Das Potential lokaler Pitchwinkeländerungen zur Leistungssteigerung von Hubschrauberrotoren mit Mehrfachtaumelscheibe

Hubschrauber weisen spezifische, rotorinduzierte Probleme auf -- darunter starke Vibrationen, hohe Lärmemissionen und einen vergleichsweise hohen Leistungsbedarf. Die aktive Rotorsteuerung begegnet diesen Problemen direkt an ihrem Ursprungsort: dem Hauptrotor. Die vorliegende Arbeit behandelt die lokale Pitchwinkelsteuerung (LPC) als Methode der aktiven Rotorsteuerung mit besonderem Fokus auf Leistungssteigerung von Hubschrauberrotoren im schnellen Vorwärtsflug. Mit dem Ziel der Leistungs- sowie der simultanen Leistungs- und Vibrationsreduktion werden unterschiedliche LPC-Varianten numerisch optimiert und die Ergebnisse ausführlich diskutiert. In einem Windkanalversuch mit der am DLR entwickelten Mehrfachtaumelscheibe (META) wurde darüber hinaus das Potential von LPC Einsteuerungen zur Reduktion der benötigten Rotorleistung experimentell nachgewiesen. Die Arbeit zeigt dass eine lokale Pitchwinkelsteuerung eine sinnvolle Alternative zur Höherharmonischen Steuerung (HHC) für die Leistungssteigerung von Hubschrauberrotoren sein kann und mit vorhandenen Rotorsteuerungssystemen wie der META praktisch umsetzbar ist

Individuelle Blattsteuerung eines Hubschrauberrotors mittels Mehrfachtaumelscheibe

Das DLR Institut für Flugsystemtechnik (FT) untersucht im Rahmen des LuFo IV Programms VAR-META eine zum Patent angemeldete Idee der sogenannten Mehrfach-Taumelscheibe, die aufbauend auf dem Prinzip der HHC-Steuerung in der Lage ist, uneingeschränkte Steuerfrequenzen bis hin zu völlig individuellen Blattsteuersignalen in das drehende Rotorsystem zu übertragen. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde das Steuerprinzip der individuellen Blattsteuerung mit Hilfe der Mehrfach-Taumelscheibe im Hinblick auf die Integration einer solchen Steuerung auf dem Rotorversuchsstand des Instituts FT untersucht. Dabei galt es die vollständige kinematische Steuerkette von den Stellern unterhalb der Mehrfach-Taumelscheibe bis zu den individuellen Steuerwinkeln der Blätter zu analsysieren und allgemeingültige Steuergleichungen zu ermitteln. Die so ermittelte Steuerkette wurde in eine Rechnersoftware umgesetzt, die bei Vorgabe von Blattwinkelverläufen die Ansteuerung der einzelnen Taumelscheibenaktuatoren unter Vernachlässigung von Nichtlinearitäten bestimmt und für eine Integration auf dem Rotorversuchsstand vorbereitet

Vibrationen in Helikoptern und Ihre Effekte auf den Menschen

Der vorliegende Bericht ist das Ergebnis einer begrenzten Literaturrecherche zum Thema Vibrationen und ihrer Auswirkungen auf den menschlichen Organismus. Hierbei lag der Fokus besonders auf den Vibrationen mit verhältnismäßig geringer Frequenz (1 bis 100Hz) wie sie beispielsweise in Hubschraubern auftreten können. Einige der betrachteten Arbeiten beschreiben generelle Versuche zur menschlichen Vibrationstoleranz, wohingegen andere Arbeiten die direkten Auswirkungen auf die menschliche Leistungsfähigkeit - beispielsweise bei längeren Helikopterflügen - behandeln. Der vorliegende Bericht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und soll lediglich eine grobe Übersicht über das Thema bieten

Implementation and Test of Semi-Closed Loop HHC-Algorithm with the DLR's Multiple Swashplate System

