SE450371B - Manoverkraftgradientsystem - Google Patents

Description

450 371 en automatisk rörelse i längdriktningen medelst ett längdtrim- manöverdon.

Ett automatiskt flygregleringssystem för en innersväng utför också automatiskt positionskorrigeringar. Detta gör sys- temet emellertid genom att direkt påverka de lägesinställbara aerodynamiska ytorna utan beröring av styrspaken. Exempelvis utförs korrigeringar i stigpositionen genom att huvudrotor- bladstigningen ändras automatiskt medelst ett seriemanöverdon, såsom ett mellan spaken och huvudrotorn placerat stigförin- ställningsmanöverdon.

Egenskaperna vid hantering av helikoptrar bedöms av den lätthet och precision med vilken en önskad flygbana kan uppnås.

För att en pilot skall kunna manövrera noggrant måste han kun- na korrelera sin inmatning med helikopterns gensvar. Detta upp- nås genom sådana signaler som belastningsfaktorer som utövas på pilotens kropp (g-gensvar), observationer mdelst instrument och visuellt, och krafter och rörelse hos styrspaken.

I en del helikoptrar är under vissa belastningsbetingel- ser flygplanets tyngdkraft belägen på ett ställe som ligger ba- kom lyftcentrum. En följd av att tyngdkraftens läge ligger ak- ter om centrum är att helikoptern visar en benägenhet att vink- la sig uppåt (dvs lyfta sin nos från marschpositionen i en g sväng, särskilt i en kraftig sväng (såsom svängar med en roll- vinkel som är större än 300). Piloten måste därför föra spa- ken framåt för att kompensera för denna tendens. Hittills har flygplan haft en tendens att böja sin nos nedåt under en sväng- ningsmanöver, vilket innebär en indikation att piloten skall draga spaken bakåt (spaken bakåt = nosen upp). I en sväng är det önskvärt att upprätthålla stigpositionen med flygplanets nos på eller nästan på horisonten. Omfattningen av "dragning av spaken bakåt" som erfordras för att den önskade stigpositionen skall kunna upprätthållas ger piloten en uppfattning om hur kraftig svängen är. Med en positiv manöverkraftgradient defi- nierad såsom "spaken tillbakadragen" under en sväng resulterar tendensen hos en helikopter att bli riktad uppåt i en sväng i en negativ (instabil) manöverkraftgradient. Detta är en icke önskvärd egenskap vid hantering av flygplan, vilken tvingar pi- 450 371 3 loten att föra spaken på ett onaturligt sätt och att avlänka sin uppmärksamhet från utanför cockpit till instrumenten för att fastställa den omfattning i vilken svängning sker och för att upprätthålla den önskade stigpositionen.

Automatiska flygregleringssystem (AFCS) av typen som är~* beskrivna i de amerikanska patentskrifterna 4 067 517 och U 270 168 samt i den amerikanska patentansökningen 176 832 ar- betar på så sätt att de upprätthåller flygparametrar (t ex stigpositionen). De skilda ökningarna och eftersläpningarna i ett automatiskt förstärkningsregleringssystem är optimerade för rak och nivåjämn flygstabilitet, och de begränsar det automa- tiska flygregleringssystemets förmåga att ge gensvar på ett ef- fektivt sätt under manövreringen. Ett system som är beskrivet i den amerikanska patentskriften 4 127 245 ger upphov till stig- order i innersvängar på grundval av ändringar i stigtakten så att helikopterns nos pressas nedåt för att piloten skall få en g-gensvarsignal i en sväng.

Huvudändamålet med föreliggande uppfinning är således att upprätta ett behov för piloten att draga spaken tillbaka i en kraftig sväng genom att åstadkomma en spaksignal som är pro- portionell mot svängningsgraden. Spaksignalen och den samhöran- de g-gensvarsignalen är avsedda att minska arbetsbelastningen på piloten och att därigenom förbättra helikopterns stabilitet.

