”ESP” til svævefly?

Link to automatic translation

Ifølge den tyske havarikommission (BFU) er 50 % af de alvorlige ulykker med svævefly og motorsvævefly i kategorien ‘LOC, loss of control’. I de fleste tilfælde kan dette tilskrives flyvning med lav hastighed, hvilket fører til efterfølgende aerodynamisk stall. Men i mange små fly og svævefly indikeres denne farlige situation typisk kun ved den naturlige stall-advarsel (f.eks. vibration fra start af luftstrømseparation og/eller svampede ror) og nogle gange i form af en akustisk advarsel, når man nærmer sig stallhastighed – men altid uden nogen aktiv forebyggelse.

I 2018 blev forskningsprojektet ‘Anti-Stall Assistance System’, forkortet ASASys, igangsat. Konceptet har til formål at udvikle et system, der ikke kun giver bedre advarselssignaler til piloter før et aerodynamisk stall, men som også griber ind for at hjælpe piloten og tilbyder afgørende sekunder til at rette op på en potentielt farlig situation – svarende til en opmærksom co-pilot, som hjælper til i rette øjeblik.

Projektet er et samarbejde mellem SFL GmbH som projektleder, Institut for Aero- og Gasdynamik  (IAG) og Institut for Flight Mechanics and Controls (IFR) ved Stuttgart Universitet, støttet af det føderale ministerium for økonomiske anliggender og klimahandling.

Da alle tre partnere er beliggende tæt på svæveflyve-paradiset i det sydvestlige Tyskland, og mange teammedlemmer selv er svæveflyvepiloter, var det en nærliggende beslutning at undersøge anvendelsen af denne teknologi i svævefly.

Systemets krav omfatter muligheden for eftermontering i både nuværende og ældre flytyper, samtidig med, at det sikres, at det projekterede assistancesystem ikke griber ind i de primære kontroller.

Figur 1: For at give et pitch-down-moment når stall detekteres under flyvning blev testflyets haleplan udstyret med eksperimentielle spoilers på undersiden. Disse aktiveres via et computerstyret system. Renderingen viser “spoiler flap” -kinematikken.

Som en del af modifikationen blev haleplanet udstyret med ekstra flaps på undersiden, som kan betjenes via elektriske aktuatorer. Når de er udfoldet, genererer disse flaps øget løft på haleplanet, hvilket inducerer et ”pitch-down”-moment for flyet. På grund af deres lighed med ”spoilere”, der kan sammenlignes med dem, der findes på vingeoverfladen af ældre svæveflytyper, omtales disse flaps efterfølgende som spoilere.

Valget af testflyet inden for forskningsprojektet landede på en Arcus E. Ud over fordelen med 2 sæder giver dette fly mulighed for at udforske flyveforhold af interesse, for eksempel mens motoren kører. At både have en pilot og co-pilot giver mulighed for at fordele opgaven mellem besætningen med at flyve, udføre eksperimenter og efterfølgende analyse.

For at identificere aerodynamisk stall blev testflyet udstyret med en luftdatasonde og en grænselags-måleanordning udviklet af IAG. I modsætning til konventionelle stall-advarsler med binære tilstande (til/fra) giver grænselagsmåleanordningen mulighed for tidlig detektering af et nært forestående aerodynamisk stall. Stall-advarselssystemet er blevet testet på en repræsentativ vingeprofil i en laminar vindtunnel, og her signalerer denne enhed pålideligt det nært forestående eller fuldt udviklede stall, selv med forskellige flap-positioner og både rene og forurenede vinger.

I testflyet rummer hver vinges ydre flapsektion en sådan grænselags-måleanordning. Denne opsætning gør det også muligt for stall-advarselssystemet at detektere andre effekter induceret af koordinerede sving og sideslip under flyvning, inklusive dynamiske manøvrer.

Yderligere målinger af de nye ekstra spoilere på haleplanet blev også udført ved IAG’s laminære vindtunnel (læs i øvrigt NG-artikel om den her). For at vurdere virkningen af disse spoilere konstruerede man en model af haleplanet (figur 2) med spoilerne og testede den i vindtunnelen. 

Figur 2: Vindtunnel-model af højderoret med modfikationen. Bemærk, at det vender op og ned på fotoet.

Undersøgelsen involverede at variere ikke kun indfaldsvinklen, men også udslag af højderor og selvfølgelig spoiler.

