Studienarbeit. Voruntersuchung zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für Hubschrauber mit Fly-By-Wire-Flugsteuerungssystem

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1 Studienarbeit Voruntersuchung zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für Hubschrauber mit Fly-By-Wire-Flugsteuerungssystem Janis Mühlratzer Zeitraum: Betreuer: Dipl.-Ing. Gernot Konrad, ILS Institut für Luftfahrtsysteme Universität Stuttgart Professor Dr.-Ing. R. Reichel Nr. 7

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3 Institusleiter: Prof. Dr.-Ing. R. Reichel Tel.: +49 (0)711/ Pfaffenwaldring 27 D Stuttgart Studienarbeit Voruntersuchung zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für Hubschrauber mit Fly-By-Wire- Flugsteuerungssystem für cand. aer. Janis Mühlratzer Auch in Hubschraubern, beispielsweise dem NH90 oder der RAH-66, verdrängen Fly-By- Wire-Systeme die bislang verwendeten konventionellen Flugsteuerungssysteme. Mit diesen FBW-Systemen halten neuartige Stick-Controller Einzug, wobei dies heute durchwegs passive Systeme mit Federn und Dämpfern sind. Großes Verbesserungspotential in Bezug auf Pilotenentlastung, Situationsbewußtsein, Flugsicherheit und Betriebskosten erwartet man sich von aktiven Steuerorganen, in denen ein elektrischer Antrieb eine gesteuerte Bewegung des Sticks ermöglicht. Fly-By-Wire-Steuerungen wie die des NH90 oder der RAH-66 unterscheiden sich in vielfacher Hinsicht von einer konventionellen Steuerung. Da keine mechanische Verbindung zwischen Rotorblatt und Steuerorgan mehr besteht, entfällt auch die Rückkopplung der Steuerkräfte in die Hand des Piloten. Um die damit wie bei sogenannten passiven Sticks verlorenen Informationsmöglichkeiten wie die taktile Aufnahme des Flugzustandes, die Kopplung mit dem Stick des Copiloten und das Wahrnehmen von Autopilotenkommandos, zurückzugewinnen und um fortschrittliche Funktionen wie Anpaßbarkeit an den Flugzustand, Veränderung der Handhabungseigenschaften etc. zu erweitern, werden aktive Steuerorgane als neuartige Lösung von Forschungsinstitutionen und Industrie untersucht. Neben der Diskussion von prinzipiellen Vor- und Nachteilen eines aktiven Sticks sind aus den typischen Missionen der Zielhubschrauber, der Nutzungsseite (fliegerische Aspekte), den Normen und Vorschriften sowie den übergeordneten Randbedingungen (nichtfunktionale Anforderungen, z. B. Cockpitphilosophie) die Anforderungen an ein Steuerorgan abzuleiten und ihre Folgen für das Stick-Design zu diskutieren. Die festzulegenden Parameter eines solchen Konzeptes sollen untersucht und Wege zur Festlegung und Absicherung dieser Parameter aufgezeigt werden. Ein so entworfenes Sticksystems soll dabei möglichst weitgehend für unterschiedliche Hubschraubertypen skalierbar sein. Betreuer: Dipl.-Ing. Gernot Konrad Institut für Luftfahrtsysteme Pfaffenwaldring 27 D Stuttgart Tel: +49 (0) 711/ Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. R. Reichel

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5 Kurzzusammenfassung Voruntersuchung zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für Auch in Hubschraubern verdrängen Fly-By-Wire-Systeme immer mehr die bislang verwendeten konventionellen Flugsteuerungssysteme. Damit werden auch neuartige Steuerorgane, insbesondere aktive Systeme, in denen ein elektrischer Antrieb eine gesteuerte Bewegung des Sticks ermöglicht, zu einem Forschungsgegenstand. Die Arbeit trägt die Anforderungen, die sich aus der Mission, den fliegerischen Aspekten, den Prämissen zur Cockpitphilosophie sowie den Normen und Vorschriften an ein solches Sticksystem ergeben, zusammen, wobei die Skalierbarkeit für unterschiedlichste Muster beachtet wird. Die Identifikation und Zusammenstellung der technisch orientierten Fragestellungen zur Gestaltung dieses Sticksystems sowie eine möglichst vollständige Erfassung der Größen, die eine Festlegung der Parameter beeinflussen können, stellt den Hauptteil der Untersuchung dar. Dabei relevant sind vor allem Eingabe-Rückkopplungs-Prinzip, Rückführgröße, Kennlinie, dynamisches Verhalten, ergonomische Aspekte, Integration der Gierachse und Kopplung von Sticks untereinander sowie mit dem Autopiloten. Eine Zusammenstellung des aus der Untersuchung resultierenden Evaluationsbedarf für weitere Schritte zur Stickentwicklung sowie mögliche Richtungen einer Fortführung des Themas schließen die Arbeit ab. Abstract Preliminary Research on the Development of a Scaleable Stick Control System for Fly-by-Wire Helicopters Fly-by-Wire systems are about to replace conventional control systems also in helicopters. Consequently new kinds of cockpit controllers, in particular electrically actuated active systems permitting commanded movements, get into focus of research. This thesis presents requirements imposed on such a stick system by mission, aviation aspects, premises on cockpit philosophy, and regulations and standards. Scalability to various helicopter models is taken into account. The identification and discussion of technical questions on the design of this stick system as well as an ample consideration of factors possibly influencing the choice of parameters constitutes the main part of this thesis. Primary aspects are input-outputprinciple, feedback variable, characteristic curve of feedback, dynamic properties, ergonomics, integration of yaw axis, and coupling of sticks among each other and with the autopilot. An overview of further need for evaluation resulting from this research and possible directions of further steps towards a serial stick complete this thesis. i

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7 Erklärung Ich versichere hiermit, daß ich die vorliegende Studienarbeit selbständig erarbeitet und dabei keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe und daß die Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen hat und von dieser als Teil einer Prüfungsleistung angenommen wurde. Stuttgart, 10. Januar 2005 Janis Mühlratzer ii

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9 Danksagung Für die umfangreiche Unterstützung bei der Erstellung dieser Arbeit danke ich Herrn Dr. Burgmair sowie Herrn Kampa von Eurocopter Deutschland GmbH und auf Seiten des Instituts für Luftfahrtsysteme Herrn Andreas Keller und ganz besonders meinem Betreuer Herrn Gernot Konrad. iii

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11 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 3 Tabellenverzeichnis 5 Verzeichnis der Bezeichnungen und Symbole 9 Abkürzungsverzeichnis 11 Erklärung verwendeter Fachbegriffe 13 I. Einleitung 15 Thematik Ziel der Arbeit Kapitelübersicht II. Grundlagen des Hubschrauberfluges Flugmechanik des Hubschraubers Prinzip der Steuerung des Hubschraubers Kopplungen Statische Kopplung Steuerkopplung Drehkopplung Rotorbaulich bedingte Kopplungen Stabilität des Hubschraubers Statische Längsstabilität (Geschwindigkeitsstabilität) Anstellwinkelstabilität (Manöverstabilität) Richtungsstabilität Zusammenfassung Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute Die Aufgabe Fliegen Fliegerische Auswirkungen der Kopplungen und der Stabilitätseigenschaften Handhabungseigenschaften infolge der Kopplungen Einfluß der Stabilität auf die Steuerbarkeit Fliegerische Schwierigkeiten iv

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13 Gefahrenquellen und Grenzen der Einsatzenveloppe Besonderheiten des Schwebe- und Langsamfluges Flugsteuersysteme Erzeugung der Stellgrößen aus den Steuerbefehlen Übertragung der Steuerbefehle Steuerorgane Existierende Fly-By-Wire-Systeme in Hubschraubern Technologieprogramme Serienentwicklungen Weitere Literatur Missionen von Hubschraubern Allgemeine Angaben zu den Zielhubschraubern Missionsprofil typischer Hubschrauber im Anwendungsfokus Hauptmissionen für einen typischen Hubschrauber Missionsumwelt Eigenschaften des Betriebs Nutzungsprofil Anforderungen an den Hubschrauber zur Missionserfüllung III. Eingabesysteme für Hubschrauber mit Fly-By-Wire-Flugsteuerung Bedarf für neuartige Steuerorgane Klassische Steuerorgane Steuerorgane im Fly-By-Wire-System Humanfaktoren im modernen Cockpit Steuerorgane als Ausgabegeräte Weitere Literatur Anforderungen und Auslegungsziele der Steuerorgane Allgemeine Auslegungsziele Abmessungen und Masse des Sticksystems Kosten des Sticksystems Zulassungsanforderungen Anforderungen aus der Mission Anforderungen an den Hubschrauber zum Missionsantritt Flugeigenschaften Flugleistungen Dynamik / Vibrationen Umweltbedingungen Degradationsverhalten eines aktiven Sticks Nichtfunktionelle Anforderungen Kommonalität des Eingabsystems und Schulungsaufwand Philosophie zur Pilotenautorität, Flugleistung Wartungs- und Instandsetzungsaufwand, Fehlerdiagnose v

