Title:
System und Verfahren zur mehrdimensionalen Erfassung der Fluggeschwindigkeit bei Kleinflugzeugen und Tragschraubern
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

System und Verfahren zur Bestimmung der Fluggeschwindigkeit von Kleinflugzeugen, insbesondere Flugzeugen der Kategorie ultraleichter Luftsportgeräte und Tragschraubern, relativ zur umgebenden Luft in mehreren Raumrichtungen. Die Fluggeschwindigkeit in mehreren Raumrichtungen wird aus gemessenen Schalllaufzeiten zwischen mehreren Punkten am Fluggerät durch eine Auswerteeinheit errechnet.





Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102016004603A
Publication Date:
10/19/2017
Filing Date:
04/15/2016
Assignee:
Wünsche, Thomas, Dr.-Ing., 85304 (DE)
International Classes:
G01P5/24; G01S11/14; G01S15/88
Claims:
1. System und Verfahren zur Bestimmung der relativen Fluggeschwindigkeit von Kleinflugzeugen, insbesondere Flugzeugen der Kategorie ultraleichter Luftsportgeräte und Tragschraubern, zur umgebenden Luft in mehreren Raumrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mehreren Punkten am Fluggerät die Schalllaufzeit gemessen und daraus unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit die Relativgeschwindigkeit des Fluggerätes zur umgebenden Luft bestimmt wird.

2. System und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung mittels am Fluggerät ortsfest angebrachter Schallgeneratoren ein Schallfeld erzeugt wird, dieses Schallfeld mit einem an einem anderen Ort am oder in der Umgebung des Rumpfes ortsfest angebrachten Schallempfänger erfasst wird und die Schalllaufzeit gemessen wird, wobei die Laufzeiten für aus den verbauten zu Paaren gruppiert erfasst werden und in einer Mess- und Verarbeitungseinheit in die Geschwindigkeit des Fluggerätes relativ zur umgebenden Luft in einer oder mehreren Raumrichtungen umgerechnet werden.

3. System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einzelnen, mehreren oder allen Verbauorten jeweils ein Schallgenerator und ein Schallempfänger in unmittelbarer räumlicher Nähe gemeinsam verbaut werden und die Laufzeitmessung auf mindestens einer der Messstrecken bidirektional durchgeführt wird.

4. System und Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der Laufzeiten in beiden Richtungen auf einer Messstrecke Störeinflüsse wie Veränderungen der Schallgeschwindigkeit durch wechselnden Luftdruck oder wechselnde Lufttemperatur reduziert oder ausgeschlossen werden.

5. System und Verfahren nach den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Signal einen unregelmäßigen Amplitudenverlauf aufweist und die Laufzeit durch Korrelation, insbesondere Kreuzkorrelation, des gesendeten und empfangenen Signals bestimmt wird.

6. System und Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Laufzeitbestimmung durch Korrelation zum Vergleich mit dem empfangenen Signal statt des ausgesendeten Signals ein Signal verwendet wird, dass gegenüber dem ausgesendeten Signal um die Amplituden- und Phasencharakteristik der Übertragungsstrecke, insbesondere der Amplituden- und Phasencharakteristik von Sender und/oder Empfänger, verändert ist.

7. System und Verfahren nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass für sequentielle Messungen wechselnde Signale ausgesendet werden, die zur Reduktion von Störungen und/oder Verfälschungen auf der Messstrecke dienen.

Description:

Die Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Tragschraubern und anderen Kleinflugzeugen, insbesondere Fluggeräten der Kategorie ultraleichter Luftsportgeräte, und die Erfassung der Betriebsverhältnisse hinsichtlich der relativen Geschwindigkeit des Fluggerätes zur umgebenden Luft.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Geschwindigkeit von Flugzeugen, insbesondere Kleinflugzeugen wie ultraleichten Luftsportgeräten und Tragschraubern relativ zur umgebenden Luft in der Längsachse des Flugzeuges mit einem Staudrucksensor erfasst. Geschwindigkeiten quer zur Längsachse, wie sie sich beispielsweise bei einem Schiebeflug einstellen, werden ebenso wie vertikale Geschwindigkeiten messtechnisch nicht erfasst. Als Indikator für Geschwindigkeiten quer zur Längsachse wird lediglich indikativ die Ablenkung eines Fähnchens oder eines Fadens genutzt, um eine grobe Beurteilung des Schiebens zu ermöglichen, da Schiebeflug im Regelfall zu vermeiden ist und eventuell zu kritischen Flugzuständen führen kann.

Strömungsmessung durch die Erfassung der Laufzeit von Ultraschall wird beispielsweise als Durchflussmessung verbreitet eingesetzt. Dabei wird jedoch im Regelfall die Strömung in einem begrenzten Volumen wie etwa einem Rohr gemessen, nicht die Umströmumg eines durch die Luft bewegten Fluggerätes.

