DE2648430B2

DE2648430B2 - System zur Erzeugung eines Signals für die an einem Flugzeug auftretenden Windscherungsverhältnisse

Info

Publication number: DE2648430B2
Application number: DE2648430A
Authority: DE
Inventors: Ramon Yonkers Bloch; Leonard Michael Chappaqua Greene
Original assignee: Safe Flight Instrument Corp., White Plains, N.Y. (V.St.A.)
Priority date: 1975-11-05
Filing date: 1976-10-26
Publication date: 1979-08-30
Also published as: DE2648430C3; GB1517459A; FR2331027B1; US4012713A; JPS5632564B2; FR2331027A1; DE2648430A1; JPS5259500A

Description

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Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung eines Signals für die an einem Flugzeug auftretenden Windscherungsverhältnisse, insbesondere ein Instrument, welches eine Ausgangsgröße zur Anzeige der Windscherungsverhältnisse erzeugt.

Die Windscherung kann als der Flugzustand definiert werden, der dann besteht, wenn die Geschwindigkeit und/oder die Richtung des Windes sich bei relativ geringen Änderungen der Höhe bedeutend änderu Windscherung kann besonders gefährliche Situationen dann hervorrufen, wenn ein Flugzeug absinkt Informationen bezüglich der momentanen Windscherungi verhältnisse können den Piloten vor bevorstehenden Änderungen in der Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs warnen, so daß er in der Lage ist, sofort korrigierende Maßnahmen zu treffen. Weiterhin können diese Informationen dem Kontroilturm zugeleitet und dazu benntzt werden, andere vor der Landung stehende Flugzeuge zu warnen. Bisher wurde kein System zur Erzeugung von Informationen über die momentane Windscherung entwickelt Das System gemäß der vorliegenden Erfindung bildet daher einen bedeutenden Beitrag zum Stand der Technik durch Verbesserung der Flugsicherheit besonders bei Landemanövern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein System zur Erzeugung eines Signals zur Anzeige der momentanen Windscherung im Bereich des Flugzeugs zu schaffen, welche von dem Piloten besonders während der Landemanöver verwendet werden kann. Dieses System soll ein Signal entsprechend der Windscherung zur Übermittlung zu einer Bodenstation erzeugen, wo es für die Leitung weiterer Flugzeuge verwendet werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Signals für die Änderungsgeschwindigkeit der momentanen Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs, eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signals für die horizontale Beschleunigung des Flugzeugs, eine Subtraktionsein-. richtung zur Subtraktion des zweiten Signals von dem ersten Signal zur Erzeugung eines Ausgangssignals für die Windscherung, und eine Einrichtung zur Verarbeitung des Ausgangssignals zur Erzielung einer Anzeige der Amplitude des Windscherungssignals.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. I eine schematische Darstellung der Windscherungssignalerzeugung,

F i g. 2 ein Blocksch&'ibild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.3 eine Kurvendarstellung typischer Windscherungsverhältnisse und

Fig.4 eine schematische Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Zusammengefaßt arbeitet die Anordnung wie folgt:

Das elektrische Ausgangssignal eines Wandlers oder Meßfühlers für die momentane Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs wird differenziert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches der Änderungsgeschwindigkeit der Luftgeschwindigkeit entspricht. An dem Flugzeug ist ein Beschleunigungsmesser befestigt, welcher die Beschleunigung entlang der Rumpfbezugslinie des Flugzeugs erfaßt. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers wird einer Summierungseinrichtung zugeführt, welche auch noch das Ausgangssignal eines Vertikalkreisels erhält, das. entsprechend der Schwerebeschleunigung (g · sin Θ), wobei θ den Längsneigungswinkel des Flugzeugs darstellt, mit einer Konstanten mullipli-

