen zusammen eingesetzt werden.
Der Klappeneinsatzmechanismus bildet keinen Teil der Erfindung,
wird aber der Vollständigkeit
halber beschrieben werden. Jede Klappenfläche 6, 8 ist
auf zwei Kontaktrollen gestützt,
die auf geraden Spuren laufen, die Kontaktrollen werden entlang der
Bahn bzw. Spur unter Verwendung eines Kurbel/Gleiter-Mechanismus
zum Einsetzen der Klappenflächen gestoßen bzw.
gedrückt.
Eine Drehung der Klappenflächen
wird durch Dreh-Stellglieder 121 erreicht. Die Drehbewegung
eines Stellglieds 121 steuert die Klappenposition durch
Drehen des Kurbelmechanismus. Die Dreh-Stellglieder werden durch
ein festes Übertragungssystem
von einer zentralen Leistungsantriebseinheit 220 angetrieben.
-
Die
Leistungsantriebseinheit 220 ist mit zwei Motoren konfiguriert,
so dass jeder Motor das Klappensystem antreiben kann, während der
andere stationär
ist.
-
Jede
Klappe enthält
einen variablen differentiellen Drehwandler 240, der als
Teil ihres Antriebsmechanismus vorgesehen ist, um die Position der
Klappen zu erfassen. Zusätzlich
ist auch ein Versatz- bzw. Schräglagensensor 242 vorgesehen,
um sicherzustellen, dass die Klappen auf synchronisierte Weise arbeiten,
und eine elektrisch betreibbare Transmissionsbremse 244 ist
vorgesehen, um die Klappen in eine Position in dem Fall eines Fehlers
des Antriebsmechanismus zu verriegeln.
-
Die
Steuerungen A2 und B2 reagieren auf Detektoren 250 zum
Erfassen der Position des Hochhebehebels.
-
Im
Einsatz kann die Flugbesatzung die Klappenposition unter Verwendung
des einzigen Hochhebe-Anforderungshebels im Cockpit auswählen. Die
zwei Steuerungen A2 und B2 überwachen
die Hochhebehebel-Sensoren 250, um die Flugbesatzungsanforderung
zu bestimmen. Die Steuerungen A2 und B2 sind in separaten Avionikabteilungen.
Die Steuerungen arbeiten in Verbindung mit der Leistungsantriebseinheit 220, um
den Einsatz und das Verstauen der Klappen zu steuern. Ein kontinuierliches Übertragungssystem
läuft von der
Leistungsantriebseinheit entlang jedem Flügel zu den Dreh-Stellgliedern.
Dies stellt einen symmetrischen Betrieb der Klappenflächen sicher.
Die Dreh-Stellglieder sind in der Form von Reduktionsgetriebekästen mit hohem
Umsetzungsverhältnis.
Bei jedem Stellglied gibt es einen Drehmomentbegrenzer, der die
Klappenstützstruktur
in dem Fall eines Klemmens im Kurbel-Gleiter-Mechanismus durch Verriegeln
des Übertragungssystems
schützt.
Das System enthält Übertragungsbremsen
zwischen den Stellgliedern an den Außenbord-Klappenkanälen. Sie
verhindern aktiv eine Klappenbewegung in dem unwahrscheinlichen
Fall einer mechanischen Trennung zwischen der Antriebseinheit 220 und
irgendeinem der Stellglieder.
-
Wenn
eine Steuerung erfasst, dass die Flugbesatzung eine neue Klappenposition
ausgewählt
hat, signalisiert sie der Leistungsantriebseinheit 220,
mit voller Betriebsgeschwindigkeit zu laufen. Wenn das Klappensystem
zu der selektiven Position geschlossen wird, wird die Leistungsantriebseinheit
gesteuert, um die Motor zu verlangsamen. Wenn die Klappe die ausgewählte Position
erreicht, signalisiert die Steuerung der Leistungsantriebseinheit
zu stoppen. Diese Strategie eines Betriebs mit zwei Geschwindigkeiten
stellt sicher, dass das Klappensystem genau positioniert wird, während sich
eine vernünftige
Geschwindigkeit eines Einsatzes ergibt. Die Steuerungen A2 und B2 überwachen
das System kontinuierlich auf einen richtigen Betrieb und stoppen
das System und geben eine Warnung zu der Flugbesatzung aus, wenn
ein Fehler auftritt.
-
8 stellt
schematisch das Luftfahrzeug-Leistensystem dar. Das Leistensystem
ist in vielerlei Hinsicht ähnlich
dem in Bezug auf 7 beschriebenen Klappensystem.
