(Продолжение, предыдущая статья)
Еще одним способом компенсации шарнирного момента и уменьшения нагрузок на летчика, а также расширения его возможностей пилотирования ЛА на различных режимах на многих современных скоростных (или крупноразмерных) самолетах является автоматизация (automation) процесса управления. Рассмотрим классификацию систем управления самолетом.
Под системой управления (aircraft flight control system – AFCS) понимают совокупность устройств, обеспечивающих управление движением самолета. Выделяют следующие виды систем управления: неавтоматические, полуавтоматические, автоматические и комбинированные.
- Неавтоматические (non-automatic, manually operated) — перемещения органов управления выполняют люди посредством только мускульной энергии.
- Полуавтоматические (semi-automatic) — система ручного управления подаёт сигналы на механические, гидравлические и электрические устройства, которые перемещают органы управления.
- Автоматические (automatic) — сигналы для механического перемещения органов управления формируются в автоматических устройствах (автопилот, система сопровождения цели).
- Комбинированные (combined) — комбинация нескольких систем управления в одном летательном аппарате.
Если процесс управления осуществляется непосредственно человеком, т.е. летчик посредством мускульной силы приводит в действие органы управления, то система управления называется неавтоматической (прямое управление самолетом). Такие системы могут быть механическими и гидромеханическими.
Механические (mechanical) (безбустерные unassisted, непосредственные direct) системы – это первые самолетные системы, балансировка и управление здесь осуществляются непосредственно мускульной силой экипажа в течение всего полета. В систему управления самолетом входят командные рычаги (cockpit controls); проводка (connecting linkages); органы управления (flight control surfaces) (аэродинамические управляющие поверхности самолёта). В проводку управления входят: тросы (cable); шкивы (pulley); тяги (rod); качалки (bellcrank); рычаги (lever/horn) на рулях и всех управляемых агрегатах, кинематические механизмы (kinematic mechanism) (нелинейные nonlinear, дифференциальные differencial). При этом проводки подразделяются на мягкие, жесткие и комбинированные.

- Мягкая проводка управления (cable-pulley control linkage) — связь между командными рычагами и рулями самолёта осуществляется только при помощи тросов или проволоки.
- Жёсткая проводка управления (push-pull rods control linkage) — связь между командными рычагами и рулями самолёта осуществляется при помощи жёстких тяг — труб с шарнирными наконечниками регулируемой длины.
- Смешанная (hybrid) проводка управления — связь между командными рычагами и рулями самолёта осуществляется при помощи тросов и тяг.

В механических системах управления основными способами компенсации шарнирного момента будут способы с использованием вспомогательных управляющих поверхностей (secondary flight control surface), рассмотренные в предыдущей статье. Однако величина его с ростом размеров современных ЛА и скорости их полета растет. Рано или поздно может наступить такой момент, когда ни один из таких способов компенсации уже не будет эффективен (особенно это касается маневренных нагрузок).
Чтобы этого избежать и увеличить возможности пилотирования человеком ЛА на различных режимах на многих современных скоростных (или крупноразмерных) самолетах в системах управления используют гидроусиление (hydraulic boost), суть которого в том, что летчик, перемещая ручку управления, воздействует только на перемещение маленького золотника (power control valve, servo valve), то есть специального управляющего элемента в системе управления. А уже этот золотник формирует и оказывает управляющее воздействие на большой гидроцилиндр (actuating hydraulic cylinder), который связан непосредственно с самолетными рулями. Таким образом, в систему управления самолетом дополнительно вводятся гидроусилители (booster). Такие системы называются гидромеханическими (hydro-mechanical).

