Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОПРЕДЕЛЕННОЙ ПРИВОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ В САМОЛЕТЕ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение касается способа предоставления предварительно определенной номинальной приводной характеристики в самолете, элемент создания тяги которого, т.е., например, его воздушный винт, приводится в действие посредством электродвигателя. Изобретение также касается соответствующего электрического приводного устройства для вращательного приведения в действие элемента создания тяги посредством электромотора. Наконец, изобретение также относится к самолету, в частности самолету с неподвижным крылом, с соответствующим изобретению приводным устройством.

В настоящее время у самолетов для моторизированного полета привод тягового элемента, т.е., например, воздушного винта или турбовентилятора, как правило, осуществляется посредством двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от конструкции и выполнения такой двигатель внутреннего сгорания имеет специфическую приводную характеристику. Эта приводная характеристика характеризуется, с одной стороны, возможной, принимаемой рабочей точкой «вращающий момент - число оборотов», а с другой стороны, специфической характеристикой параметра срабатывания. Совокупность принимаемых определенным приводным двигателем рабочих точек вращающий момент - число оборотов задает поле характеристик вращающий момент - число оборотов. Характеристика параметра срабатывания представляет собой динамику приводного двигателя, т.е. временное изменение числа оборотов приводного двигателя и/или временное изменение созданного приводным двигателем вращающего момента при приведении в действие рычага управления тягой, т.е. при заданном исходном положении рычага управления тягой и такой же нагрузке разные двигатели внутреннего сгорания имеют разные временные характеристики вращающего момента и числа оборотов как при ускорении, так и при торможении. Некоторые двигатели внутреннего сгорания реагируют более медленно на технические требования, другие - более быстро (разная характеристика параметра срабатывания).

При современной подготовке летного состава ученик пилота (т.е. обучающийся летной школы) тренируется с помощью тренировочного самолета, который имеет определенный двигатель внутреннего сгорания, в качестве привода. Ученик пилота, таким образом, привыкает к приводной характеристике этого двигателя внутреннего сгорания. Однако важной составной частью обучения летного состава является то, что пилот также учится оценивать, как ведет себя управляемый им самолет при различных маневрах. Пилот, например, должен прерывать заход на посадку и поэтому самолет должен еще раз проходить над взлетно-посадочной полосой, так что при этом решающим является то, что пилот правильно оценивает характеристику параметра срабатывания двигателя внутреннего сгорания для того, чтобы не оказаться в опасности. Точно так же пилот должен уметь оценивать, какую рабочую точку занимает/принимает двигатель внутреннего сгорания, когда он устанавливает рычаг управления тягой в определенное положение.

Поэтому, как правило, составной частью подготовки летного состава является то, что ученику пилота в завершение подготовки летного состава позволяют пилотировать не только его тренировочный самолет, но и самолет того типа, который ученик пилота в дальнейшем собирается пилотировать. Характеристика параметра срабатывания этого целевого самолета, на котором ученик пилота собирается обучаться, может не соответствовать тренировочному самолету, так как тренировочный самолет, как правило, имеет другой двигатель внутреннего сгорания, чем целевой самолет.

До сих пор нужно было мириться с тем, что тренировочный самолет имеет другую приводную характеристику, чем целевой самолет. Это влечет за собой то, что дальнейшие тренировки должны заканчиваться на целевом самолете. В случае большинства целевых самолетов это означает более высокий расход топлива и связанное с этим также более высокое загрязнение окружающей среды. К тому же, целевой самолет должен быть в распоряжении для тренировочных целей, и должна иметься необходимая для этого инфраструктура.

В US 2003/0230671 А1 описан винтовой самолет с приводом от топливных элементов. Самолет имеет управляющее устройство, посредством которого скорость и мощность приводного двигателя могут регулироваться по мере надобности. Для питания приводного двигателя самолет имеет различные аккумуляторы энергии, с помощью которых реализуется даже пусковой режим для набора высоты самолетом.

Задачей настоящего изобретения является необходимость сделать свойства различных турбинных, турбовинтовых и снабженных поршневым двигателем приводов более простыми, более легко изучаемыми и более просто тренируемыми для учеников пилота.

