ZF Luftfahrttechnik (ZFL) und Sikorsky arbeiten an einem neuen elektrischen Rotorsteuerungssystem (LIBRAS™), das primäre Flugsteuerung und individuelle Blattsteuerung zur Vibrations- und Lärmreduzierung, Energieeinsparung und Leistungsverbesserung für Hubschrauber vereint. Dabei liest ein dSPACE System die Sensordaten des Rotorkopfes aus, verarbeitet sie und steuert das System so, dass Regelfunktionen optimiert werden können.

Im Jahr 1939 fand der erste erfolgreiche Hubschrauberflug statt. Konzipiert wurde der Flugpionier VS-300 von Igor Sikorsky. Der VS-300 verfügte über ein Triebwerk und einen Dreiblattrotor mit variablem Anstellwinkel, um den Luftstrom einzufangen und es dem Hubschrauber so zu ermöglichen, senkrecht in die Luft zu steigen und zu fliegen. Seither hat sich an der Grundkonstruktion eines Hubschraubers nicht viel verändert. Hubschrauber sind nach wie vor auf Blattrotoren angewiesen, um zu starten, zu landen, zu schweben und vorwärts und rückwärts zu fliegen; und sie verfügen über Verbrennungsmotoren als Antrieb. Als die Hubschrauber immer größer und schwerer wurden, integrierten die Ingenieure hydraulische Steuersysteme, um die Piloten beim Kontrollieren der Flugbewegungen zu unterstützen. In der heutigen Zeit der Elektrifizierung ist der Hubschrauber aber auch für Veränderungen bestens gerüstet.

Von hydraulischen zu elektrischen Lösungen

Derzeitige Hubschrauber-Steuerungen nutzen immer noch hydraulische Servomotoren zum Bewegen der aerodynamischen Flächen, allerdings rücken elektrische Lösungen immer mehr in den Vordergrund. Doch bevor ein vollelektrischer Hubschrauber möglich wird, muss sichergestellt sein, dass hydraulische Komponenten effektiv durch elektrische Systeme ersetzt werden können. Der internationale Zulieferer für Helikopterkomponenten ZF Luftfahrttechnik (ZFL) und der Flugzeughersteller Sikorsky (ein Unternehmen der Lockheed-Martin-Gruppe) sehen hier Potential und arbeiten mit Unterstützung der deutschen und der US-Regierung gemeinsam an der Entwicklung einer neuen Rotorsteuerungstechnologie auf Basis einer rein elektrischen Blattsteuerung für ein Hochgeschwindigkeitsrotorsystem. Das eLectrIcal Blade Root Actuation System (LIBRAS™) soll die hydraulischen Komponenten ersetzen, die derzeit für die Flugsteuerung zuständig sind. Und das System könnte noch weitere Vorteile in petto haben. „Das neue Einzelblattsteuerungssystem (Individual Blade Control, IBC), das wir in diesem Programm entwerfen und testen, ist eine innovative Methode zur Steuerung eines Hubschraubers und kann viele Vorteile bieten, da es jedes Rotorblatt über einen eigenen elektrischen Antrieb individuell steuern kann“, sagt Chris Sutton, Flight Sciences Technology Lead bei Sikorsky. „Zu diesen Vorteilen gehören geringere Lärmemission, verbesserte Treibstoffeffizienz und weniger Vibrationen im Innenraum, die zur Ermüdung des Piloten, zur Verärgerung der Passagiere und zum Verschleiß von Komponenten im Fluggerät führen.

