DE102017110006A1

DE102017110006A1 - Verfahren und Hubschrauber mit Einrichtungen zur Stabilisierung einer an eine Außenwinde des Hubschraubers angehängten Außenlast

Info

Publication number: DE102017110006A1
Application number: DE102017110006.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kessler; Daniel Benjamin Nonnenmacher; Joachim Götz; Uwe Arnold
Original assignee: ZF Luftfahrttechnik GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Airbus Helicopters Technik GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: DE102017110006B4

Abstract

Zum Stabilisieren einer über ein von einer Seiltrommel (11) ablaufendes Lastseil (10) einer Außenwinde (1) seitlich an eine Hubschrauberzelle (6) eines Hubschraubers (35) angehängten Außenlast (23) werden Bewegungen der Außenlast (23) erfasst und wird ein Seilauslass (12), der das von der Seiltrommel (11) ablaufende Lastseil (10) führt, zum aktiven Dämpfen von Pendelbewegungen der Außenlast (23) abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast (23) um eine mit Abstand oberhalb des Seilauslasses (12) horizontal verlaufende erste Schwenkachse (15) und um eine quer zu der ersten Schwenkachse (15) verlaufende zweite Schwenkachse (18) aktiv gegenüber der Hubschrauberzelle (6) verschwenkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren einer über ein von einer Seiltrommel ablaufendes Lastseil einer Außenwinde seitlich an eine Hubschrauberzelle eines Hubschraubers angehängten Außenlast, das die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Außenwinde für einen Hubschrauber, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11 aufweist, sowie auf einen Hubschrauber mit einer solchen Außenwinde.
Hubschrauber zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, Lasten an entlegene Orte zu transportieren oder dort aufzunehmen, die mit konventionellen Transportmitteln nicht erreicht werden können. Eine Art des Lastentransports per Hubschrauber ist dabei der Transport als Außenlast, bei dem die Last entweder mittels eines Seilgeschirrs in festen Punkten an den Hubschrauber angehängt wird oder bei dem die Last an das Lastseil einer Außenwinde des Hubschraubers angehängt wird. Da eine solche Außenwinde häufig bei der Rettung und Bergung von Personen aus der Luft eingesetzt wird, wird sie auch als Rettungswinde bezeichnet.
Durch die Erweiterung des Systems Hubschrauber um das System Seilgeschirr oder Rettungswinde mit Außenlast wird die Komplexität des zu fliegenden Gesamtsystems erhöht. So wird durch die angehängte Außenlast die Systemdynamik verändert, und insbesondere werden die Flugeigenschaften des Hubschraubers verschlechtert. Darüber hinaus werden die Aufgaben des Piloten bei der Hubschraubersteuerung um die Aufgabe der Kontrolle der Außenlast erweitert. Beide Aspekte bedeuten eine Erhöhung der Belastung des Piloten, was zu einer Verringerung der Flugsicherheit führt.
Beim Transport von Außenlasten besteht die Gefahr unkontrollierter, niederfrequenter Pendelbewegungen infolge aerodynamischer Störungen und/oder von Steuereingaben des Piloten. Insbesondere im Transport von Außenlasten unerfahrene Piloten können durch ihre intuitiven Steuereingaben die Pendelbewegung der Außenlast weiter anfachen anstatt diese abzudämpfen. Im Extremfall berührt die pendelnde Außenlast den Haupt- oder Heckrotor des Hubschraubers und wird so zur Absturzursache.
Um Hubschrauberaußenlasten automatisch zu stabilisieren, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, bei denen zunächst mit Hilfe einer geeigneten Sensorik die Außenlastbewegung erfasst wird. Bei einigen dieser Verfahren erfolgt die Erfassung der Bewegung der Außenlast mittels einer Kamera. Aus der Position der Außenlast im Bild der Kamera lässt sich bei Kenntnis der Seillänge der Pendelwinkel ermitteln. Aus der Änderung des Pendelwinkels lassen sich die Pendelraten berechnen. Diese Größen werden für die automatische Außenlaststabilisierung in Bezug auf ein Koordinatensystem benötigt, das in Richtung des Hubschraubers ausgerichtet ist, d. h. die Pendelwinkel und Pendelraten müssen in Längs- und Querrichtung des Hubschraubers bekannt sein.
Aus der DE 20 2010 002 309 U1 ist eine Reglereinrichtung für Helikopter bekannt, die eine vom Helikopter in Richtung Erdboden an mindestens einem Tragseil hängende Außenlast stabilisiert. Die Reglereinrichtung ist zur Erzeugung von auf Steuersignale zur Flugsteuerung des Helikopters aufprägbare Regelsignale eingerichtet und umfasst mindestens eine Lastpendelerfassungseinheit zur Erfassung der Pendelbewegung der Außenlast in lateraler und longitudinaler Richtung bezogen auf die Längsachse des Helikopters. Die Reglereinrichtung ist zur Umrechnung der erfassten Größen für die Pendelbewegung auf das geodätische Koordinatensystem und zur Generierung der Regelsignale in Abhängigkeit von den auf das geodätische Koordinatensystem umgerechneten Größen für die Pendelbewegung und in Abhängigkeit von der Masse der Außenlast und der Tragseillänge als Parameter für den Regler eingerichtet. Die Lastpendelerfassungseinheit umfasst mindestens eine an der Unterseite des Helikopters anbaubare Bilderfassungseinheit zur Aufnahme von Bildern oder Bildfolgen mit der pendelnden Außenlast und eine zur Ermittlung der Pendelbewegung der Außenlast aus den aufgenommenen Bildern eingerichtete Bildauswerteeinheit. Konkret handelt es sich bei der Bilderfassungseinheit um eine Kamera.
