Системы управления рулями самолёта

Система управления рулями самолёта - это комплекс устройств, осуще­ствляющих отклонение рулевых поверхностей по командным сигналам лёт­чика, систем автоматического управления (САУ) и других систем, форми­рующих командные сигналы на отклонение рулевых поверхностей для управления самолётом и стабилизации параметров его движения. Вместе с системами формирования командных сигналов СУР самолёта обеспечивает как пилотирование самолёта лётчиком, так и автоматический полёт самолёта по заданным траекториям. На современных самолётах (особенно сверхзвуко­вых) СУР автоматически гарантирует динамическую, а в отдельных случаях и статическую устойчивость самолёта, а также автоматическую стабилиза­цию установленных лётчиком режимов полёта.

Состав, схема и конструкция СУР характеризуются компоновкой самолёта и его органов управления, задачами, возложенными на СУР, законами её рабо­ты, требуемой статической и динамической точностью воспроизведения зако­нов управления на руле, параметрами рулевых поверхностей и действующими на них нагрузками, требованиями по надёжности СУР и надёжности выполне­ния отдельных режимов полёта, а также другими факторами, связанными с ус­ловиями эксплуатации самолёта, безопасностью от рулевых форм флаттера, требованиями по массе (весу), стоимости, обслуживанию и т. д.

Система управления рулями самолёта представляет собой одно из звень­ев в замкнутом контуре управления самолёта, который состоит из трёх ос­новных частей (рис. 2.1) [10, 14, 47]:

1) командного (или управляющего) звена - лётчик, САУ и система ста­билизации, СУ У при пилотировании самолёта лётчиком и т. д.;

2) передающего звена - СУР самолёта;

3) управляемого звена или объекта управления - самолёт.

Рис.2.1. Блок схема замкнутого контура управления самолёта

В совокупности перечисленные звенья должны обеспечить на всех режимах полёта необходимую устойчивость и точность работы всего контура, что создаёт определённые проблемы при разработке СУР. Эти проблемы связаны, например, с изменением по режимам полёта аэроди­намических нагрузок на рулевые поверхности, с температурной дефор­мацией планера и температурой воздуха, окружающего элементы СУР. К определённым проблемам в создании СУР современных самолётов также ведёт уменьшение жёсткости, а следовательно, собственной частоты ко­лебаний конструкции планера, увеличение протяжённости элементов связи РУ с поверхностями управления из-за роста геометрических разме­ров самолётов.

Автоматизация управления самолётом и её использование в широком диапазоне эксплуатационных режимов полёта, на которых характеристики самого самолёта претерпевают значительные изменения, требуют определён­ной точности всего контура управления и, в частности, точности РП поверх­ностей. Увеличение мощности РП создаёт трудности в его энергоснабжении и охлаждении, компоновке и установке на современный самолёт.

Система управления рулями самолёта в общем случае состоит из сле­дующих основных частей:

1) блоков связи - устройств, с помощью которых СУР соединяется с сис­темами и устройствами формирования командных (управляющих) сигналов управления;

2) дистанционной передачи - устройства, передающего командный сигнал на расстояние от блоков связи до рулевых поверхностей (нередко в состав дистанционной передачи входят устройства суммирования, распределения, а также изменения по величине и знаку командных сигналов управления);

3) исполнительных механизмов - устройств, преобразующих с усилением или без усиления по мощности командные сигналы в механическое переме­щение, которое непосредственно или через дистанционную передачу, а в не­которых системах и через дополнительные исполнительные механизмы, со­общается рулевым поверхностям управления;

4) системы энергоснабжения, обеспечивающей энергией (электриче­ской, гидравлической, пневматической или механической) устройства и элементы СУР.

Такой состав СУР самолёта, хотя и соответствует общепринятому поня­тию СУР, редко находит применение в авиационной практике. Это объясняется тем, что системы энергоснабжения представляют собой самостоятельные бор­товые системы, обеспечивающие энергией одновременно ряд независимых и различных по своему назначению систем и устройств самолёта. Кроме того, СУР самолёта включает в себя исполнительные механизмы с различным прин­ципом действия, которые взаимодействуют с независимыми друг от друга сис­темами и устройствами формирования командных сигналов. Объединение всех этих исполнительных механизмов в СУР является условным.