Det enligt föreliggande uppfinning angivna manöverkraft- gradientsystemet känner således av rollvinkeln och reglerar stigpositionen på basis av rollvinkeln. Enligt uppfinningen åstadkommes vidare en ordersignal såsom en funktion av rollvin- keln när rollvinkeln överskrider ett förutbestämt värde från flykt med vingarna på samma nivå. I överensstämmelse med en ut- föringsform av uppfinningen påverkar ordersignalen ett längd- trimmanöverdon som omställer det cykliska reglaget (spaken) fjädrande eftergivande i riktning framåt, varigenom helikoptern bríngas att luta nedåt såsom en funktion av rollvinkeln. Pilo- ten måste följaktligen övervinna den fjädrande eftergivande framåtrörelsen hos spaken genom att draga spaken tillbaka under en sväng med skevning så att helikoptern förs till den önskade stigpositionen. En positiv manöverkraftgradient upprättas där- vid på spaken (stigreglering). 450 571 U Uppfinningen kommer nedan huvudsakligen att diskuteras på det sätt som den tillämpas i samverkan med ett befintligt automatiskt flygregleringssystem för yttersväng. Den kan emel- lertid tillämpas med eller utan ett automatiskt flygreglerings- system med en innersväng eller en yttersväng.

Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj i det följan- de under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig 1 vi- sar ett förenklat schematiskt blockschema över manöverkraftgra- dientsystemet med tillhörande automatiskt flygregleringssystem och fig 2 är ett förenklat logiskt flödesschema över en delru- tin hos en digitaldator med uppgift att åstadkomma manöver- kraftgradientsystemet enligt uppfinningen.

Fig 1 visar ett förenklat automatiskt flygregleringssys- tem (AFCS) 101 med begränsad takt, varvid nämnda system är av typen som har beskrivits tidigare i den amerikanska patentan- sökningen 176 832. Det automatiska flygregleringssystemet 101 har en stigavkännare 14 som avger en proportionell felsignal på en ledning 17 till en summer 20. En integrator 15 är påverkbar såsom gensvar på felsignalen på ledningen 17 och avger en inte- grerad signal på en ledning 19 till summern 20.

Eftersom den integrerade signalen på ledningen 19 van- ligenökar utan hopp i närvaro av en stor felsignal anordnas en "håll"-ingångssignal, som kan nås via en ledning 18, i integra- torn 15 för att hindra en stor felsignal (trimorder) från att driva integratorn under en sväng mot trimning (det automatiska flygregleringssystemet är "till").

Signalen på ledningen 17 får företrädesvis stå kvar för att den skall eliminera diskontinuiteter i övergången mellan manöver- och autopilotreglering- Manöverkraftgradientsystemet arbetar när en sväng mot trimning uppträder, och det kan med- föra att integratorn 15 inställs i läget "håll" såsom kommer att beskrivas nedan.

Summern 20 avger en stigkanalutgångssignal på en led- ning 21. Stigkanalutgångssignalen summeras vid en summer 24 med en ordersignal på en ledning 25 (kommer att beskrivas nedan) så att man erhåller en utgångsstyrsignal på en ledning 26 till ett påverkningsorgan, såsom ett längdtrimmanöverdon 27. Längdtrim- manöverdonet 27 omställs och pålägger en kraft genom en fjäd- 450 371 5 rande eftergivande länkanordning, såsom en fjäder 28 som, om den inte är hämmad, förflyttar en spak 50 i längdriktningen, antingen framåt eller bakåt. Detta är känt såsom ett system med "yttre slinga" och upprätthåller stigpositionen under automa- tiska längdrörelser hos spaken 50 såsom gensvar på avkända po- sitionsändringar.

