Böenlastminderung bei einem Flugzeug Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein automatisiertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung einer Böenlast eines Flugzeugs. Die Erfindung betrifft auch ein Flugzeug mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt und ein compu terlesbares Medium zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .

Hintergrund der Erfindung

Beim Durchfliegen von Windböen werden Flugzeugtragstrukturen und Passagiere durch die auftretenden Beschleunigungen und dadurch resultierende Tragtlächenbiegemomente stark belastet. Hierdurch verringert sich die Lebensdauer durch Materialermü dung und eine starke Überdimensionierung gegenüber den stati schen Lastfällen ist erforderlich, was zu einer schwereren Struktur und somit zu einer schlechten Effizienz und Ökobi lanz führt.

Die Tragfläche, auch Tragflügel oder Flügel, ist ein Bauteil eines Flufzeugs, dessen Hauptaufgabe in der Erzeugung von dy namischem Auftrieb besteht. Die Funktion des Tragflügels be steht darin, durch Beeinflussung der Umströmung eine ausrei chend große Kraft senkrecht zur Anströmrichtung zu erzeugen. Diese Kraft ist der Auftrieb, der ein Flugzeug in der Luft hält .

An Flugzeugen sind Tragflächen meist mit Klappen ausgestat tet, mit denen die Fluglage, der Auftrieb oder der Luftwider stand beeinflusst werden kann. Bei großen Flugzeugen hängen zumeist Triebwerke an den Tragflächen. Vorrichtungen zur Verminderung von Böenlasten an einem Luft fahrzeug sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 117 638 Al bekannt. Die Vorrichtungen umfassen typi scherweise einen nahe dem Schwerpunkt des Luftfahrzeugs ange ordneten Beschleunigungssensor zur Erfassung von durch Böen hervorgerufenen Beschleunigungen des Luftfahrzeugs. Die Zu- satzbeschleunigung aufgrund von Böen wird dabei aus der Ge samtbeschleunigung, die auf das Luftfahrzeug wirkt und zu der insbesondere Beschleunigungen des Luftfahrzeugs bei Manövern beitragen, herausgerechnet. Zur Kompensation der durch Böen erzeugten Zusatzlasten/Zusatzbeschleunigungen auf das Luft fahrzeug werden Aktoren, die aerodynamisch wirksame Steuer flächen des Luftfahrzeugs ansteuern, derart aktiv angesteu ert, dass die Zusatzlast der Böe kompensiert wird. Damit wird sowohl der erforderliche Gesamtauftrieb des Luftfahrzeugs als auch das Biegemoment an der Tragflächenwurzel (Englisch:

„Root Bending Moment") verringert.

Zukünftige Luftfahrzeuge, wie beispielsweise Flugzeuge, wer den für die Schuberzeugung Elektromotore einsetzen. In der Offenlegungsschrift DE 10 2015 215 130 Al wird beispielsweise ein seriell-hybrides Antriebssystem offenbart, bei dem mit Hilfe eines Generators, der an einen Verbrennungsmotor gekop pelt und von diesem angetrieben ist, elektrische Energie be reitgestellt wird. Die elektrische Energie wird anschließend einem Elektromotor zugeführt, welcher seinerseits die zuge führte elektrische Energie in Antriebsenergie für ein Vor triebsmittel des Luftfahrzeugs, beispielsweise einen Propel ler, umsetzt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, die ge genüber dem Stand der Technik eine verbesserte Minderung von an einem Luftfahrzeug auftretenden Böenlasten ermöglicht.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, durch eine kurzfristige Überlagerung eines Drehmoments einer für die An triebserzeugung genutzten elektromotorischen Schuberzeugungs einheit die Strukturlasten und die auftretenden Beschleuni gungen zu reduzieren, wobei das überlagerte Drehmoment der Strukturanregung durch atmosphärische Turbulenzen (= Böen) entgegen gerichtet ist.

Der Begriff „reduzieren" wird vorliegend in der Bedeutung „so gut wie möglich verringern" benutzt. Idealerweise könnte das durch den Lasteintrag einer Boe auf die Tragfläche wirkende Biegemoment an der Tragflächenwurzel (= Wurzelbiegemoment) nahezu vollständig aufgehoben werden.

Der Begriff „Böenlast" beschreibt vorliegend die durch eine Einwirkung einer Böe auf das Luftfahrzeug bzw. auf die Trag flächen auftretende Zusatzkraft bzw. das Zusatzmoment.

Eine aktive Böenlastminderung durch Steuerflächenausschlag an den Tragflächen eines Flugzeugs kann die auftretenden Wurzel- biegemomente zwar auch reduzieren, jedoch ist die Stellge schwindigkeit der Steuerflächen durch die hiermit verbundene Stellarbeit begrenzt.

