Einsatz des Chassis NI cDAQ-9188XT bei einem Versuch, den Geschwindigkeitsrekord an Land zu brechen

– Steve Wallace, North American Eagle

„NI bietet in einem einzigen Paket die breiteste Palette analoger und digitaler I/O an, die ganz einfach mithilfe einer objektorientierten Programmierumgebung zusammengeführt werden kann.“

– Steve Wallace, North American Eagle

Die Aufgabe:

Erfassen von Daten zu Strömungstechnik, Belastung, Dehnung, Hydraulikdruck, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Lenkung des Fahrzeugs North American Eagle, während es sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit unter extrem widrigen Bedingungen fortbewegt

Die Lösung:

Erstellen eines Datenerfassungssystems auf Basis des Chassis NI cDAQ-9188XT und der Software NI LabVIEW, das die Gesamtaufbauzeit reduziert und die Schnittstelle zwischen Sensorkabelbaum und Computer vereinfacht

 

Lässt sich der Geschwindigkeitsrekord an Land brechen?

North American Eagle (NAE) ist eine Gruppe engagierter Männer und Frauen aus den USA und Kanada, die sich vorgenommen hat, das schnellste Fahrzeug der Welt zu bauen. Unser großes Ziel ist es, die Fähigkeiten eines Landfahrzeugs zu testen, sicher den Übergang zur Überschallgeschwindigkeit zu schaffen und den derzeitigen Rekord von 763 mph (ca. 1228 km/h) bzw. 341 m/s zu brechen, der im Jahr 1997 aufgestellt wurde. Dieses Projekt könnte zukünftige Technologien für Hochgeschwindigkeitszüge beeinflussen, weitere Informationen zu den Bodeneffekten von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen während der Landung liefern und neue Bremsmethoden für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge anregen.

 

Sicherheit ist unsere höchste Priorität und das Brechen des Geschwindigkeitsrekords sollte keine unzumutbaren Risiken für den Fahrer, die Crew oder die Zuschauer bergen. Daher testeten wir das Fahrzeug (bestehend aus dem Rumpf eines Lockheed F-104A-10 Starfighter mit Turbostrahltriebwerks) vor, während und nach den Probefahrten auf Herz und Nieren. In den vergangenen acht Jahren führten wir 33 Testdurchläufe unter verschiedenen extremen Umgebungsbedingungen durch.

 

Diese Fallstudie geht grob auf das Datenerfassungssystem und die Abläufe ein, die den Test des NAE-Fahrzeugs unterstützen, der im Oktober 2013 in der Alvord Desert stattfand. Bei diesem Test sollte das Fahrzeug eine Geschwindigkeit von ca. 635 mph (1021,93 km/h) erreichen.

 

 

Testziele und Herausforderungen

Unser Datenerfassungssystem muss Fahreigenschaften bei stetig steigender Geschwindigkeit beobachten und zuverlässig folgende Daten sammeln:

  • Strömungstechnische Daten zum Vergleich mit Werten, die aufgrund von Strömungsberechnungen (CFD) vorhergesagt wurden
  • Strukturdaten zu Belastung und Dehnung bei Komponenten der hinteren Aufhängung
  • Videodaten
  • Daten zum Vorderradlenkungssystem und zur Reaktion

 

Da wir unter sehr rauen Bedingungen arbeiten, benötigen wir eine herausragende Leistung aller Systeme des NAE-Testprogramms. Hauchfeiner und stark korrodierender alkalihaltiger Staub kann die Sichtbedingungen bei Tag auf unter 1,80 m beschränken. Darüber hinaus können die Temperaturen in der Wüste 118 °F (ca. 48 °C) erreichen. Zudem liegt ein hohes statisches RF-Rauschen von den Turbogeneratoren und den Funkengeneratoren von Zündung/Nachbrenner vor. Das System muss einer g-Kraft von 20 g aufgrund unvorhergesehener Spurabweichungen standhalten können. Hier ein Vergleich: Das Space Shuttle erreicht während des Starts etwa 3 g und ein Formel-1-Wagen während eines Rennens etwa 5 bis 6 g.

 

Das Team nutzt die Remotedesktopanwendung von Windows, um sozusagen mit dem NAE-Fahrzeug mitzufahren, während es das Basislager verlässt, den Start und das Ziel etwa 22 km langen Strecke erreicht und wieder zum Basislager zurückkehrt. Wir verwenden ein mobiles drahtloses Breitband-Ethernet-Netzwerk, das eigenständig ist und einen großen Bereich abdeckt. Die an Bord des NAE-Fahrzeugs integrierte Datenerfassungsausstattung erfasst Probefahrtdaten lokal ohne Telemetrie. Wir steuern den Rechner – einschließlich Programmstart, Triggerung der Datenerfassung, Datendownload in den Onboard-Speicher, visuelle Überwachung der Daten und Dateispeicherung – über Remotedesktop. Eine effektive Fernverwaltung dieser Systeme, die mit dem NAE-Fahrzeug rauen Bedingungen unterliegen, stellt uns vor erhebliche Herausforderungen. Die logistische Herausforderung, das Gesamtsystem einzurichten und über Tage hinweg zu pflegen, erschwert die Dinge zusätzlich.