Die Erfindung besteht darin, dass durch Erfassung von Umströmungsgeschwindigkeiten eines Fluggerätes im Bereich des Rumpfes oder anderer Bestandteile mittels der Messung von Schalllaufzeiten in mehreren Raumrichtungen eine messtechnische Bestimmung der Geschwindigkeit des Fluggerätes relativ zur umgebenden Luft in mehr als einer Raumrichtung erfolgt. Dazu werden an mehreren Punkten am Fluggerät Schallgeneratoren und Schallempfänger angebracht und jeweils die Laufzeit des mittels eines Schallgenerators erzeugten Signals zu einem Schallempfänger messtechnisch erfasst. Aus dieser Laufzeit wird dann unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit die Geschwindigkeitskomponente in Richtung der durch Sender und Empfänger bestimmten Raumrichtung errechnet. Aus den Messungen in mehreren Raumrichtungen wird die effektive Anströmungrichtung und -geschwindigkeit bestimmt. Die effektive Anströmrichtung und -geschwindigkeit kann erfindungsgemäß auch in Komponenten wie beispielsweise Geschwindigkeit in Längs-, Quer- und Hochrichtung zerlegt werden.

In einer bevorzugten Ausführung werden Schallgeneratoren und Schallempfänger jeweils im Bereich der Räder des Fahrwerkes platziert. Dies zeigt 1 in einer Draufsicht auf die Räder des Fahrwerkes. Da Bugrad (1) und die zwei typischerweise weiter hinten und außen angeordneten Räder des Hauptfahrwerkes (2) und (3) ein Dreieck aufspannen kann die Laufzeit in drei in einer Ebene liegenden Messstrecken (4) erfasst und in eine Längs- und Quergeschwindigkeit des Fluggerätes relativ zur umgebenden Luft umgerechnet werden. Die Schallgeneratoren und Schallempfänger können dabei beispielsweise an den Radaufhängungen oder an Radabdeckungen befestigt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung nach 2 werden weiterhin Schallgeneratoren und Schallempfänger am Mast (10) und an den Seiten der Zelle (9) oder alternativ im Bereich der Räder (6, 7) des Hauptfahrwerkes eines Tragschraubers – welcher weiterhin typischerweise ein Bugrad mit Aufhängung (5), die Radaufhängung des Hauptfahrwerkes (8) und den Rotor (11) umfasst – angeordnet, durch die weitere Messstrecken (12) aufgespannt werden. Die Schallgeber und/oder Schallempfänger an den Seiten können dabei beispielsweise in die Gehäuse der Navigationsbeleuchtung integriert werden. Diese Ausführung lässt auch die Erfassung einer vertikalen Geschwindigkeitskomponente zwischen Fluggerät und umgebender Luft zu, so dass gemeinsam mit den Messstrecken am Fahrwerk die Umströmung in allen drei Raumrichtungen erfasst wird. Mit nur geringem Zusatzaufwand kann ein weiterer Schallgenerator und/oder Schallempfänger auf dem Bug des Fluggerätes angebracht werden, der zum Schallgenerator und/oder Schallempfänger am Mast eine weitere Messrichtung aufbaut.

In einer besonders bevorzugten Ausführung werden an mindestens zwei Messorten je ein Schallgenerator und ein Schallempfänger gemeinsam angeordnet und die Laufzeiten auf den Messstrecken, die durch derartige Paare von Schallgeneratoren und Schallempfängern aufgespannt werden, in beiden Richtungen erfasst. Dieser bidirektionale Betrieb der Messungen – dargestellt durch die entgegengesetzt gerichteten Pfeile der Messstrecken (4) in 1 und (12) in 2 – ermöglicht die Reduktion des Einflusses von Laufzeitveränderungen durch Umgebungsparameter wie Umgebungstemperatur oder Umgebungsdruck und deren Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Dabei wird eine Bezugslaufzeit durch den Mittelwert aus den Laufzeiten in beiden Richtungen erfasst und als Bezugswert zugrunde gelegt.

Um den Einfluss von Störungen der Messungen durch Umgebungsschall zu reduzieren, wird in einer bevorzugten Ausführung die Schallerzeugung nicht mit einem regelmäßigen Signalpaket wie etwa einem Sinuswellenpaket, sondern einem unregelmäßigen Signalpaket durchgeführt. In dieser Ausführung kann durch Korrelation zwischen ausgesendetem Signal und empfangenem Signal, z. B. Kreuzkorrelation, die Laufzeit sicherer erkannt werden.

Einen beispielhaften Messaufbau zeigt 3. Die Messeinheit (13) umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinheit (14), die über den Signalwandler (15) für die Schallerzeugung und den Signalverstärker (17) den typischerweise außerhalb der Messeinheit (13) angeordneten Schallgenerator (19) ansteuert. Außerdem umfasst die Messeinheit (13) den Signalwandler (16), welcher über den Signalverstärker (18) Messwerte vom Schallempfänger (20) an die Ansteuer- und Auswerteeinheit (14) leitet. Typischerweise kann eine Ansteuer- und Auswerteeinheit (14) mehrere Messstrecken der beschriebenen Art bedienen. Die Ansteuer- und Auswerteeinheit (14) stellt die aus den Schallmessgrößen in einer oder mehreren Raumrichtungen ermittelten Geschwindigkeitsgrößen (vx, vy, v1) bereit.