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15 Degradationsverhalten des FCC / FCS Anforderungen aus den fliegerischen Aspekten Auslegung für HOCAS Ergonomische Erfordernisse Steuergefühl Anpaßbarkeit der Steuereigenschaften Taktile Warnungen und Hinweise Crew-Koordination Zusammenfassung Taktile Rückkopplung durch die Steuerorgane Aspekte und Nutzen der taktilen Rückkopplung Varianten von Steuerorganen in Bezug auf Rückkopplung Steuerorgane in der mechanischen Flugsteuerung Passive Steuerorgane im Fly-By-Wire-System Isomorphes Verhalten Isometrisches Verhalten Isotonisches Verhalten Aktive Steuerorgane im Fly-By-Wire-System Semipassive Steuerorgane im Fly-By-Wire-System Weitere Literatur Kombination und Anordnung der Achsen Kombination der Achsen in den Eingabegeräten Varianten Ergonomische Anforderungen Auswirkungen auf die Handhabungseigenschaften Anordnung der Steuerorgane im Cockpit Zusammenfassung Weitere Literatur IV. Aktive Steuerorgane Prinzipielle Eigenschaften aktiver Steuerorgane Eingabe-Rückkopplungs-Prinzip Ungebunden aktive Steuerorgane Krafteingabe mit Wegrückführung Wegeingabe mit Kraftrückführung Gebunden aktive Steuerorgane Krafteingabe mit Wegmodulation Wegeingabe mit Kraftmodulation Antwortverhalten Eingabe-Rückkopplungs-Prinzip Rückführgröße Typen von Antwortverhalten Kombination von Antwortverhalten, Regelgesetze Vergleichende Betrachtung vi

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17 8.4. Sekundärrückkopplung Weitere Literatur Eigenschaften der Rückführgröße Regelungstechnischer Stellenwert der zurückgeführten Information Betroffene Achsen Zurückgeführte Zustandsgröße Übertragung der Rückführgröße auf die rückführende Größe Skalierung der Rückführgröße bei ungebunden aktiven Steuerorganen Kennlinie bei gebunden aktiven Steuerorganen Gradienten Neutralbereich, Totzone, Ausbrechkraft Anschläge Unstetigkeiten der Kennlinie Dynamisches Verhalten (Scheinbare) Trägheit Dämpfung Aktive Filterung Einkopplung externer Vibrationen, PAO Passives Ersatzsystem Weitere Literatur Ergonomisch relevante Parameter Maximalausschläge Drehpunkte Stellkräfte Kompatibilität Anthropotechnische Aspekte Cockpit-Querkopplung und Autopiloteneinkopplung in den Steuerorganen Cockpit-Querkopplung gebunden aktiver Steuerorgane Starre elektronische Welle Elastische elektronische Weg-Welle Elastische elektronische Kraft-Welle Kopplung gebunden aktiver Steuerorgane mit dem Autopiloten Priorisierung und Überlagerung Zusammenfassung vii

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19 V. Zusammenfassung und Ausblick Freiheitsgrade des Sticksystems und weiterer Evaluationsbedarf Parameter der Nutzerschnittstelle Evaluations- und Simulationsbedarf Bandbreite Evaluationsbedarf im Simulator Simulatorumgebung Fortführung des Themas 137 Literaturverzeichnis 139 Anhang A1 A.1. Grundlagen der Flugmechanik A1 A.1.1. Koordinatensysteme und Größen A1 A.1.2. Zugrundeliegende Bewegungsgleichungen A2 A.1.3. Freiheitsgrade des Hubschraubermodells A2 A.1.4. Linearisierung der Bewegungsgleichungen A3 A.1.5. Linearisierte Zustandsgleichung mit Stellvektor A4 A.1.6. Entkopplung der Bewegungsformen A5 A.1.7. Steuerphasenwinkel A6 A.2. Steuerung des Hubschraubers A7 A.2.1. Steuergrößen in der Zustandsgleichung A7 A.2.2. Linearisierte Zustandsgleichung mit Steuervektor A8 A.2.3. Die Taumelscheibe A8 A.3. Auszug aus der EASA CS-27/ A10 A.4. Auszug aus der FAR AC 29-2C/-27-1B A16 A.5. Auszug aus der ADS-33E-PRF A18 viii

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21 Abbildungsverzeichnis 0.1. Vorgehen zur Entwicklung eines Sticksystems von der Hubschraubermission zum Serienstick Flugzeugführung als mehrstufige Regelung am Beispiel der Horizontalbewegung bei manueller Steuerung Flugzeugführung als mehrstufige Regelung am Beispiel der Horizontalbewegung bei automatischer Steuerung Klassisches mechanisches Flugsteuersystem Hydraulisch unterstütztes mechanisches Flugsteuersystem Hydraulisch betätigtes mechanisches Flugsteuersystem Fly-By-Wire-Flugsteuersystem Cockpit des Hubschraubers NH90 mit Centrestick und Kollektivhebel Der Hubschrauber NH Das Zusammenspiel des Piloten mit seiner Umwelt, die relevanten Systeme und die beeinflussenden technischen und physiologischen Faktoren Mögliche Kombinationen der Eingabeachsen in den Steuerorganen Zusammenhang zwischen Integrationsgrad der Steuerorgane, Stabilisierungsgrad der Regelgesetze und Handhabungseigenschaften Informationsfluß bei der Krafteingabe mit Wegrückführung Informationsfluß bei der Wegeingabe mit Kraftrückführung Informationsfluß bei der Krafteingabe mit Wegmodulation Informationsfluß bei der Wegeingabe mit Kraftmodulation Idealisierte Verläufe der relevanten Größen bei einem Kurvenflug mit einem Regler mit A-Antwortverhalten Idealisierte Verläufe der relevanten Größen bei einem Kurvenflug mit einem Regler mit R-Antwortverhalten Möglicher Verlauf einer Kennlinie des aktiven Sticks mit charakteristischen Bestandteilen Gewünschte Unstetigkeiten der Kennlinie (theoretischer Verlauf) und ihre Abbildung mit aktiven Aktuatoren (tatsächlicher Verlauf) Informationsfluß im Sticksystem bei der Kopplung zweier Sidesticks über die starre elektronische Welle bei Wegeingabe Informationsfluß im Sticksystem bei der Kopplung zweier Sidesticks über die starre elektronische Welle bei Krafteingabe

22 13.3.Informationsfluß im Sticksystem bei der Kopplung zweier Sidesticks als elastische elektronische Weg-Welle Informationsfluß im Sticksystem bei der Kopplung zweier Sidesticks als elastische elektronische Kraft-Welle

23 Tabellenverzeichnis 5.1. Übersicht relevanter Normen und Vorschriften Übersicht der in weiteren Phasen der Stickentwicklung relevanten Normen und Vorschriften Zusammenstellung möglicher Anforderungen an ein Eingabesystem Varianten des Zusammenhangs zwischen Kraft und Auslenkung bei passiven Steuerorganen Typen von Antwortverhalten bezüglich der Achsen des Hubschraubers in der Reihenfolge zunehmender Stabilisierung Verschiedene Antwortverhalten der Achsen von NH90 und Vorschlagskonfiguration Sekundärrückführung und die Flugbereichsgrenze, die sie darstellen Zustandsgrößen des Hubschraubers zur Rückkopplung in das aktive Steuerorgan Zusammenstellung der Parameter der Nutzerschnittstelle Zusammenstellung der Einflüsse auf die erforderliche Bandbreite Zusammenstellung des Evaluationsbedarfs im Simulator A.1. Formelzeichen der wichtigsten flugmechanischen Größen und Koordinaten A1 3

24 4 Voruntersuchungen zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für

25 Verzeichnis der Bezeichnungen und Symbole A a 0 B 1 B 2 C D α D β D δ D ϑ e e e g (H-v) lim H Hz I I I B k β L dm M m m B m S ms N n z P p Flugmechanische Zustandsmatrix Konuswinkel des Rotors Stellmatrix der Zustandsgleichung Steuer-Stell-Matrix Kraft Zyklische Quersteuereingabe Zyklische Längssteuereingabe Giersteuereingabe Kollektivsteuereingabe Auslenkung Schlaggelenksabstand Äquivalenter Schlaggelenksabstand des gelenklosen Rotors Erdbeschleunigung hier: Grenzen der Gefahrenzonen in der H-v-Ebene Höhe über Grund Hertz Trägheitsmatrix Komponente der Trägheitsmatrix Trägheitsmoment des Rotorblattes Federkonstante der Drehfeder im Ersatzgelenk des gelenklosen Rotors Rollmoment Differentielles Massenelement Nickmoment Flugmasse Masse des Rotorblattes Massenmoment des Rotorblattes Millisekunde Giermoment Lastvielfaches in z-richtung Wahrscheinlichkeit Luftdruck 5

26 p Q q R r r s T T t T B T B H u u v v V NE w w krit x x X x x krit x g y Y y y g Z z z g α β β ε φ Rollgeschwindigkeit Resultierendes Luftkraftmoment Nickgeschwindigkeit Resultierender Luftkraftvektor Abstand von der Drehachse des Rotors Giergeschwindigkeit Sekunde Antriebsmoment ( Torque ) Lufttemperatur Zeit Mastmoment Heckauslegermoment Steuervektor Längs- / Vorwärtsgeschwindigkeit Fluggeschwindigkeitsvektor Quer- / Seitengeschwindigkeit Maximale Fluggeschwindigkeit Never Exceed Vertikalgeschwindigkeit hier: Sinkgeschwindigkeit bei der Wirbelringstadium auftritt Zustandsvektor des Starrkörpers Hubschrauber Ortsvektor des Hubschraubers Tangentialkraft Vorwärtskoordinate im körperfesten System hier: Hindernisposition Vorwärtskoordinate im erdlotfesten System Stellvektor der Zustandsgleichung Seitenkraft Seitwärtskoordinate im körperfesten System Seitwärtskoordinate im erdlotfesten System Normalkraft Aufwärtskoordinate im körperfesten System Aufwärtskoordinate im erdlotfesten System Gewichtungsfaktor Schiebewinkel Schlagwinkel Differenz-, -abweichung, Regelabweichung Steuerphasenwinkel Hängewinkel 6

