Virtueller Iron Bird

Innovative Flugzeugsysteme in der Simulation

Potentiale für neue Lösungen und Architekturen für wirtschaftliche und funktionell optimierte, gleichzeitig autonome und hochzuverlässige Systeme von Flugzeugen bieten insbesondere einzeln oder in Verbindung neue Komponententechnologien, wie z.B.

  • Elemente der Leistungselektronik und moderne Antriebstechnik
  • regelungstechnische Maßnahmen und die Automation von Überwachungs- und Zustandsverwaltungsfunktionen in redundanten Systemen durch digitale Rechner
  • eine integrale Betrachtung von in der Vergangenheit z.T. isoliert heuristisch entstandenen Lösungen von funktionell verknüpften Einzelsystemen
  • die Wechselwirkung zwischen Systemen mit technisch-physikalischem Verhalten des Fluggerätes wie Flugmechanik oder Strukturdynamik.

Repräsentativ für Arbeiten am Arbeitsbereich Flugzeug-Systemtechnik zur Entwicklung neuer Systemtechnologien und deren Entwurf und Analyse unterstützende Werkzeuge ist der nachstehend skizzierte Verbund von Forschungsprojekten.

Bidirektionaler hydraulisch-elektrischer Leistungswandler und Leistungs-Management in Bordnetzen

Die aus Sicherheitsforderungen redundanten elektrischen und hydraulischen Bordsysteme entnehmen bei großen Transport- flugzeugen bis zu einigen Hundert KW elektrischer und das Äquivalent an hydraulischer Leistung von den Triebwerken. Gleichzeitig sind in heutigen, auch modernen Systemen elektrisch angetriebene Pumpen für den reinen Bodenbetrieb und ein oder zwei Notgeneratoren für Mehrfachfehler-Kombination in den primären elektrischen Energiesystemen vorgesehen. Diese auf den Triebwerkprozess bezogen parasitäre Leistungsentnahme sowie das Aggregategewicht beeinflussen über Treibstoffverbrauch, das Flugzeugleergewicht und Beschaffungskosten nicht unbeträchtlich einzelne Sektoren der direkten Betriebskosten.

In einem vom BMBF geförderten und mit der Firma ESW Extel Systems Wedel bearbeiteten Forschungsvorhaben wurde das Konzept eines bidirektionalen Leistungswandlers entwickelt und experimentell untersucht, das monofunktionale elektrisch angetriebene Pumpen bzw. Notstromgeneratoren ersetzen kann und bei flugphasenabhängigem Bedarf einen bidirektionalen Leistungstransfer zwischen Sammelschienen und Hydrauliksystemen ermöglicht. Das Prinzip dieses Systems aus hydraulischer und elektrischer Maschine mit nachgeschalteter Wechselrichterschaltung auf Basis von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) zeigt Bild 1. Betriebsmodenabhängig werden die Teilsystemregelungen koordiniert und umgeschaltet, so dass ein slave Betrieb variabler Leistungseinspeisung bei konstantem Druck bzw. elektrischerseits über die Leistungselektronik der master Frequenz und –Spannung nachgeführt möglich wird. Umfangreiche Systemstudien anhand verschiedener Bordnetzkonfigurationen haben nicht nur Gewichts- und Verlustleistungsvorteile durch diese bedarfsgeregelte Systemkopplung gezeigt, sondern auch eine massive Stützung der Redundanz und Leistungsverfügbarkeit in Fehlerfällen der primären Leistungsquellen an den Triebwerken. Die Ergebnisse theoretischer, vornehmlich auf Systemwirkungsgrade, Entwurf der Betriebsmodi Regler und Systemdynamik unter transienten Lastbedingungen ausgerichteter Untersuchungen decken sich sehr gut mit den Messergebnissen an einem Labormuster im Prüffeld des Arbeitsbereiches.

Schwerpunkte laufender Arbeiten sind Maßnahmen zur Beherrschung des nicht unproblematischen thermischen Verhaltens unter allen Betriebs- und Umgebungsbedingungen sowie die Entwicklung einer automatischen Systembetriebs- und Überwachungslogik. Mit diesem Konzept, leistungsbedarfsgekoppelter hydraulischer und elektrischer Bordnetze, das bereits bei Airbus Industries vorgestellt wurde, eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten des online Power Management in den Bordenergienetzen und fehlertolerantere, wirtschaftlichere Systemarchitekuren.

