Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1537
Main Title: Beiträge zum Entwurf eines Flugregelungssystems zur Reduktion des Wirbelschleppeneinflusses
Translated Title: Contributions to the Design of a Flight Control System to reduce the Effect of Wake Vortex
Author(s): Kloidt, Stephan
Advisor(s): Luckner, Robert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit behandelt die Problematik des Einflugs kleiner, leichter Flugzeuge in die Wirbelschleppen sehr großer, voraus fliegender Flugzeuge. Wirbelschleppen sind gegensinnig rotierende Luftströmungen im Nachlauf jedes Auftrieb erzeugenden Tragflügels. Die induzierten Rollmomente und Auftriebsverluste stellen insbesondere im Endanflug eine erhebliche Gefahr dar und bedingen eine bisher starre Staffelung des anfliegenden Verkehrs in Abhängigkeit der Massenverhältnisse. So muss ein leichtes Flugzeug einen deutlich größeren Abstand zum voraus fliegenden Flugzeug einhalten als ein schweres. Eine Limitierung des Verkehrsdurchsatzes bei Flughäfen, die an ihrer Kapazitätsgrenze operieren, ist die Folge. Für die Zukunft ist davon auszugehen, dass sich die oben beschriebene Problematik aufgrund des weltweit wachsenden Flugverkehrs und des Einsatzes extrem großer Flugzeuge weiter verschärft. Es ist nun wünschenswert, die Staffelungsabstände im Endanflug unter Beibehaltung bzw. Erhöhung des Sicherheitsniveaus flexibel zu gestalten. Dabei stellt ein in die manuelle Flugsteuerung integriertes Flugregelungssystem eine mögliche Option dar. Mit Hilfe von MATLAB®/Simulink® wird eine Störgrößenaufschaltung realisiert, die unter Einsatz vorausschauender Komponenten für die Reduktion der Gefährlichkeit eines versehentlichen Einfluges im Sinne einer Verminderung der maximalen Rollgeschwindigkeit und des maximalen Hängewinkels sorgt. Dieses Konzept ermöglicht es, nicht nur Verzugszeiten durch Sensorik und Datenverarbeitung zu kompensieren, sondern auch Bandbreiten- und Phasenprobleme sowie Sättigungseffekte der Aktuatorik, also die Begrenzung des Steuerflächenausschlags, zu bewältigen. Verschiedene Varianten dieses Konzeptes werden vorgestellt. Ausgewählte Reglerstrukturen werden in eine Echtzeitsimulation, die am Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin vorliegt, übertragen und kommen im dort installierten Full-Flight-Simulator mit Pilot im Regelkreis zum Einsatz. Eine Besonderheit stellt dabei die Tatsache dar, dass der Regler nicht die alleinige Steuerung des Flugzeuges im Sinne eines Autopiloten übernimmt, sondern den Piloten je nach Betriebsart beim manuellen Anflug unterstützt und nur in bestimmten Situationen temporär volle Autorität erhält. Die Versuche mit Pilot im Regelkreis werden durchgeführt, um die Interaktion von Pilot und Regelungssystem zu untersuchen. Dabei findet eine objektive Analyse unter Verwendung der aufgezeichneten Simulator-Flugversuchsdaten und eine subjektive Analyse mit Hilfe von standardisierten Fragebögen und ausführlichen Gesprächen statt. Es wird festgestellt, inwieweit das entwickelte Regelungssystem in der Lage ist, den Piloten bei verschiedenen Wirbelschleppen-Szenarien wirkungsvoll zu unterstützen und auf diese Weise eine Reduktion der potentiellen Gefährlichkeit des versehentlichen Einflugs zu bewirken. Die Eignung des subjektiven und objektiven Bewertungsschemas zur Analyse des wirbelschleppenoptimierten Regelungssystems kann bestätigt werden. Eine getrennte Behandlung von Fluglagegrößen und Flugbahngrößen ist jedoch erforderlich, um der Reglerstruktur gerecht zu werden. Mit Hilfe der objektiven Kriterien ist die Aussage, ob Maximal- oder Durchschnittswerte zur Beurteilung der Güte eines Anfluges herangezogen werden sollten, nicht eindeutig zu treffen. Die entwickelte Schaltlogik wird von den Versuchspiloten positiv bewertet. Es kann gezeigt werden, dass das System bei Störungen bis zur stationären Steuerwirksamkeitsgrenze des betrachteten Beispielflugmodells zu einer Entlastung des Piloten und zur Erhöhung der Flugsicherheit im Hinblick auf die Auslegungsziele des Reglers, d.h. Verbesserung der Fluglagegrößen, beitragen kann. Dies trifft auch auf einfache Reglervarianten zu, woraus sich ableiten lässt, dass der entscheidende Faktor das Grundprinzip der additiven Pilotenunterstützung mit dynamischer, temporärer Reduktion der Steuerungsautorität ist. Unterschiedliche Bewertungen ergeben sich vor allem in Bezug auf die System-Abschaltmöglichkeit. Testpiloten, die in der Regel vertraut mit fly-by-wire-Flugzeugen sind, stufen die Option der manuellen Abschaltung des Flugreglers als nicht sinnvoll ein, da dies im Gefahrenfall zu einer zusätzlichen Belastung durch eine weitere Entscheidungsmöglichkeit führen könnte. Im Gegensatz dazu machen Piloten von konventionell gesteuerten Verkehrsflugzeugen das Vorhandensein dieser Abschaltung zur zwingenden Bedingung. Es scheint, dass bei Verfügbarkeit der Sensorik zur Realisierung der vorausschauenden Störgrößenaufschaltung eine Reduktion der Staffelungsabstände unter Beibehaltung bzw. Erhöhung der Flugsicherheit möglich ist. Zu betonen ist aber, dass der vorgestellten Problematik nur wirkungsvoll begegnet werden kann, wenn Ansätze aus den Forschungsbereichen Wirbelvermeidung, -erkennung, Wirbelvorhersage und -berücksichtigung kombiniert werden.
