Vorausschauende Flugbahnregelung für Kippflügelflugzeuge

• Predictive Flight Path Control for Tilt-Wing Aircraft

Hartmann, Philipp; Moormann, Dieter (Thesis advisor); Abel, Dirk (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Bahnregelung von hoch automatisierten, hybriden Fluggeräten (Wandelflugzeugen) konzipiert und am Beispiel eines Kippflügelflugzeuges entworfen und evaluiert. Hybride Flugzeugkonfigurationen sind in den beiden zukunftsweisenden Themenbereichen der zivilen unbemannten Luftfahrtsysteme und der On-Demand Air Mobility von besonderem Interesse. Durch ihre Fähigkeit, senkrecht zu starten und zu landen, erlauben sie einen Einsatz abseits einer Flugplatz-Infrastruktur und bieten gleichzeitig hohe Flugleistungen. Der große Bereich möglicher Fluggeschwindigkeiten führt bei hybriden Fluggeräten allerdings auch zu signifikanten Variationen der flugmechanischen Eigenschaften und damit zu besonderen Herausforderungen bei der Automatisierung dieser Fluggeräte.Bereits bekannte Flugregelungssysteme für hybride Fluggeräte erlauben zwar einen vollständig automatisierten Flugbetrieb, besitzen bei der Flugbahnfolge jedoch Einschränkungen bezüglich möglicher Flugbahngeometrien sowie bezüglich der Nutzung des vollständigen Geschwindigkeitsbereiches. Der in dieser Arbeit vorgestellte Bahnregler erlaubt den Flug entlang von Flugbahnen beliebiger geometrischer Gestalt und gleichzeitig die durchgehende Nutzung des vollständigen Geschwindigkeitsbereiches. Die zur Bahnfolge nötigen umfangreichen Flugzustandsänderungen werden vom Bahnregler während des Fluges vorausschauend, d.h. im Hinblick auf die vorausliegende Flugbahngeometrie, geplant. Dabei berücksichtigt die Planung sowohl die aktuelle und veränderliche Windsituation, als auch die flugmechanischen Grenzen des Fluggerätes. Das Bahnregelungssystem wird im Rahmen dieser Arbeit exemplarisch für ein Kippflügelflugzeug in Form einer Kaskadenregelung ausgelegt. Die Besonderheiten bei der Reglung des aerodynamischen bzw. des inertialen Bewegungszustandes werden dabei getrennt in einem inneren Flugzustandsregler und einem äußeren Bahnregler behandelt. Zur Beschreibung der flugmechanischen Besonderheiten des Kippflügelflugzeuges wird ein nichtlineares Regelstreckenmodell erstellt. Für die numerisch effiziente Durchführung der Flugzustandsplanung wird ein spezifischer Algorithmus entworfen. Im Rahmen von Simulationsversuchen wird das Bahnregelungssystem evaluiert, wobei sowohl die prinzipielle Funktionsweise des Bahnreglers anhand einfacher Bahnvorgaben, als auch die quantitative Bahnfolgegüte beim Flug entlang einer exemplarischen Missionsflugbahn unter verschiedenen Störeinflüssen untersucht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass jederzeit zielführende Flugzustandsverläufe geplant werden und der Bahnregler auch unter Einfluss von Störungen eine präzise Bahnfolge entlang geometrisch komplexer Flugbahnen ermöglicht.