Im Falle einer nicht ausreichenden Autorität des Systems, d.h. das Drehmoment ist kleiner als das durch Böe induziertes Wurzelbiegemoment, oder im Falle einer nicht idealen Ausrege lung des zusätzlichen Moments ist die Erfindung aber dadurch vorteilhaft, dass die durch die Böe induzierte Struktur schwingung aktiv gedämpft wird. Dadurch erhöht sich die Le bensdauer der Struktur Des Flugzeugs, da die Schwingspielzah len herabgesetzt werden, und der Passagierkomfort steigt. Die Erfindung beansprucht ein automatisiertes Verfahren zur Beeinflussung einer Böenlast eines Flugzeugs, wobei das Dreh moment mindestens einer an einer Tragfläche des Flugzeugs an geordneten elektromotorischen Schuberzeugungseinheit derart verändert wird, dass das durch die Böenlast erzeugte Wurzel- biegemoment der Tragfläche reduziert wird.

Die Erfindung bietet den Vorteil, das Drehmoment einer elekt romotorischen Schuberzeugungseinheit zu modulieren, wobei die Regelgeschwindigkeit praktisch nur durch die Regelgeschwin digkeit eines der Schuberzeugungseinheit vorgeschalteten Um richters begrenzt ist und somit um Größenordnungen schneller ist als durch Steuerflächenausschläge.

In einer Weiterbildung kann durch ein Sensorsystem eine Größe ermittelt werden, die dem durch die Böenlast erzeugten Wur- zelbiegemoment proportional ist. Dadurch ist eine Regelung des Drehmoments der elektromotorischen Schuberzeugungseinheit möglich .

In einer Weiterbildung kann die proportionale Größe die Be schleunigung der Tragfläche senkrecht zur Tragfläche sein und die Beschleunigung gegen Null geregelt werden. Dadurch ist eine einfache und robuste Regelung möglich.

Es ist auch möglich, dass das Sensorsystem mit Hilfe von Sen soren (Kamera, Lidar, Radar, Sonar, Luftdrucksensor, etc.) in Flugrichtung vorausschaut und mit der Regelung begonnen wird, bevor die Böe auf das Flugzeug trifft.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Änderung des Drehmo ments der elektromotorischen Schuberzeugungseinheit durch ei ne Änderung der die elektromotorische Schuberzeugungseinheit speisenden Stromstärke erfolgen. Dadurch ist eine Regelung des Drehmoments schnell und robust möglich, da das Drehmoment proportional der elektrischen Leistung ist, die wiederum pro portional der Stromstärke ist. In einem zweiten Aspekt wird das Verfahren mit Hilfe einer Steuer- und Regeleinheit umgesetzt. Die Steuer- und Regelein heit kann beispielsweise ein Microcontroller sein.

Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur Beeinflussung einer Böenlast eines Flugzeugs und umfasst mindestens eine an einer Tragfläche des Flugzeugs angeordneten elektromotori schen Schuberzeugungseinheit, eine Steuer- und Regeleinheit, die das Drehmoment der elektromotorischen Schuberzeugungsein heit derart verändert, dass das durch die Böenlast erzeugte Wurzelbiegemoment der Tragfläche reduziert wird.

In einer Weiterbildung kann ein Sensorsystem eine dem durch die Böenlast erzeugten Wurzelbiegemoment proportionale Größe ermitteln. Die proportionale Größe wird beispielsweise einem in der Sterz- und Regeleinheit ausgebildeten PD-Regler (Eng lisch: proportional-derivative Controller) zugeführt.

In einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung des Weiteren mindestens einen Beschleunigungssensor des Sensorsystems, der als proportionale Größe die Beschleunigung der Tragfläche senkrecht zur Tragfläche misst, und die Steuer- und Regelein heit, die die Beschleunigung gegen Null regelt. Dadurch ist ein einfacher Regelkreis möglich, der sehr feinfühlig ausge legt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen durch die Steuer- und Regeleinheit geregelten Umrichter, der die elektromotorische Schuberzeugungseinheit mit elektrischer Energie versorgt, wobei eine Änderung der Stromstärke am Aus gang des Umrichters die Änderung des Drehmoments der elektro motorischen Schuberzeugungseinheit bewirkt. Der Umrichter, als Variante eines Stromrichters, ist eine bekannte und be währte Vorrichtung, um Elektromotore bezüglich ihres Drehmo ments und ihrer Drehzahl zu regeln.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Elektromotor in der elektromotorischen Schuberzeugungseinheit sowie einen durch den Elektromotor angetriebenen Propeller oder eine durch den Elektromotor angetriebene Turbine in der elektromotorischen Schuberzeugungseinheit. Dadurch können der Vortrieb bzw. der Schub für das Flugzeug am Boden und in der Luft erzeugt werden.

In einem dritten Aspekt beansprucht die Erfindung ein Flug zeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Unter dem „Flugzeug" wird vorliegend ein Luftfahrzeug verstanden, das schwerer als Luft ist und den zu seinem Fliegen nötigen dyna mischen Auftrieb mit nicht-rotierenden Auftriebsflächen er zeugt .