ziert wird- Die Komponente des Beschleunigungssignals, welche der Größe g ■ sin θ entspricht, wird vom Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers in der Summierungseinrichtung abgezogen, um ein Ausgangssignal zu erhalten, welches die horizontale Beschleunigung des Flugzeugs darstellt. Dieses horizontale Beschleunigungssignal wird von dem differenzierten Luftgeschwindigkeitssignal in »iner Summierungseinrichtung abgezogen, wobei das Ausgangssignal dieser zweiten Summierungseinrichtung die Windscherung darstellt. Zum besseren Verständnis dafür, daß dieses Ausgangssigna! eine echte Wiedergabe der momentanen Windscherung darstellt, ist zu beachten, daß eine Verzögerung in dem Beschieunigungs- oder Abbremsungs-Ansprechverhalten des Flugzeugs bei Änderung der Windgeschwindigkeit besteht. Daher wird selbst, bei einer Windscherung, die groß genug ist, um die Inertialbeschleunigung des Flugzeugs zu beeinflussen, eine solche resultierende Beschleunigung an einem Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt auftreten, an dem das differenzierte Ausgangssignal des Wandlers für die momentane Luftgeschwindigkeit, welches teilweise die als Ursache dieser Beschleunigung auftretende Windscherung darstellt, mit dem Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers summiert wird.

Das Signal entsprechend der Amplitude der Windscherung wird einer geeigneten Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt, welche eine Einrichtung zur Direktanzeige und einen Schwellwertdetektor enthalten kann, der mit einer Warneinrichtung zusammen arbeitet, weiche ein Warnsignal liefert, wenn die Windscherung einen vorgegebenen Wert übersteigt Weiterhin kann die Signalverarbeitungseinrichtung noch einen Spitzenwertdetektor und eine Speichereinrichtung zur Erzeugung einer Anzeige entsprechend dem Spitzenwert der Windscherung über einer vorgegebenen Zeitdauer enthalten oder einen Sender zur Fernmessung, mit dem Signale für die Windscherung an eine Bodenstation zur Anzeige übertragen werden.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die F i g. 3, welche typische Windscherungsverhältnisse zeigt. Wie ersichtlich, ändert sich die Windgeschwindigkeit von 185 km/h bei etwa 300 m Höhe (1000 Fuß) bis auf 37 km/h am Boden. Zur Vereinfachung der Darstellung wird angenommen, daß über diesen Höhenbereich keine Änderung der Windrichtung erfolgt. Es ist ersichtlich, daß bei der Durchführung eines Landeanflugs ein Pilot mit einer beträchtlichen Änderung der Luftgeschwindigkeit zu tun hat, wobei die Geschwindigkeit dieser Änderung mit veränderlicher Höhe in verschiedenen Höhenbereichen verschieden ist.

Gemäß Fig. 1 liefert der Generator 11 zur Erzeugung des differenzierten Signals (d/d t) der momentanen Luftgeschwindigkeit ein Ausgangssignal LJ, welches die Änderungsgeschwindigkeit der momentanen Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs darstellt. Wie noch nachstehend im Zusammenhang mit Fig.2 erläutert, kann ein solches Signal bequem dadurch erzeugt werden, daß das elektrische Ausgangssignal eines Wandlers oder Meßwertaufnehmers für die momentane Luftgesehwindigkeit differenziert wird (ein solcher Wandler steht normalerweise im Flugzeug zur Verfügung). Der Generator 12 für die Horizonialbeschleunigung des Flugzeugs liefert ein Ausgangssignal X, das der Horizontalbeschleunigung des Flugzeugs entspricht. Dieses Signal kann man mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers erhalten, wtlrher entlang der Rumpflinie des Flugzeugs befestigt ist, wobei das Ausgangssignai des Beschleunigungsmessers zur Beseitigung von vertikalen Beschleunigungskomponenten infoige der Schwerkraft Kompensiert wird. Ein solches Ausgangssignal kann auch unmittelbar von dem Beschleunigungsmesser entnommen werden, indem ein solcher Beschleunigungsmesser auf einer Plattform mit Inertialstabilisierung befestigt wird, so daß er unabhängig von der Neigung des Flugzeugs in einer horizontalen Ebene stabilisiert verbleibt,

Das Horizontalbeschleunigungssignal X wird von dem Signal LJ für die Änderungsgeschwindigkeit der momentanen Luftgesehwindigkeit in der Summierungseinrichtung 14 abgezogen. Das Ausgangssignal der Summierungseinrichtung 14 entspricht der Windscherung ν,« und entspricht der Änderungsgeschwindigkeit der Windgeschwindigkeit. Dieses Windscherungssignal kann selbstverständlich positiv oder negativ sein. Das Windscherungssignal wird einer Signalverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt, welche eine Anzeige enthalten kann, die kontinuierlich die gemessene Windscherung anzeigt- Weiterhin kann die Signalverarueitungseinrichtung 16 noch eine Spitzensignaleinrichtung enthalten, welche die Spitzenamplitude der Windscherung über einem vorgegebenem Zeitintervall anzeigt, sowie eine Schwelldetektoreinrichtung, welche mit einer Warneinrichtung zusammenarbeitet und anzeigt, wenn die Windscherung eine vorgegebene Amplitude überschritten hat. Weiterhin kann die Signalverarbeitungseinrichtung auch noch ein Fernmeß-System zur Übermittlung

