Flight Envelope Protection and Carefree Handling. Robert Osterhuber, MEA25, DGLR FKFS WS Manching

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Benedict Boer
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1 Flight Envelope Protection and Carefree Handling Robert Osterhuber, MEA25, DGLR FKFS WS Manching

2 Agenda Allgemeine Gesichtspunkte - Eigenschaften eines modernen Kampfflugzeuges Erläuterung Flight Envelope Protection und Carefree Warum und wozu wird es gebraucht? Typische Anforderungen und Eigenschaften an ein modernes Flugregelungssystem mit Carefree- Handling- Eigenschaften Fragen

3 Agenda Allgemeine Gesichtspunkte - Eigenschaften eines modernen Kampfflugzeuges Erläuterung Flight Envelope Protection und Carefree Warum und wozu wird es gebraucht? Typische Anforderungen und Eigenschaften an ein modernes Flugregelungssystem mit Carefree- Handling- Eigenschaften Fragen

4 Allgemeine Gesichtspunkte - Eigenschaften eines modernen Kampfflugzeuges Heute eine Vielzahl von Missionsaufträgen mit nur einem Flugzeugtyp Luftüberlegenheit (air superiority) und Abfangjagd (air interdiction) Luftnahunterstützung (close air support) Gefechtsfeldabriegelung (battlefield interdiction) Aufklärung (reconnaisance) Vielzahl von Konfigurationen/Behängungen (Masse, SP, Aerodynamik) Vielzahl von Steuerflächen zur Optimierung der aerodynamischen Form und Bewegung des Flugzeugs Anspruch von einheitlichen Flugeigenschaften in der ganzen Flugenvelope und unabhängig von Konfiguration oder Behängung Instabilität als Werkzeug zur Leistungserhöhung Forderungen nach extremer Agilität in Verbindung mit Flight Envelope Protection und Carefree Digitale Flugregelung & Fly- by Wire- Systeme ermöglichen die Umsetzung

5 Flugenvelope: 0 < Mach < < qbar < 100 kpa (0 < VEAS < 800) 0 < H < 20-30km

6 Eine Vielzahl von Stellsystemen

7 Agenda Allgemeine Gesichtspunkte - Eigenschaften eines modernen Kampfflugzeuges Erläuterung Flight Envelope Protection und Carefree Warum und wozu wird es gebraucht? Typische Anforderungen und Eigenschaften an ein modernes Flugregelungssystem mit Carefree- Handling- Eigenschaften Fragen

8 Erläuterung - Flight Envelope Protection Flight Envelope Protection = Schutz der Betriebsgrenzen Schutz der Betriebsgrenzen bzgl. Machzahl und Staudruck Vermeidung von aerodynamisch gefährlichen Flugzuständen (z.b. Trudeln, Pitchup), d.h. Vermeidung des Steuerbarkeitsverlustes durch Strömungsabriß: Schutz von Anstellwinkel-, Schiebewinkel-, Drehratengrenzen Vermeidung von Lastüberschreitungen: Schutz der Lastvielfachen-, Drehraten/- beschleunigungsgrenzen Schutz des Piloten: g - Onset

9 Erläuterung Carefree Handling Übernahme der Flight Envelope Protection/ des Schutzes der Betriebsgrenzen durch die Kombination Cockpit- Warnung und Flugregelung Arbeitsentlastung des Piloten um zu ermöglichen, dass er sich auf die Bedienung des Waffensystems konzentrieren kann Pilot kann Steuerknüppel, Pedal, Schubhebel sowie Kombinationen davon frei nutzen Im Extremfall Übernahme der Steuerauthorität durch den Flugregler vom Piloten (z.b. Niedriggeschwindigkeit, Gefahr Bodenkontakt) Merkmal v.a. ab der 4. Kampflugzeuggeneration, beim Eurofighter umfassend umgesetzt

Westeuropa: Mirage 2000, Tornado, Viggen

Generation: umfassende Carefree- Systeme USA:

10 Beispiele für moderne Kampfflugzeuge 3. Generation: Hauptsächlich Cockpit- Warnung u. Limitierungen in der Nickachse USA: F14 Tomcat, F15 EAGLE, F16 Falcon, F18 Hornet Westeuropa: Mirage 2000, Tornado, Viggen Russland: Mig 29, Su 27/30/32 4./5. Generation: umfassende Carefree- Systeme USA: EF- 18 Super Hornet, F22 Raptor, F35 JSF Westeuropa: Eurofighter Taifun, Rafale, Gripen Russland: Su30-35, Mig 35, Su- 50 ( Raptorski ) Asien: J11Chengdu, J20, LCA Tejas

11 Erläuterung - Flight Envelope Protection/Carefree Steuerknüppelbewegungsfeld (Draufsicht) Kommando - Rollrate z.b. Pilot kann Steuerknüppel frei bewegen ohne Betriebsgrenzen zu beachten Kommando - Anstellwinkel

