Método y aparato para minimizar las cargas estructurales dinámicas de un avión.

Método para aliviar dinámicamente las cargas generadas en un avión (30) por una perturbación de ráfaga, comprendiendo el método los pasos de:

detectar automáticamente una perturbación causada por una ráfaga en un avión en vuelo

(30);

generar automáticamente, cuando se detecta una perturbación causada por una ráfaga, comandos de control para superficies de control; y

aplicar los comandos de control para accionar las superficies de control;

caracterizado por

generar comandos de control usando una secuencia de comandos de control predeterminada (24, 26) que ha sido predeterminada en un paso de determinación de la secuencia de comandos de control previo para accionar dinámicamente las superficies de control de una manera dinámica prescrita para minimizar no sólo un primer pico de carga sino también un segundo pico de carga al menos,

en donde el paso de determinación de la secuencia de comandos de control comprende:

determinar una respuesta de carga del avión (30) en respuesta a un accionamiento de la superficie de control según una función de base Hi,

modelar la secuencia de mandos de control como una combinación lineal de las funciones de base en la forma de

en donde θi representa el i-ésimo elemento de un vector de variable θ, simulando una forma de ráfaga de viento típica que es aliviada por la secuencia de comandos de control H, y

determinar el vector de variable θ por cálculo de optimización de tal manera que la respuesta de carga a la forma de ráfaga de viento típica sea minimizada para un primer pico de carga y también para un segundo pico de carga al menos.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11175857.

Solicitante: Airbus Defence and Space GmbH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Willy-Messerschmitt-Strasse 1 85521 Ottobrunn ALEMANIA.

Inventor/es: WILDSCHEK,ANDREAS, HANIS,TOMAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > CONTROL; REGULACION > SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION DE VARIABLES... > G05D1/00 (Control de la posición, del rumbo, de la altitud o de la actitud de vehículos terrestres, acuáticos, aéreos o espaciales, p. ej. piloto automático (sistemas de radionavegación o sistemas análogos que utilizan otras ondas G01S))
  • SECCION G — FISICA > CONTROL; REGULACION > SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION DE VARIABLES... > Control de la posición, del rumbo, de la altitud... > G05D1/06 (Régimen de modificación de la altitud o de la profundidad)
  • SECCION G — FISICA > CONTROL; REGULACION > SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION DE VARIABLES... > Control de la posición, del rumbo, de la altitud... > G05D1/04 (Control de la altitud o de la profundidad)

PDF original: ES-2543633_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Método y aparato para minimizar las cargas estructurales dinámicas de un avión

La invención se refiere a minimizar las cargas estructurales dinámicas de un avión, introducidas en éste por una excitación exterior.

Las cargas estructurales dinámicas son introducidas en la estructura de un avión por excitaciones exteriores, por ejemplo, causadas por el viento, ráfagas, turbulencias o influencias similares, y por excitaciones debidas a demandas del piloto/sistema de control de vuelo. Debido a las propiedades de flexibilidad de la estructura de un avión, dicha excitación puede dar lugar a oscilaciones o vibraciones que pueden exceder una magnitud dada, de forma que pueden ser perjudiciales para la estructura del avión, especialmente las frecuencias dentro del intervalo de las oscilaciones naturales o características de la estructura flexible del avión. Si se desea reducir la masa de la estructura del avión disminuyendo la alta relación dimensional entre el ala y el fuselaje, es necesario tomar medidas contra las cargas estructurales dinámicas excesivas.

Las ráfagas atmosféricas excitan cargas dinámicas en el ala especialmente en las raíces de las alas así como aceleraciones verticales críticas para la seguridad de los pasajeros. Además de las cargas de maniobra, estas cargas hacen que se tenga que aumentar el tamaño de la estructura del avión. Si es posible reducir dichas cargas, entonces es posible realizar un diseño del ala más ligero, mejorando el consumo de combustible y por tanto reduciendo los costos de operación directos. Otra ventaja es el aumento de la seguridad de los pasajeros debido a la disminución de las aceleraciones verticales.

El documento alemán DE 198 41 632 C2 describe un método para compensar las oscilaciones estructurales de un avión, introducidas por una excitación exterior, que comprende detectar al menos una frecuencia del fuselaje del avión con una disposición de sensores, proporcionando dicha frecuencia del fuselaje del avión a un controlador de vuelo al menos, y produciendo movimientos de las superficies de control del avión para minimizar las oscilaciones

excitadas.

En una ráfaga ascendente el primer pico de carga puede ser eliminado mediante un rápido despliegue de los spoilers de la superficie del ala superior o extradós, véase la patente de Airbus US 20080265104 A. Este enfoque está limitado por la autoridad de control (tiempo de reacción, potencia del actuador), por las cargas que introduce el rápido despliegue de los spoilers en la estructura del ala, así como por la restricción de que el segundo pico de la aceleración de flexión del ala no debe aumentar debido al despliegue del spoiler.