J) von Signalen entsprechend der gemessenen Windscherung an eine Bodenstation zur Anzeige enthalten.

Die F i g. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform in Form einer Blockschaltung. Der Wandler 21 für die momentane Luftgesehwindigkeit erhält das Ausgangs-

J> signal eines Pitot-Rohrs des Flugzeugs und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal U entsprechend der momentanen Luftgesehwindigkeit des Flugzeugs. Dieses elektrische Ausgangssignai wird in einem Differenzierglied 22 differenziert zur Erzeugung eines Ausgangssi-

gnals Ü entsprechend der Änderungsgeschwindigkeit der momentanen Luftgesehwindigkeit. Der Beschleunigungsmesser 24 ist entlang der Längsachse des Flugzeugs (Rumpfbezugslinie) befestigt und liefert ein Ausgangssignal proportional der Größe X + g sin Θ.

wobei Ä'die Horizontalbeschleunigung des Tlugzeugs.^r die Erdbeschleunigung und θ der Neigungswinkel des Flugzeugs ist. Der Vertikalkreisel 30 liefert ein elektrisches Ausgangssignai entsprechend sin Θ, und dieses Signal wird im Verstärker 32 mit einer Konstante entsprechend der Schwerkraft multipliziert. Das Ausgangssignal des Ve/stärkers 32 wird von dem Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 24 in der Summiereinrichtung 33 subtrahiert zur Erzeugung eines Signjls X, welches der Horizontalbeschleunigung des

5:> Flugzeugs unabhängig von seinem Neigungswinkel entspricht. Das Ausgangssigna! der Summiereinrichtung 33 wird in Summiereinrichtung 36 von dem Ausgangssignal des Differenziergliedes 22 subtrahiert.
Wenn keine Windscherung vorhanden ist, dann ist das Ausgangssignal der Summiereinrichtung 36 Null. Bei ansteigendem Wind wird Ü größer sein als X, und dies wird zu einem positiven Ausgangssigna! iiir die Windscherung von der Summiereinrichtung 36 führen. Bei abnehmendem Wind wird die Summiereinrichtung

f>5 36 ein negatives Ausgangssignai für die Windscherung liefern. Das Ausgangssignal für die Windscherung an der Summierungseinrichtung 36 kann auf mehrfache Weise benutzt werden. Erstens kann das Signal

unmittelbar über einen Wahlschalter 40 der Anzeige 42 zugeführt werden. Die Anzeige 42 kann ein Galvanometer enthalten, welches so geeicht ist, daß es direkt die Windschcrung anzeigt. Alternativ kann es eine digitale Anzeige enthalten, welche die gleiche Größe anzeigt, s Das Ausgangssignal kann auch noch dem Spitzenwertdetektor 43 und von dort dem Speicher 44 zugeführt werden. Dieser kann eine kapazitive Speicherschaltung enthalten, welche das vom Detektor 43 empfangene Spitzensignal speichert. Der Schalter 40 kann dazu in verwendet werden, allernaliv eine Anzeige auf der Anzeigevorrichtung 42 für das im Speicher 44 gespeicherte Spilzensignal zu erhalten oder eine Anzeige der momentanen Größe der Windscherung zu erhalten, wie sie am Ausgang der Summierungseinrich- ι tung 36 erscheint. Der Speicher 44 kann nach Beendigung einer vorgegebenen Überwachungsperiode auf Null zurückgestellt werden.