Aus der US 6,334,590 B1 ist ein Hubschrauber mit einer Außenwinde an einem um eine etwa vertikale, seitlich von der Längsmittelebene des Hubschraubers verlaufende Schwenkachse ausschwenkbaren Windenarm bekannt. Dies ist die bei Außenwinden übliche Art der beweglichen Abstützung einer Außenwinde an der Hubschrauberzelle, um die Außenwinde aus einer Transportposition, in der sie eine Türöffnung einer Hubschrauberkabine frei lässt, in eine Einsatzposition vor der Türöffnung zu bringen.
Aus T.S. Garnett, Jr. et al.: Design and Flight Test of the Active Arm External Load Stabilization System (AAELSS II), presented at the 32nd Annual National V/STOL Forum of the American Helicopter Society, Washington, DC, May 1976, Preprint No. 1043 sind ein Verfahren zum Stabilisieren einer über eine Winde an eine Hubschrauberzelle eines Hubschraubers angehängten Außenlast und ein entsprechender Hubschrauber bekannt. Hier verläuft ein Lastkabel, über das die Außenlast an die Hubschrauberzelle angehängt ist, von der Winde zunächst durch einen pendelnd an eine Konsole angehängten Arm, dessen Pendelwinkel in Längsrichtung und in Querrichtung des Hubschraubers erfasst werden. Die Konsole ist im Bereich der Längsmittelebene des Hubschraubers und dabei im unteren Teil der Hubschrauberzelle in Längsrichtung und in Querrichtung verfahrbar gelagert. Abhängig von den erfassten Pendelwinkeln wird die Konsole aktiv gegenüber der Hubschrauberzelle in Längsrichtung bzw. in Querrichtung verfahren, um Pendelbewegungen der Außenlast zu dämpfen. Konkret betrifft das als AAELSS II bezeichnete Konzept die Dämpfung von Pendelbewegungen einer über zwei in der Längsmittelebene eines zweirotorigen Hubschraubers hintereinander liegende Lastkabel an die Hubschrauberzelle angehängten Außenlast. Dabei ist jedes der Lastkabel normalerweise in dem oberen Ende von einem von zwei Armen festgelegt, die jeweils an eine in Längsrichtung und in Querrichtung verfahrbare Konsole angehängt sind. Lasthaken an den freien Enden der Lastkabel sind durch ein Längskabel miteinander verbunden, das die beiden Lastkabel und die sie führenden Arme parallelisiert. Pendelbewegungen der Außenlast in Querrichtung werden durch eine gemeinsame Querbewegung der beiden Konsolen und Pendelbewegungen in Längsrichtung durch eine gemeinsame Längsbewegung der beiden Konsolen gedämpft.
R. Enns et al.: Adaptive Vehicle Management Systems Phase I Overview, presented at the American Helicopter Society 69^th Annual Forum, Phoenix, Arizona, May 21-23, 2013 berichten von Tests eines als aktiver Lasthaken (Active Cargo Hook) bezeichneten Systems, das mit einem als aktiver Lastarm (Active Cargo Arm) bezeichneten System verglichen wird. Der aktive Lastarm, der Ähnlichkeit zu dem bereits in den 70er Jahren getesteten AAELSS besitzt, ist an der Unterseite einer Hubschrauberzelle angelenkt, und von seinem freien Ende führt ein Lastkabel zu der Außenlast. Durch aktives Verschwenken des Lastarms können Kräfte zum Dämpfen einer Pendelbewegung der Außenlast aufgebracht werden. Beim System des aktiven Lasthakens wird hingegen auf den Lastarm verzichtet und der Lasthaken unmittelbar über Aktuatoren translatorisch in Quer- und Längsrichtung relativ zum Hubschrauber verschoben. In den berichteten Tests hat sich der aktive Lasthaken gegenüber dem aktiven Lastarm als vorteilhaft herausgestellt. Zukünftig soll der aktive Lasthaken mit Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen einer Außenlast verglichen werden, die über die Hubschraubersteuerung arbeiten. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Hybridverfahren, das ein Kabelwinkelfeedbacksignal sowohl für das Flugsteuerungssystem zur Verbesserung der Flugeigenschaften als auch für den aktiven Lasthaken zur Lastdämpfung verwendet, Vorteile sowohl in Bezug auf die Flugeigenschaften als auch Vorteile in Bezug auf die Lastdämpfung hat.
Die DE 10 2013 111 560 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Flugzustands eines Hubschraubers mit einer an den Hubschrauber angehängten Außenlast. Die Außenlast ist über ein Seil und eine Seilwinde mit einer zum Aufwickeln des Seils verdrehbaren Trommel an den Hubschrauber angehängt. Der aktuelle Flugzustand des Hubschraubers während des Flugs wird erfasst, und die von der Trommel abgewickelte Seillänge wird in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand derart verändert, dass sich ein Abstand der Außenlast von ihrem Aufhängepunkt an dem Hubschrauber ändert. Damit wird auf eine Pendelbewegung der Außenlast um den Aufhängepunkt Einfluss genommen, um den Flugzustand des Hubschraubers und der Außenlast zu stabilisieren.
