1 - Einführung_13_04_2015

Technische Universität München Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie

Prof. Manfred Hajek

Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie

© all rights reserved

Hubschraubersysteme

Prof. Manfred Hajek


Vorlesung

Hubschraubersysteme

Änderungen ab Sommersemester 2015

Neue Lehrveranstaltungen:

o „Aeromechanische Modellierung von Hubschrauberrotoren“

(Hochschulpraktikum am Lehrstuhl HT im Sommersemester)

o Advanced Topics in Helicopter Aerodynamics

(will be held in English!)

Fach „Aeroelastik“ am Lehrstuhl für Windenergie

Dafür Wegfall der Veranstaltung „Flugphysik der Hubschrauber II“

Ergänzungsfächer

o Sicherheit und Zulassung von Hubschraubern

o Hubschraubersysteme

Ab 2015 im Sommersemester

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Aeromechanische Modellierung von Hubschrauberrotoren

Ziel:

- Fähigkeit zur Modellierung von Rotoren

- Programmtechnische Umsetzung in Python

Theorie:

1. Einführung in die Modellierung von Hubschrauberrotoren

2. Beschreibung des dynamischen Verhaltens

3. Beschreibung der Rotorblattaerodynamik

4. Aeromechanische Kopplung

5. Trimmung des Rotors

Praxis: Erarbeitung und Umsetzung eines individuellen Schwerpunktthemas

Prüfung: Vortrag mit anschließender Diskussion

Infos und Anmeldung zum Praktikum: Fr. 17.04.2015 - 9:00 Uhr

(max. 20 Teilnehmer) Raum: MW2711

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Vorlesung

Hubschraubersysteme


Vertiefungsfächer

Flugphysik der Hubschrauber (WS)

Auslegung und Entwurf von Hubschraubern I/II (WS/SS)

Ergänzungsfächer

Hubschraubersysteme (SS)

Sicherheit und Zulassung von Hubschraubern (SS)

Hubschrauber-Flugmechanik und Flugregelung (WS)

Advanced Topics in Helicopter Aerodynamics (SS)

Praktika

IFR Flug für Hubschrauber (WS/SS)

Aeromechanische Modellierung von Hubschrauberrotoren (WS)

Soft – Skills Seminar

„Führung in der Praxis“ (WS)

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Anmerkungen zum Copyright

Dieses Dokument ist geistiges Eigentum des Lehrstuhls für

Hubschraubertechnologie und wird den Studenten der TU München zum

Selbststudium zur Verfügung gestellt. Eine Vervielfältigung und Weitergabe

bedarf daher einer expliziten Zustimmung des Lehrstuhls.

Die Rechte an den in das Dokument aufgenommenen Grafiken verbleiben

beim jeweiligen Urheber.

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Empfohlene Literatur

Bücher:

Federal Aviation Administration: Rotorcraft Flying Handbook

http://www.faa.gov/library/manuals/aircraft/media/faa-h-8083-21.pdf

Federal Aviation Administration: Pilot‘s Handbook of Aeronautical Knowledge

http://www.faa.gov/library/manuals/aviation/pilot_handbook/

Federal Aviation Administration: Instrument Flying Handbook

http://www.faa.gov/library/manuals/aviation/instrument_flying_handbook/

Federal Aviation Administration: Advanced Avionics Handbook

http://www.faa.gov/library/manuals/aviation/media/FAA-H-8083-6.pdf

Rainer Züst: Einstieg ins Systems Engineering, Verlag Industrielle Organisation

R.P.G. Collins: Introduction to Avionics, Chapman & Hall Publ.

Daniel J. Biezad: Integrated Navigation and Guidance Systems, AIAA Education Series

Anthony Lawrance: Modern Inertial Technology, Springer Verlag

Heinrich Mensen: Moderne Flugsicherung, Springer Verlag

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Kontakt


Fakultät für Maschinenwesen

Gebäudeteil 7, 2. Stock

Betreuung: Dipl.-Ing. Aaron Barth

Email: [email protected]

Telefon: +49 (0)89 289 16299

Raum: MW2707

Sprechstunde nach Vereinbarung

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Prof. Manfred Hajek


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Systeme im Hubschrauber 1

1 Einführung Systeme zur Anforderungsbewältigung

13.04.2015 8 8


Vorlesung

Hubschraubersysteme

1 Einführung

Hubschraubersysteme – was ist das eigentlich?

Was ist mit „System“ gemeint und welche Systeme werden in der Vorlesung

behandelt?

Gibt es Systeme, die nur im Hubschrauber vorkommen?

Warum müssen Hubschraubersysteme behandelt werden?