Piloten kan föra spaken 50 i längdriktningen antingen i sådan riktning att den av längdtrimmanöverdonet 27 förorsakade automatiska rörelsen hos spaken 50 får hjälp eller motverkas, i vilket fall fjädern 28 antingen dras ut eller pressas ihop, och man känner en kraft som är proportionell mot fjädergradien- ten. Rörelser hos spaken 50 i längdriktningen och i sidrikt- ningen blandas i en blandare 52 och påverkar via servon 53 och en vickplatta 5U bladstigningen hos helikopterns huvudrotor 55 för styrning av positionen. En innerslinga 56 inverkar också på huvudrotorns 55 bladstigning via blandaren 52, servon 53 och vickplattan 54, både då det gäller reglering i längdriktningen och reglering i sidriktningen. Innerslingan 56 påverkar direkt bladstigningen utan att omställa spaken 50, i motsats till längdtrimmanöverdonet 27 för den yttre slingan, vilket don på- verkar bladstigningen genom omställning av spaken 50. Spaken 50 arbetar genom innerslingan 50. Om spaken 50 förs i längdrikt- ningen reglerar den helikopterns position med nosen upp eller nosen ned genom att spaken förs bakåt resp framåt, varjämte en sidoriktad rörelse hos spaken 50 reglerar helikopterns rollpo- sition i vinklar mätta från det nominella flygläget med vingar- na på samma nivå.

För att inleda en sväng utsätter piloten spaken 50 för en sidokraft. Samtidigt kan piloten eller det automatiska flyg- regleringssystemet 101 reglera helikopterns girning så att man erhåller en koordinerad sväng genom en girkanal (inte visad).

I en manuell sväng mot trimning är stigkanalutgångs- signalen på ledningen 21 liten, eftersom det automatiska flyg- regleringssystemet 101 är optimerat för autopilotdrift, och den är inte tillräcklig för att åstadkomma en positiv manöverkraft- gradient. Stigkanalutgångssignalen på ledningen 21 ökas således medelst föreliggande uppfinning.

Sidokraften som utövas av piloten på spaken 50 avkänns 450 371 6 genom en länkanordning 51 av en kraftomvandlare 38. En tröskel- värdessignal för en sidokraft på spaken alstras på en ledning 39 när sidokraften på spaken 50 är lika med eller större än ca 9 N. Detta tröskelvärde på 9 N väljs såsom en nominell indika- tor för en avsiktlig pilotinmatnng. 5 Helikopterns rollvinkel avkänns av rollvinkelavkännaren 11 så att man på en ledning 12 erhåller en rollvinkelsignal som är indikativ för helikopterns rollvinkel mätt från flygning med vingarna på samma nivå. Rollvinkelsignalens storlek bestäms i den absoluta kretsen 30, matas ut till en ledning 31 och jäm- förs medelst en komparator 37 med en referens 36 med vinkeln 300. Om storleken hos rollvinkeln är lika med eller större än 300 avges på en ledning 22 en signal som, i samverkan med den på ledningen 39 uppträdande tröskelvärdessignalen för spa- kens sidokraft, driver en och-krets 33 och därvid ger upphov till en utgångssignal på en ledning 18. Utgångssignalen på led- ningen 18 bringar integratorn 15 i läget "håll" och påverkar en omkopplare 32. Då omkopplaren 32 sluts kommer rollvinkelsigna- len att genommatas från ledningen 31 via en ledning 3Ä till en summer 35 där en referenssignal 36 på 300 subtraheras från rollvinkelsignalen. Härigenom erhålls på en ledning H0 en sig- nal som är lika med storleken hos rollvinkeln utöver 300.

Signalen på ledningen H0 förstärks av förstärkaren H1 som har förstärkningen K och egenskapen "släpa efter in"/"släpa efter ut", såsom är åskådliggjort av TS+1 (där S är Laplace'opera- tor). Tidskonstanten (T) är så vald, att man erhåller en jämn övergång då manöverkraftgradientsystemet fasas in resp ut. Den eftersläpande utgångssignalen hos förstärkaren 41 på en ledning H2 begränsas av en begränsare H3 till ett värde som inte över- skrider 30% (nominellt, såsom anges av referensen 45) av spa- kens 50 totala rörelse i lângdriktningen. Härigenom erhåller man på en ledning 25 en ordersignal med begränsad auktoritet, varvid denna signal utgör en funktion av (t ex är direkt pro- portionell mot) rollvinkelns del som är större än 300.