Задача решается посредством способа согласно пункту 1 формулы изобретения, приводного устройства согласно пункту 4 формулы изобретения, а также самолета согласно пункту 28 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования изобретений представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Посредством изобретения является возможным, что с помощью одного единственного тренировочного самолета могут симулироваться различные целевые самолеты относительно их приводной характеристики. Кроме того, соответствующий изобретению способ позволяет в самолете подготовить (предоставить) предварительно определенную номинальную приводную характеристику, как она должна ожидаться также у целевого самолета, для которого должен обучаться ученик пилота. При этом номинальная приводная характеристика может включать в себя поле характеристик вращающий момент - число оборотов или данные для характеристик параметров срабатывания или и то и другое. Для этого соответствующий изобретению способ предусматривает приведение в действие элемента создания тяги самолета посредством электродвигателя, который имеет фактическую приводную характеристику, которая по меньшей мере частично включает в себя номинальную приводную характеристику. В противоположность этому, фактическая приводная характеристика, как правило, не идентична номинальной приводной характеристике, а наоборот, фактическая приводная характеристика частично отличается от номинальной приводной характеристики, поскольку, например, посредством электродвигателя может настраиваться комбинация вращающий момент - число оборотов, которая не попадает в номинальную приводную характеристику, или поскольку электродвигатель имеет большую динамику, чем установлено посредством номинальной приводной характеристики.

Поэтому соответствующий изобретению способ включает в себя второй этап, согласно которому рабочие точки электродвигателя устанавливаются (настраиваются) посредством управляющего устройства исключительно согласно номинальной приводной характеристике. Другими словами, при эксплуатации электродвигателя его фактическая приводная характеристика ограничивается в том отношении, что электродвигатель, с точки зрения ученика пилота, ведет себя как совершенно другой двигатель с полем характеристик вращающий момент - число оборотов и/или характеристикой параметра срабатывания, как оно установлено посредством номинальной приводной характеристики.

Посредством соответствующего изобретению способа предпочтительным образом летная тренировка для целевого самолета может быть осуществлена посредством другого тренировочного самолета. Таким образом, летная тренировка на целевом самолете может заменяться соответствующей тренировкой на упомянутом тренировочном самолете за счет того, что приводная характеристика тренировочного самолета настраивается на номинальную приводную характеристику. У больших целевых самолетов имеет значение меньший расход топлива и связанное с этим меньшее загрязнение окружающей среды. Также, для тренировки уже не требуется предоставлять в распоряжение так много целевых самолетов, а также необходимую для этого инфраструктуру.

Соответствующее изобретению приводное устройство позволяет осуществление соответствующего изобретению способа. Для этого приводное устройство имеет элемент создания тяги для создания силы тяги, который, в частности, включает в себя свободнодвижущийся воздушный винт или туннельный воздушный винт (турбовентиляторный реактивный двигатель). Далее, предоставлен электродвигатель для вращательного приведения в действие элемента создания тяги. Управляющее устройство выполнено для установки рабочей точки электродвигателя. В случае управляющего устройства речь может идти, например, о преобразователе переменного тока и относящемся к нему регулирующем устройстве, причем посредством преобразователя переменного тока из питающего постоянного напряжения генерируется трехфазный ток для электродвигателя, причем переменная частота устанавливается в зависимости от управляющего сигнала регулирующего устройства.

Наконец, соответствующее изобретению приводное устройство включает в себя еще исполнительное устройство для выбора пилотом рабочей точки. Исполнительное устройство, в частности, включает в себя рычаг управления тягой. Согласно изобретению, управляющее устройство теперь рассчитано для того, чтобы на основании фактической приводной характеристики электродвигателя воссоздавать предварительно определенную номинальную приводную характеристику (т.е., например, характеристику определенного целевого самолета) и, кроме того, при приведении в действие исполнительного устройства устанавливать рабочую точку исключительно согласно номинальной приводной характеристике.

В управляющем устройстве сохранено несколько номинальных приводных характеристик. Соответственно, управляющее устройство в таком случае рассчитано на то, чтобы в зависимости от приведения в действие устройства выбора, которое может представлять собой компонент управляющего устройства, осуществлять переключение между номинальными приводными характеристиками. Вследствие этого является возможным воссоздание нескольких различных целевых самолетов с различной приводной характеристикой с помощью одного единственного тренировочного самолета.

При этом установка рабочих точек согласно номинальной приводной характеристике может включать в себя два аспекта, а именно вопрос, какие рабочие точки (комбинация вращающий момент - число оборотов) могут устанавливаться, и вопрос, с какой динамикой осуществляется изменение между текущей рабочей точкой и новой рабочей точкой.