Aus der WO 2016/007796 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren einer über eine Außenwinde seitlich an eine Hubschrauberzelle eines Hubschraubers angehängten Außenlast bekannt. Dabei werden mit Erfassungseinrichtungen Bewegungen der Außenlast gegenüber der Hubschrauberzelle erfasst und mit Dämpfungseinrichtungen die Pendelbewegungen der Außenlast gegenüber der Hubschrauberzelle durch Auf- und/oder Abwickeln des Lastseils der Außenwinde aktiv gedämpft.
Aus der JP 2002-137888 A sind eine Kranvorrichtung und eine Lastaufhängungssteuervorrichtung zur Verwendung mit der Kranvorrichtung bekannt. Die Lastaufhängungssteuervorrichtung dient zur Dämpfung von Oszillationen eines angehängten Containers. Sie umfasst sechs Linearaktuatoren an einem längs einer Transportstrecke verfahrbaren Wagen und eine an dem Wagen über die Linearaktuatoren verstellbar abgestützte Plattform. An die Plattform ist über Lastseile eine Greifvorrichtung für einen Container angehängt. Auf die Plattform einwirkende Kräfte und Drehmomente werden erfasst und zur Berechnung von Gegenkräften und Gegenmomenten verwendet, um Schwingungen des über die Greifvorrichtung angehängten Containers zu dämpfen.
Aus der DE 10 2011 106 489 A1 ist ein Lastträger zum Ausrichten einer Außenlast eines Fluggeräts bekannt. Der Lastträger umfasst eine Trägereinheit zum Befestigen des Lastträgers an dem Fluggerät, eine Lasteinheit zum Befestigen der Außenlast und eine Lagereinheit zum Schwenken der Lasteinheit gegenüber der Trägereinheit. Die Lagereinheit weist wenigstens ein bogenförmiges Schienenelement und wenigstens ein Wagenelement auf, das entlang des Schienenelements verschiebbar ist. Das bogenförmige Schienenelement umfasst ein Kreissegment, so dass die Lasteinheit gegenüber der Trägereinheit um eine Schwenkachse verschwenkbar ist.
Aus der EP 2 543 594 A2 ist eine Vorrichtung zur Befestigung eines Lastanhängemittels an einer Kabine eines Luftfahrzeugs und zur Kontrolle der Neigung des Lastanhängemittels relativ zu der Kabine bekannt. Die Vorrichtung ist mit einem Abwurfhaken versehen, der ein Lastanhängemittel trägt, und mit einem Stab, der sich längs einer Erstreckungsachse von einem ersten unteren Ende zu einem oberen zweiten Ende erstreckt. Das erste Ende ist mit dem Abwurfende fest verbunden, und das zweite Ende ist mit einem Gelenkbefestigungsmittel versehen, das an der Kabine befestigt ist. Die Vorrichtung weist weiter eine Platte auf, die über mindestens drei elastische Organe, die jeweils mit einem Verbindungsmittel versehen sind, mit der Kabine verbunden ist. Dabei ist diese Platte um den Stab herum an diesem mit Hilfe eines gleitenden Hauptkugelgelenks befestigt, damit die Platte gleichzeitig relativ zu dem Stab schwingen und entlang der Erstreckungsachse dieses Stabs gleiten kann. Jedes elastische Organ ist an der Platte über ein Gelenk angelenkt. Jedes elastische Organ weist einen Bewegungsdetektor auf, der mit einem Alarmmittel verbunden ist, um nach einem Verschwenken der Platte über einen Grenzwinkel hinaus einen Alarm auszulösen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Außenwinde zum Stabilisieren einer über ein von einer Seiltrommel ablaufendes Lastseil einer Außenwinde seitlich an eine Hubschrauberzelle eines Hubschraubers angehängten Außenlast und einen mit einer solchen Außenwinde ausgestatteten Hubschrauber aufzuzeigen, mit denen Pendelbewegungen der Außenlast derart effizient gedämpft werden, dass die Flugeigenschaften des Hubschraubers durch die angehängte Außenlast minimal beeinträchtigt werden. Dabei soll die Außenwinde auch zum Nachrüsten vorhandener Hubschrauber geeignet sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, eine Außenwinde mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 2 und einen Hubschrauber mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Außenwinde und des erfindungsgemäßen Hubschraubers sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Stabilisieren einer über ein von einer Seiltrommel ablaufendes Lastseil einer Außenwinde seitlich an eine Hubschrauberzelle eines Hubschraubers angehängten Außenlast umfasst das Erfassen der Bewegungen der Außenlast und das aktive Verschwenken eines Seilauslasses, der das von der Seiltrommel ablaufende Lastseil führt, zum aktiven Dämpfen von Pendelbewegungen der Außenlast. Dabei erfolgt das aktive Verschwenken abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast und um eine mit Abstand oberhalb des Seilauslasses horizontal verlaufende erste Schwenkachse sowie um eine quer zu der ersten Schwenkachse verlaufende zweiten Schwenkachse gegenüber der Hubschrauberzelle.