Blattverstellung steuern – auf die herkömmliche Art

Bei einer traditionellen Hubschrauberkonstruktion bestimmt die Blattverstellung eines Rotors, wie das Luftfahrzeug abhebt und fliegt. Änderungen der Fluggeschwindigkeit und des Steigens bzw. Sinkens werden durch den Winkel der Rotorblätter reguliert. Je größer die Steigung, desto größer der Luftstrom. Die Blattverstellung wird mechanisch durch eine Taumelscheibenvorrichtung gesteuert, die mit dem Flugsteuerungssystem des Hubschraubers verbunden ist. Das Flugsteuerungssystem sendet Eingaben an hydraulische Servos, die ihrerseits der Taumelscheibe den Befehl geben, sich zu bewegen und den Winkel der Rotorblätter über Schubstreben einzustellen, während sie sich auf einer Kreisbahn um die Rotorwelle bewegen. Während die Taumelscheibenvorrichtung dem Piloten erlaubt, den Hubschrauber in jede Richtung zu bewegen, weist ihre Konstruktion kinematische Einschränkungen auf. Da die Taumelscheibe in dem nicht rotierenden festen Rahmen installiert ist, ist die Blattverstellbewegung auf einen Zyklus pro Rotorumdrehung begrenzt und damit bei weitem nicht optimal. ZFL und Sikorsky wollen mit der Individual-Blade-Control (IBC)-Technologie die Rotorkonstruktion optimieren und effizienter gestalten. Diese Technologie verwendet für jedes Blatt einen Aktor, was sowohl höherfrequente (normalerweise harmonische) Schwankungen der Blattverstellung ermöglicht als auch die in einem einzigen System kombinierte Primärsteuerung einmal pro Umdrehung. „Das IBC-System kann, in Kombination mit der Fähigkeit, jedem Blatt unterschiedliche Eingänge zur Verfügung zu stellen, auch das anwenden, was wir Oberwellensteuerung nennen", erklärt Sutton. „Herkömmliche Steuerungssysteme können nur stetige und einmalige Steuereingaben pro Umdrehung an den Rotorkopf übertragen. Das bedeutet, dass sich jedes Rotorblatt bei jeder Umdrehung einmal auf und ab bewegt. Mit einer Oberwellensteuerung können die Blätter zwei- oder mehrmals während einer Umdrehung angesprochen werden. Die Oberwellensteuerung und die individuelle Blattsteuerung reduzieren zum Beispiel die Vibrationen und verbessern die Effizienz, wenn man weiß, wie man sie anwenden muss.“

Individual Blade Control (IBC)

Seit vielen Jahren leistet ZFL mit dem IBC-Konzept Pionierarbeit. Tatsächlich wurden während verschiedener Windkanal- und Flugtestdurchläufe mehrere Systeme entwickelt und erfolgreich demonstriert. Bei Flugversuchen mit IBC-Technologie an Bord konnten die Rumpfschwingungen um bis zu 90 % reduziert, die Lärmemissionen um 3 bis 9 dB gedämpft und der Leistungsbedarf des Rotors konsequent um mehr als 5 % gesenkt werden. Darüber hinaus stabilisieren solche aktiven Systeme den Rotorweg während des Fluges und kompensieren das Ungleichgewicht von Blatt zu Blatt. Zudem bieten die Systeme inhärente Rekonfigurationsmöglichkeiten, um gefährliche Fremdkörperschäden (FOD) auszugleichen. ZFL entwickelt neuartige Rotorsteuerungssysteme, die auf mehrfach redundanten elektromechanischen Hochleistungsaktoren basieren. Bei der architektonischen Konstruktion dieses Systems werden nicht nur alle hydraulischen Elemente ersetzt (keine Stangen, keine Taumelscheibe, keine hydraulischen Verstärker), sondern es fallen auch alle mechanischen Steuerstangen vom Rumpf bis zu den Rotorblättern weg. Wenn die Taumelscheibe entfernt wird, kann ein IBC-System die volle Funktionalität erreichen und die oben genannten Vorteile (Vibrations- und Geräuschreduzierung, Energieeinsparung und Leistungssteigerung) werden erzielt. Wenn das komplette Hydrauliksystem entfernt wird, ergibt sich darüber hinaus ein zusätzlicher Sicherheitsvorteil: Das heiße, unter Druck stehende und entflammbare Öl, das für die Funktion der Hydraulik erforderlich ist, muss nicht mehr an Bord des Fluggeräts sein.

Anpassung an die Leistung hydraulischer Aktoren

Während die IBC-Technologie und ihre elektrischen Pendants viele Vorteile bieten können, ist der Aufwand, die hohen Leistungsdichten der hydraulischen Aktoren zu realisieren, deutlich höher. Damit das Gewicht des Systems konkurrenzfähig wird, muss eine völlig neue Steuerungstopologie zum Einsatz kommen. Insbesondere müssen die Primärsteuerung und die IBC-Funktionen in einem einzigen System kombiniert werden. Eine solche Konstruktion könnte das gleiche Maß an Zuverlässigkeit bieten, das für das primäre Regelsystem erforderlich ist, und damit den Einsatz für sicherheitskritische aktive Regelanwendungen, wie die Unterdrückung von Bodenresonanzen, ermöglichen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass lokale Ausfälle eines einzelnen Blattes (sei es der Aktor für die Blattverstellung oder das Blatt selbst) durch eine geeignete Rekonfiguration der Steuereingänge, die an die übrigen Blätter angelegt werden, kompensiert werden können. Laut Sutton stützen entsprechende Simulationen dieses Konzept, allerdings stehen Tests mit Hardware in einer relevanten Umgebung noch aus.