Ordersignalen ger via summern 2U huvudkraften för att upprätta regleringsutgångssignalen på en ledning 26. Stigkanal- utgångssignalen är mycket ringa då det gäller "håll", och den tillfogas till ordersignalen vid summern 2Ä. Om spakens 50 450 371 7 rörelse i längdriktningen hindras under en manuell sväng blir regleringsutgångssignalen tillräckligt stor för att längdtrim- manöverdonet 21 skall bringas att föra spaken 50 framåt så att helikopterns nos pressas nedåt. Piloten utövar emellertid en viss áterhållning av spaken 50 i en manuell sväng för att den önskade stigpositionen skall erhållas. Då piloten motarbetar den automatiska framåtriktade rörelsen hos spaken 50 kommer den fjädrande eftergivande drivkraften genom fjädern 28 att kännas i proportion till rollvinkeln, eftersom den fjädrande eftergi- vande drivkraften på längdtrimmanöverdonet 27 ökar proportio- nellt med (utgör en funktion av) ordersignalen som i sin tur ökar såsom en funktion av skevningsvinkeln. En positiv manöver- kraftgradient kommer således att upprättas. Genom att gradien- ten är positiv anger den att spaken 50 måste dras bakåt i en sväng, varvid en gradient upprättas av den proportionella auto- matiska kraften på spaken. Den signal beträffande skevningsvin- keln som piloten känner med detta system är särskilt viktig då det gäller att utföra en koordinerad sväng, eftersom en skev- ningsmanöver större än 300 i regel flygs manuellt och inte på grundval av instrument. När manöverkraftgradientsystemet 101 är i drift kommer den från manöverkraftgradientsystemet 101 här- rörande ordersignalen på ledningen 25 att bli betydligt större än stigkanalutgångssignalen. Verkan hos stigkanalutgångssigna- len blir således försumbar, och regleringsutgångssignalen är tillräcklig för att nosen skall hållas ned såvida inte piloten drar spaken tillbaka. Givetvis bromsar piloten den automatiska framåtriktade rörelsen hos spaken 50 innan positionen med nosen ned uppnås, varigenom den önskade stigpositionen i en sväng upprätthålls. Den fjädrande eftergivande drivkraften från längdtrimmanöverdonet 27 känns av piloten såsom en funktion av skevningsvinkeln.

Det skall framhållas att ytterligare parametrar skulle kunna avkännas och användas för att reglera spakens 50 rörelse i längdriktningen och den omfattning av omställning med rikt- ning nedåt som erhålls, detta för att ge piloten en mera nog- grann indikering av helikopterbelastningen. Det har fastställts att det här beskrivna systemet utgör en enkel, tillförlitlig och tillfredsställande lösning på problemet med negativ manö- 450 371 verkraftgradient.

I den beskrivna tillämpningen utnyttjas uppfinningen i samverkan med ett befintligt automatiskt flygregleringssystem 101. Det automatiska flygregleringssystemet 101 inkluderar längdtrimmanöverdonet 27 och fjädern 28 som utnyttjas av manö- verkraftgradientsystemet. Om piloten skulle påverka ett reglage för längdtrimfrigivning under en kraftig roll skulle manöver- kraftgradientsystemet nedkopplas, eftersom längdtrimmanöverdo- net 27 och fjädern 28 skulle följa spaken 50 men inte skulle påverka denna. När uppfinningen tillämpas ensam måste längd- trimmanöverdonet 27 och fjädern 28 eller något annat lämpligt organ finnas för att automatiskt och fjädrande eftergivande om- ställa spaken 50 proportionellt mot en regleringsutgångssignal.

