Flight Envelope Protection and Carefree Handling - Robert Osterhuber, MEA25, 11.05.2011 DGLR FKFS WS Manching

Flight Envelope Protection and Carefree Handling

         Robert Osterhuber, MEA25, 11.05.2011
              DGLR FKFS WS Manching

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

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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

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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
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Flugenvelope:

    0 < Mach < 1.8 - 2.5
    0 < qbar < 100 kPa (0 < VEAS < 800)
    0 < H < 20 - 30km

                                   Page

Eine Vielzahl von Stellsystemen

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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

                                 Page

Erläuterung - Flight Envelope Protection
 Flight Envelope Protection = Schutz der Betriebsgrenzen

  Schutz der Betriebsgrenzen bzgl. Machzahl und Staudruck

  Vermeidung von aerodynamisch gefährlichen Flugzu-
   ständen (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

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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

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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

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Erläuterung - Flight Envelope Protection/Carefree

 Steuerknüppelbewegungsfeld
 (Draufsicht)

                                                    Kommando -
                                                    Rollrate

                              z.B.

                                                    Kommando -
                                                    Anstellwinkel
     Pilot kann Steuerknüppel frei
     bewegen ohne Betriebsgrenzen
     zu beachten
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Entwicklungsprozeß für ein Carefree- Flugzeug

 Typischerweise ein komplexer, mit Risiken und
 Iterationen behafteter Prozeß

                                         .

                                                 ..       .
                                  . ..
                      T ef    .   . .    K
                                                 ..
                                                      P   .

                                             .

     Definition der                                                               Clearance
                             Modellbildung                           Entwurf                        Flugtest
     Anforderungen                                                                & Zulassung

                                                                       Modell falsch (z.B. Aerodynamik)

                                                              zu optimistische Authoritäten

                                                                                Page

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

                                 Page

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.
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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

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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.
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Merkmale moderner Flugreglerstrukturen (3)

 Entkopplung der Flugzeugachsen und der kommandierten
  Größen

 Rollen mit konstantem Anstellwinkel (“wind axis rolling”)

 Störgrößenaufschaltung für Trägheitskopplung, Gravitations-
  änderung, Schwerpunktkompensation, Stellflächenfahrgesetze

 Automatische Recovery- Funktionen

 Autopilotenbetriebsarten

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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

                                   Page

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

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Nickmanöverbeispiel unterhalb der “Corner Speed“ -
 Anstellwinkelregelung

         20.00
 
  °
         10.00

Anstell-
winkel 0.00
                                                                                       Minimale Zeit bis
        -10.00
                                                                                       zum Erreichen des
 q                                            4 AMRAAM/ 2 Sidewinder
                                              6 AMRAAM/ 2 Sidewinder/ 1 Tank           Limits/kein Überschwingen
  °/s

Nickdreh-
         20.00                                                                         – hohe Agilität
rate

          0.00

        -20.00

             0.00   2.00   4.00        6.00   8.00            10.00            12.00
                                  time s

                                                                       Page

Nickmanöverbeispiel oberhalb der “Corner Speed“ -
   Lastvielfachenregelung

             9.00

       nz
vertikales5.00
Lastvielfache

             0.00
                                                                                                 Minimale Zeit bis
             -3.00                                                                               zum Erreichen des
                                                        4 AMRAAM/ 2 Sidewinder

             30.00
                                                        6 AMRAAM/ 2 Sidewinder/ 1 Tank           Limits/kein Überschwingen
   q                                                                                             – hohe Agilität
             20.00

    °/s      10.00

 Nickdreh-
        0.00
 rate
            -10.00

                 0.00   2.00   4.00            6.00   8.00          10.00                12.00

                                      time s

                                                                            Page

Rollmanöverbsp. bei hohem Anstellwinkel

                                 45.00
Anstellwinkel > 30°
                                40.00
                            °
                                 35.00

                                 30.00

                                 60.00
                           p
Rollrate > 50°/s
                                 40.00
                         [°/s]   20.00

                                  0.00

                          
                                 1.000

  Schiebewinkel < 0.5°     °
                                 0.000

                                 -1.000

                                 -2.000
                                      0.00     2.00   4.00      6.00        8.00   10.00   12.00
                                                                   time s

                                          Aufbau der Rollrate mit minimaler
                                          Achskopplung – optimale Vorraussetzung für
                                          agile Bahnänderung
                                                         Page

Vielen Dank !
Fragen?

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