27 Ω Ω Ψ β ψ Ψ ρ L θ ϑ 0 ϑ C ϑ S ϑ HR Drehfrequenz des Rotors Drehgeschwindigkeitsvektor Phasenverschiebung der Schlagbewegung Azimut Umlaufwinkel des Rotorblattes Luftdichte Längsneigungswinkel Kollektivanteil des Hauptrotorblattwinkels Zyklischer Kosinusanteil des Hauptrotorblattwinkels Zyklischer Sinusanteil des Hauptrotorblattwinkels Heckrotorblattwinkel Ableitung nach der Zeit 1 Piloten- 2 Copiloten- Autopiloten- AP c m α α Kommandiert, Kommando- Misch- Auf Querrichtung des Hubschraubers bezogen Gewichtet 7

28 8 Voruntersuchungen zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für

29 Abkürzungsverzeichnis AC Advisory Circular ACCEL Acceleration ACT Active Control Technology Demonstrator ADS Aeronautical Design Standard ADOCS Army s Advanced Digital / Optical Control System AECMA Association Européenne des Constructeurs de Matériel Aérospatial AP Autopilot ARINC Aeronautical Radio Incorporated ARP Aerospace Recommended Practice ATTHeS Advanced Technology Testing Helicopter System AWO All Weather Operation COTS Components Off The Shelf CS Certification Specifications DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. DO Design Objective EASA European Aviation Safety Agency ECD Eurocopter Deutschland GmbH ERP Eingabe-Rückkopplungs-Prinzip FAR Federal Aviation Regulations FBW Fly-By-Wire FCC Flight Control Computer FCS Flight Control System FH Flight Hours FHS Flying Helicopter Simulator FMS Flight Management System HOCAS Hands On Collective And Stick HQR Handling Quality Rating IFR Instrument Flight Rules IMA Integrierte modulare Avionik JAR Joint Aviation Requirements LLI Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH 9

30 LRU LuftBO MBB MIL-STD MTBSA NATO NH NAE OPS PAO PF PHA PIO PNF RTCA SAE SAR SAS SC SCAS SPIFR SSC STANAG Line Replaceable Unit Betriebsordnung für Luftfahrtgerät Messerschmitt-Bölkow-Blohm Military Standards Mean Time Between System Abort North Atlantic Treaty Organisation NATO Helicopter National Aeronautical Establishment of Canada Operation Specifications Pilot Assisted Oscillation Pilot Flying Preliminary Hazard Analysis Pilot Induced Oscillations Pilot Not Flying Radio Technical Commission for Aeronautics / Requirements and Technical Concepts for Aviation Society of Automotive Engineers Search And Rescue Stability Augmentation System Stick-Controller Stability and Control Augmentation System Single Pilot Instrument Flight Rules Sidestick-Controller NATO Standardisation Agreements 10

31 Erklärung verwendeter Fachbegriffe Deferred Maintenance ist eine Systemeigenschaft der Art, dass das System trotz eines oder mehrerer Fehler noch die anstehende Mission antreten und seine Reparatur beim nächsten planmäßigen Check durchgeführt werden kann [1]. Dispatch ist die Abfertigung des Flugzeugs und endet mit der operationellen und technischen Freigabe zum Start (nicht die Startfreigabe durch die Flugsicherung) [1]. Dispatchability Dispatchability := AnzahlallerkorrektenDispatches AnzahlallerDispatches in einem gegebenen Zeitraum [1] Haptische Wahrnehmung [zu griech. haptikos greifbar ], die Gesamtheit der Wahrnehmung mechanisch-physischer Reize: taktil und kinästhetisch [2]. Kinästhetische Empfindung [zu griech. kinein bewegen und aísthesis Empfindung ] (Kinästhesie, Bewegungsempfindungen), die Wahrnehmung von Lage und Bewegungsrichtung von Körperteilen zueinander und in Bezug zur Umwelt durch Rezeptoren in Gelenken (Gelenksensoren), Muskeln (Muskelspindeln) und Sehnen (Sehnen-Organe) [3]. Korrekter Dispatch Ein Dispatch gilt als korrekt, wenn er gegenüber dem Flugplan eine max. Verzögerung von 15 min aufweist [1]. Propriozeption [zu lat. proprius eigen und recipere aufnehmen ], vgl. Kinästhetische Empfindung [2]. Taktil [lat.], i. e. S. den Tastsinn betreffend [3], i. w. S. die Reize Druck, Berührung, Vibration, Schmerz und Temperatur betreffend [4]. Vestibular [zu lat. vestibulum Vorhof ], den Gleichgewichtssinn betreffend. 11

32 12 Voruntersuchungen zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für

33 Teil I. Einleitung 13

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35 Thematik Der Einsatz von Fly-By-Wire-Flugsteuerungssystemen bietet gerade im Hubschrauber mit seinen komplexen Flugeigenschaften, den zahlreichen Kopplungen und der natürlichen Instabilität neben den Vorteilen der Kosten-, Wartungs-, und Gewichtsersparnis einen besonderen Nutzen. Dementsprechend werden Fly-By-Wire-Systeme in nächster Zukunft auf breiter Front bei den Drehflüglern Einzug halten und längerfristig in immer kostengünstigeren Marksegmenten zum Standard werden. Derzeit ist ein Modell, der Transporthubschrauber NH90 mit einem serienmäßigen Fly-By-Wire-System voller Autorität im Dienst, das eingestellte Kampfhubschrauberprogramm RAH-66 Comanche sah ein solches System vor und eine in Entwicklung befindliche Version der Sikorsky S-92 wird mit einem Fly-By-Wire-System ausgerüstet. Mit der Verwendung von Fly-By-Wire-Systemen eröffnet sich die Möglichkeit, Eingabesysteme bereitzustellen, die unter den Gesichtspunkten der Ergonomie, der Leistungsfähigkeit und der Arbeitsbelastung für den Piloten unter den immer komplexer werdenden Missionsanforderungen in einem hochautomatisierten Cockpit einen Gewinn darstellen. Insbesondere von der taktilen Rückkopplung von Informationen zum Flugzustand und zu den Eingaben des Co- und Autopiloten in die Steuerorgane erhofft man sich eine entscheidende Verbesserung des Situationsbewußtseins und der Handhabungseigenschaften. Ebenso wird die Integration der vier anzusteuernden Achsen des Hubschraubers in einem oder zwei Sticks ermöglicht, was eine vorteilhafte Entlastung bieten kann. Ziel der Arbeit Bei der Entwicklung eines so innovativen Sticksystems, mit dem weitgehend Neuland betreten wird, müssen zur Schöpfung eines leistungsfähigen Konzeptes die Rahmenbedingungen von Anforderungen und Möglichkeiten von Grund auf analysiert werden. In Abb. 0.1 (S. 16) ist ein Ablaufplan für ein solches Vorgehen bis zum Serienmodell skizziert. An erster Stelle steht dabei die Nutzung des Hubschraubers, seine Mission. Von deren Eigenschaften und den allgemeinen fliegerischen Aspekten sollen die operationellen Anforderungen, die der Stick erfüllen muß, um ein geeignetes Arbeitsgerät für die Piloten zu werden, in dieser Arbeit abgleitet werden. Direkt aus dem Missionsprofil wird ebenfalls gefolgert, welche Vorschriften für die Zulassung vorgeschrieben und welche Normen für einen Markterfolg notwendig sind. Nichtfunktionelle Anforderungen sind Prämissen, die von Auftraggeber und / oder Hersteller unabhängig von der technischen Realisierung gestellt werden können. Hierunter sind a priori getroffene Festlegungen, z. B. zur Philosophie der Nutzerschnittstelle 15

36 '$$ (!!"#$ "# % & +, ) $ '! " #$ "! " #$ " * % " " Abbildung 0.1.: Vorgehen zur Entwicklung eines Sticksystems von der Hubschraubermission zum Serienstick zu rechnen. Um weitestgehend die denkbaren Forderungen abdecken zu können, sollen hier zahlreiche, teils auch konträre Annahmen zu den Auslegungszielen getroffen werden. Wegen der Zielsetzung der Skalierbarkeit und daraus folgend die Nichtfestlegung auf ein bestimmtes Flugzeugmuster werden einige Einflüsse, wie z. B. Randbedingungen der FCS-Architektur und Degradationsverhalten (das selbst von den operationellen Anforderungen beeinflußt wird) des Sticksystems ebenfalls nur in Form von unterschiedlichen Hypothesen erfaßt. Daher bleibt auch die Sicherheitsanalyse PHA ausgeklammert. 16