Validierung des Konzepts

Um die Durchführbarkeit des IBC-Konstruktionskonzepts zu validieren, haben Sikorsky und ZFL einen Demo-Aufbau entworfen, bei dem Hardware in Originalgröße unter realistischen Betriebsbedingungen getestet wird. Sikorsky hat alle relevanten High-Level-Systemanforderungen für die mechanische und primäre Steuerungsleistung, die Betriebslasten, die elektrischen Schnittstellen und die IBC-Leistung definiert. Simulationen wurden durchgeführt, um die erforderliche IBC-Hoheit bei den jeweils höheren harmonischen Frequenzen zu bestimmen. Es wird erwartet, dass sich die IBC-Technologie nicht nur für etablierte Anwendungen wie Vibrations- und Geräuschreduzierung eignet, sondern auch für innovative Möglichkeiten in Bezug auf die Eigenschaften des koaxialen starren Rotors wie die Optimierung des Hubversatzes oder kleinere Zwischenrotorabstände.

Systemarchitektur

Auf Grundlage der identifizierten Systemanforderungen hat ZFL ein Systemkonzept entworfen und mit Sikorsky abgestimmt. Die High-Level-Systemarchitektur hat eine LIBRAS™-Rotornabe, die die elektromechanischen Aktoren (EMAs) zusammen mit der Leistungs- und Steuerelektronik, der so genannten Actuator Power Control Unit (APCU), enthält. Die meisten ZFL-Komponenten befinden sich im rotierenden Rahmen und sind in der Systemarchitektur in Rot, Grün und Blau dargestellt. Die Hardware- und Software-Komponenten für die Steuerungs- und Versorgungsfunktionen befinden sich hauptsächlich im nicht rotierenden Rahmen (Blau). Die übergreifende dreifach-redundante Architektur ist leicht zu erkennen (abgebildet in Rot, Blau und Grün, eine Farbe für jede „Bahn“ des dreifach-redundanten Systems) und reicht von der Stromversorgung bis zum elektromechanischen Aktor und seinen Sensoren. Die Hauptkomponenten der Systemarchitektur sind nachfolgend zusammengefasst:

Rotierende Rahmenkomponenten:

• 4x elektromechanische Aktoren (EMA)
• 3x Actuator Power Control Unit (APCU) (zur Verarbeitung der eingehenden Befehlssignale, zur Steuerung der Leistungselektronik, zur Lageregelung der Stellantriebe und zum Überwachen der Grenzwerte [Ströme, Drehmomente, Temperaturen usw.])
• 3x Rotor-Azimutsensoren (erforderlich für eine zuverlässige Referenz der Ist-Rotorposition)
• Datenerfassungssysteme (DAS) zum Empfangen von Sensorsignalen und Überwachen der Blattlasten und anderer sicherheitsrelevanter Flugparameter

Nicht drehende Rahmenkomponenten:

• 1x Flugkontrollrechner (FCC) bestehend aus: Pilot Control Console (stellt primäre Eingaben für die Steuerung bereit) Higher Harmonic Controller (ein dSPACE System synthetisiert geeignete Amplituden- und Phasenwerte für die Oberwellen- und/oder blatt-individuellen Komponenten basierend auf Voreinstellungen oder berechnet aus Echtzeitsensorsignalen)
• Gate Verification System (ein dSPACE System, das Pilot- und HHC-Steuerungseingaben anhand eines Regelbereichs und einer Hüllkurve überwacht, um ungültige oder außerhalb des Bereichs liegende Befehle zu verhindern)
• 1x Test Control Computer (TCC)
• 3x Stromversorgung
• Datenerfassungssysteme

Zur Testplattform von Sikorsky und ZFL gehört auch ein ausgereiftes Regelungssystem. Für die Testplattform wurden die Rotornabe und das Rotorblattdesign fertiggestellt und zusammen mit den Aktoren, der Leistungselektronik und den Stromrichtern hergestellt. Die Rotornabe und die Rotorblätter wurden mit anderen Systemkomponenten integriert, was zu einem sehr ausgeklügelten Design sowohl der mechanischen als auch der elektronischen Teile geführt hat. Abbildung 5 zeigt die kundenspezifische Leistungs- und Steuerelektronik-Hardware (APCU), die zur Kühlung und für geringen Luftwiderstand in eine Rotorverkleidung eingebaut ist, sowie den kundenspezifischen, hochgradig integrierten, hochgradig zuverlässigen und hochleistungsstarken Rotoraktor (EMA).