The thesis treats the problem of small and light aircraft penetrating the wake vortices of large and heavy preceding traffic. Wake vortices exist behind every lift producing airfoil. The resulting danger is defined by potentially strong rolling moments or downwinds especially during final approach. This implies today a preassigned minimum approach separation as a function of maximum take-off weight ratio. For example, a light type aircraft has to maintain a much larger separation distance to the preceding traffic than a heavy type. As a consequence, operational capacity at many large airports is limited. In the future one can expect further increase in air traffic and aircraft size and thus growth in problem severity. It is now desirable to introduce flexible approach separation distances while maintaining or even improving the level of safety. One option to solve the previously described problem is a wake vortex optimized control system, integrated in the manual flight environment. By use of MATLAB®/Simulink®, a disturbance feedforward control system is developed and tested. The system operates by use of an ideal forward-looking sensor, which may compensate lags due to sensors and computing time, but also phase and bandwith problems as well as actuator saturation limits. The objective is to reduce maximum bank angle and roll rate. Several control system options are presented. Some variants are implemented within the real-time environment / ILR full-flight-simulator at TU Berlin with pilot in the loop. It is important to notice that the control system has no autopilot function. The controller supports the pilot in case of an inadvertent encounter by add-on type steering commands. Only in specified highly critical situations, it has full authority for a short period of time. The tests with pilot in the loop are conducted to analyze the interaction with the control system. This is realized in an objective way by processing recorded simulator flight data and in a subjective way by debriefing interviews and evaluation of dedicated rating scales for hazard impression and workload. It is discussed if and how far the control system is able to support the pilot in given wake vortex encounter scenarios and to reduce potential hazard. The suitability of the subjective and objective assessment strategy is confirmed. However, a separate treatment of attitude and flightpath data is necessary due to the specific control system structure. By means of the objective criteria it is not possible to clearly decide whether mean or maximum values are more suitable to assess the flight task quality. The control system switching logic is rated positively by the test pilots. It can be demonstrated that the system is able to reduce pilot workload and to increase flight safety in terms of aircraft attitude, especially when the disturbance remains below maximum roll control power of the simulated light transport aircraft. Since the successful demonstration is also possible for simple control systems variants, one can assume that the essential factor is the principle of additive control inputs by temporary dynamic reduction of pilot’s authority. As regards the override switching logic, different judgements exist: Fly-by-wire trained test pilots do not think that override functionality is useful because of potentially higher workload due to an additional decision task in a critical situation. By contrast, airline pilots of conventional aircraft insist on the availability of this feature. It seems that upon technical availability of forward looking sensors for disturbance feedforward control, a reduction of separation distances while maintaining or even improving safety is possible. However, it is important to notice that the aforementioned problems can only be solved by combining efforts on all relevant fields of research, i.e. wake vortex avoidance, prevention, detection, forecast and consideration.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14962
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1834
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1537
Exam Date: 8-Dec-2006
Issue Date: 21-Feb-2007
Date Available: 21-Feb-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Flugsimulator
Störgrößenaufschaltung
Vorausschauend
Wirbelschleppe
Disturbance feedforward control
Flight simulator
Preview control
Wake vortex
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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