Wie es in 1 gezeigt ist, hat das Luftfahrzeug
fünf Leisten-Hochhebeflächen am
führenden
bzw. vorderen Rand. Diese Leistenflächen werden eingesetzt, um
aerodynamische Eigenschaften des Flügels zu verstärken, um
einen Flug langsamer Geschwindigkeit zu ermöglichen, um während eines
Abhebens und eines Landens aufzutreten. Die Leisten können eingesetzt
werden, wie es durch die Flugbesatzung angefordert wird. Dies ermöglicht unterschiedliche
Einstellungen zum Abheben gemäß den Umgebungsbedingungen
und dem Luftfahrzeuggewicht, und ein progressives Erhöhen bezüglich einer
Hebeleistungsfähigkeit
während
eines Annäherns
zu einem Landen. Wie es gezeigt ist, reagieren die Steuereinheiten
A3 und B3 jeweils auf Sensoren 250, die die Position des
Hochhebehebels 252 überwachen,
wie es hierin zuvor unter Bezugnahme auf 7 beschrieben
wurde. Die Steuerungen A3 und B3 sind auch mit einer Leistungsantriebseinheit 320 verbunden,
die identisch zu der hierin zuvor beschriebenen Vorrichtung 220 ist.
Jede der Leisten, nämlich
von der Leiste 1 bis zu der Leiste 5, an jedem
Flügel
wird durch zwei gekrümmte
Zahnstangen getragen. Die Zahnstangen werden durch ein Zahnstangengetriebesystem
angetrieben, das durch die Dreh-Stellglieder 274 angetrieben
wird (von welchen einige in 8 gezeigt sind).
Wie bei dem Klappensystem können
die Piloten eine Hochhebeposition unter Verwendung des Hochhebehebels
auswählen,
und die Steuerungen, die auf diesen wirken, veranlassen, dass die
Leistungsantriebseinheit 320 arbeitet, um die Leisten bei
der erforderlichen Position zu positionieren. Ein Positionssensor 270 überwacht
die Position der Leisten und eine Bremse 272 ist vorgesehen,
um die Leisten in dem Fall eines Ausfalls der mechanischen Verbindung
zwischen den Leisten-Stellgliedern und dem Antriebseinheitsstellglied 320 bei
einer Position zu halten.
-
Wenn
eine Steuerung erfasst, dass die Flugbesatzung eine neue Leistenposition
ausgewählt
hat, signalisiert sie der Leistungsantriebseinheit 320,
das Laufen mit voller Betriebsgeschwindigkeit zu beginnen. Wenn
sich das Leistensystem der ausgewählten Position annähert, signalisiert
es der Leistungsantriebseinheit, langsamer zu werden, und wenn die
Leisten bei der ausgewählten
Position ankommen, wird die Leistungsantriebseinheit gestoppt. Die
Steuerungen überwachen
das System auf einen richtigen Betrieb und geben eine Warnung für den Piloten
in dem Fall aus, dass eine weitere Fehlfunktion erfasst wird.
-
9 stellt
schematisch das Steuersystem für
den einstellbaren Horizontalstabilisator dar. Der Zweck des einstellbaren
Horizontalstabilisators besteht im Zulassen, dass die Hebewerkzeugflächen bei
einer nicht gebogenen Position sind, außer während Flugmanövern. Ein
Einstellen wird durch Ändern
des Winkels des Stabilisators relativ zu dem Rumpf erreicht, an
welchem er montiert ist. Wenn er luftgetragen ist, ändert dieses Einstellen
den Angriffswinkel der Fläche
und resultiert in einer Änderung
bezüglich
des Höhensteigungsmoments
an dem Luftfahrzeug.
-
Der
einstellbare Horizontalstabilisator wird durch ein Stellglied gesteuert,
das an dem Zentrum des führenden
Rands des Stabilisators genau hinter der rückwärtigen Druck-Stützwand angebracht
ist. Das Stellglied weist eine Kugelmutter auf, die mit einer Kugelumlaufspindel
zusammenarbeitet, wobei die Kugelumlaufspindel über eine Drehleistungseinheit
und einen Getriebekasten angetrieben wird. In 9 ist
die Leistungsantriebseinheit 350 mit zwei Motoren konfiguriert,
so dass ein Motor die Kugelumlaufspindel antreiben kann, während der
andere stationär
ist. Jeder der Motoren ist unter der Steuerung einer zugehörigen Steuerung
A1 oder B1. Wie es gezeigt ist, empfängt die Steuerung A1 Leistung über einen
28-Volt-DC-Bus 1 und einen 28-Volt-DC-Bus 2, wohingegen die Steuerung
B1 eine Leistung über
einen 28-Volt-DC-Bus 2 und
den 28-Volt-DC-Bus 3 empfängt.
Somit wird ein Ausfall von irgendeinem einzelnen Bus nicht veranlassen,
dass eine der Steuerungen ausfällt.