Der Seilauslass, der das von der Seiltrommel ablaufende Lastseil führt, bildet einen effektiven Anhängepunkt des Lastseils an die Hubschrauberzelle aus. Durch das Verschwenken des Seilauslasses um die erste und die zweite Schwenkachse wird der Seilauslass im Wesentlichen quer zu der ersten Schwenkachse und zu der dazu quer verlaufenden zweiten Schwenkachse und damit im Wesentlichen in zwei linear unabhängigen horizontalen Richtungen gegenüber der Hubschrauberzelle verlagert. Eine derartige horizontale Verlagerung des Anhängepunkts des Lastseils ist geeignet, um in definierter Weise auf die Pendelbewegungen des aus dem Lastseil und der angehängten Außenlast gebildeten Pendels dämpfenden Einfluss zu nehmen. Das Wirkprinzip der Lastpendeldämpfung kann insbesondere darauf beruhen, dass durch die Lastaufhängepunktverschiebung die Außenlast möglichst frei von Querkräften gestellt wird. Folgt der Lastaufhängepunkt der Bewegung der Außenlast hat dies eine dämpfende Wirkung.
Für die Abminderung der Pendelbewegung der Außenlast durch aktive Verlagerung des Anhängepunkts, indem der Seilauslass aktiv um die erste und die zweite Schwenkachse verschwenkt wird, ist es unschädlich, dass durch das Verschwenken des Seilauslasses keine exakt lineare horizontale Bewegung des Anhängepunkts hervorgerufen wird, sondern der Seilauslass und damit der effektive Anhängepunkt auf einer Kreisbahn um die erste bzw. die zweite Schwenkachse geführt wird. Bei kleinen Schwenkwinkeln sind die Abweichungen der Kreisbahn von einer Geraden nur klein. Bei größeren Schwenkwinkeln kann die Abweichung der Kreisbahn von der Geraden bei dem aktiven Verschwenken des Seilauslasses berücksichtigt werden. Diese Berücksichtigung kann ein aktives Abwickeln und Wiederaufwickeln einer kleinen Länge des Lastseils umfassen. Häufig ist aber gar keine Berücksichtigung der Abweichung der Kreisbahn von einer linearen Bewegung beim Verfahren des effektiven Anhängepunkts durch aktives Verschwenken des Lastseilauslasses erforderlich, auch wenn dieses Verschwenken über größere Winkel erfolgt.
Umgekehrt ist ein um zwei Schwenkachsen verschwenkbarer Seilauslass mit viel geringerem konstruktiven Aufwand bereitstellbar als ein linear verfahrbarer Anhängepunkt für das Lastseil. Hierfür reicht eine schwenkbare Lagerung um die erste und die zweite Schwenkachse gegenüber der Hubschrauberzelle aus, die durch ein zweiachsiges oder zwei in Reihe geschaltete einachsige Schwenklager bereitgestellt werden kann.
Bei einer erfindungsgemäßen Außenwinde für einen Hubschrauber mit Stabilisierungseinrichtungen zum Stabilisieren einer über ein von einer Seiltrommel ablaufendes Lastseil der Außenwinde seitlich an eine Hubschrauberzelle des Hubschraubers angehängten Außenlast, wobei die Stabilisierungseinrichtungen Erfassungseinrichtungen zum Erfassen von Bewegungen der Außenlast und Dämpfungseinrichtungen umfassen, verschwenken die Dämpfungseinrichtungen einen Seilauslass, der das von der Seiltrommel ablaufende Lastseil führt und der gegenüber der Hubschrauberzelle um eine mit Abstand oberhalb des Seilauslasses horizontal verlaufende erste Schwenkachse und um eine mit Abstand zu dem Seilauslass quer zu der ersten Schwenkachse verlaufende zweite Schwenkachse verschwenkbar gelagert ist, zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast aktiv um die erste Schwenkachse und um die zweite Schwenkachse gegenüber der Hubschrauberzelle.
Die erfindungsgemäße Außenwinde setzt mit ihrer Stabilisierungseinrichtung das erfindungsgemäße Verfahren um. Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert, die sowohl ihre Ausformung als Verfahren als auch als Vorrichtung betreffen, soweit nichts anderes angegeben ist.
Wenn die erste Schwenkachse zumindest in einer Arbeitsstellung der Außenwinde parallel zur Hubschrauberlängsachse verläuft, wird beim Verschwenken des Seilauslasses um die erste Schwenkachse der effektive Anhängepunkt des Lastseils zumindest in dieser Arbeitsstellung der Außenwinde in Hubschrauberquerrichtung verlagert.
Die zweite Schwenkachse verläuft vorzugsweise ebenfalls mit Abstand oberhalb des Seilauslasses horizontal. Sie kann dabei die erste Schwenkachse orthogonal schneiden. Wenn die erste Schwenkachse in der Arbeitsstellung der Außenwinde parallel zur Hubschrauberlängsachse verläuft, verläuft die zweite Schwenkachse dann in dieser Arbeitsstellung der Außenwinde in Hubschrauberquerrichtung, und das Verschwenken des Seilauslasses um die zweite Schwenkachse verlagert den effektiven Anhängepunkt des Lastseils im Wesentlichen parallel zur Hubschrauberlängsachse.
Konkret realisiert werden können die erste und die zweite Schwenkachse dadurch, dass eine die Seiltrommel und den Seilauslass umfassende Basis der Außenwinde um die erste Schwenkachse und um die zweite Schwenkachse verschwenkbar ist. Bei einem Verschwenken der Basis zum Verschwenken des Seilauslasses wird dann auch die Seiltrommel mit verschwenkt, so dass sich die effektive abgewickelte Seillänge des Lastseils zwischen der Außenlast und dem Seilauslass beim Verschwenken des Seilauslasses nicht ändert. Konstruktiv ist die vorliegende Erfindung besonders einfach zu realisieren, wenn eine der beiden Schwenkachsen koaxial zu einer Drehachse der Seiltrommel verläuft.