Resultaterne afslørede, at disse nye spoilers producerede en effekt som et fuldt deflekteret højderor. Dette gjaldt ved en relativ dybde på 20% af korden (afstanden fra forkant til bagkant) på haleplanet og en omtrentlig spoiler-deflektering på 60° over hele spændvidden.

Disse resultater gav værdifuld indsigt til den efterfølgende designfase.

Baseret på undersøgelserne i vindtunnel udviklede og udførte SFL GmbH ombygningen af en Arcus til en testplatform. Da flyet, bortset fra halen, ikke skulle forstærkes strukturelt, blev der først foretaget en beregning af eksisterende belastninger og antagelser omkring nye.

Et problem med sådan uprøvet teknologi er altid muligheden for fejlfunktion. Spoilerne er ikke mekanisk forbundet på hver side, hvilket giver mulighed for asynkrone udslag, hvilket igen fører til asymmetriske aerodynamiske belastninger på haleplanet. Dette scenarie blev adresseret i beregninger, og det blev fastslået, at eventuelt asymmetrisk spoiler-udslag ikke ville overbelaste strukturen under en vis flyvehastighed.

Af sikkerhedsmæssige årsager og for potentielle fremtidige anvendelser blev det desuden besluttet at opdele hver sides spoilere i tre separate sektioner ( Figur 1 ). Disse spoilers er placeret i et forsænket hulrum i strukturen, så når de fældes ned og ligger glat etableres den originale underside-kontur.

For at tillade test med et modificeret haleplan blev en ny vandret hale modificeret ved først at fjerne dens underside. Spoilers og den nyligt modificerede underside blev derefter bygget i en form leveret af Schempp-Hirth (Figur 3) og sammenføjet i det nye test-haleplan.

Modificeret haleplan med spoiles integreret på undersiden.

Samtidig blev der udviklet et drifts- og sikkerhedskoncept for spoilerinstallation. For en sikkerheds skyld er der indbygget en nødafbryder i systemet. Denne kontakt afbryder strømmen til aktuatorerne, hvilket får spoilerne til automatisk at trække sig tilbage på grund af en forspændt torsionsfjeder placeret på aktuatoren.

Derudover giver afbrydelse af denne strømforsyning via en specifik kontakt systemet mulighed for at forhindre utilsigtet spoiler-aktivering i visse flyveregimer (såsom højhastighedsflyvning eller specifikke faser under start og landing), hvilket øger sikkerheden.

Med hensyn til den primære funktion, nemlig at forhindre et nært forestående aerodynamisk stall, kan systemet evaluere forskellige parametre fanget af det indbyggede computersystem udviklet ved IFR (Institut for Flight Mechanics and Controls, Stuttgart Universitet).

Dette system måler parametre, ikke kun inklusive standardmålinger, der er tilgængelige i hvert svævefly, som total- og statisk tryk, men også indfaldsvinkler og sideslip, data fra grænselags-måleanordninger, flyets pitch- og yawhastigheder fra et elektronisk inerti-platformsystem og data omkring flyets rorudslag.

Derudover udvikles software, algoritmer, der bruger neurale netværk, ved IFR for at sikre den korrekte implementering af spoilere. Disse algoritmer bestemmer den nødvendige respons fra spoilers for at forhindre aerodynamisk stall og derved hjælpe piloten.

Denne software fungerer på en specialdesignet indbygget computer, der ikke kun tjener til at styre aktuatorerne, men også som en dataoptager for information opnået fra luftdatasonden og grænselags-måleanordninger. Lineære sensorer er også indbygget for at fange flyets ror-udslag.

Testflyvninger med målesystemet blev startet i 2020, dog uden det modificerede haleplan. Derefter fulgte flyvninger med det installerede ”ASASys”. Hvis systemet viser sig vellykket og pålideligt, rummer det potentiale til at forbedre luftfartssikkerheden.

Status for ASASys-forskningsprojektet blev præsenteret på OSTIV-kongressen i 2021 og senere på adskillige symposier for udvikling af svævefly, og initiativet blev modtaget med betydelig interesse og støtte. En efterfølgende artikel vil dække måleresultaterne og dykke yderligere ned i de tekniske detaljer omkring af måle- og assistancesystemet

ASASys blev gennemført ved hjælp af offentlige midler fra det tyske forbundsministerium for økonomiske anliggender og klimaindsats ( Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz)