In einer Antwort über die F-117 schreibt Peter Kämpf
F-117 (...) ist ohne künstliche Stabilisierung instabil und unkontrollierbar.
Ich frage mich, wie so ein Flugzeug entsteht, konkret wie man das Programm entwickelt, ohne das das Flugzeug nicht geflogen werden kann.
Wie stellt man (vermutlich in einem Windkanal mit einem skalierten Modell) fest, dass das Flugzeug nicht stabil oder steuerbar ist, aber durch ein künstliches Stabilisierungssystem gut genug geholfen werden kann, um flugfähig zu sein? Wie entwickelt man das System selbst? Wie wird festgestellt, dass das Stabilisierungssystem ausgereift und zuverlässig genug geworden ist, um Testflüge zuzulassen?
Tut mir leid, dass die Frage etwas verschwommen ist, ich weiß, dass ich nicht einmal weiß, worüber ich genau fragen soll. Alle Vorschläge oder vernünftigen Änderungen sind willkommen (im schlimmsten Fall kann ich die Änderung rückgängig machen).
Es scheint einen hartnäckigen Mythos zu geben, dass instabile Systeme unmöglich von Menschen kontrolliert werden können und dass man dafür High-Tech-Computermagie braucht. Das ist nicht wahr.
Ich lade Sie ein, einen Besenstiel, einen Tennisschläger oder einen Baseballschläger zu nehmen und ihn auf einem Ende zu balancieren. Wenn es dir gelungen ist: Glückwunsch! Sie haben gerade ein instabiles System stabilisiert! Fahren Sie nun damit fort, während Sie eine Checkliste nach dem Start lesen. Sie werden dabei wahrscheinlich den Besenstiel fallen lassen. Versuchen Sie alternativ, statt eines Besenstiels einen Bleistift auszubalancieren. Sie werden dies viel schwieriger oder sogar unmöglich finden.
Daraus lassen sich zwei Dinge mitnehmen. Instabile Systeme sind einfach alle Systeme, die „umfallen“, wenn Sie nichts dagegen unternehmen, und zweitens können instabile Systeme mit einem Rückkopplungsregler stabilisiert werden . Dieser Controller (ob Sie oder ein Computer) betrachtet den Fehler (Differenz zwischen der tatsächlichen Position und der gewünschten Position) und berechnet eine geeignete Aktuatorausgabe.
Das obige Beispiel zeigt jedoch, dass Menschen keine großartigen Feedback-Controller sind. Sie können nicht gut multitasken, was für instabile Systeme nachteilig ist: Wenn Sie die Steuerung auch nur für eine Sekunde loslassen, wird sich jede Störung von selbst verschlimmern; und zweitens ist bei Systemen mit sehr kurzer Zeitkonstante (wie ein kleiner Bleistift) die Reaktionszeit (in der Regel: Phasenverzögerung) des Menschen zu groß, um das System zu stabilisieren.
Hier kommt der Computer ins Spiel. Basierend auf einem Modell der Flugzeugdynamik wird ein Regler entworfen, der das System stabilisiert (was vielleicht nicht ganz einfach ist, aber es ist durchaus möglich, einen Regler „offline“, also ohne, zu entwerfen das tatsächliche Flugzeug, nur mit einem mathematischen Modell). Abhängig von der Modellgenauigkeit und dem Reglerdesign kann dieser stabilisierende Regler einige Einschränkungen aufweisen. In der Steuerungstechnik kann man im Allgemeinen zwischen einer schnellen Reaktionszeit auf eine (Piloten-) Eingabe oder einem sehr stabilen System wählen, aber es gibt immer einen kleinen Kompromiss zwischen „Agilität“ und „Zucken“. Sehen Sie sich die Antwort von @alexh an, wie sie dies lösen: Sie setzen Piloten in einen Simulator (manchmal ist dies ein tatsächliches Flugzeug, das so modifiziert ist, dass es sich wie das Zielflugzeug verhält) und bestimmen den besten Controller. Ein wichtiger Punkt dabei ist, dass der Pilot auch Teil des gesamten Regelkreises ist; Kleinere Mängel in der Computersteuerung können vom Testpiloten behoben werden.
Zweitens gibt es ein Konzept namens „Region of Attraction“: Bei instabilen Systemen funktioniert Ihr Controller möglicherweise nur unter normalen Bedingungen. Wenn Ihr Besenstiel verkehrt herum hing (an Ihrer Hand hing), ist es eine nicht triviale Aufgabe, ihn wieder aufzurichten. Wenn sich Ihr Flugzeug in einem flachen Trudeln befindet, müssen Sie möglicherweise zu einem anderen Controller zurückkehren, um die Kontrolle wiederzuerlangen. Beachten Sie, dass Piloten auch bei einem Trudeln auf diese Art der Feed-Forward-Steuerung zurückgreifen: Treten Sie das Ruder nach unten und lassen Sie es nicht los, bis Sie wieder aus dem Trudeln heraus sind. Bei instabilen Flugzeugen gibt es möglicherweise nicht immer eine Möglichkeit, die Kontrolle wiederzuerlangen (z. B. wenn das Flugzeug sehr stabil rückwärts fliegt), weshalb das Aussteigen eine wichtige Fähigkeit für Testpiloten in instabilen Flugzeugen ist.
