Electronic Bird für Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH

Auch in Hochtechnologiemärkten ist die Time-to-Market inzwischen ein wichtiges Erfolgskriterium. Wer zu spät kommt, trifft auf besetzte Märkte. Mit ausgefeilten Prüfständen und Simulatoren gelingt es, die Produktentwicklungszeit entscheidend zu verkürzen. Zusammen mit Cosateq hat Liebherr-Aerospace einen neuen Prüfstand entwickelt, der bei der Entwicklung des russischen Regionalverkehrsflugzeugs Sukhoi Superjet 100 erstmals seine hohe Leistungsfähigkeit unter Beweis stellt.

Liebherr Flugsteuerungssystem mit HIL-/SIL-Testprogramm

Electronic Bird - Schaltschrankübersicht: 14 Echtzeitsysteme zur Berechnung der Komponenten im Flugzeug. Zentraler Bestandteil der Entwicklung des Flugsteuerungssystems bei Liebherr-Aerospace ist ein umfangreiches HIL-/SIL-Testprogramm (hardware in the loop, software in the loop) unter Einhaltung luftfahrtspezifischer Sicherheitsstandards. Einzel-Komponenten und Kombinationen von Steuerungskomponenten durchlaufen umfangreiche Tests in einem Echtzeitrechencluster. Die HIL-/SIL-Simulation ermöglicht einen Test des Systems, ohne dass reale Aktuatoren oder Sensoren vorhanden sein müssen. Anstelle realer Aktuatoren reagieren im "Electronic Bird" die Simulationsrechner auf Stellsignale und liefern simulierte Sensorsignale in Echtzeit an die Flugsteuerung wieder zurück.

Der Electronic Bird

Der Echtzeitcluster des Electronic Bird für den Sukhoi Superjet 100 besteht aus 14 simultan arbeitenden Simulationssystemen mit einer Abtastrate von jeweils 1 Millisekunde. In Abhängigkeit von der Komplexität der Modelle und der Rechenperformance können Einzelmodelle bei diesem System eine Abtastrate bis zu 10 Mikrosekunden erreichen. Die Kommunikation zwischen den Rechenknoten des Echtzeitclusters findet über Shared Memory (2,12 Gbaud Glasfasernetzwerk) statt, wobei die Latenzzeit für den Datenaustausch weniger als 50 Mikrosekunden beträgt. Das System ermöglicht eine vollständige Emulation von Aktuatorik und Sensorik. Hierdurch können automatisierte Komponenten-, Integrations- und System-Tests für sämtliche Steuerkomponenten (z. B. Flugcontroller "Primary Flight Control Unit" PFCU) im Regelbetrieb, wie auch unter verschiedenen Fehlerszenarien (z. B. Drahtbruch, Sensorfehler, Kommunikationsfehler oder mechanische Probleme), durchgeführt werden. So muss das Steuerungssystem beispielsweise eine definierte Reaktion auf den fehlerhaften Stellantrieb eines Leitwerks aufweisen. Hierbei werden u.a. korrekte Reaktion, Nachrichtenpriorisierung und Kommunikation der Komponenten validiert.