Поэтому под СУР понимают совокупность исполнительных механизмов с блоками связи и дистанционной передачей, которые связывают эти испол­нительные механизмы с системами формирования сообщаемых ему команд­ных сигналов.

Как уже было отмечено, существует несколько условных этапов в развитии СУР, Этап I создание СУР с обратимыми и необратимыми гидравличе­скими приводами (бустерами) с переходом на безбустерное управление при отказе гидропитания, охватывающий довольно длительный промежуток вре­мени.

Рис. 2.2. СУР самолёта Ту-104 с механической передачей управляющих сигналов:

1, 2, 3 - механическая проводка системы управления элеронами, рулем направления и РВ. 4 - привод триммера руля направления; 5 - руль направления; б - триммер руля направле­ния; 7 - триммер РВ; 8 - РВ; 9 - гермовывод; 10 - привод триммера элерона; И - триммер элерона; 12 - элерон; 13 - рычаг управления РВ; 14 - механизм включения и отключения;15 - электромеханический привод (рулевая машина); 16- автопилот

В случае применения СУР с механической передачей управляющих сигналов (рис. 2.2) осуществляется дистанционная передача механического командного сигнала управления без усиления его по мощности, механиче­ское суммирование нескольких командных сигналов, а также их распреде­ление по отдельным рулевым поверхностям. Кинематические устройства в такой СУР могут соответствующим образом корректировать командные сигналы в зависимости от положения рулевой поверхности. В настоящее время СУР с механической дистанционной передачей управляющих сигна­лов применяется на лёгких дозвуковых самолётах, где физической силы лётчика достаточно для преодоления аэродинамических нагрузок, дейст­вующих на рулевую поверхность, и где требуемые характеристики устой­чивости и управляемости самолёта можно обеспечить без дополнительных средств автоматизации управления. Кроме того, такую СУР используют в качестве аварийной СУР, с помощью которой лётчик управляет самолетом при отказе основной системы.

К этапу I можно также отнести развитие электромеханических СУР, которые осуществляют дистанционную передачу, суммирование и усиление электрических командных сигналов, их преобразование в механическое пе­ремещение за счёт электрической энергии и отклонение рулевой поверхности в соответствии с механическим перемещением.

В самолётах с электромеханической СУР нашёл применение как привод САУ (например, автопилоты с электрическими рулевыми машинами) и при­вод рулевой поверхности с нов горно-кратковременным управлением (напри­мер. привод переставного стабилизатора).

В СУР с гидравлическим приводом электромеханический привод (ЭМ 11) используют в качестве привода промежуточного каскада усиления электрических сигналов автоматических и электродистанционных систем управления (ЭДСУ). Исполнительный механизм такого привода - рулевая машина или рулевой агрегат («раздвижная тяга»), соединённый с рулевой поверхностью через механическую проводку управления (МПУ) и гидрав­лический привод.

Основные преимущества электромеханической СУР: простота энерго­снабжения, использование единого источника электропитания для привода и системы формирования его управляющего сигнала, возможность само­торможения источника электропитания исполнительного механизма при выключении или обесточивании электрической сети питания. Вместе с тем хорошо известны и недостатки такого типа СУР: большие габариты и масса, сложность регулирования скорости и поддержания необходимых темпера­турных условий и др. Поэтому электромеханические СУР применяются лишь там, где целесообразна независимость привода с электрическим управлением от гидравлических систем питания. Последние достижения в области разработки ЭМП постепенно устраняют указанные недостатки и. возможно, в ближайшем будущем концепция применения ЭМП может серь­ёзно измениться.