В связи с этим одно усовершенствование соответствующего изобретению способа предусматривает, что посредством обеих приводных характеристик, т.е. фактической приводной характеристики и номинальной приводной характеристики, в каждом случае задано множество подлежащих установке рабочих точек, из которых каждая представляет одну комбинацию из значения числа оборотов и значения вращающего момента. Это усовершенствование соответствующего изобретению способа предусматривает установление посредством управляющего устройства только тех рабочих точек, которые являются общими для обеих приводных характеристик. Другими словами, посредством предварительно заданных номинальных приводных характеристик задается подмножество получаемых в общей сложности от электродвигателя рабочих точек, которыми затем посредством управляющего устройства также ограничивается приведение в действие электродвигателя. В случае этого усовершенствования способа является предпочтительным, что пилот учится управлять самолетом с ограниченным количеством возможных рабочих точек.

Кроме того, целесообразным образом в соответствующем изобретению приводном устройстве поле характеристик вращающий момент - число оборотов сохранено (записано) в управляющем устройстве. Поле характеристик может быть сформировано из множества пар значений вращающий момент - число оборотов для возможных, принимаемых рабочих точек. Однако поле характеристик также может быть описано параметрическими математическими функциями. Далее, целесообразным образом управляющее устройство рассчитано для того, чтобы в зависимости от положения исполнительного устройства, то есть, например, рычага управления тягой, выбирать рабочую точку из поля характеристик вращающий момент - число оборотов и устанавливать ее у электродвигателя известным самим по себе образом.

Одно другое усовершенствование способа предусматривает то, что посредством обеих приводных характеристик в каждом случае определена одна приводная динамика, посредством которой получается определенное временное изменение вращающего момента и/или числа оборотов электродвигателя при смене актуальной рабочей точки на новую рабочую точку. Далее, это усовершенствование способа предусматривает, что электродвигатель приводится в действие посредством управляющего устройства исключительно с такой приводной динамикой, которая предварительно задается посредством номинальной приводной характеристики. Разумеется, это происходит в рамках действительно реализуемой посредством фактической приводной характеристики приводной динамики электродвигателя. Это усовершенствование способа имеет преимущество в том, что пилот учится оценивать характеристику параметра срабатывания различных целевых самолетов.

Кроме того, в соответствующем изобретению приводном устройстве целесообразным образом данные для приводной динамики сохранены в управляющем устройстве, причем в таком случае управляющее устройство рассчитано для того, чтобы в зависимости от указанных данных со временем изменять вращающий момент и/или число оборотов электродвигателя при приведении в действие исполнительного устройства. В случае этих данных речь может идти о заданных по точкам характеристических кривых или о параметрических математических функциях, причем в качестве описания приводной динамики посредством этих данных устанавливается, как, исходя из определенной рабочей точки при изменении положения исполнительного элемента исполнительного устройства, увеличить или соответственно уменьшить вращающий момент и/или число оборотов во времени.

Предварительно заданная номинальная приводная характеристика включает в себя предпочтительно поле характеристик вращающий момент - число оборотов определенного типа двигателя, предпочтительно двигателя внутреннего сгорания, в частности привода с поршневым двигателем, турбинного привода или турбовинтового привода. Приводные характеристики таких двигателей внутреннего сгорания, как правило, включают в себя меньше рабочих точек, соответственно, менее значительную динамику, чем приводная характеристика электродвигателя. Таким образом, с помощью соответствующего изобретению приводного устройства можно в полном объеме воспроизводить (имитировать) номинальную приводную характеристику такого двигателя.

Электродвигатель предпочтительно является составной частью последовательного гибридного приводного устройства. У такого приводного устройства электроэнергия для эксплуатации электродвигателя предоставляется посредством двигателя внутреннего сгорания, который приводит в действие генератор. В виде опции еще может быть предусмотрено питание посредством аккумуляторной батареи или системы топливных элементов. Предоставляемая генератором или в случае необходимости аккумуляторной батареей, соответственно, системой топливных элементов электрическое напряжение предоставляется в качестве выпрямленного напряжения, соответственно, в качестве постоянного напряжения в промежуточном контуре, к которому также подключен преобразователь переменного тока для приведения в действие электродвигателя. Последовательный гибридный привод имеет то преимущество, что двигатель внутреннего сгорания может приводиться в действие с оптимальным коэффициентом полезного действия при производстве электрической энергии и совершенно независимо от него может выбираться рабочая точка электродвигателя.