Architektur des Echtzeitrechenclusters: Mehrere Echtzeittargets werden durch einen über Glasfaserleitung verbundenen gemeinsamen Speicher miteinander vernetzt. Matlab Simulink Modelle werden für die Zielplattform mit einem Cross-Compiler echtzeitfähig gemacht. Die Steuerung und Analyse kann mit verschiedenen Frontends stattfinden (u.a. LabVIEW).Bei der Entwicklung von automatisierten Prüfständen wird in der Regel auf integrierte Tool-Sammlungen oder manuelle Programmierung zurückgegriffen. Eine Programmierung ermöglicht die Berücksichtigung von spezifischen Problemstellungen, ist aber mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Tool-Sammlungen bieten nicht die erforderliche Flexibilität bei Schnittstellen oder verteilten Simulationsmodellen. Liebherr-Aerospace hat sich wegen dieser Anforderungen an Flexibilität und Kosten für einen neuen Lösungsansatz entschieden. Bei der Einrichtung der Echtzeitsimulation setzt Liebherr-Aerospace bereits seit vielen Jahren auf das System ProSys-RT¹ von Cosateq. Gerade die luftfahrtspezifischen Bus-Systeme wie ARINC 429, AFDX, aber auch CAN und Profinet können problemlos in den Echtzeitcluster integriert werden. Das HIL-Prototypingkonzept ProSys-RT¹ von Cosateq ermöglicht die Ausführung von Matlab^®/Simulink^® Modellen (das in der Industrie am weitesten verbreitete Modellierungs-Frontend) auf Zielrechnern (Simulationstargets) in Echtzeit. Hierbei setzt Cosateq auf das Open Source Echtzeit-Betriebssystem Linux Xenomai. Die ProSys-RT¹ Plattform stellt Tools und Schnittstellen bereit, die Simulationsmodelle für verschiedene Zielsysteme zu kompilieren (Crosscompiling), zu verteilen und während der Laufzeit Parameter der Simulationsmodelle mit einer flexibel konfigurierbaren, grafischen Bedienoberfläche zu steuern und Messergebnisse zu analysieren und zu visualisieren. Weiterhin wird eine große Bandbreite an Hardware unterstützt wie z. B. Messkarten und FPGA Karten von National Instruments, Messkarten von Meilhaus, CAN Karten etc. (siehe Hardwareliste). Der Vorteil von ProSys-RT¹ liegt in der Flexibilität bei der verwendeten Hardware-Umgebung und in der Erweiterbarkeit des Systems bei der Integration zusätzlicher Modelle und Schnittstellen. Auf diese Weise werden erhebliche Kosten eingespart und das Time-to-Market deutlich verkürzt. Dies hat sich als wesentlicher Vorteil gegenüber anderen Systemen herausgestellt, da die Testprogramme detaillierter und in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden können. Die Flexibilität von ProSys-RT¹ als Low-Cost-HIL-System ermöglicht einen Einsatz bei verteilten Simulationsmodellen sowie komplexen Echtzeitclustern ohne aufwendige Anpassung der Programmierung. Mit wenigen Arbeitsschritten lassen sich die Testprogramme ändern. Zukünftig werden bei Liebherr-Aerospace alle Prüfstands-Simulationen für Flugzeugprojekte mit ProSys-RT¹ von Cosateq durchgeführt. "Die Kooperation von Liebherr-Aerospace mit Cosateq hat für beide Seiten erhebliche Fortschritte gebracht", so Peter Schilm, Geschäftsführer von Cosateq. Die hohen Anforderungen der Flugzeugsysteme an die Simulationsmodelle, sowie die zahlreichen laufenden Änderungen während der Testprogramme haben zu weiteren Verbesserungen bei ProSys-RT¹ geführt, welches inzwischen in der vierten Update-Version vorliegt. Wesentlicher Fortschritt der neuen Version von ProSys-RT¹ ist eine eigene Systemdistribution basierend auf Debian 4. Weiterhin werden die Intel^® Core2Duo Architektur und aktuelle Intel® Xeon Prozessoren unterstützt.

Erstes russisches Flugzeug nach westlichen Standards

Der russische Flugzeughersteller Sukhoi plant mit dem Superjet 100 (SSJ 100) ein neues zweistrahliges Regionalverkehrsflugzeug. Zielsetzung des Superjet 100 war es von Beginn an, ein westlichen Standards entsprechendes, effizientes und konkurrenzfähiges Flugzeug zu entwickeln, das als erster Typ russischer Herkunft auch nennenswerte Verkäufe außerhalb der ehemaligen Sowjetstaaten erreichen soll. Aus diesem Grund wurden beim Sukhoi Superjet 100 auch erstmals in größerem Maße westliche Hersteller mit der Entwicklung und Produktion von Systemen und Komponenten sowie mit dem Service und der Instandhaltung beauftragt. Neben anderen namhaften westlichen Industriepartnern wie der italienischen Alenia und Boeing ist auch die Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH als Lieferant an dem Projekt beteiligt. Das Unternehmen mit Sitz in Lindenberg im Allgäu, Deutschland, entwickelt und fertigt die komplette Fly-By-Wire Flugsteuerung für den SuperJet 100. Diese umfasst die Betätigung der gesamten primären Steuerflächen (Höhenruder, Querruder, Seitenruder und Spoiler) und der Höhenflosse sowie der sekundären Systeme (Slat- und Flap-Landeklappen). Zur Fly-by-Wire Flugsteuerung gehören neben der Aktuatorik auch die Eingabeelemente für die Piloten (Side Stick, Pedale für Seitenruder und verschiedene Schalter und Hebel) sowie die gesamte Elektronik zur Steuerung und Überwachung der Systeme.

der Entwicklung bei der Liebherr Aerospace-Lindenberg GmbH

Electronic Bird für den russischen Superjet 100 bei Sukhoi in Moskau.

 ¹ ProSys-RT wurde weiterentwickelt und von SCALE-RT abgelöst.

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