ein kleiner Blick in die messtechnischen Abteilung einer Hubschrauber Flugerprobung.

Im Gegensatz zu den “Fixed-wing” Fluggeräten, sind Hubschrauber sehr komplexe Fluggeräte bezüglich der Aerodynamik. Um alle relevanten physikalischen Parameter zu erfassen, es können mehrere tausend einzelne Parameter sein,  sind umfangreiche Messanlagen und Instrumentierungen notwendig.

Die Instrumentierung beschreibt den Einbau von Sensoren verschiedenster Art. Es gibt DMS, die Dehnungsmesstreifen zur Messung statischer und dynamischer Lasten an mechanischen Strukturen, Drucksensoren, z.B. als Oberflächendrucksensoren auf den Rotorblättern oder zum Einbau in Leitungssysteme, Beschleunigungs- und Lagesensoren  für Vibrationen, Lagen, Winkelgeschwindigkeiten, Temperaturfühler für die Erfassung von Aussentemperaturen, Temperaturen von Systemteilen bis hin zu Messung von Temperaturen an und in Triebwerk, Zelle und Getriebe und noch last but not least die Erfassung elektirischer Parameter mit Stromsensoren oder Spannungsteilern. Dazu kommen zusätzlich die Erfassung von Systemparametern in Echtzeit aus den Datenbus-Systemen

Ein Flugerprobungsteam besteht aus den speziell geschulten, besonders qualifizierten Versuchspiloten, den Flugerprobungs- und Bodeningenieuren, den Analyseingenieuren der Fachabteilungen, den Hubschraubermechanikern, den Luftfahrzeugprüfern und natürlich den Mitarbeitern der messtechnischen Abteilung. Die Messtechnik ist die Grundlage all weiteren Aktionen, denn ohne Messdaten und Nachweise läuft garnichts. Die Messtechnik mit ihrer Instrumentierung liefert wie geplant und gewünscht alle Daten.

Ich durfte an einem besonderen Forschungsprojekt für einen lärmreduzierten Hubschrauber mitarbeiten. Es war eine tolle Zeit, an die ich mich sehr gerne erinnere. So kam ich in Berührung mit der MBB BO105, Sereinnummer 1. Auf dieser Maschine sind schon viele Programme geflogen worden und ich empfand es grosse Ehre, mit der ersten BO105 arbeiten zu dürfen.

Zusammen mit Technikern und Ingenieuren von ZF Luftfahrt und DLR Braunschweig wurde die BO105 S1 mit einer aufwendigen hydraulischen Rotorblattansteuerung sowie Mess- und Steuerungsanlagen aller beteiligten Firmen ausgerüstet. Ergebnis war eine bis auf den letzten Zentimeter mit Ausrüstung vollgepackte Maschine, die uns in Folge dann sehr viele und erfolgversprechende Messdaten lieferte. So konnte durch die besondere Art der Rotorblattansteuerung der Schallpegel um fast die Hälfte reduziert werden.

Es machte mich sehr stolz, an einem Projekt zu arbeiten, in dem die Grundlagen für eine sehr bedeutende Lärmreduzierung und Leistungssteigerung das Ziel war. Diese Grundlagenforschung war die Basis für die erfolgreiche Perfektionierung und Weiterentwicklung der Prinzipien eines lärmreduzierten Hubschraubers. Darauffolgenden Forschungsprojekte wurden auf grösseren Hubschraubern geflogen und mit mit ganz neuen Technologien diese Prinzipien wesentlich weiterentwickelt.

Die BO105 S1, beendete ihre Karriere als Versuchshubschrauber für verschiedenste Projekte als krönenden Abschluss mit dem RACT ( Rotor Active Control Technology) Programm und steht heute in der TU München. As

Als Nachfolger eines in den verdienten Ruhestand gegangenen Entwicklungsingenieurs arbeite ich heute in der  Entwicklung eigener messtechnischer Geräte,  die man in der Regel wegen der sehr geringen Stückzahl und den hohen qualitativen Anforderungen an Funktion und Flugtauglichkeit nicht so ohne weiteres am Markt beschaffen kann.

Waren früher die Messanlagen immer indivduelle Zusammenstellungen der benötigten Geräte, also Unikate, werden heute standardisierte, vorkonfektionierte Messanlagen mit Komponenten der neuesten Generation eingesetzt.  im Gegensatz zum gezeigten Einbau von Einzelkomponenten auf einer Trägerplatte, bestehen moderne Messanlagen aus einem Standardrack,  In diesem Rack sind die Standardgeräte fest eingebaut und fertig verkabelt.

Bild 1: Die BO105 S1 vor ihrem letzten Flug, sie diente als Erprobungsträger für das RotorActiveControl Forschungsprogramm zur Lärmreduktion an Rotorsystemen.       Im Hintergrund eine CH53 im Landeanflug.      

Bild 2: Einbau eines Teils der Messanlage im hinteren Compartment. Der weitaus grössere Teil befindet sich in Racks hinter dem Pilotensitz und Platz des Flugversuchsingenieurs.  Das Bild rechts zeigt beispielhaft einen Messanlageneinbau der älteren Generation mit der sehr bewährten MBB Serie 5000 Messanlage (orange). Eine hauseigene Entwicklung von MBB - UH, sie zeichnet sich bis heute durch besondere Robustheit und Transparenz aus. Dieses schon ältere System ist sehr leistungsfähig und zuverlässig. Ganz links auf der Palette ist ein D4 Datarecorder von Heim Datasystems eingebaut.   

Bedingt durch den kompromisslose Anwendung der smd Technik, ist ein Zeiss-Stereomikroskop das perfektes Arbeitsmittel. Natürlich gibt es mittlerweile auch ganz gute USB Mikroskope.