Альтернативный вариант осуществления приводного устройства предусматривает, что электродвигатель является составной частью параллельного гибридного приводного устройства. У такого устройства двигатель внутреннего сгорания механически, например через вал, состыкован с элементом создания тяги, т.е., например, с воздушным винтом. В этом случае электродвигатель расположен на приводном валу двигателя внутреннего сгорания или состыкован с ним через ремень и может вследствие этого создавать дополнительный вращающий момент для привода элемента создания тяги. Преимуществом данного варианта осуществления является то, что электродвигатель с незначительными конструктивными затратами может интегрироваться в уже существующую приводную систему учебного самолета.

Как уже было сказано, изобретение включает в себя также самолет. Он имеет вариант осуществления соответствующего изобретению приводного устройства.

В дальнейшем изобретение еще раз более точно поясняется на основании конкретного примера осуществления. Показано:

Фиг. 1 - схематическое изображение предпочтительного варианта осуществления соответствующего изобретению приводного устройства; и

Фиг. 2 - диаграмма со схематизированными линиями приводных характеристик.

В поясняемом далее примере описанные компоненты приводного устройства представляют собой в каждом случае отдельные, подлежащие рассмотрению независимо друг от друга признаки изобретения, которые развивают изобретение также соответственно независимо друг от друга и тем самым также могут по отдельности или в другой, чем показанная комбинация, рассматриваться в качестве составной части изобретения. Кроме того, описанный вариант осуществления также может быть дополнен другими уже описанными признаками.

На фиг. 1 показано приводное устройство 10 самолета, например легкого самолета. Воздушный винт 12 для создания силы тяги для полета самолета вращается посредством вала 4 электродвигателя 16. В случае электродвигателя 16 речь может идти, например, о синхронной электрической машине, в частности о синхронной электрической машине с включенными постоянными магнитами. Электродвигатель 16 приводится в действие известным образом через кабель 18 с помощью многофазного тока. Кабель 18 подключен к выполненному с возможностью управления преобразователю 20 переменного тока промежуточного контура 22. Посредством преобразователя 20 переменного тока приложенное между электрическими проводами промежуточного контура 22 выпрямленное электрическое напряжение преобразуется в многофазное переменное напряжение также известным образом. Выпрямленное напряжение создается генератором 24, который подводит его в промежуточный контур 22 через выпрямитель тока. Генератор 24 приводится в действие двигателем 26 внутреннего сгорания. К промежуточному контуру 22 дополнительно подключена батарея 28, которая может заряжаться электрической энергией из генератора 24 через промежуточный контур 22. Батарея 28 рассчитана для того, чтобы снабжать электродвигатель 16 при старте самолета дополнительной электрической энергией. В целом, приводное устройство 10 представляет собой последовательную гибридную приводную систему. Вместо батареи 28 или дополнительно к ней может быть предоставлена система топливных элементов в качестве другого источника энергии.

Вместо показанной на фиг.2 прямой стыковки электродвигателя 16 с воздушным винтом 12 через вал 14 электродвигатель 16 также может быть состыкован с воздушным винтом 12 посредством передачи. Она возможна, в общем, во всех вариантах осуществления соответствующего изобретению приводного устройства. Посредством передачи получается преимущество, что определенная тяга, которую должен создавать воздушный винт 12, может предоставляться электродвигателем 16 при комбинации из вращающего момента и числа оборотов, которая отличается от комбинации вращающий момент - число оборотов воздушного винта 12. Это может давать преимущества в отношении износа и коэффициента полезного действия электродвигателя. Также, двигатель 26 внутреннего сгорания может быть механически состыкован с генератором 24 через передачу. Это также возможно во всех вариантах осуществления соответствующего изобретению приводного механизма.

Приводная характеристика электродвигателя 16 имеет большее поле возможных рабочих точек (комбинации вращающий момент - число оборотов), чем сопоставимый двигатель внутреннего сгорания, как он используется в традиционном самолете для вращательного привода вала 14 и тем самым воздушного винта 12. Также, электродвигатель 16 срабатывает быстрее, т.е. его динамика больше, чем динамика у сопоставимого типичного двигателя внутреннего сгорания для самолета описанного здесь типа.