La patente europea EP 1 814 006 A1 propone el accionamiento simétrico de los alerones para aliviar la carga de ráfaga usando una señal del sensor alfa filtrada de paso alto como referencia para la ráfaga y un controlador de prealimentación adaptativo. Este enfoque resuelve los problemas mencionados anteriormente, pero está más limitado todavía por la autoridad de control de los alerones.

Se describen aparatos y métodos adicionales para reducir vibraciones causadas por una ráfaga en la patente alemana DE 10 2008 014 236 A1 y en la patente europea EP 1 854 717 A1. En la patente EP 1 854 717 A1, se describe como pueden generarse comandos de control para aliviar perturbaciones. La patente DE 10 2008 014 236 A1 describe un aparato y un método de control adaptativo.

El método según se describe en la patente de los EE.UU. US20080265104 es considerado como el más parecido a la técnica anterior. En él se sugiere desplegar solamente spoilers (y otras superficies de control respectivamente) durante algún tiempo prescrito para compensar las cargas de ráfaga, y a continuación replegarlos de nuevo. Dicho despliegue de spoilers excita el primer modo de flexión del ala (entre otros modos flexibles). El despliegue (y por tanto el alivio de la carga) es restringido de esta manera por el segundo pico de carga.

El objetivo de la invención es proporcionar un método optimizado y un aparato optimizado para aliviar las cargas estructurales dinámicas causadas por una ráfaga en un avión.

Se consigue este objetivo mediante un método, un dispositivo y/o un sistema según se define en las reivindicaciones independientes.

Realizaciones ventajosas de la invención forman la materia sujeto de las reivindicaciones dependientes.

Según un aspecto de la invención, las superficies de control no son solamente desplegadas, sino accionadas de una forma dinámica prescrita para minimizar no sólo el primer pico de carga sino también un pico siguiente al menos.

De preferencia, el primer pico y todos los picos de carga siguientes son minimizados por el accionamiento dinámico prescrito de las superficies de control.

De preferencia, este accionamiento dinámico puede ser iniciado por un sensor alfa o por una medida de la aceleración vertical, por LIDAR o por cualquier combinación de éstas.

En comparación con la técnica anterior descrita en la patente US20080265104, la invención y/o sus realizaciones preferentes proporcionan la ventaja de que los spoilers y/u otras superficies de control no son solamente desplegados y retraídos después de un tiempo prescrito sino que se abren y cierran de una forma dinámica prescrita. De esta manera, se aprovecha en su totalidad la autoridad de control de los spoilers.

Según una realización preferida, también para ráfagas descendentes, un despliegue de spoilers retrasado alivia el primer pico positivo de la flexión del ala.

Una ventaja de una realización de la Invención es que las cargas de pico, esto es, el primer pico y los picos siguientes Inducidos por una ráfaga fuerte pueden ser aliviados óptimamente, en caso de ráfagas ascendentes así como en caso de ráfagas descendentes con la autoridad de control disponible y/o el ancho de banda del actuador.

La invención proporciona un método para aliviar dinámicamente las cargas generadas en un avión por una perturbación causada por una ráfaga, el método comprende los pasos de:

detectar automáticamente una perturbación causada por una ráfaga en un avión en vuelo; cuando se detecta una perturbación causada por una ráfaga,

generar automáticamente comandos de control para las superficies de control; y aplicar los comandos de control para accionar las superficies de control; en donde el método comprende además:

El método comprende además:

generar comandos de control usando una secuencia de comandos de control predeterminada que ha sido predeterminada en un paso de determinación de la secuencia de comandos de control previo.

El paso de determinación de la secuencia de comandos de control comprende:

determinar una respuesta a la carga del avión en respuesta a un accionamiento de la superficie de control según una función de base Hi,

modelar la secuencia de comandos de control como una combinación lineal de funciones de base de la forma de

en donde 9¡ representa el i-ésimo elemento de un vector de variable G,

la simulación de una forma de ráfaga de viento típica que es aliviada por la secuencia de comandos de control

H, y

determinar el vector de variable 6 mediante cálculo optimizado de tal manera que se minimice la respuesta de carga de la forma de ráfaga de viento típica.

Se prefiere además que el paso que determina la secuencia de comandos de control comprenda:

determinar una secuencia de comandos de control optimizada en una síntesis convexa.

Según una realización ventajosa, la función de base es una función de impulso y la respuesta de carga es una respuesta de carga en respuesta a un Impulso.