Mit seiner vergrössernden Stereoansicht kann man hervorragend alle smd Grössen verarbeiten, ausserdem ist es sehr gut geeignet zur optischen Leiterplattenkontrolle. Trotz elektrischer Prüfung können frisch vom Leiterplattenhersteller gelieferte  Boards in sehr seltenen Fällen  mikroskopisch feinen Fehler, z.B. eine Haarverbindung zwischen zwei Leiterbahnen enthalten. Dann war der Ätzprozess beim Hersteller suboptimal und es solche Fehler sind nach dem Bestücken beim ersten Funktionstest sehr schwer zu finden.

nach dem Ultraschallbad: handbestückt und in besserer Qualität als manches industrielle, unter Zeit- und Kostendruck durchs Lötbad “gehauene”  Board.

In der Flugerprobung ist 100% Zuverlässigkeit eben ein absolutes Muss. Ein verpatzter Flug wegen eines ausgefallenen Gerätes wäre wesentlich teurer.

Bauteile: 2x 74FCT16244 mit 5x SDA05 Dioden, dazwischen 2 kleine R-Arrays 4x220R im gemeinsamen 1206 Gehäuse.

smd Löten von Hand:

Bauteil auflegen und exakt auf die Pads ausrichten. , wenn die Pads traditionell mit Zinn beschichtet sind, dabei an zwei gegenüberliegenden Stellen am IC Gehäuse jeweils ein Pad mit dem Lötkolben erhitzen, um das Beinchen anzuheften. Bei superflachen “chemisch Zinn” beschichteten Boards sollte man vorher einen kleinen Tropfen Lötpaste mit der Druckkartusche auf die zwei  Pads applizieren.

Nachdem das IC fixiert wurde, die Lötpaste mit der Druckkartusche wie gezeigt, etwas vor den Anschlussbeinchen. Bessere Ergebnisse beim Löten erhält man durch die Wahl der grössmöglichen Lötspitze. Ist die Spitze zu klein, kann in Sekundenschnelle nicht genug Wärme an die Lötstellen gebracht werden. Die besten Ergebnisse erzielt man durch Ansetzen der Lötspitze an der Reihe und kontinuierliches Durchfahren ohne abzusetzen.      Bauteil: Xilinx XC4000 Serie,

etwas höhere Anforderungen stellen Bauteile im Fine Pitch Raster, z.B.  die Xilinx Virtex und Spartan FPGAs.  Aber auch so etwas kann man bei Einzelstücken, mit genügend Erfahrung problemlos von Hand löten. Für mehrere Leiterplatten kommt dann der Reflow-Lötofen zum Einsatz. 

Bild oben: Multilayer Leiterplatte mit Xilinx Virtex FPGA, das Board ist ein Teil einer Data Aquisition Box, die als DataMerger für Flight Data Recorder dient. Die Leiterplatte ist handbestückt, ultraschallgereinigt, getestet. Sie wird später noch mit einem Coating nach MIL-Norm geschützt.

Bevor eine Leiterplatte bestückt und gelötet werden kann, sind schon viele Stunden in die Schaltungsentwicklung, Simulation und Leiterplattenentwurf gegangen. Das das Schaltungskonzept funktionieren muss ist eine Grundvoraussetzung, das Design der Leiterplatte ist entscheidend.

Dabei sind eine ganze Menge von Details zu beachten, die Leiterplatte muss nicht nur mechanisch und elektrisch den Anforderungen genügen, die Bauteile müssen auch hinsichtlich Kühlung, Bestückbarkeit, Platzbedarf in der Umgebung und Reparaturfreudlichkeit entsprechend platziert werden. Ganz besonders zu beachten sind die Regeln für ein EMV gerechte Leiterplattendesign.

Die goldenen Regeln des Leiterplattendesigns:

1. das passende Raster. Es sollte auf ein Rastermass standardisiert werden, welches für möglichst alle Bauteilegehäuse passt. Niemals mehrere Raster verwenden.

2. Alle Leiterbahnen so kurz wie möglich. Besonders bei schnellen analogen und digitalen Signalpfaden. Immer beachten: so wie der Strom hinfliesst, will er auch zurückfliessen. Das ist der Weg der geringsten Impedanz. So ein Design vermeidet unnötige EMI Abstrahlungen und Kopplungen.

3. Für Stromversorgungen und Masse immer eine Versorgungslage. Die Lagenflächen nicht mit anderen Signalpfaden unterbrechen.

4. Gruppiere zusammengehörige Bauelemente und dafür benötigte Testpunkte.

5. Verwende den Leiterplattennutzen durch mehrfaches Unterbringen der Schaltung. So lassen sich Fertigungskosten verringern.

6. eventuell können etliche Bauteilewerte vereinheitlicht werden um eine geringere Anzahl von Baiteilen mit unterschiedlichen Werten zu erreichen. Meist funktioniert die dennoch Schaltung einwandfrei, weil sich die Änderung auf den nächsthöheren/-niedrigeren Wert unrelevant auswirkt. Da muss man probieren.

7. Die DRC Regeln der verwendeten PCB CAD Software benutzen.

8. den Bestückungsdruck gleich als Informationsquelle benutzen. Je besser und klarer die Infos schon au dem Board stehen, desto weniger muss man umständlich danach recherchieren. Mann kann sogar Infos unter die Bauteile legen, als Hinweis beim Bestücken.

9. Entkopplungskondensatoren immer direkt an den Bauteilen setzen und niemals weglassen.

10. Gerber Daten selbst generieren und mit div. Gerber-Viewer selber kontrollieren bevor man den Entwurf zur Fertigung gibt.

bestückte Leiterplatte, fertig zum Programmieren und Testen. Der ATMega128 controller wird “in Target” programmerit.