In einem vierten Aspekt werden ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Medium durch Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens vorgestellt.

Die Erfindung beansprucht ein Computerprogrammprodukt, umfas send ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steuer- und Regeleinheit ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfin dungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computer programm auf der Steuer- und Regeleinheit ausgeführt wird.

Die Erfindung beansprucht außerdem ein computerlesbares Medi um, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steu er- und Regeleinheit ladbar ist, wobei mit dem Computerpro gramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausge führt werden, wenn das Computerprogramm auf der Steuer- und Regeleinheit ausgeführt wird.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:

Fig. 1 eine Frontansicht eines Flugzeugs,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Beeinflus sung einer Böenlast eines Flugzeugs,

Fig. 3 ein Schaubild des Drehmoments der elektromotorischen

Schuberzeugungseinheit und

Fig. 4 ein Schaubild des Wurzelbiegemoments .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig . 1 zeigt ein Flugzeug 6 von vorne mit den beiden Tragflä chen 4 und den beiden daran befestigten elektromotorischen Schuberzeugungseinheiten 1. Diese sind für den Schub bzw. den Vortrieb des Flugzeugs 6 verantwortlich. Die elektromotori schen Schuberzeugungseinheiten 1 weisen ein Drehmoment Ml auf, das ein Gegendrehmoment in die Tragflächen 4 leitet, das versucht die Tragflächen 4 nach oben zu biegen und somit ein Biegemoment an der Tragflächenwurzel 4.1 bewirkt.

Durch Böen entstehen auf den Tragflächen 4 Böenlasten, die an den Tragflächenwurzeln 4.1 ein Wurzelbiegemoment M2 verursa chen. Durch Veränderung des Drehmoments Ml der elektromotori schen Schuberzeugungseinheit 1 kann das Wurzelbiegemoment M2 verändert, im Idealfall nahezu kompensiert werden.

Fig . 2 zeigt ein zu Fig . 1 gehöriges Blockschaltbild. An der Tragfläche 4 sitzt eine Sensoreinheit 3 mit einem Beschleuni gungssensor 3.1, der die vertikale Beschleunigung a der Trag fläche 4 durch eine Böenlast misst. Das Wurzelbiegemoment M2 ist proportional zur Beschleunigung a, d.h. die Beschleuni gung a ist ein Größenmaß für das Wurzelbiegemoment M2. Die Sensoreinheit 3 schickt die Beschleunigungswerte an eine Steuer- und Regeleinheit 2, die mit einem Umrichter 5 verbun den ist und den Strom I am Ausgang des Umrichters 5 verändert bzw. moduliert. Der Strom I versorgt einen Elektromotor 1.1 der elektromotorischen Schuberzeugungseinheit 1. Der Elektro motor 1.1 treibt einen Propeller 1.2 bzw. eine Turbine 1.3 an, die den Schub verursachen.

Mit Hilfe eines PD-Reglers 2.1 in der Steuer- und Auswer teeinheit 1 wird versucht, die durch die Böenlast verursachte Beschleunigung a durch ein Verändern des Stroms I zu reduzie ren. Das Drehmoment Ml des Elektromotors 1.1 ist proportional dem Strom I . Durch das Verändern des Drehmoments Ml kann das durch die Böenlast verursachte Wurzelbiegemoment M2 reduziert werden. Simulationen dazu können den Schaubildern der Fig. 3 und Fig. 4 entnommen werden. In der Speichereinrichtung 2.2 der Steuer- und Regeleinheit 2 ist der Programmablauf für das Verfahren zur Böenlastminderung gespeichert.

Fig. 3 zeigt ein Schaubild in Kurve A den Verlaufs des Dreh moments Ml in Nm der elektromotorischen Schuberzeugungsein heit 1 mit einer Minderung einer kurzzeitigen Böenlast durch eine zeitlich begrenzte Reduzierung des Drehmoments Ml. Das Drehmoment Ml wird um etwa 1.000 Nm bei 0,1 s reduziert. Der Verlauf ist über die Zeit t in s dargestellt. Die Kurve B zeigt den Verlauf des Drehmoments Ml ohne Minderung der Bö enlast. Die Auswirkung der Drehmomentreduzierung ist aus

Fig. 4 ersichtlich.

Fig. 4 zeigt ein Schaubild des Wurzelbiegemoments M2 in Nm über der Zeit t in s . Die Kurve B zeigt das durch die kurz zeitige Böenlast verursachte Wurzelbiegemoment M2 ohne Minde rung durch ein Gegendrehmoment. Die Kurve A zeigt die Wirk samkeit der Reduzierung durch das Drehmoment Ml nach Fig. 3. Das Wurzelbiegemoment M2 kann so um fast 2.000 Nm verringert werden .

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande- re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.