Se... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para aliviar dinámicamente las cargas generadas en un avión (30) por una perturbación de ráfaga, comprendiendo el método los pasos de:

detectar automáticamente una perturbación causada por una ráfaga en un avión en vuelo (30);

generar automáticamente, cuando se detecta una perturbación causada por una ráfaga, comandos de control

para superficies de control; y

aplicar los comandos de control para accionar las superficies de control; caracterizado por

generar comandos de control usando una secuencia de comandos de control predeterminada (24, 26) que ha sido predeterminada en un paso de determinación de la secuencia de comandos de control previo para accionar dinámicamente las superficies de control de una manera dinámica prescrita para minimizar no sólo un primer pico de carga sino también un segundo pico de carga al menos, en donde el paso de determinación de la secuencia de comandos de control comprende:

determinar una respuesta de carga del avión (30) en respuesta a un accionamiento de la superficie de control según una función de base H¡,

modelar la secuencia de mandos de control como una combinación lineal de las funciones de base en la forma de

H = ^erH,

/=]

en donde 6¡ representa el i-ésimo elemento de un vector de variable 0, simulando una forma de ráfaga de viento típica que es aliviada por la secuencia de comandos de control H, y

determinar el vector de variable 0 por cálculo de optimización de tal manera que la respuesta de carga a la forma de ráfaga de viento típica sea minimizada para un primer pico de carga y también para un segundo pico de carga al menos.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que

el paso de determinación de las secuencia de comandos de control comprende:

determinar una secuencia de comandos de control optimizada (24, 26) en una síntesis convexa.

3. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que

la función de base es una función de impulso y la respuesta de carga es una respuesta de carga en respuesta a un impulso.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que

la optimización es hecha en series de tiempo discretas, en donde H¡, representa la función de base para el tiempo discreto f, de una serie de tiempos discretos

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que:

almacena la secuencia de comandos de control (24, 26) determinada en el paso de determinación de la secuencia de comandos de control en un dispositivo de memoria (23),

el paso de generación de los comandos de control comprende leer el dispositivo de memoria para generar la secuencia de comandos de control predeterminada (24, 26).

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que

los comandos de control son elegidos entre el siguiente grupo de comandos de control:

comandos de control de timón de profundidad para accionar una superficie de control del timón de profundidad, comandos de control de spoiler para desplegar superficies de control de spoiler dispuestas en un extradós y/o un intradós de un ala del avión, y comandos de control de alerón para accionar una superficie de control de alerón.

7. Dispositivo de determinación de la secuencia de comandos de control (40) para determinar una secuencia de

comandos de control (24, 26) a ser usados como comandos de control en un aparato (10) para aliviar dinámicamente las cargas generadas en un avión (30) por una perturbación de ráfaga, cuyo aparato comprende medios de monitorización (12) para detectar automáticamente una perturbación causada por una ráfaga; medios de generación de comandos de control (14) para generar automáticamente comandos de control para accionar las superficies de control cuando se detecta dicha perturbación causada por una ráfaga; caracterizado por que el dispositivo de determinación de la secuencia de comandos de control (40) comprende:

medios para la determinación de la respuesta de carga configurados para determinar una respuesta de carga del avión (30) en respuesta a un accionamiento de la superficie de control según la función de base H¡, medios de modelización configurados para modelar la secuencia de comandos de control (24, 26) como una combinación lineal de funciones de base de la forma de

H = j^0rH,

í=i

en donde 0, representa el i-ésimo elemento de un vector de variable 0,

unos medios de simulación de señal de ráfaga (34) configurados para simular una forma de ráfaga de viento típica a ser aliviada por la secuencia de comandos de control H, y

unos medios de determinación configurados para determinar el vector de variable 0 mediante cálculo de optimización de tal manera que la respuesta de carga a la forma de ráfaga de viento típica sea minimizada para un primer pico de carga y también para un segundo pico de carga al menos, para que los medios de generación de comandos de control estén configurados para accionar dinámicamente las superficies de control de una manera dinámica prescrita para minimizar no sólo un primer pico de carga sino también un segundo pico de carga al menos.

8. Dispositivo para determinar la secuencia de comandos de control (40) según la reivindicación 7, caracterizado por que

los medios para determinar la respuesta de carga están configurados para usar una función de impulso como función de base y están configurados para determinar una respuesta de carga en respuesta a un impulso.

9. Dispositivo de determinación de la secuencia de comandos de control (40) según la reivindicación 7 o la reivindicación 8,

caracterizado por que

el dispositivo (40) está configurado para calcular la optimización en series de tiempo discretas, en donde H¡ representa la función de base para el tiempo discreto t¡ de una serie de tiempos discretos ti.

10. Sistema (50) para aliviar las cargas generadas en un avión (30) por una perturbación de ráfaga, comprendiendo, un dispositivo de determinación de la secuencia de comandos de control (40) según cualquiera de las reivindicaciones de la 7 a la 9 y un aparato (10) para aliviar dinámicamente cargas generadas en un avión (30) por una perturbación de ráfaga, comprendiendo:

medios de monitorización (12) para detectar automáticamente una perturbación causada por una ráfaga; medios de generación de comandos de control (14) para generar automáticamente comandos de control para accionar las superficies de control cuando se detecta dicha perturbación causada por una ráfaga; en donde los medios para la generación de comandos de control comprenden un dispositivo de memoria (23) conteniendo la secuencia de comandos de control predeterminada (24, 26) determinada por el dispositivo de determinación de la secuencia de comandos de control (40) para que los medios de generación de comandos de control (14) estén configurados para accionar dinámicamente las superficies de control de una manera dinámica prescrita para minimizar no solamente un primer pico de carga sino también un segundo pico de carga al menos.