 

Das Chassis NI cDAQ-9188XT ist ein wichtiges Element unseres sorgfältig konzipierten Datenerfassungssystems. Es bietet Multifunktions-I/O in einem kleinen Formfaktor und lässt sich leicht in unsere integrierten und dezentralen Verarbeitungs- und Kommunikationssysteme einbinden. In der nachfolgenden Tabelle ist die Belegung der Datenerfassungskanäle dargestellt.

 

NI-Multifunktions-I/O über das cDAQ-9188XT

Kanäle                   Sensoren                                                Eingangsdaten                                                             

      3       1 dreiachsiger Beschleunigungsmesser von PCB                                 NI 9234      Schwingungen des Vorderradfahrgestells

      6       2 High-G-Beschleunigungsmesser von PCB                              NI 9234      Schwingung des Mittelrads

      1       Hydraulischer Druckwandler von Parker                 NI 9206      Verdichtung der Vorderradaufhängung

      1       Seillängengeber von SpaceAge Control              NI 9206      Verdichtung der Vorderradaufhängung

      1       Differenzdruckumformer                           NI 9206      Mach

      1       Dehnungsmessstreifen/benutzerdefinierter Sensoraufbau                NI 9206      Lenkposition

      3       Dehnungsmessstreifen (Brückenverstärker)                           NI 9206      Dehnungsbelastung der Hinterradaufhängung

      1       Linearpotentiometer als Spannungsteiler                    NI 9206      Lenkbewegungsposition

      13     Absolutdruck-Messumformer für Luft                      NI 9206      Statische Drücke, Rumpf

      3       Piezoresistive Druckaufnehmer von Endevco   NI 9206      Statische Drücke, Rumpf

      1       Ausgang für Brückenverstärker-Nullstellung                       NI 9481      Nicht verfügbar

 

Gründe für die Auswahl von NI CompactDAQ

In den vergangenen acht Jahren erfassten wir die Daten von Probefahrten mit einer Ausrüstung, die hauptsächlich für Laborumgebungen statt für mobile Anwendungen konzipiert ist. Wir verbrachten viel Zeit mit dem Entwurf und der Erstellung spezieller Chassis. Dazu passten wir Signalleitungen an 25-Pin-Schnittstellen an und entwarfen Stromnetze für das gesamte Datenerfassungssystem. Mithilfe komplizierter Ethernet-Konfigurationen und Triggermethoden kombinierten wir drei separate, für den Laboreinsatz geeignete Datenerfassungseinheiten in einem einzigen System. Das Programmieren des Systems war relativ einfach, aber sehr zeitaufwendig.

 

Im Verlauf der letzten zwei Jahre wurde das System unzuverlässig und Ersatzteile waren praktisch nicht vorhanden. Wir benötigten eine Anwendung, die wir schnell zusammensetzen konnten und die unseren vielfältigen Anforderungen entsprach. Sie sollte z. B. viel kleiner und einfach zu programmieren sein. Das machte die robuste Plattform NI CompactDAQ zur naheliegenden Wahl. NI bietet in einem einzigen Paket die breiteste Palette analoger und digitaler I/O an, die ganz einfach mithilfe einer objektorientierten Programmierumgebung zusammengeführt werden kann. Das Unternehmen ist bekannt für seine zuverlässige, genaue Laborausstattung. Dieselbe hervorragende Ausstattung in einem robusteren, mobilen Formfaktor zu wählen, stellte somit eine ausgezeichnete Lösung dar.

 

Zeit- und Kosteneinsparungen mit NI cDAQ-9188XT

Vom Test im Oktober erwarteten wir strömungstechnische Daten von den statischen Anschlüssen mit Werten, die dem Modell der von uns genutzten Finite-Elemente-Methode (FEM) sehr ähnlich sind. Das Modell musste mithilfe realer Zahlen validiert werden, die mit dem NI-CompactDAQ-System ermittelt wurden. Wir hoffen, auch Unerwartetes abgefangen zu haben, damit die Berechnungen für höhere Geschwindigkeiten auf harten Fakten beruhen. Im Herbst 2014 werden wir dann versuchen, den Rekord zu brechen.

 

Insgesamt sind wir mit dem cDAQ-9188XT sehr zufrieden. Gleich beim ersten Einschalten konnten wir direkt mit dem Erfassen der Daten beginnen, ohne viel Zeit für die Beseitigung von Fehlern, Verkabelungs- oder Programmierproblemen aufwenden zu müssen. Die Schnittstelle mit unserem Sensorkabelbaum und dem Computer war leicht zu erstellen. Durch die steckbaren Module ließen sich unterschiedliche I/O einfach hinzufügen. Die Programmierumgebung NI LabVIEW funktionierte bei der Entwicklung der gewünschten Datenerfassungskonfiguration tadellos. Zeit ist Geld, und Steve Wallace schätzt, dass er durch Implementierung des NI-CompactDAQ-Systems 200.000 US-Dollar seiner Zeit einsparen konnte.

 

Informationen zum Autor:

Steve Wallace
North American Eagle
Tel.: +1(253)302-3221
stevew@landspeed.com

Abbildung 1: Das Fahrzeug North American Eagle wird von einem Turbostrahltriebwerk angetrieben und ist in der Lage, die Schallgeschwindigkeit zu brechen.
Abbildung 2: Das Datenerfassungsteam bereitet die Überwachungsausstattung für einen Test in der Black Rock Desert vor.