37 Auf der anderen Seite stehen dem die technisch orientierten Fragestellungen zur Gestaltung dieses Sticksystems gegenüber, die sich unter dem Stichwort Parameter der Nutzerschnittstelle zusammenfassen lassen. Ihre Identifikation und Zusammenstellung sowie eine möglichst vollständige Erfassung der Größen, die eine Festlegung der Parameter beeinflussen können, sind weiterer Gegenstand dieser Arbeit. Dabei ist die Wertung, sowohl des genauen Einflusses, als auch des Wechselspiels zwischen gestellten Anforderungen und zu wählenden Parametern nicht das Ziel; hierfür soll jedoch mit der Arbeit die umfassende Grundlage geschaffen werden. Die Arbeit soll den Untersuchungs- und Evaluierungsbedarf zu diesen Parametern der Nutzerschnittstelle aufdecken und damit die Voraussetzung für den nächstlogischen Schritt, die Simulation und daraufhin die Festlegung der Parameter, liefern. Schließlich kann ein daraus abgeleiteter vollständiger Anforderungskatalog die Voraussetzung für die weiteren Stufen der Stickentwicklung werden. Quelle des überwiegenden Teils des Wissens sind die zugängliche Literatur und Informationen aus dem Kontakt zu Fachleuten der Hubschrauberentwicklung; Bestandteil der Arbeit ist folglich eine Erfassung der für die einzelnen Teilgebiete relevanten Literatur. Kapitelübersicht 1. Flugmechanik des Hubschraubers Zu Beginn werden die flugmechanischen Grundlagen des Hubschrauberfluges kurz dargelegt, um die Möglichkeiten und Grenzen eines Eingabesystems zu betrachten und das Verbesserungspotential eines neuartigen Systems untersuchen zu können. 2. Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute Ausgehend von den dargestellten Kopplungseffekten und Instabilitäten sowie den hubschrauberspezifischen Grenzen des Flugbereiches werden die Vorteile einer Flugsteuerung mit Fly-By-Wire-System im Vergleich mit den mechanischen Systemen erläutert. Eine Übersicht existierender Fly-By-Wire-Systeme in Hubschraubern schließt sich an. 3. Missionen von Hubschraubern Typische Missionsmerkmale und Nutzungsbedingungen der Zielhubschrauber werden dargestellt, um die Randbedingungen des Sticksystems zu kennen. 4. Bedarf für neuartige Steuerorgane Vor dem Hintergrund der Frage des Situationsbewußtseins in einem automatisierten und hochkomplexen Cockpit wird aus den Defiziten der bestehenden Steuerorgane die Forderung nach einer neuen Art von Eingabesystemen, den aktiven Steuerorganen abgeleitet. 5. Anforderungen und Auslegungsziele der Steuerorgane Verschiedene Anforderungen, die sich an ein Eingabesystem ergeben könnten, werden herausgearbeitet. Dabei handelt es sich auch um die Betrachtung von sich 17

38 teils widersprechenden Hypothesen, um die Folgen unterschiedlicher Forderungen auf das Stick-Konzept untersuchen zu können. 6. Taktile Rückkopplung durch die Steuerorgane Die Aspekte und der Nutzen der Rückkopplung von Informationen in das Steuerorgan werden detailliert untersucht; verschiedene Typen von Steuerorganen werden in Hinblick auf diese Aspekte untersucht. Kriterien für die Klassifizierung aktiver Systeme werden vorgestellt. 7. Kombination und Anordnung der Achsen Erkenntnisse zu den Handhabungseigenschaften, dem Nutzen und den Schwierigkeiten integrierter Steuerorgane mit bis zu vier Achsen in einem Stellteil werden vorgestellt. Auch die Anordnung des Sticks für die rechte Hand (zentral seitlich) wird besprochen. 8. Prinzipielle Eigenschaften aktiver Steuerorgane Die zentrale Bedeutung der Eingabe-Rückkopplungs-Prinzipien aktiver Steuerorgane wird, ebenso wie der Einfluß des Antwortverhaltens des Hubschraubers und der Rückführgröße auf die Bewertung der Eingabeschnittstelle, dargelegt. Mögliche Sekundärrückkopplungen werden untersucht. 9. Eigenschaften der Rückführgröße Die als Rückführgröße denkbaren Zustandsgrößen des Hubschraubers werden aufgezählt, ihr jeweiliger Einfluß auf die Handhabungseigenschaften beleuchtet. 10. Übertragung der Rückführgröße auf die rückführende Größe Eigenschaften des Zusammenhangs zwischen Rückführgröße und rückführender Größe (Skalierung bzw. Kennlinie) werden analysiert, der Bedarf nach folgenden Simulationen dargelegt. 11. Dynamisches Verhalten Kriterien des dynamischen Verhaltens eines Sticksystems, das vor allem für das Risiko von PIO relevant ist und die Haptik der Eingabeschnittstelle beeinflußt, werden ermittelt. 12. Ergonomisch relevante Parameter Einige ergonomische Erfordernisse, die sich nicht oder nicht vollständig aus den Normen und Vorschriften ergeben, werden dargelegt. 13. Cockpit-Querkopplung und Autopiloteneinkopplung in den Steuerorganen Denkbare Umsetzungen des Ziels der aktiven Steuerorgane, beide Piloten über die Eingaben des jeweils anderen in die Flugsteuerung sowie über die Kommandos des Autopiloten zu informieren, werden untersucht; ebenso ein Konzept zur Priorisierung der Eingaben. 14. Freiheitsgrade des Sticksystems und weiterer Evaluationsbedarf In einem Gesamtüberblick werden die Parameter des Systems und der aus der Untersuchung resultierende Evaluationsbedarf zusammengefaßt. 15. Fortführung des Themas Mögliche Richtungen einer Fortführung des Themas werden aufgezeigt. 18

39 Teil II. Grundlagen des Hubschrauberfluges 19

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41 1. Flugmechanik des Hubschraubers Zu Beginn sollen die flugmechanischen Grundlagen des Hubschrauberfluges kurz dargelegt werden, um vor diesem Hintergrund die Möglichkeiten und Grenzen eines Eingabesystems zu betrachten und das Verbesserungspotential, das ein neuartiges System in Hinblick auf die physikalisch bedingten Erschwernisse bei der Handhabung eines Hubschraubers bieten kann, untersuchen zu können. Weitere Details zur Flugmechanik des Hubschraubers finden sich im Anhang A.1 und in der zitierten Literatur Prinzip der Steuerung des Hubschraubers Die Steuerung des Hubschraubers erfordert die gezielte Einstellung der äußeren Kräfte und Momente aus zwei Gründen: erstens, um das Fluggerät im Gleichgewicht und damit stationär im gewünschten Trimmzustand zu halten und zweitens, um Beschleunigungen zu generieren, die die Geschwindigkeit und Lage des Hubschraubers ändern. Hauptsächlich wird dabei die Steuerung über eine Beeinflussung der Momente um die drei Achsen realisiert. Lediglich in der z-richtung kann der Betrag der Kraft direkt und (weitgehend) unabhängig beeinflußt werden. Diese zusätzliche Steuervariable macht den großen Unterschied des Hubschraubers im Vergleich zum Starrflügler aus [5]. Die genaue Betrachtung zeigt die folgenden Prinzipien bei der Steuerung des Helikopters: Längssteuerung: Nickmoment M über die zyklische Längssteuereingabe D β, Quersteuerung: Rollmoment L über die zyklische Quersteuereingabe D α, Höhensteuerung: vertikale Kraft Z über die Kollektivsteuereingabe D ϑ und Richtungssteuerung: Giermoment N über die Giersteuereingabe D δ. Im Stellvektor y der Zustandsgleichung des Hubschraubers (A.15) tauchen hingegen nur die Blattwinkel des Haupt- und des Heckrotors ϑ 0, ϑ S, ϑ C und ϑ HR auf; über die Zusammenhänge A.19 wird der Steuervektor u mit diesen verknüpft. Die Steuermomente am Hauptrotor werden dabei durch eine Neigung des Schubvektors zur Seite bzw. nach vorne erzeugt: seine Wirklinie geht nicht mehr durch den 21