. P... Definition der Anforderungen Modellbildung Entwurf Clearance &

12 Entwicklungsprozeß für ein Carefree- Flugzeug Typischerweise ein komplexer, mit Risiken und Iterationen behafteter Prozeß. T ef K.. P... Definition der Anforderungen Modellbildung Entwurf Clearance & Zulassung Flugtest Modell falsch (z.b. Aerodynamik) zu optimistische Authoritäten

13 Agenda Allgemeine Gesichtspunkte - Eigenschaften eines modernen Kampfflugzeuges Erläuterung Flight Envelope Protection und Carefree Warum und wozu wird es gebraucht? Typische Anforderungen und Eigenschaften an ein modernes Flugregelungssystem mit Carefree- Handling- Eigenschaften Fragen

14 Anforderungen an ein modernes Fighter - Flugregelungssystem Künstliche Stabilisierung und Dämpfungserhöhung bis in extreme Flugbereiche (Anstellwinkel > 30 ) Effektive Betriebsgrenzenregelung Hohe Redundanz- und Sicherheitsforderungen Realisierung von extrem hoher Agilität und hervorragenden Handling Qualities /Flugeigenschaften Reduzierung/Minimierung des Pilotenarbeitsaufwandes und automatische Trimmung und Betriebsarten Schneller Abbau/Ausregelung von Störungen (z.b. Böen, Waffenabgang) Turbulenzunempfindlichkeit etc.

15 Merkmale moderner Fighter - Flugreglerstrukturen (1) Äußerst komplex/ hoch vermascht - Aufschaltung einer Vielzahl von Sensoren auf eine Vielzahl von Stellsystemen Triplex oder Quadruplex- Systemarchitektur Vorgaberegelungsysteme: Rollachse: v.a. Rollgeschwindigkeit (körperfest oder besser windachsenfest) Nickachse: z.b. Anstellwinkel, Lastvielfaches, Nickdrehrate Gierachse: z.b. Schiebewinkel, Lastvielfaches, Gierdrehrate

16 Merkmale moderner Flugreglerstrukturen (2) PID(D) Regelung in der Nickachse (Anstellwinkel/Lastvielfaches) und Gierachse (Schiebewinkel/Lastvielfaches) PI- Regelung für die Rollachse Direct Link Aufschaltung zur Kompensation der Integrator Dynamik Modellfolge- Regelung zur Trennung von Führungs- und Störverhalten Multi-Loop - Stellflächenaufschaltung Nichtlineare/selbstadaptive Regelungsmerkmale wie Umverteilung bei Stellflächensaturation/Redundante Stellflächen Auto- Selektor und Ablöseregelung Anpassung an die Stellflächenposition/Stellnormalisierung Asymmetrisch-progressive Rückführungen bei Überschreitung von Betriebsgrenzen etc.

17 Merkmale moderner Flugreglerstrukturen (3) Entkopplung der Flugzeugachsen und der kommandierten Größen Rollen mit konstantem Anstellwinkel ( wind axis rolling ) Störgrößenaufschaltung für Trägheitskopplung, Gravitationsänderung, Schwerpunktkompensation, Stellflächenfahrgesetze Automatische Recovery- Funktionen Autopilotenbetriebsarten

18 Wind Axis Rolling: Rollen mit konstantem Anstellwinkel um den Fluggeschwindigkeitsvektor Vermeidung von Austausch von Anstell- u. Schiebewinkel Wahl der Vorgabegröße von zentraler Bedeutung Anstellwinkel Fluggeschwindigkeitsvektor

19 Merkmale moderner Flugreglerstrukturen (4) Verwendung von Filtern zur Verbesserung von Sensordaten (Unterdrückung von Messrauschen, Reduzierung der Totzeit, etc.) und Abkopplung von Strukturschwingungen Adaption der Reglerparameter an stark variierende Flugzeugparameter (Anstellwinkel, Machzahl, Staudruck, etc.) Adaption an Reglerparameter an Konfigurationsdaten wie Schwerpunkt, Trägheitsmomente, Masse, Behängung

20 Nickmanöverbeispiel unterhalb der Corner Speed - Anstellwinkelregelung q /s Anstellwinkel Nickdrehrate 4 AMRAAM/ 2 Sidewinder 6 AMRAAM/ 2 Sidewinder/ 1 Tank Minimale Zeit bis zum Erreichen des Limits/kein Überschwingen hohe Agilität time s

21 Nickmanöverbeispiel oberhalb der Corner Speed - Lastvielfachenregelung 9.00 n z vertikales 5.00 Lastvielfache q AMRAAM/ 2 Sidewinder 6 AMRAAM/ 2 Sidewinder/ 1 Tank Minimale Zeit bis zum Erreichen des Limits/kein Überschwingen hohe Agilität /s Nickdrehrate time s

22 Rollmanöverbsp. bei hohem Anstellwinkel Anstellwinkel > Rollrate > 50 /s Schiebewinkel < 0.5 p [ /s] time s Aufbau der Rollrate mit minimaler Achskopplung optimale Vorraussetzung für agile Bahnänderung

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