DE3638818A1 - Hoehenrudersteuerungssystem in fly-by-wire-ausfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Höhenrudersteuerungssystem in fly-by- wire-Ausführung mit mechanischer Hilfssteuerung für Luftfahrzeu­ ge, insbesondere für Flugzeuge.

Es ist bekannt, daß Höhenrudersteuerungssysteme von Flugzeugen in der sogenannten fly-by-wire-Technik ausgeführt sind (AIRBUS A 320). Bei der Anwendung dieser Technik werden von Piloten an sogenann­ ten Seitensteuer-Bediengeräten (side-sticks) Steuersignale er­ zeugt, die über parallel arbeitende Computergruppen elektrohydrau­ lische Stellsysteme ansteuern, die die mechanische Betätigung der Höhenruder vollziehen. Pro Höhenruder sind in der Regel zwei oder drei redundante Stellantriebe installiert (Duplex- oder Triplex- Anordnung).

Bei einem Ausfall der Flugsteuerungselektrik besteht keine Höhen­ rudersteuerbarkeit des Flugzeuges mehr. Besondere Bedeutung kommt auch einer Ausfallsituation im Hochgeschwindigkeitsflug zu, bei der nur eine Seite der Höhenrudersteuerung ausfällt, die andere aber zur Steuerung noch intakt ist. In diesem Fall treten bei Flugmanövern unzulässige Asymmetrien hinsichtlich der Struktur­ belastung des Flugzeuges auf.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, für parallel redundante Höhen­ ruder-Stellantriebssysteme, zum Beispiel Duplex- oder Triplex- Anordnungen, an den beiden Höhenrudern eines Flugzeuges eine ge­ wichtlich, komlexitätsmäßig und funktionell vorteilhafte Lösung zu finden, die einen gleichen oder verbesserten Sicherheitsgrad bezüglich beidseitigem oder einseitigem Ruderausfall aufweist. Zudem soll bei konsequenter Gesamtsystemauslegung der Flugzeug­ steuerung in der fly-by-wire-Technik eine einfache mechanische Höhenruder-Notsteuerbarkeit für den Fall des Totalausfalls der Bordelektrik möglich sein.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dem Hauptanspruch und den Unteransprüchen zu entnehmen. Sie besteht im wesentlichen darin, ein mechanisches Höhenruder-Notsteuersystem in eine fly- by-wire-Höhenrudersteuerung zu integrieren, das parallel und synchron auf beide Höhenruder wirkt und gegenüber den elektrisch gesteuerten Höhenruder-Steuerungseinrichtungen Betätigungspri­ orität besitzt.

Mit Hilfe der Zeichnungen (Fig. 1) lassen sich die erfindungs­ gemäßen Merkmale erläutern. Die beiden Höhenruder 1 werden von je einem Triplex-Stellsystem 2 mechanisch angesteuert und betrieben, welches je von einem, zum Teil in mechanisch ausfallgesicherter Konstruktion ausgefühten, ansteuernden Signalgestänge 3 beauf­ schlagt wird. Der Signaleingang erfolgt nicht primär von einem Steuerknüppel, sondern wird von je einem elektrischen Kontroll­ modul 4, bestehend aus einem Getriebe mit Elektromotoren und einer Übersteuerungseinrichtung 4.2, ausgeführt.

Diese beiden Kontrollmodule 4, einer primär für den rechten, der andere für den linken Steuerstrang, werden von an sich bekannten Flugsteuerungsrechnern 5 synchron und simultan mit den gleichen Steuerungsbefehlen versorgt, so daß links- und rechtsseitig die Höhenruder die gleichen Ausschlagssignale erhalten. Jeder der ak­ tiven Computer (oder Computergruppen) 5 erfährt gleichzeitig die Position beider Kontrollmodulausgänge, so daß eine Überwachung auf Synchronität, und beiderseitiges Abschalten bzw. Umschalten im Fehlerfall, sichergestellt ist.

Die Stellkommandos werden wie bekannt sowohl aus Sensorabgriffen am Pilotenbedienorgan, zum Beispiel einem Seitensteuerungs-Be­ diengerät 6, als auch durch Signale vom automatischen Flugfüh­ rungssystem 7 (Autopilot) in den Rechnern 5 erzeugt.