Jede Steuerung empfängt
Daten von einer Vielzahl von Versatzwandlern 370. Wie es
gezeigt ist, sind vier einzelne Wandler vorgesehen, so dass jeder
Wandler nur eine einzige Ausgabe zu jeder der Steuerungen A1 und
B1 liefert, und jede Steuerung empfängt Signale von zwei Wandlern.
Die Steuerungen reagieren auch auf einen Piloten-Einstellsteuerschalter 372,
einen Copiloten-Höheneinstell-Steuerschalter 374 und
einen Podest-Höheneinstell-Steuerschalter,
der zwischen dem Piloten und dem Copiloten montiert ist.
-
Entweder
der Pilot oder der Copilot kann den Stabilisator mittels Einstellschaltern 372 und 374 oder über den
auf einem Podest montierten Schalter 376 steuern. Wenn
er beteiligt ist, ist der Autopilot auch dazu fähig, das Höheneinstellsystem über eine
direkte elektrische Signalgabe in die Steuerkanäle des Stellgliedes zu steuern.
Steuerungsanforderungen vom Piloten oder vom Autopiloten sind geschaltete
Signale, die entweder ein Einstellen nach oben, ein Einstellen nach
unten oder ein Halten einer Einstellung anzeigen. Wenn einer von
dem Piloten oder dem Autopiloten einmal angezeigt hat, dass die
Einstellung eingestellt werden sollte, veranlassen die Steuerungen
A1 und B1, dass die elektrische Leistungsantriebseinheit 360 den
einstellbaren Horizontalstabilisator antreibt. Die zwei Motoren
sind durch einen Differentialgetriebekasten verbunden, so dass jeder
Motor arbeiten kann, um den Stabilisator zu steuern, selbst wenn
der andere ausgefallen ist. Wenn sie sich nicht drehen, werden die
Motoren durch integrierte Bremsen gehalten. Die Geschwindigkeit
einer Einstellsteuerung wird durch die Steuerungen A1 und B1 als
Funktion einer Luftgeschwindigkeit berechnet. Die Geschwindigkeitsanforderungen,
die von jeder der Steuerungen kommen, sind vom gleichen Umfang wie
ein Erreichen einer Hälfte
der erforderlichen Stabilisatorrate einer Bewegung. Wenn beide Kanäle normal
arbeiten, bewegt sich dann der Stabilisator mit der erwünschten
Rate. Ein Ausfall von einem Kanal einer Steuerung wird veranlassen,
dass sich der Stabilisator mit der Hälfte der erwünschten
Rate bzw. Geschwindigkeit bewegt.
-
Ein
automatischer Betrieb des Stabilisators ist auch durch die Steuerungen
vorgesehen. Dieses automatische Einstellen tritt auf, wenn die Klappen
eingesetzt werden, da eine Bewegung der Klappen das Zentrum eines
Hebens des Luftfahrzeugs bewegt. Die Änderung bezüglich des Zentrums eines Hebens
erzeugt ein Höhenmoment,
das vorhersagbar ist, und ihm kann durch automatisches Ändern des
Winkels eines Angriffs des einstellbaren Horizontalstabilisators
begegnet werden.
-
10 stellt
schematisch die Merkmale des Steuersystems dar, die kombiniert sind,
um eine Höhensteuerung
zur Verfügung
zu stellen. Somit wird das linke Hebewerkzeug durch Steuerungen
A2 und B2 gesteuert, wird das rechte Hebewerkzeug durch A3 und B3
gesteuert und wird der einstellbare Horizontalstabilisator durch
die Steuerungen A1 und B1 gesteuert. Somit würde ein gemeinsamer Betriebsausfall,
der einen der Kanäle
vollständig
herausnimmt, wie beispielsweise den A-Kanal, noch ausreichende B-Kanalsteuerungen im
Betrieb für
eine vollständige
Flugsteuerung des Luftfahrzeugs lassen. Ein Ausfall einer weiteren
der B-Kanalsteuerungen würde
noch eine ausreichende Steuerung der Flugflächen lassen, um eine Höhensteuerung des
Luftfahrzeugs beizubehalten.
-
11 stellt
schematisch diejenigen Komponenten dar, die zu einer Schwankachsensteuerung
gehören.
Es kann gesehen werden, dass das linke Querruder durch die Steuerungen
B2 und A2 gesteuert wird, das rechte Querruder durch die Steuerungen
B1 und A1 gesteuert wird und verschiedene Paare von Störklappen durch
die Steuerungen A2, A3 und B3 gesteuert werden. Somit würde wiederum
ein gemeinsamer Betriebsausfall, der einen der Kanäle vollständig herausnimmt,
wie beispielsweise den A-Kanal, noch genügend B-Kanalsteuerungen im
Betrieb für
eine vollständige
Flugsteuerung des Luftfahrzeugs lassen. Ein Ausfall einer weiteren
der B-Kanalsteuerungen würde
noch eine ausreichende Steuerung der Flugflächen lassen, um eine Schwankungssteuerung
zu erreichen.