42 Hubschrauberschwerpunkt und damit ergibt sich ein Moment um diesen. Bei vorhandenem Schlaggelenksabstand e wirkt dieser für die Querkraftanteile des Schubes als Hebelarm und ein zusätzliches Moment entsteht. Der gelenklose Rotor erzeugt schließlich durch die Biegefederwirkung der elastischen Blatthälse k β ein drittes und dabei größeres Steuermoment, daß sich ferner schneller aufbaut als die erstgenannten und insbesondere auch bei fehlendem Schub auftritt. [6] Im Ergebnis fliegt sich der Hubschrauber bei höheren Geschwindigkeiten mit befriedigender Handhabbarkeit wie ein Flächenflugzeug, in den Hubschrauberdomänen Langsam- und Schwebeflug jedoch ist dieses Steuerungsprinzip nicht optimal: Der Pilot erzeugt über die zyklische Steuereingabe ein Roll- oder Nickmoment, das ein Rollen bzw. Nicken des Hubschraubers einleitet, welches wiederum eine Seiten- bzw. Querkraft zur Folge hat. Zusammen mit den unten vertieften Kopplungen führt dies zu einer unintuitiven Steuerung und zu hoher Arbeitsbelastung des Flugzeugführers allein durch die Aufgabe des reinen Fliegens [5] Kopplungen Der Hubschrauber zeichnet sich deutlich stärker als das Flächenflugzeug bei der Handhabung durch eine Vielzahl an Kopplungen in den Bewegungen um seine Achsen und der Steuereingaben aus; ihre wichtigsten flugmechanischen Entstehungen sollen hier aufgezeigt werden Statische Kopplung Als statische Kopplungen sind solche Kopplungen zu bezeichnen, bei denen ein geänderter statischer Wert eines Freiheitsgrades im Zustandsvektor die Änderung einer anderen Zustandsgröße bewirkt. Dies heißt umgekehrt, daß nach Änderung des Parameters eine geänderte Steuereingabe in anderen Steuerachsen zur Aufrechterhaltung des ansonsten gleichen Flugzustandes notwendig wird [6]. Bei Änderung der Vorwärtsfahrt ändern sich durch den Konuswinkel des Rotors die effektiven Anstellwinkel an vorderem und hinterem Blatt in unterschiedlichem Maße, da die Geschwindigkeitsanteile normal zum Blatt unterschiedlich sind. Damit ändern sich die jeweiligen Auftriebe und folglich, mit der Phasenverschiebung der Schlagbewegung, die Schlagwinkel. Die Blattspitzenebene neigt sich dadurch, der Hubschrauber rollt zur Seite des vorlaufenden Blattes. [7, 8] Bei Änderung der Vorwärtsgeschwindigkeit führt aber auch die Asymmetrie der Anströmung zu einem Koppeleffekt. Da sich am vorlaufenden Blatt Umlauf- und Fluggeschwindigkeit addieren und am rücklaufenden Blatt subtrahieren, erzeugt eine Vorwärtsgeschwindigkeit veränderten Auftrieb zwischen Vor- und Rücklaufseite und über die Phasenverschiebung einen veränderten Schlagwinkel am Blatt in der 0 - und der 180 -Stellung und ein Aufnicken des Hubschraubers [8], das wiederum abhängig vom Flugmechanik des Hubschraubers

43 Betrag der Vorwärtsgeschwindigkeit ist. Der seitlich gerichtete Heckrotorschub erzeugt nicht nur mit Hilfe des Heckauslegers als Hebelarm ein Gegendrehmoment, seine Kraftwirkung muß auch durch eine gegengerichtete Querkraft ausgeglichen werden. Im Schwebeflug ist das die durch eine ständige Quersteuereingabe bewirkte Querkomponente des Hauptrotorschubes 1, im Vorwärtsflug die Seitenkraft des Luftwiderstandes, erzeugt durch schiebenden Flug (β 0). Da dieser Luftwiderstand natürlich von u. a. der Fluggeschwindigkeit abhängig ist, kommt es wiederum zu Kreuzkopplungen [9]. Gleichzeitig erzeugt der Schiebeflug wiederum ein Roll- und Nickmoment, weil der Phasenwinkel des maximalen Schlagwinkels um den Schiebewinkel gedreht wird. Der Schub des Heckrotors selbst ist schließlich stark vom Flugzustand abhängig, da seine Durchströmung sich mit den Komponenten der Fluggeschwindigkeit ändert und zusätzlich die von den Spitzen der Hauptrotorblätter abgehenden Wirbel bei bestimmten relativen Anströmwinkeln mehr oder weniger stark in den Heckrotor gelangen Steuerkopplung Der Steuerphasenwinkel ε (A.1.7) ist über den Abstand von der Drehachse r des differentiellen Massenelements dm (Gl. (A.17) und (A.1.7)) vom Konuswinkel der Blätter a 0, der sich u. a. mit der Fluggeschwindigkeit ändert, abhängig. Folglich ist der Steuerphasenwinkel abhängig vom Flugfall und es kann mit mechanischen Mitteln, wie nacheilend eingebauten Steuerhörnern an den Blattwurzelbeschlägen oder um ε verdreht gewählten Anlenkpunkten an der Taumelscheibe, nur ein fixer Steuerphasenwinkel ausgesteuert werden es kommt abseits eines einzigen bestimmten Betriebspunktes zur Steuerkopplung: eine Steuereingabe in Quer- oder Längsrichtung führt zu einer Veränderung von Sinus- und Kosinusanteil der zyklischen Blattwinkeländerung. Eine von dieser Erscheinung völlig unabhängige weitere Steuerkopplung tritt durch den beim klassischen Hubschrauber mit einem Hauptrotor ständig notwendigen Drehmomentausgleich auf: Jede Änderung der Blatteinstellwinkel, insbesondere, aber nicht ausschließlich die kollektiven, haben geänderte Strömungswiderstände der Rotorblätter, damit einen geänderten Leistungsbedarf des Rotors und folglich ein verändertes Drehmoment am Rotormast zur Folge. Mit jeder Längs-, Quer- und Kollektivsteuereingabe ist also eine Giersteuereingabe erforderlich und dies zusätzlich in variabler Stärke je nach Flugfall, da die Wirksamkeit der vertikalen Stabilisationsflächen und des Heckrotors (siehe oben) von der Fluggeschwindigkeit abhängig sind [9]. Zu weiteren Steuerkopplungen kommt es bei den Kollektivsteuereingaben. Ein Verringern des kollektiven Einstellwinkels verringert den Konuswinkel und analog zur oben 1 Zusätzlich ist ein Hängen des Hubschraubers im Schwebeflug zu beobachten, das aus dem unterschiedlichen z-abstand der zwei Kräfte kommt und eine Querneigung um den Schwerpunkt verursacht. 1. Flugmechanik des Hubschraubers 23

44 behandelten Geschwindigkeits-Roll-Kopplung wird im Vorwärtsflug die senkrechte Durchströmung am vorderen Blatt dabei größer, am hinteren kleiner und die Blattspitzenebene neigt sich zum rücklaufenden Blatt. Selbstverständlich tritt dieser Effekt spiegelbildlich bei einer Vergrößerung der Kollektivsteuereingabe auf [8]. Die Änderung des Kollektiveinstellwinkels bei Vorwärtsfahrt hat über die Asymmetrie der Anströmung auch einen Rolleffekt. Wie oben genannt, ist durch die Kompensation der Geschwindigkeits-Nick-Kopplung der zyklische Einstellwinkel am vorlaufenden und am rücklaufenden Blatt im ausgetrimmten Zustand unterschiedlich. Werden durch die Kollektivsteuereingabe alle Einstellwinkel um einen gleichen Betrag verändert, so ändert sich das Verhältnis der Auftriebskräfte zwischen Vor- und Rücklaufseite und der Hubschrauber nickt [8]. Die Höhe des Heckrotors über dem Schwerpunkt erzeugt schließlich, entsprechend obiger Fußnote, bei Giersteuereingaben ein Rollmoment Drehkopplung Der Rotor als rotierende Masse trägt die Eigenschaften eines Kreisels, inklusive des Phänomens der Präzession, daher folgt auf eine durch eine Bö oder eine Steuereingabe erzeugt Drehung um eine der Achsen x oder y ein Drehmoment bezüglich der jeweils anderen Achse. Die Folge ist eine weitere Kopplung der Bewegungen [10] Rotorbaulich bedingte Kopplungen Liegt der Verbindungspunkt von Steuerhorn und Rotorblatt nicht auf der Schlagachse des Rotorblattes, was häufig der Fall ist, dann bewirkt die Schlagbewegung auch eine Blattwinkeländerung, man spricht hier von der δ 3 -Kopplung. Eine in der Nabenebene nicht rechtwinklig zur Blattachse liegende Schlagachse hat ebenso die gleiche Auswirkung [6]. Weiterhin verantwortlich für Kopplungen im Rotorkopf ist die Tatsache, daß die drei Blattlager für Schlagen, Schwenken und Blattanstellung meist nicht in einem Punkt zu liegen kommen können. Es kommt zu teils nennenswerten Kopplungen zwischen den drei Bewegungen, insbesondere Anstell-Schlag- und Anstell-Schwenk-Kopplung [6, 5]. Schließlich kann es bei der immer vorhandenen Verformung der Rotorblätter zu elastischen Kopplungen durch Biegung und Torsion kommen, die bei gelenk- und lagerlosen Rotoren nochmals besonders zu beachten sind [6] Flugmechanik des Hubschraubers