Die Pendelbewegungen der Außenlast gegenüber der Hubschrauberzelle können in einen Anteil in Hubschrauberlängsrichtung, d. h. parallel zur Hubschrauberlängsachse, und in einen Anteil in Hubschrauberquerrichtung zerlegt werden, und der Seilauslass kann zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegung der Außenlast in der Hubschrauberquerrichtung in der Hubschrauberquerrichtung verschwenkt werden, während er zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegung der Außenlast in der Hubschrauberlängsrichtung auch in der Hubschrauberlängsrichtung verschwenkt wird. Diese Zerlegung der Bewegungen der Außenlast und des entsprechenden Verschwenkens des Seilauslasses vereinfacht die Umsetzung der vorliegenden Erfindung ohne ihre Wirksamkeit zu beeinträchtigen.
Die Bewegungen der Außenlast können unter Verwendung einer an der Hubschrauberzelle gelagerten und längs des Lastseils nach unten blickenden Kamera erfasst werden. Die an der Hubschrauberzelle gelagerte Kamera erfasst die Bewegungen der Außenlast gegenüber der Hubschrauberzelle. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kamera auch beim Verschwenken des Seilauslasses um die jeweilige erste oder zweite Schwenkachse nicht auch gegenüber der Hubschrauberzelle verschwenkt wird, sondern ortsfest an der Hubschrauberzelle gelagert ist. Grundsätzlich kann die Kamera aber auch an der oben erwähnten Basis der Außenwinde ortsfest und damit beweglich gegenüber der Hubschrauberzelle gelagert sein. Dann müssen jedoch die Bewegungen der Basis bei der Auswertung der Bilder der Kamera im Hinblick auf die Bewegungen der Außenlast gegenüber der Hubschrauberzelle berücksichtigt werden.
Zusätzlich zur Erfassung der Bewegungen der Außenlast können Lagewinkel und Drehraten des Hubschraubers sowie eine abgewickelte Seillänge des Lastseils gemessen und beim Stabilisieren der Außenlast berücksichtigt werden. Insbesondere können dann Pendelwinkel und Pendelraten der Außenlast neben einem hubschrauberfesten Koordinatensystem auch in einem erdfesten Koordinatensystem bestimmt werden. In dem erdfesten Koordinatensystem auftretende Bewegungen der Außenlast treten unmittelbar gegenüber erdfesten Objekten, wie beispielsweise einem Absetzpunkt die Außenlast am Boden auf. Entsprechend kann es wichtiger sein, die Pendelbewegungen der Außenlast in dem erdfesten Koordinatensystem zu minimieren als in dem hubschrauberfesten Koordinatensystem.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast zusätzlich auch die Außenwinde auf ein Auf- oder Abwickeln des Lastseils angesteuert werden. Auf diese Weise können reale Veränderungen der Länge des Lastseils vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, durch ein gezieltes Auf- oder Abwickeln des Lastseils beim Verschwenken des Seilauslasses um die beiden Schwenkachsen unerwünscht auftretende Höhenänderungen des Seilauslasses auszugleichen.
Bei der erfindungsgemäßen Außenwinde kann die die Seiltrommel und den Seilauslass umfassende Basis der Außenwinde um die erste und die zweite Schwenkachse verschwenkbar an einem Windenarm gelagert sein, der um eine vertikale dritte Schwenkachse gegenüber der Hubschrauberzelle ausschwenkbar ist, um die Außenwinde in ihre Arbeitsstellung zu bringen. Grundsätzlich kann die vertikale Schwenkachse eines derart ausschwenkbaren Windenarms aber auch als zweite Schwenkachse zum aktiven Verschwenken des Seilauslasses genutzt werden. Dies ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass der Seilauslass beim Verschwenken mit dem Windenarm auf einem Kreisbogen in der Horizontalen bewegt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Außenwinde kann eine Kamera der Erfassungseinrichtung, die längs des Lastseils nach unten blickt, insbesondere ortsfest an dem Windenarm gelagert sein.
Insbesondere dann, wenn der Windenarm nicht nur eine eingeschwenkte Transportstellung und eine ausgeschwenkte Arbeitsstellung sondern mehrere ausgeschwenkte Arbeitsstellungen für die Außenwinde aufweist, kann ein Winkelsensor vorhanden sein, der einen Schwenkwinkel des Windenarms um die dritte Schwenkachse erfasst. Dieser Winkelsensor kann dann an die Erfassungseinrichtungen und/oder die Dämpfungseinrichtungen angeschlossen sein, die den Schwenkwinkel des Windenarms sowohl beim Erfassen der Bewegungen der Außenlast gegenüber der Hubschrauberzelle als auch beim aktiven Verschwenken des Seilauslasses um die erste und die zweite Schwenkachse berücksichtigen können. Konkret kann bei einem nicht um volle 90° sondern nur um 45° ausgeschwenkten Windenarm ein synchrones Verschwenken des Seilauslasses um die erste und die zweite Schwenkachse erforderlich sein, um den Seilauslass und damit den effektiven Anhängepunkt des Lastseils nur parallel zur Hubschrauberlängsachse oder in Hubschrauberquerrichtung zu verlagern.