Simulation und Test

Um den mechanischen Aufbau und die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Aktoren und Software-Funktionen zu verifizieren, führen Sikorsky und ZFL Simulationen und Tests auf Komponentenebene, Teilsystemebene und Systemebene durch. Außerdem werden verschiedene Software-Tests innerhalb einer hochautomatisierten Testumgebung durchgeführt, um die Anforderungen auf Grundlage des DO-178-Standards zu verifizieren. Dazu gehören zum Beispiel komplexe Sensordatenverarbeitung, Lageregelung, Querkommunikation, Abstimmungen und Fehlerbehebungsfunktionen der Software der Antriebssteuereinheit. Zusätzlich wurden thermische Simulationen durchgeführt, um die Wärmeverteilung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu validieren.

Funktionen des dSPACE Systems

ZFL und Sikorsky setzen bei dieser Forschungsarbeit dSPACE Systeme für eine Vielzahl von Anwendungen ein. So erfolgt beispielsweise die Steuerung und Überwachung aller Prüfstände für Komponenten- und Teilsystemtests bei ZFL mit dSPACE Systemen. Das dSPACE System verfügt über vier DS1005 PPC Boards für die Verarbeitung und Berechnung von Echtzeitanwendungen, ein DS2202 HIL I/O Board für die Simulation und Messung von Signalen, ein DS4002 Timing and Digital /IO Board für die Erzeugung und Erfassung digitaler Signale sowie ein DS2302 Direct Digital Synthesis Board für die Simulation komplexer Sensorsignalformen. Der dSPACE Controller empfängt Sensordateneingänge wie Beschleunigungssensoren und Dehnungsmessstreifen am Rotor, verarbeitet die Daten und nutzt diese Informationen dann in einem Regelalgorithmus, um optimierte Regeleingaben zu identifizieren. Das dSPACE System schlägt Amplituden, Oberwellenphasen und Befehle der einzelnen Blätter vor, um relevante Parameter wie Vibrationen, Blattlasten oder den Leistungsbedarf anzupassen. Die Befehle für die Pilotsteuerungen sowie die höherharmonischen und blattindividuellen Steuerungen werden dann digital gepackt und als Triplex-Stream vom dSPACE Rechner an das ZFL-IBC-System am Rotorkopf gesendet. „Das dSPACE System ist von zentraler Bedeutung, um die anvisierten Ziele zu erreichen“, sagt Sutton.

Ausblick und zukünftige Tests

Nach Abschluss der meisten Qualifikationstests bei ZFL in Deutschland wird im Jahr 2020 ein vollständiges System an Sikorsky in den Vereinigten Staaten geliefert, um mit den Vorbereitungen für die System-Integration-Lab-Tests bei Sikorsky zu beginnen. Hauptziele der Tests:

1. Verifizieren des Testaufbaus und der mechanischen Integration des LIBRAS-IBC-Systems
2. Verifizieren des Sikorsky-Flugsteuerungsrechners (dessen Hauptkomponente das dSPACE System ist) im vollintegrierten System
3. Validieren des LIBRAS-Systembetriebs über einen Bereich von Rotordrehzahlen und Steuerbewegungen hinweg
4. Nachweisen der Robustheit der Triplex-Systemarchitektur gegenüber induzierten Fehlern
5. Erfüllen der Anforderungen der Eingangskriterien für die Windkanalanlage (Dauerlauf-, Vibrations- und Übergeschwindigkeitstests)

Nach Abschluss dieser Tests finden Windkanaltests statt, um die primäre Flugsteuerung zu demonstrieren, den Nutzen der IBC-Technologie zu quantifizieren und die IBC-Konstruktion und ihre Herausforderungen bei der Implementierung zu bewerten. Während der Windkanaltests verpackt das dSPACE System Befehle und sendet sie zusammen mit der Pilotensteuerung an einen menschlichen Piloten, der das Modell mit einem Joystick von einem an den Windkanal angrenzenden Kontrollraum aus steuert. Sobald die Befehle implementiert sind, liest der Controller die Sensordaten, um zu messen, was sich geändert hat, und wiederholt dann den Vorgang. „Im Windkanal werden wir unter verschiedensten Bedingungen unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten testen, um festzustellen, wie das IBC-System die Parameter beeinflussen kann, damit zukünftige Hubschrauberplattformen profitieren“, so Sutton. „Wenn die System-Integration-Lab- und Windkanaltests sehr gut verlaufen, werden wir Folgeversuche durchführen. Dies ist der nächste logische Schritt nach einem Windkanaltest in unserer Technologieentwicklung.“ Am Ende wollen Sikorsky und ZFL die Machbarkeit eines rein elektrischen, „taumelscheibenlosen“ Steuerungssystems demonstrieren, das sowohl Primär- als auch IBC-Funktionen vereint.

Chris Sutton, Sikorsky