45 1.3. Stabilität des Hubschraubers Eine Methode der Stabilitätsanalyse ist es, die Zustandsgleichung (A.21) als homogenes System, d. h. mit den Steuergrößen gleich Null auf seine Eigenformen zu analysieren. Durch Ermittlung der jeweils vier Wurzeln der Charakteristischen Gleichungen der Längs- und Seitenbewegung finden sich die Eigenbewegungen des Hubschraubers [7]: Pygoide oder Bahnschwingung: instabil, Hubbewegung: langsam abklingend, Nickbewegung: schnell abklingend, Dutch-Roll oder Taumelschwingung: langsam abklingend im Schwebeflug mitunter auch instabil, Spiralbewegung: langsam abklingend, Rollbewegung: schnell abklingend. Die Lage der Eigenwerte / Wurzeln in der komplexen σ-i ω-ebene hängt direkt mit den Beträgen und Vorzeichen der Derivative zusammen und gibt Auskunft über Stabilität und Dämpfung. Diese mathematischen Eigenschaften manifestierten sich ebenfalls in der Praxis in Form verschiedener Flugeigenschaften und -charakteristika, die im folgenden konkret untersucht werden Statische Längsstabilität (Geschwindigkeitsstabilität) Bei Erhöhung der Fluggeschwindigkeit entsteht am vorlaufenden Blatt mehr und am rücklaufenden Blatt weniger Auftrieb, der Rotor kippt nach hinten, der Schubvektor neigt sich nach hinten und es entsteht ein schwanzlastiges Moment und eine nach hinten gerichtete Kraft, die der Geschwindigkeitsänderung entgegenwirkt. Der Hubschrauber ist somit geschwindigkeitsstabil [7]. Im Schwebeflug verhält es sich anders, da bei Vorwärtsneigen des Schubvektors zunächst keine Gegenkraft wie oben entsteht, durch den entstehenden Hebelarm des Schubs zum Hubschrauberschwerpunkt die Zelle mit Rotor aber nach vorne kippt und die Fahrtaufnahme verstärkt. Im Schwebeflug sind also alle Hubschrauber natürlich instabil [6]. Destabilisierend in beiden Fällen wirkt ganz offensichtlich der angesteuerte Rotor, aber auch der Rumpf, welcher ein kopflastiges Moment erzeugt; durch zunehmende Größe und negative Anstellung des Höhenleitwerkes hingegen kann der Gradient des Gesamtnickmomentes hin zu größerer Stabilität erhöht werden [6]. Eine zu große Stabilität führt jedoch zu großen Steuer- und Trimmwegen und einer verminderten Agilität, die nicht nur die Missionsleistungsfähigkeit begrenzt sondern auch Sicherheit 1. Flugmechanik des Hubschraubers 25

46 in Grenzbereichen kosten kann. Für den Piloten bedeutet diese Stabilität eine Erhöhung der zyklischen Längssteuereingabe für eine Erhöhung der Geschwindigkeit und damit gefühlsmäßig richtiges Steuerverhalten. Jeder Knüppelstellung ist somit eine Fluggeschwindigkeit eindeutig zugeordnet, in positivem und stetigem Abhängigkeitsverhältnis. Für die Zulassung für Flüge nach IFR muß darüber hinaus nicht nur der Weg- sondern auch der Kraftgradient am Stick der Vorwärtsgeschwindigkeit stetig und positiv sein [6]. In der Längsbewegung statisch instabile Hubschrauber sind fliegbar, erfordern aber dauernden Eingriff des Piloten zur Einhaltung der gewünschten Geschwindigkeit und beanspruchen damit höchste Aufmerksamkeit. Zur Geschwindigkeitsaufnahme muß bei solchen Hubschraubern der Steuerknüppel zunächst nach vorne gedrückt und nach Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit in eine Trimmstellung hinter der ursprünglichen zurückgezogen werden [6, 8] Anstellwinkelstabilität (Manöverstabilität) Ein erhöhter Anstellwinkel des Hubschraubers bedeutet einen größeren Anstellwinkel des Rotors und damit an allen Blättern mehr Auftrieb. Im Vorwärtsflug bedeutet dies wegen der Asymmetrie der Anströmung (siehe 1.2.1), die Rotorebene kippt nach hinten; es entsteht ein schwanzlastiges Moment, das den Anstellwinkel weiter erhöht. Der Hubschrauber ist jenseits des Schwebefluges anstellwinkelinstabil, was mit zunehmender Vorwärtsgeschwindigkeit zunimmt [11, 6]. Das Höhenleitwerk dämpft diese Eigenschaft mit zunehmender Größe, welche aber wiederum begrenzt ist durch zu groß werdende Steuerwege beim Übergang vom Steigflug in die Autorotation, da hier sehr schnell ein starkes Nicken unter wegen fehlendem Schub geringen Steuermomenten eingeleitet werden muß [6]. Erkennbar ist, daß die Anstellung des Höhenleitwerks genau den gegenteiligen Effekt hat wie bei der Geschwindigkeitsstabilität: dort ist das hecklastige Moment des Abtriebs stabilisierend, hier ist ein möglichst großer Auftrieb gewünscht um ein stabilisierendes Abnickmoment zu erzeugen. Die Lage des Schwerpunkts hat ebenfalls einen Einfluß auf die Anstellwinkelstabilität, da der eben erhöhte Auftrieb durch das Aufnicken je nach Lage des Schwerpunkts einen positiven oder negativen Hebelarm erhält und damit stabilisiert oder destabilisiert. Bei ausreichend großer Vorlage kann der Hubschrauber sogar stabil werden; die Rücklage muß wegen dieses Effekts unbedingt begrenzt sein [8] Richtungsstabilität Die Richtungsstabilität ist in der Regel durch den Windfahneneffekt der Seitenleitwerke und durch den erhöhten Heckrotorschub (vergrößerte Durchströmung) gegeben; ohne Fluggeschwindigkeit (i. e. im Schwebeflug) kommt es jedoch nicht zu diesen Effekten und der Hubschrauber ist im Schwebeflug nicht richtungsstabil [11, 6] Flugmechanik des Hubschraubers

47 Vorteilhaft ist also eine große Seitenleitwerksfläche, die nebenbei auch bei Verlust der Heckrotorwirkung wünschenswert ist; die entstehende große Gierdämpfung ist jedoch nicht im Sinne der Agilität und kann darüber hinaus zu einem kritischen Verhalten bei der Eigenbewegungsform der Spiralbewegung führen. Gewöhnlich ist dieser Sinkflug in Form einer Spirale langsam und gut auszusteuern. [6] 1.4. Zusammenfassung Der Hubschrauber ist durch zahlreiche Kopplungs- und Stabilitätseffekte gekennzeichnet, die durch die Flugmechanik bedingt selbst nur schwer oder nicht zu beseitigen sind und ihn schwierig zu handhaben machen. Ohne ein System, das diese Effekte aussteuert und für den Piloten beseitigt, führen diese Kopplungen und Instabilitäten zu einer signifikanten Erschwerung der Handhabung und Verringerung der Leistungsfähigkeit von Pilot und Hubschrauber. 1. Flugmechanik des Hubschraubers 27

48 28 Voruntersuchungen zur Entwicklung eines skalierbaren Stick-Controllers für

49 2. Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute Wie im vorherigen Kapitel dargestellt, treten am Hubschrauber zahlreiche prinzipbedingte Kopplungseffekte und Instabilitäten auf. Dabei ist ein rein mechanisches System nur bedingt geeignet, dem Piloten eine Unterstützung zu bieten. Auch gibt es beim Hubschrauber spezielle Grenzen des Flugbereiches, die im Betrieb charakteristische Einschränkungen verursachen und deren Beachtung in existierenden Hubschraubern vom Piloten ein nicht unerhebliches Maß an Aufmerksamkeit fordert. In all diesen Bereichen kann eine Flugsteuerung mit Fly-By-Wire-System, wie sie sich in Verkehrsflugzeugen seit Jahren bewährt, erhebliches Verbesserungspotential bieten Die Aufgabe Fliegen Das Führen eines Flugzeuges 2 entspricht dem Erfüllen einer Regelungsaufgabe: Die Erfüllung der Mission als sehr allgemeine, abstrakte Größe muß vom Nutzer (darin eingeschlossen neben dem Piloten alle Kräfte, die an der Vorbereitung und Abwicklung des Fluges beteiligt sind) als eine vierdimensionale Folge von Anforderungen in Raum und Zeit interpretiert werden, woraus sich als Ziel der Regelaufgabe das Einhalten des vorgegebenen zeitveränderlichen Zustandsvektors des Flugzeuges (Führungsgröße) ableiten läßt. Dieses Definieren einer Trajektorie ist die Navigation; die weitere Untergliederung in kurzfristigere Aufgaben zur Erreichung dieses Ziels führt auf die Flugführung als die Regelung zur Verfolgung dieser Flugbahn, und auf die Flugsteuerung, die Regelung der Fluglage zur Einhaltung einer gegebenen Flugbahn. Am Beispiel der Horizontalbewegung sind diese Ebenen der Flugzeugführung in Abb. 2.1 (S. 30) dargestellt. [12] Unter die Flugzeugführung als umfassenden Begriff sind dementsprechend nicht nur Flugphasen mit manueller Steuerung als Regelaufgabe für den Piloten zu rechnen, sondern auch die (mitunter zahlreichen) Abschnitte, während derer der Autopilot, ggf. in Kombination mit dem Flugwegrechner ( Flight Management System, FMS) die unmittelbare Steuerung des Flugzeugs vornimmt. In Abb. 2.2 (S. 30) ist die obige 2 Es soll hier darauf hingewiesen sein, daß unter dem Begriff Flugzeug sowohl Flächenflugzeuge (Starrflügler) als auch Drehflügelflugzeuge (Drehflügler), also auch Hubschrauber zu verstehen sind. 29

50 Abbildung 2.1.: Flugzeugführung als mehrstufige Regelung am Beispiel der Horizontalbewegung bei manueller Steuerung, nach [12] Flugzeugführung mit einem automatischen System gezeigt; was hier als Autopilot und Flugmanagementsystem bezeichnet ist, können im Falle eines Fly-By-Wire-Systems die höheren Ebenen des Flugsteuerrechners ( Flight Control Computer, FCC) sein, die nicht notwendigerweise eine vom Flugsteuerungskern physisch getrennte Einheit bilden, jedoch eigene Regelkreise bilden. Abbildung 2.2.: Flugzeugführung als mehrstufige Regelung am Beispiel der Horizontalbewegung bei automatischer Steuerung, nach [12] Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute

51 2.2. Fliegerische Auswirkungen der Kopplungen und der Stabilitätseigenschaften Handhabungseigenschaften infolge der Kopplungen Detaillierte Studien der Auswirkungen der Kopplungen zeigen, welchen großen Einfluß diese auf die Pilotenbelastung und damit auf die Missionsfähigkeiten des Systems Hubschrauber, im Extremfall auch auf die Sicherheit der Flugdurchführung haben. Am Beispiel der Roll-Nick- und Nick-Roll-Kopplungen wurden in [13] die Einflüsse unterschiedlicher Kopplungsstärken auf die Handhabungseigenschaften untersucht. Auf einer mit einer elektronischen Flugsteuerung versehenen MBB BO105 des DLR, dem ATTHeS ( Advanced Technology Testing Helicopter System ), wurde bei gezielter Veränderung der unterschiedlichen Derivative auf einem Slalomkurs, der in konstanter Höhe und mit konstanter Geschwindigkeit zu fliegen war (also eine hauptsächlich auf Quereingaben orientierte Aufgabe) eine Bewertung nach dem Cooper-Harper- Schema [14] mittels Handling Quality Ratings (HQR) durchgeführt: Ohne Kopplungen werden nur wenige Steuereingaben in der Längsachse benötigt, um Geschwindigkeit und Höhe mittel- und langfristig zu halten. Das HQR beträgt im Mittel 2 bis 2,5. Bei geringen Kopplungen treten bereits mehr Längssteuereingaben auf. HQR 3 bis 4, leichte Erhöhung der Arbeitsbelastung und erschwerte Höhenhaltung. HQR für die mittleren Kopplungen 4 bis 5, Schwierigkeiten der Piloten eine Strategie zu finden um Kopplungen auszusteuern. Bei sehr starken Kopplungen HQR 5 bis 8, Arbeitsbelastung als nicht tolerierbar eingeschätzt und Schwierigkeiten mit PIO. Die Stärke der Eingaben sinkt mit zunehmender Kopplung ab, was anzeigt, daß eine verringerte Aggressivität in der Steuerung nötig wird, um mit der Kopplung zurechtzukommen. Bei der stärksten eingestellten Kopplung ist die Steueraktivität (Frequenz und Stärke) in Längsrichtung fast so hoch wie in Querrichtung Einfluß der Stabilität auf die Steuerbarkeit Bei der Betrachtung der Stabilitätseigenschaften wird ein Grund für die Anfälligkeit des Hubschraubers für piloteninduzierte Oszillationen offensichtlich: die langen Antwortzeiten des dynamischen Systems Hubschrauber zusammen mit den teilweise instabilen Bewegungsformen sind beste Voraussetzungen für ein schwer steuerbares und für piloteninduzierte Oszillationen (PIO) anfälliges System [9]. Ohne SAS oder die Stabilisierung in einem Fly-By-Wire-System ist eine zeitgemäße komplexe Hubschraubermission nicht mehr durchführbar. 2. Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute 31

52 2.3. Fliegerische Schwierigkeiten Gefahrenquellen und Grenzen der Einsatzenveloppe Hervorgehend aus zahlreichen flugmechanischen Einschränkungen ergeben sich einige Gefahrenquellen beim Flug des Hubschraubers und damit auch für die Einsatzenveloppe des Hubschraubers zahlreiche Begrenzungen, für die eine automatisierte Überwachung (Begrenzung) durch ein elektronisches System bzw. eine automatisch generierte und sonst keine Aufmerksamkeit fordernde Ankündigung an den Piloten sehr wünschenswert wäre: Risikozonen in der H-V -Fläche: In der Höhen-Geschwindigkeits-Ebene existieren Gefahren- und Risikobereiche, aus denen heraus im Falle eines plötzlichen Triebwerksausfalles eine sichere Landung durch Autorotation nicht mehr möglich ist. Der Pilot muß diese Zonen kennen und selbständig vermeiden [15]. Strömungsabriß am rücklaufenden Blatt: Beim Hubschrauber tritt der Strömungsabriß zuerst am rücklaufenden Blatt ein, da hier der Anstellwinkel zum Ausgleich der Asymmetrie der Anströmung am größten sein muß. Zu einem Strömungsabriß kann es in Funktion der Strömungsbedingungen (ϑ 0, v, ρ L (H, p, T ), θ, φ) durch das Einleiten einer Kurve in Richtung des vorlaufenden Blattes und durch Erhöhung des Lastvielfachen n z beim Aufnicken kommen. Strömungsbedingte Grenzen: Hauptsächlich durch die Strömungsgeschwindigkeit am vorlaufenden Blatt, aber auch durch die Kräfte auf Zelle und Anbauten ist die Vorwärtsgeschwindigkeit beschränkt (V NE ). Wirbelringstadium: Wird der Hubschrauber mit einer bestimmten, von zahlreichen Faktoren abhängigen Vertikalgeschwindigkeit, die in der Nähe der durch den Rotor induzierten Abwindgeschwindigkeit liegt, geflogen, dann kann es passieren, daß die Strömung beginnt, um die Blattspitzen zu zirkulieren; der Hubschrauber saugt seinen eigenen Abwind ein. Das Ergebnis dieses Wirbelringstadiums ist, daß der Auftrieb dramatisch einbricht. Windmühleneffekt: Bei Überschreitung einer maximalen Sinkgeschwindigkeit wird dem Hauptrotor wie einer Windmühle Energie aus der Strömung zugeführt, was mittelfristig zu einer gefährlichen Überlastung des Antriebssystems führt. Strömung am Heckrotor: Am Heckrotor kann es ebenfalls in einer ungünstigen Konstellation aus Gierrate und effektiver Anströmrichtung (beeinflußt durch Fluggeschwindigkeit, Schiebewinkel, Wind und Rotorabwind) zum Wirbelringstadium oder zum Strömungsabriß kommen. Umkippen beim Abheben: Das auch Dynamic Rollover genannte Umkippen eines Hubschraubers beim Aufsetzen oder Abheben durch das Auftreten nicht mehr aussteuerbarer Rollmomente aus dem Zusammenspiel von Rotorschub und Gewichtskraft stellt je nach Missionseigenschaften und Charakteristiken Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute

53 des jeweiligen Hubschraubers eine nicht zu vernachlässigende Gefahr dar. Bisher ist es notwendig, daß der Pilot, vor allem auf Untergrund mit Gefälle quer zum Hubschrauber sehr vorsichtig operiert und jederzeit auf dieses Phänomen gefaßt ist. Leistungsbedarf und Rotormoment: Wird der kollektive Blatteinstellwinkel zu stark erhöht, kann der Rotormast bzgl. Torsion und / oder das Triebwerk überbeansprucht werden. Risikobehaftet ist dieser Zustand auch, weil auf das mit dem Drehzahlabfall einsetzende Sinken intuitiv mit Ziehen am Kollektivhebel reagiert wird [9]. Biegemomente: Das Biegemoment auf den Hauptrotormast ist durch die Stärke und Richtung des Rotorschubes bestimmt und kann, insbesondere bei Schwebeflug neben Hindernissen, die die Strömung asymmetrisch beeinflussen einen schädlichen Wert erreichen. Das maximal zulässige Biegemoment auf den Heckausleger kann vor allem bei hochdynamischen Manövern um die Gierachse und Seitenwindeinfluß überschritten werden Besonderheiten des Schwebe- und Langsamfluges Der Schwebeflug ist der Flugzustand, der viele Missionstypen (Kranflüge, Bergungen, Bodenbeobachtungen, Aufklärung) erst ermöglicht und das entscheidende Merkmal des Hubschraubers ist. Gleichsam ist es aber ein Flugzustand, der gerade wegen der dargelegten starken Kopplungen für den Piloten hochbelastend ist und bei dem, vor allem bei widrigen meteorologischen Umständen wie Wind und schlechter Sicht, ein stark erhöhtes Unfallrisiko besteht. Schwierig macht die Beherrschung dieser Flugphase die oben angesprochene indirekte Steuerung über die Momente, die erst für eine Bildung der jeweiligen erforderlichen Kräfte sorgen. Es kommt hinzu, daß auf eine Kollektivsteuereingabe im Normalfall eine Änderung der Vertikalgeschwindigkeit folgt, im bodennahen Schwebeflug durch den Bodeneffekt sich jedoch je nach Kollektivsteuereingabe eine konstante Höhe einstellt. Für die Schwebephasen der bei zahlreichen Hubschraubermodellen sehr häufigen Kran- oder Bergungsmissionen (Aufnehmen und Absetzen von Lasten bzw. Personen) kommt hinzu, daß die vom Piloten zu regelnde Größe nicht die Position des Hubschraubers, sondern die der Last am Ende eines mehr oder weniger langen Seiles darstellt. Zum einen stellt dies ein schwingungsfähiges Zweimassensystem dar, zum anderen können unterschiedliche Störungen auf die zwei Körper wirken (Wind und Böen differierend in unterschiedlichen Höhen, verschiedene Verhältnisse von Luftwiderstand und träger Masse, äußere Kräfte auf die Außenlast am Boden), wodurch der Hubschrauber durchaus bewegt werden muß, um die Lage der Last im Raum konstant zu halten. [16] 2. Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute 33