Ein erfindungsgemäßer Hubschrauber weist eine erfindungsgemäße Außenwinde auf. Zusätzlich kann ein Messsystem für die Lagewinkel und Drehraten des Hubschraubers an die Erfassungseinrichtungen und/oder die Dämpfungseinrichtungen der erfindungsgemäßen Außenwinde angeschlossen sein, die die Lagewinkel und Drehraten des Hubschraubers berücksichtigen, um beispielsweise die Pendelbewegungen der Außenlast in einem ortsfesten Koordinatensystem zu minimieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Kamera die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Kamera, zwei Kameras oder mehr Kameras vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der beanspruchte Gegenstand aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist eine Draufsicht von oben auf eine erfindungsgemäße Außenwinde angeordnet vor einer seitlichen Türöffnung einer schematisch dargestellten Hubschrauberzelle.
2 ist eine seitliche Ansicht der Anordnung gemäß 1 mit Blick in Hubschrauberlängsrichtung.
3 ist eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 1, wobei in den 1 bis 3 jeweils verschiedene Betriebsstellungen der Außenwinde gezeigt sind; und
4 ist ein Signalflussdiagramm einer Implementation des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt in einer Ansicht von oben eine Außenwinde 1, die über einen Windenarm 2 und ein Schwenkgelenk 3 an einem Ausleger 4 oben vor einer seitlichen Türöffnung 5 einer Hubschrauberzelle 6 eines hier nur unvollständig dargestellten Hubschraubers 35 gelagert ist. Der Windenarm 2 ist in verschiedene Arbeitsstellungen der Außenwinde 1 mit unterschiedlichen Schwenkwinkeln um eine Schwenkachse 7 des Schwenkgelenks 3 ausschwenkbar. Dies ist durch zusätzliche Wiedergabe einer weniger weit ausgeschwenkten Außenwinde 100 illustriert. Der Schwenkwinkel des Windenarms 2 um die Schwenkachse 7 des Schwenkgelenks 3 wird mit einem Winkelsensor 8 erfasst.
An dem Windenarm 2 ist eine Kamera 9 ortsfest gelagert, die von oben auf eine Außenlast blickt, die über ein Lastseil 10 der Außenwinde 1 an die Hubschrauberzelle 6 angehängt ist. Das Lastseil 10 läuft von einer Seiltrommel 11 durch einen Seilauslass 12 nach unten zu einer angehängten Außenlast. Zum Ab- oder Aufwickeln des Lastseils 10 auf bzw. von der Seiltrommel 11 ist die Seiltrommel 11 mit einem Windenmotor 13 um eine Drehachse 14 verdrehbar. Koaxial zu der Drehachse 14 verläuft eine Schwenkachse 15, um die eine Basis 16 der Außenwinde 1 mit einem Aktuator 17 gegenüber dem Windenarm 2 verschwenkbar ist. Die Schwenkachse 15 verläuft dabei horizontal und mit Abstand oberhalb des Seilauslasses 12. Die den Seilauslass 12 und die Seiltrommel 11 umfassenden Basis 16 ist weiterhin um eine Schwenkachse 18, die ebenfalls horizontal oberhalb des Seilauslasses 12 verläuft und die Schwenkachse 15 orthogonal schneidet, mit einem weiteren Aktuator 19 gegenüber dem Windenarm 2 und damit gegenüber der Hubschrauberzelle verschwenkbar. Durch die Verschwenkbarkeit um die beiden zueinander orthogonalen horizontalen Achsen 15 und 18 ist der Seilauslass 12 mit den Aktuatoren 17 und 19 effektiv um jede horizontale Schwenkachse, die durch den Schnittpunkt 20 der beiden Schwenkachsen 15 und 18 verläuft, aktiv verschwenkbar. Durch das Verschwenken des unterhalb der Schwenkachsen 15 und 18 angeordneten Seilauslasses 12 wird dieser auch horizontal gegenüber der Hubschrauberzelle 6 bewegt, und zwar je nach Ansteuerung der Aktuatoren 17 und 19 parallel zur Hubschrauberlängsachse 21 und in Hubschrauberquerrichtung 22. So können gezielt Pendelbewegungen einer an das Lastseil 10 angehängten Außenlast gegenüber der Hubschrauberzelle 6, d. h. in einem hubschrauberfesten Bezugsystem, als auch in einem erdfesten Bezugsystem minimiert werden.
Aus 2 wird die Auswirkung eines Verschwenkens des Seilauslasses 12 um die hier parallel zur Hubschrauberlängsachse 21 orientierte Schwenkachse 15 auf die an das Lastseil 10 angehängte Außenlast 23 deutlich. Die Außenlast 23 bzw. ihr effektiver Anhängepunkt an die Hubschrauberzelle 6 wird im Wesentlichen in der Hubschrauberquerrichtung 22 bewegt und darüber hinaus vertikal angehoben, wie unter dem verschwenkten Seilauslass 120 mit der Außenlast 230 angezeigt ist.