Vidare kan summern ZÄ undvaras, varvid ordersignalen blir reg- leringsutgångssignalen.

Uppfinningen kan tillämpas med ett seriemanöverdon (för inre slinga eller inre sväng), varigenom nosen pressas nedåt utan att spaken 50 rör sig framåt automatiskt. Detta skulle en- dast ge piloten en g-gensvarsignal, men icke desto mindre skul- le det ange för vederbörande att han skulle draga spaken 50 bakåt för att den önskade stigpositionen skulle upprätthållas, varigenom en önskvärd positiv manöverkraftgradient skulle upp- rättas.

Funktionen hos manöverkraftgradientsystemet enligt fig 1 i överensstämmelse med föreliggande uppfinning kan utföras di- gitalt. Fig 2 visar en delrutin för ett manöverkraftgradient- system som nås genom en ingångsport 60, vars första steg 61 in- nebär att rollvinkel- och sidledspakkraftflaggorna sätts. Där- efter jämförs i en kontroll 62 sidkraften som piloten utövar på spaken med 9 N (åt vänster eller höger såsom är angivet av ab- solutvärdesstrecken). Om kraften inte är lika med eller över- skrider 9 N ställs A (ordersignalen) till noll i ett steg 63, varefter rutinen fortsätter till ett steg 68 (såsom kommer att beskrivas nedan). Om sidkraften på spaken är 9 N eller mer jäm- förs rollvinkelns storlek (mätt med utgångspunkt vid flygning med vingar på samma nivå) med 300 i en kontrollanordning 6U.

Om storleken hos rollvinkeln inte är 300 eller mer fortsät- ter rutinen till steget 63 (som har beskrivits ovan). Om stor- 450 371 9 leken hos rollvinkeln är 300 eller mer inställs det automa- tiska flygregleríngssystemets stig/lufthastighetsintegrator till "håll" i ett steg 66. I ett steg 67 inställs därefter A till överskottet av storleken hos rollvinkeln över 300. Då rutinen fortskrider till ett steg 68 blir A antingen lika med noll (steget 63) eller lika med överskottet av rollvinkeln över 300 (steget 67). I steget 68 alstras en eftersläpande order- signal (LAG) på i och för sig känt sätt. LAG, som ursprungligen är noll, kommer att närma sig värdet hos A, på grundval av TAUPR, som är en exponentialtidskonstantoperator. Detta särdrag är känt. Den eftersläpande ordersignalen (LAG) förstärks i ett steg 69 med förstärkningen K så att man erhåller en ordersignal A. (Digitalfunktionerna som erhålls vid stegen 68 och 69 i fig 2 är analoga med funktionerna som erhålls i förstärkaren H1 enligt fig 1). Ordersignalen A jämförs i en kontrollanordning 70 med 300 av spakens totala rörelseförmåga i längdrikt- ningen. Om ordersignalen är högst 300 av rörelsen i längd- riktningen summeras den med stigkanalutgångssignalen i ett steg 72 så att man erhålleor en regleringsutgångssignal. Om order- signalen är större än 30° av rörelsen i längdriktningen be- gränsas den till 30° i ett steg 71, varefter den summeras med stigkanalutgångssignalen (proportionell, inte integrerad) i steget 72. Ordersignalen A i steget 72 svarar mot ordersignalen på ledningen 25 enligt fig 1. Delrutinen utgår i steget 73.

Digitalfunktionen som är angiven av det förenklade flö- desschemat enligt fig 2 har tillämpats med framgång i en enkel dator av typen som är beskriven i den amerikanska patentskrif- ten 4 270 168. Uppfinningen kan tillämpas i skilda andra analo- ga och digitala former och den kan tillämpas i antingen simp- lexdatorsystem eller multipeldatorsystem som är utformade på en mångfald olika sätt under utnyttjande av allmänt kända program- meringsmetoder eller i en bestämd digitalanordning.