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1 Einführung

1. Versuch: WIKIPEDIA

Ein System (von griechisch σύστημα, altgriechische Aussprache sýstema,

heute sístima, „das Gebilde, Zusammengestellte, Verbundene“; Plural

Systeme) ist eine Gesamtheit von Elementen, die so aufeinander bezogen

sind und in einer Weise wechselwirken, dass sie als eine aufgaben-, sinn-

oder zweckgebundene Einheit angesehen werden können und sich in

dieser Hinsicht gegenüber der sie umgebenden Umwelt abgrenzen. (Quelle: wikipedia)

Hilft nicht viel weiter …

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1 Einführung

Quelle: Flughandbuch UH-60

2. Versuch: Flughandbuch (UH-60)

Auch nicht sehr hilfreich:

vieles wird ohne

erkennbare Systematik als

“system” bezeichnet …

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1 Einführung

Quelle: Flughandbuch EC 135

(EUROCOPTER)

3. Versuch: Flughandbuch (EC 135)

Auch hier:

Rotor als System??

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1 Einführung

Quelle: FAA JASC Code

4. Versuch: international übliche Bezeichnungen (ATA, JASC)

Hinweis auf

“Systeme” oder

“Komponenten”

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1 Einführung

Als Hubschraubersysteme im Sinne dieser Vorlesung werden im Folgenden

alle für den Betrieb des Hubschrauber wichtigen Komponenten, Anlagen,

Geräte oder sonstigen technischen Einrichtungen betrachtet. Alle

Komponenten von Zelle und Tragwerk fallen nicht unter diese Kategorie

(Kabine, Cockpit, Rotoren, Getriebe).

Die Vielfalt aller im Hubschrauber vorkommenden Systeme legt es nahe, nach

Ordnungskriterien zu suchen, die ein systematisches Vorgehen erleichtern.

Bevor mit der eigentlichen Übersicht begonnen wird, soll zunächst anhand

eines realen Beispiels für ein System die mögliche Vielfalt verdeutlicht

werden.

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1 Einführung - Gliederung

1.1 Definition eines System

1.2 Baugruppensichtweise

1.2.1 Baugruppen- (ATA-) Systematik (Air Transport Association)

1.2.2 Baugruppensichtweise vs. Funktionssichtweise

1.3.1 Entwicklung eines YAW SAS (Stability Augmentation System),

1.3.2 Beispiel Pitch and Roll SAS (Stability Augmentation System)

1.3.3 Beispiel AFCS (Automatic Flight Control System)

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Triebwerk

Steuerung

Hydraulik

Kommunikation

Navigation

Bordcomputer

Blattverstellung

Kraftstoff

Bordelektrik

1 Einführung – Systeme und Subsysteme

Beispiel EC 145

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1.1 Definition System

A “system” is a construct or collection of different

elements that together produce results not

obtainable by the elements alone. (NASA - Systems Engineering Handbook)

Ein „System“ ist ein Konstrukt oder eine

Ansammlung von verschiedenen Objekten die

zusammen ein Erzeugnis darstellen, dass nicht

durch die einzelnen Objekte alleinig erreichbar ist.

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1.2 Baugruppensystematik

Systeme, die aus einer Reihe von miteinander verbundenen Untersystemen

oder Baugruppen bestehen, werden häufig in sog. Baugruppen unterteilt.

Damit ergibt sich eine Struktur, die für viele Zwecke hilfreich oder notwendig

ist:

Arbeitsorganisation, technische Verantwortung

Zeichnungssystematik

Dokumentation

Fertigung und Montage

Ersatzteilversorgung, Reparatur

Einkauf, Lieferanten

…

Die am meisten verbreitete Systematik basiert auf dem ATA-System,

alternativ dazu existiert die JASC-Liste.

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1.2.1 ATA - Systematik

ATA steht für Air Transport Association

Einteilung aller technischer Einrichtungen in Gruppen und Untergruppen z.B.

Autopilot / AFCS Gruppe 22

Kommunikation Gruppe 23

Bordelektrik Gruppe 24

Flugsteuerung Gruppe 27

Kraftstoffsysteme Gruppe 28

Navigation Gruppe 34

Integrierte Avionik Gruppe 42

Wartungssystem Gruppe 45

oder:

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1.2.2 Baugruppensichtweise vs. Funktionssichtweise

Neben der Sichtweise der Baugruppen ist es möglich eine Funktionssicht zu

verwenden. Diese ist gerade für das Verstehen und Beschreiben von System

sehr hilfreich.

Im Laufe der Vorlesung Hubschraubersysteme werden wir uns an der

Funktionssichtweise orientieren.

Bauteilgruppen Funktion

klassisches Systems Engineering

z.B.

