«Ironbird» erforscht neue Flugsteuerungskonzepte

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Interaktion und Integration

In der Folge werden nicht nur die einzelnen Systeme getestet, sondern auch deren Interaktion und die Integration neuer Komponenten in das Gesamtsystem, bis hin zur Untersuchung des Einflusses neuer Systemlösungen auf die Flugeigenschaften. Dipl.-Ing. Holger Spangenberg, beim DLR verantwortlich für den Ironbird, nennt dies das «System of Systems». Von der Steuereingabe bis hin zum Aktuatorausschlag muss ein durchgängiges Gesamtsystem vorhanden sein. So lassen sich Subsysteme genauer untersuchen und Lösungen im Bereich der Rekonfiguration von Flugsteuerungssystemen erarbeiten. Dabei werden Interaktionen der Flugzeugsysteme mit dem Ziel der Sicherheitserhöhung von Flugzeugen auch unter Extrembedingungen berücksichtigt. Die frühzeitige Betrachtung der Systeminteraktionen ist insbesondere bei komplexen Systemen wie der Flugsteuerung notwendig, da sonst mögliche negative Beeinflussungen verschiedener Systeme erst spät erkannt werden und ein Grossteil der Entwicklung nochmals neu durchlaufen werden muss. «Das ist auch das Besondere an unserem Ironbird, dass eine Simulation der gesamten Flugsteuerungskette, mit einer Kombination aus Cockpitsimulation und Aktuatorprüfstand, für eine ganzheitliche Bewertung von Flugsteuerungssystemen auch durch Testpiloten erreicht werden kann», betont Spangenberg.

Ein Prüfstand für eine Vielzahl von Aufgaben

Der realisierte Prüfstand ist in der Lage, eine realistische Testumgebung für eine Vielzahl von Forschungsaufgaben zu bieten: So lassen sich neue Subsysteme wie zum Beispiel Aktuatoren, Sensoren oder Rechnersysteme in den Prüfstand integrieren, um unter anderem neue Algorithmen zur Regelung oder Zustandsüberwachung und -prognose zu entwickeln und um diese anschliessend auf deren Funktion hin zu testen - auch unter verschiedenen Fehlerkonditionen. Im Weiteren ist die Erforschung neuer Datenbus-Systeme wie «Fly-by-light» oder «Drahtlose Flugsteuerung» möglich. Ein nächster Bereich, den der Ironbird abdeckt, ist das Erforschen neuer Flugregelungskonzepte für das gesamte Flugsteuerungssystem. Dabei lässt sich der Einfluss von und das Zusammenspiel mit Subsystemen wie Sensoren, Aktuatoren und Rechnern untersuchen.

Zustandsüberwachung und Zustandsprognose

Für die Erforschung von Condition-Monitoring-Methoden zur Zustandsüberwachung und -prognose von elektromechanischen oder elektrohydraulischen Flugsteuerungsaktuatoren sollen die entwickelten Verfahren unter möglichst realen Bedingungen untersucht und bewertet werden. Hier kommen Hydraulikzylinder von Hänchen zum Einsatz, mit denen die aerodynamischen Lasten, die im Fluge auf die Ruder wirken, präzise simuliert werden können. Die Vorgabewerte für die Regelung der Zylinder liefert eine flugmechanische Simulation. Dabei berechnet das Testsystem in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie Fluggeschwindigkeit, Flughöhe und Ruderausschlag ständig neue Vorgabewerte und übergibt diese an die Regelung der Zylinder zur Simulation der aerodynamischen Lasten.

Hohe Systemflexibilität ist unerlässlich

Der Hydraulikspezialist Hänchen liefert das gesamte lineare Antriebssystem für zwei Höhenruder, ein Quer- und ein Seitenruder. Das Komplettsystem «Ratio-Drive» dieses Herstellers bildet ein geschlossenes System, das externe Sollwertvorgaben erhält. Der Prüfstand arbeitet mit integrierten Druckdosen. Der komplette Aktuator inklusive Sensorik, Steuerung und Software wurde einschliesslich Engineering von Hänchen als Komplettlösung realisiert. Das Unternehmen hatte die Aufgabe, die Anforderungen an die Zylinder hinsichtlich der dynamischen Eckwerte, der maximalen Kräfte, die auf das System wirken müssen, der Genauigkeit der Sensoren sowie der Rahmenbedingungen des bestehenden Hydrauliksystems zu erfüllen. Das bedeutete hohe Flexibilität auch bei den externen Sollwertvorgaben. Zusätzlich mussten Schnittstellen hardwaretechnisch gelöst werden. Um zum Beispiel das Regelungssystem des Aktuators zu überbrücken, damit eigene Regelungskonzepte schnell und flexibel mit einem Rapid Control Prototyping System umgesetzt werden können, war notwendig, externe Regler mit der Elektronik von Hänchen zu koppeln.

Die schwimmende Ringspaltdichtung

Da bei den Tests kaum Querkräfte auftreten, verwendet das DLR für seinen Prüfstand die Zylinder in Servofloat-Qualität. Der Hersteller empfahl diese Zylinder, da die patentierte schwimmende Ringspaltdichtung gerade für Anwendungen mit begrenzten Querkräften bei höchstmöglicher Dynamik und Qualität die erste Wahl ist. Die Servofloat-Zylinder sind praktisch reibungsfrei. Bei sehr langsamen wie auch sehr schnellen Bewegungen bieten sie berührungsfreien Druckabbau nach aussen, geringe Leckage, hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit, ausserdem sind sie stick-slip-frei.Diese Dichtungskombinationen arbeiten nach folgendem Prinzip: Beim Systemstart wird über die Zylinderkammern ein hydrodynamischer Ölstrom in der Ringspaltdichtung aufgebaut, sodass sich diese metallisch berührungslos «schwimmend» und selbstzentrierend radial um die Kolbenstange bewegt. Die Ringspaltdichtung hat eine zylindrische Form mit definiertem Spiel zur Stange und liegt im Einbauzustand exzentrisch in zufälliger Lage. Durch den anliegenden Druck verformt sich eine Büchse aus Stahl zu einem druckabhängigen, berührungsfreien Dichtspalt von wenigen 100stel mm. Dieses Verfahren funktioniert aber nur durch eine Produktionsgenauigkeit im Bereich weniger µm, denn andernfalls würde die Leckage zu hohen hydraulischen Verlusten führen. Austretendes Lecköl wird drucklos über einen Sammelanschluss in den Fluidkreislauf zurückgeführt. Das Fehlen einer berührenden druckbeaufschlagten Dichtung minimiert die Haft- und Gleitreibung im Zylinder. Weil kein hydrodynamischer Schmierfilm durch die Relativbewegung der Gleitpartner notwendig ist, kann auch im Bereich kleinster Amplituden und Geschwindigkeiten eine stick-slip-freie Bewegung erfolgen. Die Ringspaltdichtung hat nur eine druckabbauende Funktion bei geringster Leckage. Deshalb wird die Kolbenstange mittels reiboptimierter Führungsbänder geführt. Trotzdem kann auch ein Zylinder mit schwimmender Ringspaltdichtung gewisse Querkräfte aufnehmen. Diese Baureihe verfügt darüber hinaus durch die mit Spezialbronze beschichteten Kolben- und Lagerflächen über Notlaufeigenschaften, die zusätzlich die Betriebssicherheit erhöhen. Ein weiteres schlagendes Argument für Zylinder mit schwimmender Ringspaltdichtung ist zweifelsfrei der Preis. Denn diese Zylinderreihe unterscheidet sich nur in der etwas höheren Empfindlichkeit für Seitenkräfte von Zylin-dern mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung, bringt aber einen deutlichen Preisvorteil.

Konzept und Leistung müssen stimmen

Ausschlaggebend für die Entscheidung, Hydraulikzylinder von Hänchen einzusetzen, war für die Experten des DLR laut Spangenberg «das gute Konzept sowie das Preis-Leistungs-Verhältnis der Produkte». «Das quasi-hydrostatische Verhalten bei gleicher Regelgüte, und das zu einem sehr günstigen Preis, hat uns letztendlich überzeugt.» Dabei spielte auch noch die Empfehlung eines Kollegen von Airbus eine Rolle, der schon seit Jahren erfolgreich mit Hänchen zusammenarbeitet. Gemeinsam mit dem Hydraulik-Spezialisten entwickelte das DLR so die Anforderungen an das System weiter, wobei immer wieder hilfreiche Tipps von den Hydraulik-Experten mit einflossen.Ein aktuelles Projekt ist die Erforschung neuer Regelungskonzepte für die dynamische Lastsimulation. Wenn hier die Regelparameter und das Konzept endgültig stehen, wird das DLR die Regelungsstruktur in das Abbildungssystem einbringen. «Denn lediglich Parameter einzugeben, ist natürlich komfortabler als mit externen Reglern zu arbeiten», erklärt Spangenberg. Damit ist das Unternehmen Hänchen beim DLR sowohl Hersteller wie Dienstleister und Systemintegrator in einem. AutorJörg BeyerInformationHerbert Hänchen GmbH & Co. KGD-73760 OstfildernVertretung in der SchweizHänchen Hydraulik AGHungerbüelstrasse 178501 FrauenfeldTel. 052 720 56 00Fax 052 720 56 08info@haenchen.chwww.haenchen.ch

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