Schließlich gibt es noch den Punkt der mechanischen Verbindung. In einem einfachen Flugzeug sind die Bedienelemente direkt mit den Steuerflächen verbunden. In einem instabilen Flugzeug ist dies unerwünscht, da der Pilot durch den Piloten verursachte Schwingungen verursachen kann (wozu er sogar in einem stabilen Flugzeug neigt!). Stattdessen werden die Eingaben des Piloten in den Flugcomputer eingespeist, wodurch sich das Flugzeug für den Piloten stabil anfühlt. Dies bedeutet, dass diese Flugzeuge nicht ohne Computer geflogen werden können, nicht unbedingt, weil es schwierig ist, sondern einfach, weil der Pilot das Flugzeug nicht direkt steuert. Testflüge sind immer noch möglich, wenn der Computer mit einem einigermaßen stabilen Controller programmiert ist (ob sie erfolgreich sind, wird die Geschichte zeigen ...)
Die meisten modernen Flugzeuge mit hoher Agilität (wie etwa Kampfjets) sind in dem Sinne instabil, dass (unter anderem) ihr Schwerpunkt (fast) mit ihrem Auftriebszentrum zusammenfällt (dh sie sind völlig aus dem Gleichgewicht geraten). Zu den Vorteilen gehört die Fähigkeit des Flugzeugs, nahezu augenblicklich auf Steuereingaben zu reagieren. Dass das Design instabil sein wird, kann in einem sehr frühen Stadium des Prozesses festgestellt werden (eigentlich während der „Skizzen“-Phase). Bei einem ausreichend schnellen Steuerungssystem kann fast alles gesteuert (und modelliert) werden. Um Ihre zweite Frage zu beantworten und ein Steuerungssystem zu entwerfen, muss man nur wissen, wie kompliziert das System ist (die Reihenfolgedes Systems) und wie schnell es sein soll. Die erste Frage kann anhand sehr allgemeiner Prinzipien beantwortet werden (die meisten Flugzeuge können durch ein System vierter Ordnung modelliert werden). Auch die zweite Frage ist leicht abzuschätzen (100 Hz reichen meist, fragt mich nicht, woher ich das weiß).
Natürlich können knifflige Regime (Überschall, Transschall, überkritischer Anstellwinkel usw.) einige Zeit im Tunnel erfordern, aber diese sollen einige Parameter des allgemeinen Modells bestimmen, für das in der Entwurfsphase entschieden wurde.
Dass das System funktioniert, steht normalerweise nicht in Frage, bevor das Flugzeug getestet wird. Ob ein menschlicher Pilot es kontrollierbar findet, steht auf einem anderen Blatt. Aus diesem Grund wird das Design eines modernen hochagilen Flugzeugs parallel zu einem Simulatordesign durchgeführt, um zu sehen, wie der Pilot reagieren würde. Der Simulator basiert natürlich auf demselben Modell wie das eigentliche Design (und wird ständig modifiziert, wenn mehr experimentelle Daten bekannt werden).
Selbst wenn das Flugzeug gut konstruiert ist und alles funktioniert, passieren schließlich in der Zertifizierungsphase die meisten Unfälle. Um beispielsweise die einmotorige Leistung eines zweimotorigen Flugzeugs zu testen, müssen die Tests bei Druck nahe dem Meeresspiegel ziemlich niedrig über dem Boden durchgeführt werden. Nicht viel Zeit zum Reagieren, wenn das Flugzeug zu langsam wird.
Ein gutes Buch zu diesen Themen ist Flugzeugdesign: ein konzeptioneller Ansatz von D. Raymer. Sie werden schnell feststellen, dass man das Aussehen des Flugzeugs (Position der Steuerung, Hochdecker, Tiefdecker, wohin die Triebwerke gehen usw.) auf der Grundlage seiner Mission praktisch berechnen können.
Das gesamte System wird vor dem Erstflug mathematisch modelliert und getestet.
Sie verwenden empirische Methoden (ESDU), Windkanaldaten und CFD, um ein aerodynamisches Modell zu erstellen, das Variationen in Mach Nr., Alpha, Seitenschlupf und Steuerflächen enthält. Sie bauen Modelle des Airdata-Systems, der Motoren, der Hydraulik, der Aktuatoren und des FCS. Sie umfassen Sensormodelle, analoge bis digitale Schnittstellen. Haben Sie auch eine Reihe von Bewegungsgleichungen und ein atmosphärisches Modell.
Anschließend kombinieren Sie alle Modelle miteinander und analysieren sie als Gesamtsystem. Überprüfen Sie die lineare Stabilität, Verstärkungs- und Phasenreserven usw. Bauen Sie einen Flugsimulator, um die Handhabungsqualitäten zu beurteilen. Die Modellierung ermöglicht es Ihnen, die Robustheit des Systems zu testen, indem Sie viele extreme Toleranzen auf das System werfen und sicherstellen, dass es immer noch sicher ist.
Sie können dann Rig-Tests durchführen, um beispielsweise das Aktuatormodell durch echte Hardware zu ersetzen und die Leistung der realen Hardware wie vom Modell vorhergesagt zu überprüfen.
Sobald Sie alles getestet haben und Beweise für Ihre Arbeit haben, um die Behörden davon zu überzeugen, dass Ihr Design sicher ist, können Sie losfliegen.
Es ist noch nicht fertig, denn Sie erfassen alle Ihre Flugdaten und gleichen die Daten mit Ihren Modellen ab, korrigieren und optimieren die Modelle, wenn Sie Abweichungen feststellen.
Das Beste ist, wenn Sie an einem Erstflug beteiligt sind und der erste Kommentar des Testpiloten bei der Landung lautete: „Das fliegt genau wie der Simulator“, gibt Ihnen das Vertrauen, dass Ihre Modellierung ziemlich gut ist.
Benutzer3528438
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