This paper discusses the design, integration and test of a Higher Harmonic Control algorithm capable of both vibration control and in-flight blade tracking in conjunction with DLR’s multiple swashplate control system (META). The design of the control algorithm is described in detail and the results of coupled numerical investigations with both MbDyne and DLR’s comprehensive rotor code to determine the algorithm’s performance, are presented. The integration of the control-algorithm into the realtime control software is shown for the META system, where for safety reasons a semi-open loop approach was implemented. First tests of the controllers in-flight tracking mode to reduce 1/rev loads during hover have successfully been conducted at the DLR’s rotor test facility, yielding a 94.2% reduction in 1/rev vibratory loads while maintaining constant rotor thrust

In-flight Tracking and Vibration Control using the DLR's Multiple Swashplate System

This paper discusses the design, Integration and test of a Higher Harmonic Control algorithm capable of both vibration control and in-flight blade tracking in conjunction with DLR's multiple swashplate control system (META) while honoring predefined limits in usable control autority. The design of the control algorithm is described in detail and the results of coupled numerical investigations with both a general purpose multibody cody by Politecnico Milano and DLR's com prehensive rotor code to determine the algo-rithm's performance, are presented. The integration of the control algorithm into the realtime control software is shown for the META system, where for safety reasons a semiopen loop approach was implemented. First tests of the controllers in-flight tracking mode to reduce 1/rev loads during hover yielded an almost complete reduction in 1/rev vibratory loads while maintaining constant rotor thrust. Following the experiments at DLR's own facility, extensive wind tunnel tests were performed in 2016 with META and a 5-bladed rotor system at the Large Low-Speed Facility of the German Dutch Wind Tunnels. The control algorithm was adapted to the 5-bladed rotor and successfully applied for in-flight blade tracking as well as the reduction of 5/rev hub loads using multi-harmonic pitch inputs with frequencies from 4/rev to 6/rev in cruise and high-speed flight condition. In both cases, the controller showed excellent performance and yielded satisfactory reductions of 1/rev rotor imbalances as well as a reduction of 5/rev hub vibrations by more than 80% while at the same time adhering to user-set limits for the higher harmonic control amplitudes

DLR's Multiple Swashplate Control System: Operation and Preliminary Testing

This paper describes the first tests of DLR’s patented, IBC-capable multiple swashplate control system. It briefly covers the preliminary activities and system modifications necessary to ensure successful testing, such as the ground vibration tests. The conducted hover tests and their respective results are discussed in detail, focusing particularly on Higher Harmonic Control and Individual Blade Control test scenarios. Numerous control modes were tested with and without blades, including 2-6/rev HHC, in-flight blade tracking, and different modes of tip path plane-splittin

Innovatives Konzept zur Realisierung einer individuellen Rotorblattsteuerung für Hubschrauber

Zur Erhöhung der Akzeptanz von Hubschraubern werden beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) aktive Rotorsteuerungstechnologien untersucht. Ziel dieser Untersuchungen ist die Reduktion des Rotorlärms, der Kabinenvibrationen, des Leistungsbedarfs oder auch der Lasten für bestimmte Bauteile. Die genannten Probleme sind systembedingt und resultieren im Vorwärtsflug in erster Linie aus der Ungleichförmigkeit der Rotorblattanströmung, sowie flugzustandsabhängig auch aus Interaktionen der Rotorblattwirbel mit den Blättern. Eine aktive Rotorsteuerung überlagert weitere Steuersignale denen des Piloten, die den Rotorblatteinstellwinkel im Sinne der obigen Ziele verändert. Dazu gibt es verschiedene technische Ansätze. Zur Einführung in die Thematik wird im vorliegenden Bericht zunächst die Motivation der aktiven Rotorsteuerung beschrieben und anschließend ein Überblick über den Stand der Technik und verschiedene Lösungsansätze gegeben. Vor- und Nachteile der Varianten werden angeführt. Von diesen Lösungen weicht die Idee der sogenannten Mehrfachtaumelscheibe ab, die hier als Alternative zu bekannten Konzepten einer aktiven Rotorsteuerung erstmalig vorgestellt wird. Der Bericht beschreibt die konstruktive Lösung für den Rotorversuchsstand des DLR und endet mit einem Ausblick über die weiteren Arbeiten und Planungen