54 2.4. Flugsteuersysteme Bei Serienhubschraubern geschieht heute die Steuerung in der überwiegenden Mehrzahl über mechanische Systeme. Die in der Militär- als auch Zivilluftfahrt mit Starrflüglern mittlerweile als Standard zu bezeichnende Nutzung elektronischer Systeme hat sich aus zahlreichen Gründen beim Drehflügler bisher noch nicht in großem Maße durchgesetzt. Jedoch sind die zahlreichen Vorteile eines Fly-By-Wire-Systems [17, 18] wie Handhabungs- und Flugeigenschaften auf bisher unerreichtem Niveau, erhöhtes Sicherheitsniveau, verrringerte Arbeitsbelastung für die Besatzung, verbesserter Komfort, reduzierte Masse, verringerte direkte Kosten (des Flugsteuersystems) und indirekte Kosten (der Primärstruktur) sowie drastisch gesenkte Wartungskosten auch für den Hubschrauber interessant und in nächster Zukunft wird Fly-By-Wire wohl auch hier zum Standard werden. So ist erstmalig der NH90, der neue mittelschwere Transporthubschrauber für zahlreiche NATO-Länder, dessen Indienststellung derzeit stattfindet, mit einer elektronischen Flugsteuerung voller Autorität serienmäßig ausgestattet Erzeugung der Stellgrößen aus den Steuerbefehlen Für die Umsetzung der Steuerbefehle in die Stellgrößen kollektiver Blatteinstellwinkel ϑ 0, Sinusanteil des zyklischen Blatteinstellwinkels ϑ S, Kosinusanteil des zyklischen Blatteinstellwinkels ϑ C und kollektiver Blatteinstellwinkel am Heckrotor ϑ HR, also die Einsteuerung der vom Übertragungsteil des Steuersystems kommenden Kommandos in den Rotor, hat sich weitestgehend das System der Taumelscheibe (s. A.2.3) mit Blattsteuerstangen durchgesetzt. Auch für einen Hubschrauber mit Fly-By-Wire-System ist davon auszugehen, daß diese Art der Rotoransteuerung erhalten bleibt Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute

55 Übertragung der Steuerbefehle Die Ansteuerung der Taumelscheibe wie oben beschrieben erfolgt in den mechanischen Systemen über das Mischhebelgetriebe. Es besteht aus drei quer miteinander verbundenen Kipphebeln, die an den drei Eingangspunkten die Auslenkungen der Steuerachsen Quer, Kollektiv und Längs aufnehmen und an den drei Ausgangspunkten an die Taumelscheibe angebunden sind. Die ausgeklügelte Kinematik der drei Kipphebel erzeugt die benötigte Parallelverschiebung und das Kippen der Taumelscheibe in Abhängigkeit der Eingangsauslenkungen. Die Übertragung der Steuerbefehle findet beim klassischen Flugsteuersystem mit einem Steuergestänge statt (Abb. 2.3). Je nach Größe und Blattzahl des Hubschraubers wird dieses durch eine parallelgeschaltete hydraulische Kraftunterstützung (hydraulisch unterstütztes System, Abb. 2.4) ergänzt oder die Steuerbefehle bewegen das Stellventil eines in Reihe geschalteten Hydraulikaktuators (hydraulisch betätigtes System, Abb. 2.5 (S. 36)). Dieser Unterschied in der Anordnung des Aktuator ist für die Rückkopplung in der Flugsteuerung relevant (s. Abschn. 6). Abbildung 2.3.: Klassisches mechanisches Flugsteuersystem, nach [12] Abbildung 2.4.: Hydraulisch unterstütztes mechanisches Flugsteuersystem, nach [12] Zum Einsatz kommen bei allen mechanischen Varianten standardmäßig auch elektronische Regler mit begrenzter Autorität, die parallel zum mechanischen Pfad als Stability Augmentation System (SAS) zur Verbesserung der Stabilität dienen, als 2. Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute 35

56 Abbildung 2.5.: Hydraulisch betätigtes mechanisches Flugsteuersystem, nach [12] Flugregler die Funktion eines Autopiloten erfüllen. Gänzlich anders wirkt das Fly-By-Wire-System (Abb. 2.6), bei dem die elektronisch ermittelten Eingabesignale des Piloten im Flugsteuerrechner (FCC) unter Einbeziehung verschiedener Parameter wie Luftdaten und Fluglage sowie je nach Philosophie nach Begrenzung auf einen Maximalwert und unter Beachtung der Maximalwerte für den Flugzustand in elektronische Befehle für die Steuerventile der Aktuatoren umgesetzt werden. Die mechanische Verbindung zwischen Steuerorgan und Rotorblatt entfällt also völlig.! Abbildung 2.6.: Fly-By-Wire-Flugsteuersystem, nach [12] Steuerorgane Zur Erzeugung der vier weiter oben genannten Steuereingaben sind heute drei Steuerorgane in einer bestimmten Anordnung der Standard (Abb. 2.7 (S. 37)): Steuerknüppel. Er befindet sich meist vor dem Pilotensitz, zwischen den Beinen des Piloten und wird mit der rechten Hand bedient. Durch Links-Rechts- Drücken wird die zyklische Quersteuereingabe D α und durch Vor-Zurück-Ziehen Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute

57 die zyklische Längssteuereingabe D β bewirkt. Kollektivhebel. Dieser im Regelfall links neben dem Pilotensitz angebrachte Hebel kann mit der linken Hand nach oben gezogen und nach unten gedrückt werden und erzeugt die Kollektivsteuereingabe D ϑ. Pedale. Sie liegen unter dem Instrumentenbrett und ermöglichen dem Piloten mit seinen Füßen die Giersteuereingabe D δ. Die Bewegungen der Steuerorgane werden bei der klassischen mechanischen Flugsteuerung wiederum über Stangen und Hebel in das Übertragungssystem direkt eingesteuert. Das Paar von Steuerorganen für Pilot und Copilot ist an dieser Stelle mechanisch auch miteinander verbunden. Bei der Fly-By-Wire-Flugsteuerung ist dies ohne weitere Vorkehrungen nicht gewährleistet. Abbildung 2.7.: Cockpit des Hubschraubers NH90 mit Centrestick und Kollektivhebel 2.5. Existierende Fly-By-Wire-Systeme in Hubschraubern Technologieprogramme Mehrere Technologieprogramme wurden von den Herstellern gestartet, um Erfahrungen mit Fly-By-Wire-System zu erlangen und um Hubschrauber mit variablen Flugeigenschaften zu erhalten: 2. Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute 37

58 ACT / FHS [19]: Das deutsche Forschungs- und Technologieprogramm Active Control Technology Demonstrator / Flying Helicopter Simulator, gemeinsam durchgeführt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Eurocopter Deutschland GmbH (ECD) und Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH (LLI), mit einem fortschrittlichen Fly-By-Light-Flugsteuersystem ausgerüstet, hat zum Ziel, Technologien für eine solche Steuerung zu erproben und eine Plattform für verschiedenste Flugversuche zu bieten. ATTHeS: Auch im Vorläuferprogramm von ACT / FHS wurden Fly-By-Wire-System erprobt. FbW Dauphin System Demonstrator [20]: Der Prototyp, der dafür diente, Erfahrungen für den NH90 zu sammeln verfügte über ein Duplexsystem mit mechanischer Backupsteuerung. Er war ebenfalls mit einem Sidestick ausgerüstet. Japanese BK117 FBW-Demonstrator: Der japanische Prototyp auf Basis einer BK117 besaß zwei aktive Sidesticks für drei Achsen, ein digitales Fly-By-Wire- System und ein analoges Backup. ADOCS / RASCAL [21]: Der Erprobungsträger für das ADOCS / RASCAL-Programm auf Basis einer UH-60 war mit einer Fly-By-Wire-Flugsteuerung mit variabler Stabilität ausgerüstet. Details zu dem Programm finden sich in Abschnitt 7.1. Sikorsky X2 [22]: Das vor kurzem von Sikorsky gestartete Technolgieprogramm X2, das zu einem Serienhubschrauber mit Koaxialrotor für sehr hohe Geschwindigkeiten hinführen soll, beinhaltet ein Fly-By-Wire-System. Es wurde bereits auf einer Schweizer 333 erfolgreich getestet Serienentwicklungen Bei Serienhubschraubern ist das Fly-By-Wire-Prinzip bisher noch nicht zum Durchbruch gelangt, hier ist jedoch in den nächsten Jahren mit einer Grundlegenden Änderung zu rechenen: RAH-66 Comanche [23, 24, 25]: Das mittlerweile eingestellte US-amerikanische Programm des Kampfhubschraubers RAH-66 Comanche beinhaltete ein Fly-By- Wire-System voller Autorität und die Steuerung mit einem Sidestick. Sikorsky S-92 [18]: Eine in Entwicklung befindliche Version der S-92 verfügt serienmäßig über ein digitales Triplex-Dual-System voller Autorität; der Erstflug steht unmittelbar bevor. NH90 [26]: Der NH90 (Abb. 2.8 (S. 39)) ist der erste und bislang einzige in Dienst befindliche Serienhubschrauber mit Fly-By-Wire-Steuerung. Er verfügt über ein digitales Triplexsystem mit analogem Backup Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute

59 Abbildung 2.8.: Der Hubschrauber NH Weitere Literatur [27]: ONERA & DLR Cooperation on the Smart Helicopter Concept Handling Qualities Data Base For Hover and Low Speed Flight [28]: Handling Qualities [29]: The Art of the Helicopter 2. Das System Hubschrauber und seine Bedienung heute 39