Entsprechend illustriert 3, dass der Seilauslass 12 um die hier in Hubschrauberquerrichtung verlaufende Schwenkachse 18 verschwenkbar ist, wie wieder durch einen verschwenkten Seilauslass 120 mit entsprechend verlagerter Außenlast 230 verdeutlicht ist. Die verlagerte Außenlast 230 ist auch hier im Wesentlichen horizontal verschoben, diesmal parallel zur Hubschrauberlängsachse 21, und leicht angehoben. Das in den 2 und 3 illustrierte Anheben der Außenlast 23, 230 infolge des Verschwenkens des Seilauslasses 12, 120 kann grundsätzlich durch ein entsprechendes Abwickeln des Lastseils 10 von der Seiltrommel 11 kompensiert werden. Dies ist aber praktisch auch dann nicht notwendig, wenn die Ansteuerung der Aktuatoren 17, 19 mit dem eigentlichen Ziel einer horizontalen Verlagerung des effektiven Anhängepunkts des Lastseils 10 an die Hubschrauberzelle 6 zwecks Abmindern von Pendelbewegungen der Außenlast 23 erfolgt.
Das Signalflussdiagramm gemäß 4 illustriert, dass von Erfassungseinrichtungen 29 neben Bildern 24 der Kamera 9 und einem Schwenkwinkel 25 des Windenarms 2 von dem Winkelsensor 8 sowie einer abgewickelten Seillänge 26 von der Außenwinde 1 auch Lagewinkel und Drehraten 27 von einem Messsystem 28 des Hubschraubers 35 berücksichtigt werden. Die Erfassungseinrichtungen 29 erfassen die Bewegung der Außenlast 23, und zwar bedarfsweise in einem hubschrauberfesten und/oder einem erdfesten Koordinatensystem und mit besonderem Augenmerk auf Pendelbewegungen in dem jeweiligen Koordinatensystem. Abhängig von den erfassten Bewegungen 30 werden von einer Windensteuerung 31 die Aktuatoren 17 und 19 zum Verschwenken der Basis 16 der Außenwinde 1 und der Windenmotor 13 angesteuert. Grundsätzlich kann auch ein weiterer Aktuator zum motorischen Ausschwenken des Windenarms 2 um die Schwenkachse 7 angesteuert werden. Die Steuereinheit umfasst Dämpfungseinrichtungen 32 und einen Treiber 33 für die angeschlossenen Aktuatoren 17 und 19 bzw. den Windenmotor 13 und ggf. für einen zusätzlichen Aktuator zum motorischen Ausschwenken des Windenarms 2 um die Schwenkachse 7. Eine Rückkopplung erfolgt durch die anschließend erfassten realen Bewegungen 34 der Außenlast 23, die durch das Verschwenken des Seilauslasses 12 beeinflusst sind.
Die anhand von 4 illustrierte Implementation des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Stabilisieren einer an einen Hubschrauber 35 angehängten Außenlast greift nicht in die Flugsteuerung des Hubschraubers ein, sondern arbeitet unabhängig von dieser. Dadurch ist ein einfaches Nachrüsten eines solchen Systems in bereits bestehende Hubschraubermuster möglich. Wenn der Hubschrauber von einem Flugsteuerungssystem automatisch gesteuert wird, ist zwar dafür Rechnung zu tragen, dass es zu keinen Interferenzen zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Hubschrauberregelung kommt. Solche Interferenzen lassen sich aber in aller Regel einfach dadurch vermeiden, dass bestimmte Anregungen des Hubschraubers 35 durch die Windensteuerung 31, auf die der Hubschrauber 35 sensibel reagiert, weil sie beispielsweise eine Schwingung des Hubschraubers 35 anregen, vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Außenwinde
2: Windenarm
3: Schwenkgelenk
4: Ausleger
5: Türöffnung
6: Hubschrauberzelle
7: Schwenkachse, dritte
8: Winkelsensor
9: Kamera
10: Lastseil
11: Seiltrommel
12: Seilauslass
13: Windenmotor
14: Drehachse
15: Schwenkachse, erste
16: Basis
17: Aktuator
18: Schwenkachse, zweite
19: Aktuator
20: Schnittpunkt
21: Hubschrauberlängsachse
22: Hubschrauberquerrichtung
23: Außenlast
24: Bilder
25: Schwenkwinkel
26: abgewickelte Seillänge
27: Lagewinkel und Drehraten
28: Messsystem
29: Erfassungseinrichtungen
30: erfasste Bewegungen
31: Windensteuerung
32: Dämpfungseinrichtungen
33: Treiber
34: Bewegungen der Außenlast
35: Hubschrauber
100: Außenwinde in anderer Schwenkstellung
120: verschwenkter Seilauslass
230: verlagerte Außenlast

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202010002309 U1 [0006]
US 6334590 B1 [0007]
DE 102013111560 A1 [0010]
WO 2016/007796 A1 [0011]
JP 2002137888 A [0012]
DE 102011106489 A1 [0013]
EP 2543594 A2 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T.S. Garnett, Jr. et al.: Design and Flight Test of the Active Arm External Load Stabilization System (AAELSS II), presented at the 32^nd Annual National V/STOL Forum of the American Helicopter Society, Washington, DC, May 1976, Preprint No. 1043 [0008]

Claims

Verfahren zum Stabilisieren einer über ein von einer Seiltrommel (11) ablaufendes Lastseil (10) einer Außenwinde (1) seitlich an eine Hubschrauberzelle (6) eines Hubschraubers (35) angehängten Außenlast (23), - wobei Bewegungen der Außenlast (23) erfasst werden und - wobei Pendelbewegungen der Außenlast (23) durch aktiven Eingriff abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast (23) gedämpft werden, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Seilauslass (12), der das von der Seiltrommel (11) ablaufende Lastseil (10) führt, zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast (23) abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast (23) um eine mit Abstand oberhalb des Seilauslasses (12) horizontal verlaufende erste Schwenkachse (15) und um eine mit Abstand zu dem Seilauslass (12) quer zu der ersten Schwenkachse verlaufende zweite Schwenkachse (18) aktiv gegenüber der Hubschrauberzelle (6) verschwenkt wird.