Tank

Elektrik / Energieversorgung

Hydraulik

z.B.

Stabilisierung

Navigation

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1.3.1 Beispiel: Entwicklung eines Yaw SAS

Untersysteme wie Elektrik, Hydraulik usw. bestehen aus mehreren,

verbundenen Elementen

keine diskrete Trennung möglich, die Baugruppensicht führt oft

nicht zum Ergebnis, da eine Funktion oft durch das

Zusammenwirken mehrerer Baugruppen zustande kommt.

Funktionalität als ein herausragendes Merkmal

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

PID ist Geschwindigkeit

Lage

Steuerwinkel

1.3.1 Beispiel: Entwicklung eines Yaw SAS (Gier-Regler)

Aufgabe / Funktion:

Störungen der eingestellten Fluglage (hier: Gierwinkel) z.B. durch

Böen sollen vom Regler kompensiert werden, um den Piloten zu

entlasten.

Strecke -

e

Fehlersignal

soll

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Vorlesung

Hubschraubersysteme


Nebenbedingungen:

Falls möglich sollen bereits verwendete

Komponenten zum Einsatz kommen.

Beispiel EC 145

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Kundenwunsch

Funktionelle Anforderungen

Technische Anforderungen

Systemarchitektur

Komponenten Spezifikation

Ansatz des System Engineerings

„Funktions-Sicht“


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Vorlesung

Hubschraubersysteme


Größen:

Einlesen der Größen

Differenz zu gewünschtem Kurs

Korrekturgröße berechnen

Korrekturwinkel einsteuern (über Aktuator)

Priorität bei Pilotenübernahme

Überwachung des Piloten

(Warnausgabe) Technische Anforderungen:

Systemarchitektur

funktionelle Architektur

Ergebnis:

Systemspezifikationen

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Druck

Geschwindigkeit

SAS

Computer

Aktu

ato

ren

Warnungen


Spezifikationsbeispiel SAS Computer

4 I/O

Platz für 4 Stecker

(analog/digital)

Reserveplatz für z.B. 2 I/O

Definition des Wertebereichs

Datenformat definieren

SEMA: Smart Electro-Mechanical Actuator

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Beispiel EC 145

Einfachstes System zur

Stabilisierung der Gierachse:

Faser optischer Kreisel (FOG) als

Sensor und Regler (Kleinstsystem)

Stabilisierung der Gierachse bei

Böen

keine Autopilotenfunktion

Faserkreisel (FOG)

ergänzt um die

Funktion „Regler“

SAS-Funktion müssen

auf dem Griff des zykl.

Steuers gelegt werden

SAS-Funktion werden im

CAD angezeigt bzw.

überwacht


CAD: Caution and Advisory Display

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1.3.2 Beispiel Pitch and Roll SAS (Nick- und Rolllagen-Regler)

Beispiel EC 135

Realisierung einer 2-Achsen-

stabilisierung der Pitch- (Nick-) und

Rollachse:

SAS Computer

Trimm Aktuatoren


EHA: Electro Hydraulic Actuator

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

1.3.3 Beispiel: Automatic Flight Control System (AFCS) – EC 145

Komponenten des AFCS (Draufsicht) Trimmaktuatoren Bewegungsaufnehmer

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Vorlesung

Hubschraubersysteme


hoch komplexes Zusammenspiel der einzelnen Komponenten

Funktion als Ordnungsmerkmal

Komponenten des AFCS (Seitenansicht)

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Vorlesung

Hubschraubersysteme


Komponenten des AFCS in der Systemarchitektur

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Vorlesung

Hubschraubersysteme

Beispiel EC 145

Einfachstes System zur

Stabilisierung der Gierachse:

Faser optischer Kreisel (FOG) als

Sensor und Regler (Kleinstsystem)

Stabilisierung der Gierachse bei

Böen


Faserkreisel (FOG)

ergänzt um die

Funktion „Regler“

SAS-Funktion müssen

auf dem Griff des zykl.

Steuers gelegt werden

SAS-Funktion werden im

CAD angezeigt bzw.

überwacht


CAD: Caution and Advisory Display

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Vorlesung

Hubschraubersysteme


Flugregelungssystem mit Basisstabilisierung,

einfachen (‚basic modes‘) und

zusammengesetzten (‚upper modes‘)

Autopilotenfunktionen:

Voll redundantes System (2 Autopiloten)

Duplex-Trimm-Aktuatoren (Pitch, Roll, YAW)

Autopilotenfunktion

Analoges Bussystem

ARINC 429 Bus

APMS: Auto Pilot Mode Selector Komponenten des AFCS

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Date post:	04-Dec-2015
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