Через электронное регулирующее устройство 30 электродвигателя 16 у приводного устройства 10 посредством соответствующего программирования управление преобразователем 20 переменного тока сконфигурировано таким образом, что либо только характеристика параметра срабатывания, либо только поле характеристик вращающий момент - число оборотов, либо и то и другое совместно от различных типов двигателей внутреннего сгорания устанавливается посредством приводного устройства 10. Соответствующие данные для этих различных номинальных приводных характеристик сохранены в данном примере в управляющем устройстве 30. Пилот самолета может выбирать желаемую, моделируемую посредством регулирующего устройства 30 номинальную приводную характеристику через исполнительное устройство 32, например через меню выбора на дисплее в кабине пилота или через переключатель. В соответствии с выбором устанавливаются значения для управляющего параметра регулирования электродвигателя 16 в регулирующем устройстве 30. Кроме того, электрическое приводное устройство 10 реагирует на движение рычага управления тягой и положение рычага управления тягой находящегося в кабине пилота и используемого пилотом рычага управления тягой точно так же, как это было бы у воссоздаваемого двигателя внутреннего сгорания и/или всего воссоздаваемого целевого самолета с выбранной номинальной приводной характеристикой. Пилот получает вследствие этого ощущение целевого самолета еще до того, как он первый раз полетит.

Для пояснения способа управления на фиг. 2 изображено сравнение поля 34 характеристик вращающий момент - число оборотов электрического двигателя 16. Посредством поля 34 характеристик показано, какой вращающий момент М при каком числе n оборотов может создавать электродвигатель 16. Поле 34 характеристик электродвигателя 16 показывает, что может устанавливаться любая произвольная рабочая точка (M-n комбинация) между значением М=0 и зависящим от числа оборотов максимальным значением, которое определено посредством ограничительной линии 36. По сравнению с этим на фиг.2 также изображено поле 38 характеристик двигателя внутреннего сгорания, которое ограничено сверху посредством кривой 40 полной нагрузки. Кривая полной нагрузки получается при полностью открытом дроссельном клапане двигателя внутреннего сгорания. Поле 38 характеристик в отношении низких вращающих моментов образовано нижней параметрической кривой 42, ниже которой не могут получаться значения, так как в противном случае дроссельный клапан должен был бы открываться так далеко, что двигатель внутреннего сгорания застопорился бы. Другие ограничения формируют минимальное число 44 оборотов и максимальное число 48 оборотов. Заданная посредством поля 38 характеристик номинальная приводная характеристика двигателя внутреннего сгорания является полностью охваченной полем 34 характеристик, т.е. содержится в нем. Таким образом, посредством приводного устройства 10 поведение двигателя внутреннего сгорания полностью воспроизводится полем 38 характеристик. Кроме этого, при эксплуатации электродвигателя 16 посредством регулирующего устройства 30 устанавливаются исключительно те рабочие точки (комбинация M-n), которые предварительно заданы посредством поля 38 характеристик.

Для реализации изобретения не является необходимым, чтобы поле характеристик, которое задано посредством номинальной приводной характеристики, полностью охватывалось полем 34 характеристик электродвигателя. Для тренировки определенных маневров самолета может быть достаточным, если посредством приводного устройства 10 будут устанавливаться исключительно необходимые для тренировки рабочие точки. Кроме этого, на фиг. 2 показано другое поле 50 характеристик, которое аналогично полю 38 характеристик задано посредством рабочих точек, которые лежат между верхней параметрической кривой 52 и нижней параметрической кривой 54. Как показывает фиг. 2, посредством приводного устройства 10 могут устанавливаться все те рабочие точки описанного полем 50 характеристик двигателя внутреннего сгорания, которые являются общими для полей 50 и 34 характеристик.

Аналогичным образом, как это наглядно пояснено на основании фиг. 2 с помощью указанных рабочих точек, посредством приводного устройства 10 также может устанавливаться динамика двигателя внутреннего сгорания.

Преимущество для обучения летного состава в случае тренировочного самолета, который снабжен электрическим приводом воздушного винта и, соответственно, запрограммированным управлением привода, состоит в том, что могут изучаться и тренироваться свойства различных турбинных, турбовинтовых и снабженных поршневым двигателем приводов.