Ein ScnwL'üweriueiekior 46 arbeiiei in Verbindung mil der Warneinrichtung 47 und wird dazu benutzt, dem .χι Piloten ein Warnsignal dafür zu geben, daß eine gefährliche Windscherung vorhanden ist. Der Schwellwcrtdctektor 46 kann eine Triggerschaltung enthalten, die so vorgespannt ist, daß sie betätigt wird, wenn das ihr von der Summierungseinrichtung 36 zugefiihrte _■■■ Signal einen vorgegebenen Wert übersteigt, wobei dieser Wert einer vorgegebenen Windscherung entspricht. Wenn der Schwellwertdetektor 46 betätigt wird, dann betätigt er seinerseits eine Warneinrichtung, welche eine Hupe, einen Summer, eine Warnhimpe m od. dgl. enthalten kann.

Es kann auch noch ein Fernmeß-Sender 50 vorgesehen sein, um Informationen über die Windscherung an eine Bodenstation zu senden, wo sie dann durch das Kontrollpersonal am Boden zur Leitung weiterer η Flugzeuge bei der Landung benutzt werden kann. Auf diese Weise kann man genaue Informationen erhalten, um anfliegende Piloten vor gefährlichen Windseherungsverhältnissen zu warnen.

Es wird nunmehr auf die Fig.4 Bezug genommen, ·»» welche eine praktische Ausführung der bevorzugten Ausführungsform schematisch darstellt. Das Ausgangssignal der Anzeigeeinrichtung 21 der momentanen Luftgeschwindigkeit, welche das normalerweise im Flugzeug verwendete Anzeigeinstrument für die Luftgeschwindigkeit sein kann, wird durch das Differenzierglied 22 differenziert, welches den Kondensator 51, den Widerstand 52 und den Verstärker 53 enthält. Das Ausgangssignal des Verstärkers 53 stellt die Änderungsgeschwindigkeit der momentanen Luftgeschwindigkeit ίο des Flugzeugs dar und wird über den Widerstand 54 dem Summierverstärker 36 zugeführt. Der Beschleunigungsmesser 24 ist, wie bereits bemerkt, an dem Flugzeug so befestigt, daß er die Beschleunigungen entlang der Rumpflinie erfaßt. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers ist eine Spannung entsprechend der erfaßten Beschleunigung und wird über den Widerstand 55 dem Summierverstärker 33 zugeführt.