По характеру воздействия на сервоклапан (servo valve) системы гидроусиления делятся на системы обратимого и необратимого типа.
Особенность принципа работы систем обратимого типа (reversible control system) заключается в том, что для приведения в действие всей системы (начиная с золотника-сервоклапана) необходимо приложить некоторое небольшое первоначальное усилие, которое сдвигает управляющую поверхность вместе с сервоклапаном. В дальнейшем уже в работу по полной вступают гидроусилители (бустеры) и пилот использует управление в полном объеме. Положительной стороной такой системы является то, что летчик при ее использовании чувствует на ручке и педалях все те же маневренные нагрузки в виде шарнирного момента. Не в полном объеме, конечно, но этого достаточно для правильного пилотирования. А недостаток ее в том, что при больших скоростях/размерах самолета нагрузки могут возрасти настолько, что пилот уже не сможет сделать первоначальный сдвиг для введения системы в действие.
Вот для таких самолетов и режимов полета существуют системы необратимого типа (non-reversible, irreversible control system). При их использовании полностью отсутствует обратное воздействие полетных нагрузок (aerodynamic load force feedback) на ручку управления, и летчик не ощущает даже малой части тех нагрузок, которые воспринимает на себя рулевая поверхность. Все эти нагрузки полностью замыкаются на гидроусилитель. Однако летчика нельзя полностью лишать ощущений, свойственных всему процессу управления. Ведь при помощи этих ощущений он «чувствует» самолет, и без них этого самого управления просто не будет. Поэтому на самолетах, использующих в системах управления гидроусилители необратимого типа, применяют специальные устройства – механизмы загрузки (artificial feel device), включенные в линию проводки управления, которые имитируют полетные усилия на ручке управления и педалях.
Таким образом, наблюдается плавный переход от неавтоматических к полуавтоматическим системам управления, в которых летчик через систему ручного управления подаёт сигналы на механические, гидравлические и электрические устройства, перемещающие органы управления и обеспечивающие и улучшающие качество процесса управления.
Как видно из описания выше, механические системы управления имеют достаточно большую массу и требуют тщательного ухода за системой тросов и механических устройств, направляющих их, а гидромеханические – за системой гидравлических трубопроводов. Кроме того, в них требуется дублирование многих элементов, чтобы избежать катастрофы в случае поломки какого-либо из них. Обе системы также не позволяют полностью компенсировать изменение аэродинамических условий, что может привести к сваливанию (stalling) самолета, его раскачиванию летчиком (pilot-induced oscillation – PIO) или вводу в штопор (spinning).
Чтобы избежать указанных выше недостатков, конструкторы современных ЛА применяют электродистанционную систему управления (ЭДСУ) (fly-by-wire (FBW) system) — это система управления самолетом, где вместо механических связей между пилотом и управляющими поверхностями (как у ранних моделей самолетов), используются электрические или электронные сигналы. ЭДСУ является одной из самых широко используемых и надежных систем, которой оснащены современные воздушные суда (ВС), играет важную роль в обеспечении безопасности полетов, так как заметно улучшает пилотажные характеристики самолета. Дословно «Fly-by-wire» означает «полет по проводам». Такое название очень хорошо отражает суть работы системы, так как основной электрический сигнал, передаваемый от органов управления передается по проводам, заменяя обычное механическое управление.
Система включает в себя датчики (transducer), которые измеряют положение управляющих поверхностей и механические перемещения органов управления и преобразуют данную информацию в аналоговые или цифровые электрические сигналы, поступающие по электропроводке в вычислитель системы управления. Одновременно этот вычислитель получает сигналы от датчиков угловых скоростей, перегрузок, углов атаки и скольжения, вычислителя системы воздушных сигналов и других устройств, а затем интерпретирует эти данные и управляет исполнительными устройствами, изменяя положение рулей или других управляющих поверхностей. Это обеспечивает более точное и гибкое управление самолетом, а также позволяет внедрять автоматические системы стабилизации и другие функции безопасности. В случае ЭДСУ (FBW) возможно программирование различных режимов работы, которые могут быть адаптированы к различным условиям полета. Эта технология также обычно упрощает конструкцию самолета и снижает его вес, что в свою очередь может повысить его эффективность и экономичность.

То есть, ручка управления, находящаяся в кабине, не имеет прямой связи с поверхностями управления на крыле и хвостовом оперении самолета. Отклонения ручки считываются датчиками и передаются в специальные вычислители, кроме того эти вычислители получают еще и данные о скорости и высоте полета, перегрузке, пространственном положении самолета, режиме работы двигателей, а также от автопилота. Обработав сигнал от датчиков положения ручки управления (или автопилота) и сопоставив желания пилота с текущим положением самолета, вычислители решают насколько нужно отклонить уже непосредственно рули. Таким образом, сложная механическая конструкция проводки заменяется электропроводкой, которая занимает меньше места и имеет меньшую массу.
В боевых условиях, однако, ЭДСУ подвержена воздействию средств РЭБ (радиоэлектронной борьбы). В связи с этим на многих современных боевых ЛА применяется волоконно-оптическая система управления полетом (fly-by-optics, flight-by-light – FBL), в которой электропроводка заменена оптоволоконными кабелями, что также повышает скорость передачи и обработки данных. Волоконно-оптическая система управления полетом следует той же концепции, что и система ЭДСУ, за исключением того, что датчик FBL заменяется оптическим датчиком, а не стандартными электрическими или электронными датчиками, которые есть в системах ЭДСУ. Все кабели проложены так же, как медные кабели ЭДСУ, но имеют дополнительное преимущество: используется их меньшее количество, они легче и менее восприимчивы к электромагнитным помехам, поскольку каждый кабель может передавать несколько сигналов. Отсутствие необходимости экранирования еще больше снижает массу.
Таким образом, за счет использования ЭДСУ или волоконно-оптической системы управления полетом конструкторы заменили сложные и тяжелые механические проводки управления более легкими и простыми в обслуживании электрическими или волоконно-оптическими. Следующим логическим шагом становится устранение громоздких и тяжелых гидравлических контуров. В системе управления с электродистанционными силовыми приводами (power-by-wire – PBW) они заменяются электрическими силовыми сетями. По ним питание подается на электрогидравлические исполнительные органы (electrohydraulic actuator), которые управляются БЦВМ (бортовой цифровой вычислительной машиной) системы управления полетом. При этом сохраняются все преимущества ЭДСУ.
Современным шагом в развитии ЭДСУ является интеллектуальная система управления полетом (Intelligent Flight Control System – IFCS), система следующего поколения, разработанная для обеспечения повышенной безопасности ЛА, а также для оптимизации его характеристик в нормальных условиях. Главное преимущество этой системы заключается в том, что она позволяет летчику управлять самолетом даже в условиях отказа, которые обычно приводят к его крушению. Система способна справляться с суровыми погодными условиями и чрезвычайными ситуациями в полете, такими как отказ двигателя или пожар и другими.
(Продолжение следует)
0 Комментариев