-
12 stellt
schematisch ein Gierachsen-Steuersystem dar. Eine Gierachsensteuerung
ist weniger kritisch, da das Steuerruder nicht erforderlich ist,
um die Ebene zu drehen, und eine Giersteuerung kann auch durch einen
differentiellen Stoß erreicht
werden, der durch Maschinen auf gegenüberliegenden Seiten des Luftfahrzeugs
zur Verfügung
gestellt wird. Jedoch wird es gesehen werden, dass deshalb, weil
das Steuerruder durch die Steuerungen A1, A3 und B3 gesteuert wird,
ein gemeinsamer Betriebsausfall von einem der A- oder B-Kanäle noch
darin resultiert, dass das Steuerruder steuerbar ist.
-
13 stellt
schematisch die Anordnung zwischen zwei Steuerungen 420 und 422 dar,
die angeordnet sind, um eine Flugsteuerfläche 424 über jeweilige
Stellglieder 426 und 428 zu steuern. Wie es in 14 gezeigt ist, sind die Steuerung 420 und
das Stellglied 426 als der aktive Kanal bezeichnet und
sind die Steuerung 422 und das Stellglied 428 als
ein Standby-Kanal bezeichnet. In dieser Konfiguration steuert nur
ein Kanal die Flugsteuerfläche
zu irgendeinem Zeitpunkt. Jedoch ist ein gleichermaßen gültiger Ansatz
bezüglich
dieser "Aktiv-Standby"-Anordnung eine "Aktiv-Aktiv"-Anordnung, bei welcher
beide Kanäle
gleichzeitig die Flugsteuerfläche
steuern und beide Kanäle
einen "Kräftekampf-Reduktions"-Algorithmus implementieren,
um zu verhindern, dass die Kanäle
gegeneinander wirken.
-
Während der
aktive Kanal 420 das Stellglied 426 steuert, sind
ein Steuerteil 430, ein Überwachungsteil 432 und
ein Statusgenerator 434 des aktiven Kanals 420 alle
durch eine Steuerleitung mit dem Stellglied 426 verbunden.
Jedoch bleibt ein analoge Hilfssteuerung 436 zu diesem
Zeitpunkt abgetrennt. In dieser Anordnung bleiben ein Steuerteil 440 und
ein Überwachungsteil 442 des
Standby-Kanals 422 von dem Standby-Stellglied 428 getrennt,
obwohl der Überwachungsteil 442 Daten
von dem Statusgenerator 434 des aktiven Kanals empfängt.
-
In
dem Fall, dass ein Ausfall im aktiven Kanal erfasst wird, werden
Schalter 450 und 452, die zuvor die Steuer- und Überwachungsteile 430 bzw. 432 verbunden
hatten, zu dem Stellglied 426 geöffnet. Gleichzeitig werden
Schalter 454 und 456, die zuvor offen gewesen
waren, geschlossen, um den Steuerteil 440 und den Überwachungsteil 442 des
Kanals 422 mit dem Stellglied 428 zu verbinden.
Während
er in dieser Konfiguration ist, überwacht
ein zu dem Kanal 422 gehörender Statusgenerator 460 das
Antreiben zum Stellglied 428, und in dem Fall, dass ein
Fehler bzw. Ausfall im Stellglied 428 oder im Steuerkanal 440 oder
im Überwachungskanal 442 erfasst
wird, sendet er ein Signal zur analogen Hilfssteuerung 436,
was ihr eine Autorität
dazu gibt, sich selbst mit dem Stellglied 426 zu verbinden
und eine Steuerung des Stellglieds 426 zu übernehmen.
-
Es
ist klar, dass die hier und oben beschriebene Anordnung auf einfache
Weise modifiziert werden kann, um in einer "Aktiv-Aktiv"-Konfiguration zu arbeiten, wobei beide
Kanäle 420 und 422 wirken,
um die Flugfläche 424 gleichzeitig
zu steuern. Jedoch nimmt in dem Fall eines Ausfalls von irgendeinem
Kanal der übrige Kanal
die gesamte Verantwortlichkeit zum Steuern der Flugfläche an.
Im Fall eines Ausfallens von diesem übrigen Kanal wird dann eine
Verantwortung zur analogen Hilfssteuerung übergeben.
-
Es
ist somit möglich,
ein äußerst fehlertolerantes,
verteiltes Flugelektronik- bzw. Avionik-Steuersystem zur Verfügung zu
stellen, das eine vollständige "Flug-durch- Draht"-Funktionalität zur Verfügung stellt,
um sicher innerhalb eines Luftfahrzeugs implementiert zu werden.