Zur Notsteuerung des Höhenruders während beispielsweise eines Ausfalls der gesamten Bordelektrik des Flugzeuges, und während eines oder mehrere der triplizierten Hydrauliksysteme 2 (B, G, Y) noch funktionsfähig sind, ist ein Notbedienelement 8 für die Höhenrudersteuerung vorgesehen, um ein mechanisches Steuersignal zu dem oder den arbeitsfähigen Hydrauliksystemen der Höhenruder 1 zu übertragen. Das Notbedienelement 8 für die Höhenrudersteuerung kann dabei als Doppel-Steuerrad oder als Doppel-Hebelelement aus­ geführt sein.

Dieses Notbedienelement 8 für die Höhenrudersteuerung ist mit den Kontrollmodulen 4 des normalen, elektrischen Flugsteuerungssy­ stems über einen doppelten, ausfallgesicherten, mechanischen Lastweg 9 verbunden (beispielsweise Seilsteuerung). Der Eingriff dieser duplizierten Lastwege in die Kontrollmodule 4 erfolgt in sogenannten Übersteuerungsmechanismen 4.2. Hierbei handelt es sich um mechanische Bauelemente, die in folgender Weise funkti­ onieren.

Im normalen Betriebsfall signalisieren die Kontrollmodule 4 die Verstellung der Höhenruder 1 dem Notbedienelement 8 für die Hö­ henrudersteuerung durch ein synchrones und proportionales Mitbe­ wegen der Seilstränge. Das heißt, das Notbedienelement 8 für die Höhenrudersteuerung bewegt sich entsprechend dem Höhenruderaus­ schlag mit. Wenn ein Pilot z.B. aufgrund der Erkenntnis eines fehlerhaften Systemverhaltens im elektrischen Steuererungsmodul das Notbedienelement 8 für die Höhenrudersteuerung betätigt und damit ein Steuerungssignal erzeugt, das mit dem durch die Rechner 5 und der Getriebe-/Elektromotoreneinheit 4.1 erzeugten Steuer­ ungssignal nicht übereinstimmt, wird dem von dem Piloten mecha­ nisch erzeugten Notsteuerungssignal eine höhere Priorität einge­ räumt und gelangt zur Ausführung.

Da nicht ausgeschlossen werden kann, daß einer der Seilstränge 9 klemmt, und damit wegen der Priorität vom mechanischen über das elektrischen, Steuersignal am Übersteuerungsmechanismus 4.2 kein Fehlsignal auf das Höhenruder kommandiert wird, ist das Notbe­ dienelement 8 für die Höhenrudersteuerung mit einer Ausrastein­ richtung 8.1 versehen (symbolisiert durch ausrastbare Kugeln mit Federvorspannung und zwei Handrädern), die auf zwei getrennte Seilstränge 9 wirken. Auf diese Weise ist der Pilot in der Lage, bei einem klemmenden Steuersignalseilstrang 9 zumindest durch einen Eingriff am zweiten Steuerrad (oder Hebelelement) des Notbedienelements 8 für die Höhenrudersteuerung im Niederge­ schwindigkeitsflug noch ein gewolltes Höhenrudersignal auszulösen.

Um zu verhindern, daß im Hochgeschwindigkeitsflug zwischen dem linken und dem rechten Höhenruder, auch im Fehlerfall, kein asy­ mmetrischer Steuerausschlag auftritt, werden von den Kontroll­ modulen 4 identische Steuersignale in ihre Steuerstränge 3 und 9 eingespeist. Zudem sind die rechts- und linksseitigen Signalge­ stänge 3 mechanisch durch die Synchronisationseinheit 10 mitein­ ander gekoppelt und zusätzlich (wesentlich für den Niedergeschwin­ digkeitsflug) durch die Zentrierfedern 12 im Gestängebruchfall in der Nullstellung zentriert. Desweiteren sorgt das Notbedienelement 8 für die Höhenrudersteuerung zusammen mit den mechanischen Not­ steuer-Seilsträngen 9 für eine Signalsynchronität zwischen dem rechten und dem linken Höhenruderausschlag.