Den ovan givna beskrivningen över uppfinningen har till uppgift att möjliggöra för fackmannen att tillämpa uppfin- ningen. Skilda andra utföringsformer och modifikationer som kan vara lämpliga för den speciella tilltänkta användningen torde bli uppenbara vid studium och utnyttjande av uppfinningen,

Claims (6)

450 571 10 PATENTKRAV

1. Manöverkraftgradientsystem för att åstadkomma en positiv manöverkraftgradient på lutningsreglaget hos ett flygplan med inställbara aerodynamiska ytor, vilkas lägen påverkas av lut- ningsreglaget, varvid systemet innefattar ett påverkningsorgan K (27) som är verksamt för att åstadkomma lägena hos de inställ- bara aerodynamiska ytorna på grundval av en ordersignal och en rollvinkelavkännare (11) för att åstadkomma en rollvinkelsignal som anger flygplanets rollvinkel mätt i förhållande till flygning med vingarna på samma nivå, k ä n n e t e c k n a t därav, att det innefattar till rollvinkelavkännaren (11) anslutna regleringsorgan (50), som är påverkbara såsom gensvar på rollvinkelsignalen och som är anslutna till påverknings- organet (27) för att tillföra ordersignalen till påverknings- organet (27) såsom en funktion av rollvinkelsignalen för att bringa påverkningsorganet (27) att påverka lägena hos de inställbara aerodynamiska ytorna så att flygplanet bringas att luta med nosen nedåt i en sväng på grundval av flygplansroll- vinkeln 1 svängen.

2. Manöverkraftgradientsystem enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a t därav, att regleringsorganen (50) är verksamma för att tillföra ordersignalen endast när rollvinkelsignalen anger en rollvinkel som överskrider ett förutbestämt tröskelvärde som är indikativt för en kraftig sväng.

3. - "Manöverkraftgradientsystem enligt krav 1 inkluderande en rollreglering och en kraftomvandlare (38) som är känslig för att detektera pilotingångskrafter till rollregleringen större än ett tröskelvärde och som är påverkbar för att alstra en tröskel- värdessignal när kraften på rollregleringen överskrider tröskel- värdet, k ä n n e t e c k n a t därav, att regleringsorganen (50) är anslutna till kraftomvandlaren (38) för att avkänna tröskelvärdessignalen och att regleringsorganen (S0) är V 450 371 11 verksamma för att åstadkomma ordersignalen endast när tröskelvärdessignalen avkänns.

4. R. Manöverkraftgradientsystem enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a t därav, att påverkningsorganet (27) är anslutet till lutningsreglaget och är verksamt för att åstadkomma lägena hos de inställbara aerodynamiska ytorna genom att påverka lutningsreglaget. '

5. Manöverkraftgradientsystem enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a t därav, att ordersignalen är tillräcklig för att bringa påverkningsorganet (27) att reglera lutningspositionen hos flygplanet till en position med nosen nedåt när rollvinkel- signalen är indikativ för en rollvinkel som överskrider ett förutbestämt tröskelvärde som anger en kraftig sväng.

6.- Manöverkraftgradientsystem enligt krav 1, vilket system ytterligare innefattar ett automatiskt flygregleringssystem som har en lutningskanal för att upprätthålla lutningspositionen, varvid nämnda lutningskanal innefattar en lutningsavkännare som avger en lutningssignal och en till lutningsavkännaren ansluten integrator (15) för att integrera lutningssignalen för att åstadkomma en 1utningskanalutgângssignal till påverkningsorganet (27), varjämte integratorn (15) är anordnad att placeras i hålläge av en hållsignal, k ä n n e t e c k n a t därav, att regleringsorganen (50) inkluderar organ för att åstadkomma hållsignalen såsom gensvar på rollvinkelsignalen. _..._..... 7 _ _.. ___._.._...... 7..-. _