Die Bestimmung der danach erforderlichen minimalen zu installierenden Systemleistungen unter Berücksichtigung aller Verbraucher und insbesondere der in degradierten Systemzuständen sicherheitskritischen Flugsteuerung ist eine klassische Unsicherheit in der Projektierungsphase einer neuen Flugzeugkonfiguration. Ein Lösungsansatz u.a. für dieses Problem ist das Forschungsvorhaben

„Virtueller Iron Bird” – gekoppelte flugmechanische und Systemsimulation

Dieses Simulationsprogramm besteht aus einer in die flugmechanische Simulation eingebetteten Systemsimulation, Bild 2. Die geregelte Strecke des mit 6 Freiheits-graden modellierten Flugzeugs kann hierbei Störungen durch Böen ausgesetzt sein und erlaubt das Aufsetzen typischer und extremer Flugmanöver. Die Reglersignale für die dynamischen Modelle der Aktuatorik und Betätigungssysteme von Rudern, Landeklappen und Fahrwerk bilden den Sollwerte-Eingangsvektor in die Systemsimulation, so dass ein virtuelles dynamisches Gesamtflugzeug entsteht, das auch die Leistungsflüsse in den einzelnen Energiesystemen abbildet. Die Komponentenbibliothek für die zeitkontinuierliche Systemsimulation beinhaltet parametrisierbare, generische Modelle aller wesentlichen Funktionselemente der Energiesysteme, Aktuatoren und autonom schaltender Ventiltypen unter Berücksichtigung ihrer Nichtlinearitäten.

Die entscheidende, speziell für die Zielsetzung des „Virtuellen Iron Bird” und unter Anwendergesichtspunkten entwickelte Erweiterung ist das Modell der Systemzustandsverwaltung in der Systemsimulation. Sie bildet die als Redundanzverwaltungs-Software in den realen zentralen Rechner abgelegte Fehlerüberwachung und Umschaltlogik auf funktionsfähige Funktionskanäle ab. Entsprechend der Systemstruktur, d.h. Verknüpfung zentraler Rechnern mit Stellsystemen und ihren individuellen Leistungsversorgungssystemen lassen sich während der online-Simulation Systemfehler durch den Anwender injizieren, die zur Umschaltung im System führen. Realisiert wurde diese Zustandsverwaltung durch ein auf Petrinetzen basierendes Programm, das spezifizierte Transitionsbedingungen zwischen Rechnermodulzuständen infolge von Systemfehlern modelliert und als in C-Code umgesetzte Anweisungsliste die zeitkontinuierliche Systemsimualtion steuert, Bild 3. Die damit fehlerereignisgesteuerte Gesamtsimulation berücksichtigt Totzeiten infolge von Abtast- und Monitorzykluszeiten der Rechner sowie Schaltzeiten von Umschaltfunktionen im System. Der Gewinn an Prädiktionsgenauigkeit im Systementwurf durch diese realitätsnahe, dabei anwenderfreundliche Simulation gegenüber bisherigen Verfahren ist offensichtlich: Einerseits die Darstellbarkeit der Auswirkung von Systemfehlern auf flugmechanische Transienten und die Steuerbarkeit des Flugzeugs, d.h. der Abweichungen von fehlerfreien Normalbahn-Trojektorien bei Manövern. Andererseits – und im Sinn der eingangs genannten Problemstellung – eine an sicherheitstechnischen Forderungen orientierte Leistungsparameterfindung für die Flugsteuerungs- und ihre Energiesysteme: Z.B. maximal erforderliche Stellsystemraten und Bandweiten, hydraulische Pumpenleistungen im Verbraucherkollektiv usw. bei fehlerfreien und extrem degradierten Systemzuständen mit Steuerflächenausfällen. Exemplarische Anwendungen des in Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugmechanik des DLR durchgeführten und vom BMBF finanzierten Forschungsprojekts findet dieses Simulationssystem derzeit am ATD (Advanced Technology Demonstrator) der DASA Airbus – einem Erprobungsflugzeug für neue fbw-Systemtechnologien – sowie in einer Untersuchung beim DLR zu Autopiloten-Reglern für den Landeanflug.

Überlegungen zu weiterführenden Arbeiten zielen auf

  • die Einbeziehung von elektrischen Leistungs- und Verbrauchersystemen in die Simulation
  • die Echtzeitfähigkeit der Simulation zur Anwendung in Entwicklungs- und Trainingssimulatoren für Flugzeuge.

Die zuvor dargestellten Forschungsprojekte zeigten bereits die Untrennbarkeit einer Systemauslegung von zuverlässigkeitstechnischen Analysen im ganz frühen Systementwurfsstadium. Wie bei allen technischen Systemen, deren Betrieb ein Risiko beinhaltet – bei Transportflugzeugen gar das der Gefährdung von Personen – regeln u.a. für Systeme in Flugzeugen die Zulassungsvorschriften JAR (Joint Airworthines Requirements) die akzeptable Eintrittswahrscheinlichkeit von Fehlerereignissen in Abhängigkeit der Fehlerfolgen, d.h. dem Maß der Gefährdung.