Damit wird deutlich, daß die mechanische Synchronisationseinheit 10, die nur im Hochgeschwindigkeitsflug eingeschaltet ist, auch im Versagensfall der elektrischen Systeme eine mechanisch syn­ chronisierte Höhenrudersteuerung ermöglicht.

Im Niedergeschwindigkeitsflug, bei dem die mechanische Synchroni­ sations-(und Kupplungs-) Einheit 10 geöffnet ist, könnte ein ein­ facher mechanischer Fehler (z.B. Bruch in der Signalübertragung zwischen dem Ausgang des Kontrollmoduls 4 und dem Steuergestänge 3) zu einem beliebig fehlerhaften Ausschlag des Höhenruders 1 der fehlerbetroffenen Seite führen. Um dies zu verhindern, sind die Zentrierfedern 12 eingebaut, die das durch einen Fehler der vor­ genannten Art betroffene Höhenruder 1 in der Nullstellung (d.h. Mittelstellung) durch ein entsprechendes Nullsignal zu den hy­ draulischen Stellsystemen zentrieren.

In weiteren erfindungsgemäß vorteilhaften Ausgestaltungen werden die Elektromotoren in den Kontrollmodulen 4 gemeinsam oder je­ weils von einem oder mehreren Flugsteuerungsrechnern 5 gleichen oder unterschiedlichen Typs angesteuert, so daß die Ausfallsi­ cherheit des elektrisch betriebenen Steuerungssystems erhöht wird. Die Anzahl der in den Kontrollmodulen 4 eingesetzten Elek­ tromotoren kann zwei oder mehr betragen. Für den Fall, daß aus Gewichts- und Systemvereinfachungsgründen nur zwei Elektromotoren je Kontrollmodul 4 zum Einsatz kommen, sowie aus der Betrach­ tung der Einrittswahrscheinlichkeit eines Ausfalls beider Elek­ tromotoren in einem Kontrollmodul 4, kommt der beschriebenen mechanischen Synchronisation und Notsteuerbarkeit der Höhenruder eine besonders vorteilhafte Bedeutung zu. Die elektrisch signa­ lisierte Höhenrudersteuerung ist auch dann möglich, wenn einer der Kontrollmodule 4 ausgefallen ist. In diesem Fall werden die elektrisch erzeugten Steuersignalwege des anderen, noch intakten Kontrollmoduls 4 sowohl über die Seilstränge 9, als auch (nur im Hochgeschwindigkeitsflug) über ein Koppelgestänge mit der Synchro­ nisationseinheit 10 zwischen rechtem und linkem Signalgestänge 3 auf beide Höhenruder geleitet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Funktionstüchtigkeit der Höhenruder-Notfallsteuerung durch die Betätigung eines Testschalters 11 durch Piloten zum Beispiel vor dem Flugbeginn überprüft werden.

• Bezugszeichenliste:  1Höhenruder 2Höhenruderstellsysteme B, G, Y  3Höhenruder-Steuerungsgestänge 4Kontrollmodul 5Flugsteuerungsrechner 6Pilotensteuerungsorgan 7Autopilotenrechner 8Notbedienelement für die Höhenrudersteuerung 9Steuerungsseil10mechanische Synchronisationseinheit11Testschalter12ZentrierfederR/HRechtes HöhenruderL/HLinkes HöhenruderBHydraulisches Stellsystem BlauGHydraulisches Stellsystem GrünYHydraulisches Stellsystem Gelb

Claims (7)