Als Vertikalkreisel 30 kann der normalerweise in einem Flugzeug zur Anzeige des Neigungswinkels des Flugzeugs verwendete Vertikalkreisel verwendet werden. Er liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das mit einer vorgegebenen Konstante (K) entsprechend der Erdbeschleunigung verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 wird über den Widerstand 56 dem Summierverstärker 33 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 wird dabei dem Summierverstärker 33 mit einer solchen Polarität zugeführt, daß es von dem Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 24 subtrahiert wird und man damit ein Eingangssignal zum Verstärker 33 entsprechend der horizontalen Beschleunigung des Flugzeugs erhält. Das Ausgangssignal des Verstärkers 33 wird über den Summierungswiderstand 58 dem Verstärker 36 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 33 wird dabei dem Verstärker 36 mit einer solchen Polarität zugeführt, daß es vom Ausgangssignal des Verstärkers 53 subtrahiert wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 36 stellt daher die Windscherung dar (die Differenz zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der momentanen Luftgeschwindigkeit und der horizontalen Beschleunigung des Flugzeugs). Das Ausgangssignal des Verstärkers 36 wird über den Wahlschalter 40 dem Analog-Digital-Wandler 60 zugeführt und dort in digitale Form zur Anzeige auf einer digitalen Anzeige 42 umgewandelt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 36 wird auch noch über den Widerstand 62 dem Verstärker 63 und von diesem Verstärker über den Widerstand 64 und die Diode 65 dem Kondensator 66 zugeführt, welcher den Spitzenwert des Signals speichert. Der Kondensator 66 kann mit Hilfe eines Rücksetzschalters 72 durch den Widerstand 70 entladen werden und auf diese Weise kann ei λ neuer Zyklus für die Ermittlung des Spitzenwertes eingeleitet werden. Das Spitzensignal wird dem Verstärker 75 zugeführt, dessen Ausgang selektiv mit Hilfe des Wählschalter 40 auf den Analog-Digital-Wandler60geschaltet werden kann.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 36 wird auch noch über die Widerstände 83 bzw. 84 den Verstärkern 8! bzw. 82 zugeführt. Mit Hilfe eines Gleichspannungsnetzieils 86 und eines Potentiometers 87 erhält man ein Gleichspannungs-Bezugssignal. Dieses Bezugssignal wird mit Hilfe des Potentiometers so eingestellt, daß es einen vorgegebenen Warnpegel für die Windscherung darstellt. Das Bezugssignal wird vom Potentiometer 87 über den Widerstand 89 dem negativen Eingang des Verstärkers 82 zugeführt, so daß dieser Verstärker ein Ausgangssignal besitzt, wenn das Eingangssignal für die Windscherung am Verstärker über den Wert der Bezugsspannung ansteigt. Andererseits werden das Bezugssignal vom Potentiometer 87 und das Windscherungssignal beide dem negativen Eingang des Verstärkers 81 zugeführt und dort summiert. Der Verstärker ist an seinem positiven Eingang so vorgespannt, daß beim Absinken des Windscherungssignals unter eine vorgegebene Amplitude am Verstärker 81 ein Ausgangssi^al erzeugt wird. Die Ausgangssignale der Verstärker 81 bzw. 82 werden den elektronischen Schaltern 90 bzw. 91 zugeführt und betätigen diese Schalter entsprechend vorgegebenen Grenzwerten für »Ein« und »Aus« bezüglich der Windscherungssignale. Wenn der elektronische Schalter 90 betätigt wird, verbindet er das Netzteil 93 mit der Wamlampe 95. In ähnlicher Weise liefert der elektronische Schalter 91 Leistung aus dem Netzteil 93 zur Wamlampe 96. Die Wamlampe 95 kann ein rotes Licht sein und eine abnehmende Luftgeschwindigkeit anzeigen, und die Warnlampe 96 kann ein weißes Licht sein und eine ansteigende Luftgeschwindigkeit anzeigen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. System zur Erzeugung eines Signals für die an einem Flugzeug auftretenden Windscherungsverhältnisse, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Signals für die Änderungsgeschwindigkeit der momentanen Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs, eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signals für die horizontale ι ο Beschleunigung des Flugzeugs, eine Subtraktionseinrichtung zur Subtraktion des zweiten Signals von dem ersten Signal zur Erzeugung eines Ausgangssignals für die Windscherung, und eine Einrichtung zur Verarbeitung des Ausgangssignals zur Erzielung is einer Anzeige (42) der Amplitude des Windscherungssignals.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung eine Warneinrichtung (47) zur Erzeugung eines Warnsignals enthält, sowie einen Detektor (461), welcher bei Übersteigen eines vorgegebenen Wertes des Windscherungssignals die Warneinrichtung (47) betätigt

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung zur Signalverarbeitung noch einen Spitzenwertdetektor (43) zur Erzeugung eines Ausgangssignals für den Spitzenwert des Windscherungssignals enthält sowie einen Speicher (44) zur Speicherung des Spitzenwertes des Detektors (43) und eine Anzeigeeinrichtung (42) zur Anzeige des in M dem Speicher gespeicherten Spitzenwertsignals.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Signalverarbeitung ,einrichtung (16) einen Fernmeß-Sender (50{ zur Übermittlung des Signals für die Windscherung an eir τ Bodenstation enthält.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (U) zur Erzeugung eines Signals für die Änderungsgeschwindigkeit der Luftgeschwindigkeit einen Wandler (21) für die momentane Luftgeschwindigkeit mit einem Ausgangssignal entsprechend dieser momentanen Luftgeschwindigkeit und ein Differenzierglied (22) zur Differenzierung des Ausgangssignals des Wandlers (21) umfaßt

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Signals entsprechend der Horizontalbeschleunigung des Flugzeugs einen Beschleunigungsmesser (24) enthält, welcher entlang der Rumpfbezugslinie des Flugzeugs befestigt ist zur Erfassung von Beschleunigungen Jr + g ■ sin θ entlang dieser Bezugslinie sowie eine Einrichtung (30,32) zur Erzeugung eines Signals g ■ sin θ entsprechend dem Längsneigungswinkel des Flugzeugs und eine Einrichtung (33) zur v> Subtraktion dieses Signals entsprechend dem Längsneigungswinkel des Flugzeugs von dem Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers, wobei χ die Horizontalbeschleunigung des Flugzeugs, g die Erdbeschleunigung und θ der Längsneigungswinkel «> des Flugzeugs ist.

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