Außenwinde (1) für einen Hubschrauber mit Stabilisierungseinrichtungen zum Stabilisieren einer über ein von einer Seiltrommel (11) ablaufendes Lastseil (10) der Außenwinde (1) seitlich an eine Hubschrauberzelle (6) des Hubschraubers (35) angehängten Außenlast (23), wobei die Stabilisierungseinrichtungen - Erfassungseinrichtungen (29) zum Erfassen von Bewegungen der Außenlast (23) und - Dämpfungseinrichtungen (32), die Pendelbewegungen der Außenlast (23) durch aktiven Eingriff abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast (23) dämpfen, umfassen, dadurch gekennzeichnet, - dass die Dämpfungseinrichtungen (32) einen Seilauslass (12), der das von der Seiltrommel (11) ablaufende Lastseil (10) führt und der gegenüber der Hubschrauberzelle (6) um eine mit Abstand oberhalb des Seilauslasses (12) horizontal verlaufende erste Schwenkachse (15) und um eine mit Abstand zu dem Seilauslass (12) quer zu der ersten Schwenkachse (15) verlaufende zweite Schwenkachse (18) verschwenkbar gelagert ist, zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast (23) abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast (23) um die erste Schwenkachse (15) und um die zweite Schwenkachse (18) aktiv gegenüber der Hubschrauberzelle (6) verschwenken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Außenwinde (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwenkachse (15) zumindest in einer Arbeitsstellung der Außenwinde (1) parallel zur Hubschrauberlängsachse (21) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 oder Außenwinde (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwenkachse (18) mit Abstand oberhalb des Seilauslasses (12) horizontal verläuft, wobei sie optional die erste Schwenkachse (15) schneidet.
Verfahren oder Außenwinde (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwenkachse (18) zumindest in einer Arbeitsstellung der Außenwinde (1) in Hubschrauberquerrichtung (22) verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5 oder Außenwinde (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Seiltrommel (11) und den Seilauslass (12) umfassende Basis (16) der Außenwinde (1) um die erste Schwenkachse (15) und die zweite Schwenkachse (18) verschwenkbar ist, wobei die erste oder die zweite Schwenkachse (15, 18) optional koaxial zu einer Drehachse (14) der Seiltrommel (11) verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Seilauslass (12) zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast (23) in Hubschrauberquerrichtung (22) in der Hubschrauberquerrichtung (22) verschwenkt wird und dass der Seilauslass (12) zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast (23) parallel zur Hubschrauberlängsachse (21) in der Hubschrauberlängsrichtung (21) verschwenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen der Außenlast (23) unter Verwendung einer an der Hubschrauberzelle (6) gelagerten und längs des Lastseils (10) nach unten blickenden Kamera (9) erfasst werden, wobei die Kamera (9) optional beim Verschwenken des Seilauslasses (12) um die jeweilige erste oder zweite Schwenkachse (15, 18) nicht gegenüber der Hubschrauberzelle (6) verschwenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lagewinkel und Drehraten (27) des Hubschraubers sowie eine abgewickelte Seillänge des Lastseils (10) gemessen werden, wobei optional Pendelwinkeln und Pendelraten der Außenlast (23) außer in einem hubschrauberfesten Koordinatensystem auch in einem erdfesten Koordinatensystem bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast (23) abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast (23) zusätzlich die Außenwinde (1) auf ein Auf- oder Abwickeln des Lastseils (10) angesteuert wird.
Außenwinde (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (16) um die erste und die zweite Schwenkachse (15, 18) verschwenkbar an einem Windenarm (2) gelagert ist, der um eine vertikale dritte Schwenkachse (7) ausschwenkbar ist.
Außenwinde (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtungen (29) eine Kamera (9) aufweisen, die längs des Lastseils (10) nach unten blickt und die die Außenlast (23) abbildet.
Außenwinde (1) nach Anspruch 12, soweit rückbezogen auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (9) ortsfest an dem Windenarm (2) gelagert ist.
Außenwinde (1) nach einem der Ansprüche 11, 12, soweit rückbezogen auf Anspruch 11, und 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelsensor vorhanden ist, der einen Schwenkwinkel des Windenarms (2) um die dritte Schwenkachse (7) erfasst, und dass der Winkelsensor an die Erfassungseinrichtungen (29) und/oder die Dämpfungseinrichtungen (32) angeschlossen sind, die den Schwenkwinkel berücksichtigen.
Außenwinde (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtungen (32) zum aktiven Dämpfen der Pendelbewegungen der Außenlast (23) abhängig von den erfassten Bewegungen der Außenlast (23) zusätzlich die Außenwinde (1) auf Auf- oder Abwickeln ihres Lastseils (10) ansteuern.
Hubschrauber (35) mit einer Außenwinde (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und 11 bis 15.
Hubschrauber (35) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem (28) für Lagewinkel und Drehraten (27) des Hubschraubers (35) an die Erfassungseinrichtungen (29) und/oder die Dämpfungseinrichtungen (32) angeschlossen sind, die die Lagewinkel und Drehraten des Hubschraubers (35) berücksichtigen.