Integrated design process for the development of semi-active landing gears for transport aircraft

Abstract

Flugzeugfahrwerke werden zur Zeit für den seltenen Fall einer harten Landung optimiert. Die sich daraus ergebende Stoßdämpferauslegung kann zu unerwünschten Schwingungen beim Rollen über unebene Start- und Landebahnen führen. Durch Strukturschwingungen kann es zu erheblichen Komforteinbußen bei Passagieren und Crew kommen. Der zugrunde liegende Zielkonflikt zwischen der Auslegung für die Landung und derjenigen für das Rollen kann durch passive Systeme nicht vollständig gelöst werden. Semi-aktive Stoßdämpfer sind dagegen in der Lage, die Rumpfschwingungen effektiv zu verringern. Gleichzeitig stellen sie eine relativ leichte und mechanisch unkomplizierte Alternative zu herkömmlichen Systemen dar. In dieser Dissertation werden drei Regelgesetze, ein Skyhook-Regler, ein Fuzzy-Regler und ein Zustandsregler, für ein semi-aktives Bugfahrwerk entworfen. Da die Strukturelastizitäten eine wichtige Rolle spielen, werden die Regelgesetze mit Methoden des Integrierten Entwurfs ausgelegt, wobei die Eigenschaften von Rumpf, Flügeln und Fahrwerk durch die Einbindung von Modellen aus verschiedenen Fachdisziplinen berücksichtigt werden. Das Flugzeugmodell wird als elastisches Mehrkörpermodell aufgebaut. Die Regelgesetze werden in einem Programm für den Reglerentwurf ausgelegt. Beim Entwurf werden die Besonderheiten der semi-aktiven Regelung berücksichtigt. Die Regler werden in die Simulationsumgebung exportiert und die endgültigen Reglerparameter durch mehrzielige Optimierung gefunden. In einem weiteren Schritt wird die Effizienz der Regler untereinander verglichen und dem Verhalten eines passiven sowie eines voll aktiven Systems gegenübergestellt. Des Weiteren wird die Abhängigkeit der Regelqualität von den Einsatzbedingungen, sowie die Beschränkungen, die sich durch den Einsatz realistischer Stellglieder ergeben, untersucht. Schließlich werden die Vor- und Nachteile der semi-aktiven Regelung diskutiert und offene Punkte angesprochen.

Aircraft landing gears are currently optimized to have optimal performance in the rare case of a hard landing. The resulting suspension layout may lead to unsatisfactory oscillations when the aircraft is taxiing on a rough runway; runway unevenness can excite elastic structural modes, leading to passenger and crew discomfort. The basic design conflict between the requirements for landing and for rolling cannot be fully overcome by a passive suspension layout. A semi-active suspension, however, is capable of reducing fuselage vibrations effectively while being relatively light-weight and of low system complexity. In the thesis, three control laws, a skyhook-type controller, a fuzzy-logic controller, and a state feedback controller are designed for the application to a semi-active suspension for an aircraft nose landing gear. The layout of the controllers is therefore undertaken using an integrated design approach. Airframe and landing gear properties are determined taking into consideration models from different engineering disciplines involved in the aircraft development process, making the oleo design part of the concurrent engineering loop. The aircraft model is set up in a multibody simulation environment. The control laws are developed in a control design tool; special consideration is given to the requirements of semi-active actuators. The controllers are exported into the simulation environment and their parameters are optimized by means of multi-objective optimization. The performance of the three control strategies are compared with each other and additionally with passive and fully active approaches. The dependence of the control performance on operational parameters is assessed, and limitations due to realistic actuator restrictions are discussed. Finally, the benefits and disadvantages of semi-active nose landing gear control are summarized and open problems are addressed.