1. Höhenrudersteuerungssystem in fly-by-wire-Ausführung mit mechanischer Hilfssteuerung, bestehend aus Pilotensteuerungsorga­ nen, Autopilotenrechnern, Flugsteuerungsrechnern, elektrohydrau­ lischen Höhenruder-Stelleinrichtungen, einem rechts- und einem linksseitigem Höhenruder sowie einer mechanischen Höhenruderhilfs­ steuerung gemäß der Patentanmeldung Pat.-Aktz.: P 36 31 089.1 so­ wie Gebrauchsmusteranmeldung Gebm.-Aktz.: 86 24 457.4, dadurch gekennzeichnet, daß im elektrisch gesteuerten Flugführungsbetrieb die Höhenruder-Steuerungssignale von den Flugführungsrechnern (5) synchron und simultan zu zwei parallel arbeitenden elektrischen Kontrollmodulen (4) geführt und von diesen über ein Höhenruder-Steuerungsgestänge (3) zu Höhen­ ruderstellsystemen (2) und den Höhenrudern (1) weitergeleitet werden, daß die Kontrollmodule (4) aus einer Einheit (4.1) mit einem Getriebe und Elektromotoren sowie einer Übersteuerungs­ einrichtung (4.2) bestehen, daß jeder der aktiven Flugsteuerungs­ rechner (5) die Höhenruder-Steuerungsposition beider Kontrollmo­ dulausgänge erfährt, daß der Fall eines nicht oder asynchron ar­ beitenden Kontrollmoduls (4) von den Flugsteuerungsrechnern (5) erkannt wird und diese daraufhin ein Ab- bzw. Umschalten fehler­ hafter Geräte durchführen, daß bei einem Ausfall der gesamten Flugsteuerungs-Elektrik der Pilot mit Hilfe eines Notbedienele­ mentes (8) für die Höhenrudersteuerung ein mechanisches Höhen­ ruder-Ausschlagsignal erzeugt, daß bei der Betätigung des Not­ bedienelementes (8) für die Höhenrudersteuerung über jeweils zwei Seilstränge (9) die beiden Kontrollmodule (4) angesteuert werden, daß die Betätigung des Notbedienelementes (8) für die Höhenruder­ steuerung während der elektrischen Flugführungsart in der Über­ steuerungseinrichtung (4.2) eine höhere Ausführungspriorität be­ sitzt, daß während des elektrischen Flugführungsbetriebes die Höhenrudersteuerungssignale von den Kontrollmodulen (4) zu dem Notbedienelement (8) für die Höhenrudersteuerung synchron und proportional zurückkommandiert werden, daß das Notbedienelement (8) für die Höhenrudersteuerung über eine Ausrasteinrichtung (8.1) verfügt, die beim Verklemmen eines Seilstranges (9) eine Notfall­ steuerung der Höhenruder wenigstens über einen Steuerungsstrang sicherstellt, und im elektrischen Flugsteuerungsbetrieb die Er­ zeugung von höherpriorisierten Fehlsignalen ausschließt, daß von den Kontrollmodulen (4) identische Steuersignale in ihre Steuer­ stränge (3) und (9) eingespeist werden, daß die mechanischen Syn­ chronisationseinheit (10) auch im Notsteuerungsfall eine Höhen­ rudersynchronisation gewährleistet, und daß die Höhenruder-Steue­ rungsgestänge (3) über Zentrierfedern (12) verfügen, die bei einem Gestängebruch im Niedergeschwindigkeitsflug ein unkontrol­ liertes Ausschlagen des betroffenen Höhenruders (1) verhindern.

2. Höhenrudersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Notbedienelement (8) für die Höhenrudersteuerung als Doppel-Steuerrad oder als Doppel-Hebel­ element ausgeführt ist.

3. Höhenrudersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenruder-Steuerungsgestän­ ge (3) ausfallsicher ausgeführt sind, und daß diese mit einer mechanischen Synchronisationseinheit (10) verbunden sind, die auch im mechanisch signalisierten Notsteuerungsbetrieb wirksam ist.

4. Höhenrudersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotoren in den Kon­ trollmodulen (4) gemeinsam oder jeweils von einem oder mehreren Flugsteuerungsrechner (5) gleichen oder unterschiedlichen Typs umschaltbar angesteuert werden.

5. Höhenrudersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Kontrolleinheit (4) zwei oder mehr Elektromotoren installiert sind.

6. Höhenrudersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionstüchtigkeit der Höhenruder-Notfallsteuerung durch die Betätigung eines Prüf­ schalters (11) getestet wird.

7. Höhenrudersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die mechanische Mitführung der Notsteuerseilstränge (9) im elektrischen Flugsteuerungsbe­ trieb jederzeit dem Piloten durch das mitbewegte Notbedienele­ ment (8) für die Höhenrudersteuerung die Klemmfallfreiheit der Steuerstränge (9) signalisiert wird.