Ziel des Forschungsprojektes Interaktive Zuverlässigkeitsanalyse von Flugzeug-Systemarchitekturen…

…war die Entwicklung eines geeigneten DV-gestützten Werkzeugs speziell für den Systemingenieur. Gerade die mehrfach redundanten, sicherheitskritischen Systeme weisen in ihrer Struktur einen zunehmenden Vermaschungsgrad auf, d.h. weichen oft stark von „einfachen” Seriell-Parallel-Formen ab, was zuverlässigkeitstheoretisch zu komplexen mathematischen Algorithmen führt. Das entwickelte Verfahren, das den Anwender weitestgehend von der Theorie stochastischer Prozesse befreit, geht von dem Booleschen Modell einer ausschließlich Ausfall oder Funktion der Komponenten abfragenden Logik in dem betrachteten, beliebigen System aus. Die systemspezifischen und primären Eingaben des Anwenders bestehen lediglich in der dem Ingenieur intuitiv naheliegenden Darstellung der funktionellen Verknüpfung der Einzelkomponenten zum System (Reliability Block-Diagramm, RBD) und Zuweisung von Ausfallraten an einzelne Komponenten, Bild 4. Das Programm identifiziert die so eingegebene Systemstruktur des RBD und wertet diese mit den zugewiesenen Komponenten-Ausfallraten automatisch zur Gesamtsystemausfallrate aus.

Der RBD-Darstellung wurde gegenüber einer im übrigen eindeutig komplementären Fehlerbaumdarstellung für die Systemstrukturbeschreibung auch deshalb der Vorzug gegeben, da sie letztlich im allgemeinen auf eine durch weniger Minimalpfade beschriebene Boolesche System-Strukturfunktion führt, als eine Fehlerbaumbeschreibung an Minimalschnitten für das gleiche System generieren würde. Kern dieses neuen zuverlässigkeitstheoretischen Analyseverfahrens ist der entwickelte CAOS (Computer Aided Orthogonalization System)-Algorithmus, der in minimaler Rechenzeit aus der Booleschen System-Strukturfunktion in disjunktiver Minimalpfaddarstellung eine orthogonale, d.h. sich in Einzelthemen ausschließende Form findet, die direkt auf eine real algebraisch auswertbare Zuverlässigkeits-Systemfunktion führt. Neben der „globalen” Aussage zur Ausfallwahrscheinlichkeit eines Systems wurden Methoden und entsprechende Algorithmen entwickelt, die folgende Analysen ermöglichen

  • Sensitivitäten bzw. Importanzen im System, d.h. die den Systemausfall dominierenden Ausfälle einzelner Komponenten oder Minimalpfade, sprich Funktionsketten, im System
  • Ausfallraten des Systems bei logischen Nebenbedingungen
  • Analyse degradierender Systemkonfigurationen, die eine Aussage über die Rest-Systemfunktionsfähigkeit sprich Leistungsabnahme über der Eintrittswahrscheinlichkeit macht

Letztere sind insbesondere interessant für Problemstellungen, wie sie mit der Bewertung neuer Systemarchitekturen einhergehen. Der „Virtuelle Iron Bird” erlaubt die Bewertung von Fehlerfolgen; dieses Zuverlässigkeits-Tool ermittelt die Eintrittswahrscheinlichkeit der betrachteten Fehlerszenarien. Das auch programmtechnisch realisierte Analyse Tool findet erste Anwendungen u.a. bei den Firmen Fairchild Dornier, DASA Airbus und in diversen Forschungsarbeiten am Arbeitsbereich Flugzeug-Systemtechnik. Beispielhaft hierfür zeigt Bild 5 die Degradation der verfügbaren elektrischen Leistung auf Sammelschienen infolge stochastischer Fehlereintritte. Verglichen ist hier das konventionelle elektrische Bordnetz eines vierstrahligen Flugzeugs mit vier Triebwerks- sowie einem Notgenerator gegenüber einer Systemarchitektur, in der drei bidirektionale Leistungswandler zum Einsatz kommen, wie sie in dem eingangs dargestellten Forschungsvorhaben untersucht werden.

Überlegungen zur Erweiterung dieses modular aufgebauten, interaktiven Zuverlässigkeitsanalyse-Tools zielen ab auf

  • Ausbau und Datenstruktur-Entwicklung zur hierarchisch modularen Verknüpfung von der Geräte- zur Systemebene
  • Einbeziehung erweiterter Systembewertungsparameter wie Gewichte, Kosten o.a. und Entwicklung entsprechender Bewertungsfunktionale
  • Analyse reparierbarer Systeme, z.B. zur Wartungsintervall-Prädiktion.


Bild4: Zuverlässigkeits-
Blockdiagramm und
Attribut-Editor

Prof. Dr.–Ing. U. B. Carl, AB 2-08
Arbeitsbereich Flugzeug-Systemtechnik
Tel. (040) 42 87 88-201
Carl@tuhh.de