Система управления Ту-134 представляет собой пример использования бустерной СУР с переходом на безбустерное управление при отказе ГС. При этом теряется автоматизация управления самолётом, для сохранения которой применяют дополнительное резервирование гидропитания РП (например, ус­тановка резервной автономной насосной станции, включающейся при отказе основной ГС). Ту-134 - один из первых пассажирских самолетов, снабжённый стреловидным крылом. Вследствие присущего ему малого демпфирования в режиме управления по каналам крена и курса возникла проблема так называе­мого голландского шага, т. е. движение по курсу и крену хорошо описывается следом в виде горизонтальной восьмёрки, оставляемой концом крыла. Это яв­ление усложняет пилотирование самолёта и резко снижает уровень комфорта пассажиров. Для его исключения стал применяться постоянно действующий демпфер курса, корректирующий движение руля направления, функциони­рующий параллельно с входным сигналом пилота, г. с. независимо от переме­щения педалей. Приводом демпфера курса служил сервомотор постоянного тока, приводящий в действие дифференциальный рычаг в суммирующем меха­низме МПУ или раздвижную гягу с винтом гайкой, последовательно включению в МПУ (типа РАУ-107, установленную на Гу-134).

Основное применение в приводах рулевых поверхностей современных самолётов нашли гидравлические исполнительные механизмы - гидравличе­ские следящие приводы. Среди известных преимуществ гидравлического следящего привода, благодаря которым он получил столь широкое распро­странение в СУР самолёта, отметим:

1) минимальные габариты и массу привода благодаря использованию вы­сокого уровня давления рабочей жидкости;

2) высокое быстродействие и точность за счёт небольшого по сравнению с электроприводом момента инерции подвижных частей исполнительного ме­ханизма гидропривода;

3) простоту конструкции элементов привода, обеспечивающих непрерыв­ное регулирование скорости исполнительного механизма гидропривода, включая удержание нагрузки, плавность и устойчивость его работы;

4) высокий КПД и большой срок службы привода в условиях непрерывных реверсов, троганий и остановок, что даёт гидроприводу важные преимущест­ва перед любым другим видом приводов;

5) непрерывность и длительность работы при высоких температурах ок­ружающего воздуха, не требующая индивидуального охлаждения;

6) высокую надёжность и низкую стоимость привода.

Этап II неразрывно связан с развитием и совершенствованием конструк­ции самолётного гидравлического привода. Применение в СУР первых гид­равлических следящих приводов позволило снизить физическую нагрузку лётчика и преодолеть недопустимые с точки зрения управляемости самолё­том изменения усилий на РУ от аэродинамических сил на руле при переходе самолёта на сверхзвуковые скорости полёта. Современный гидравлический следящий привод решает не только эти задачи, но и повышает эффективность органов управления, обеспечивает требуемые характеристики устойчивости и управляемости на всех режимах полёта, улучшает аэродинамическое качест­во и компоновку самолёта, гарантирует безопасность от рулевых форм флат­тера. Гидравлический следящий привод - одно из основных устройств, во многом определяющее структуру всей СУР, её органов управления и компо­новку на самолёте.

При разработке первых гидравлических следящих РП для СУР самолёта решались, по существу, две основные задачи: обеспечение устойчивости са­мого привода и безопасный переход на аварийную СУР с механическим при­водом в случае отказа РП. Создание РП для современных самолётов требует решения в совокупности ряда достаточно сложных научно-технических про­блем: получение высокого быстродействия и точности при необходимых за­пасах устойчивости привода в условиях значительных инерционных нагру­зок; обеспечение высокой надёжности привода при минимальной избыточно­сти входящих в его состав элементов; гарантия безопасности от рулевых форм флаттера при отсутствии аэродинамической компенсации и массовой балансировки руля и т. д. Определённые конструктивные трудности во мно­гих случаях вызывают и такие вопросы разработки РП самолётных СУР, как компоновка и размещение исполнительной части РП в тонких профилях кры­ла и оперения, подвод рабочей жидкости высокого давления к его подвиж­ным элементам, стабильность характеристик привода в широком диапазоне температур рабочей жидкости и достаточно высокий уровень вибрации кон­струкции планера.

В самолётах применяют три типа СУР с гидравлическим следящим при­водом гидромеханическую, электрогидромеханическую и электрогидравли ческую.

Гидромеханическая СУР (рис, 2.3) представляет собой совокупность ме­ханической дистанционной передачи управляющих сигналов и гидравличе­ского следящего привода с механическим управлением.

Рис. 2.3. Система управления самолёта Ту-134 с гидромеханической СУР:

1 - педали; 2 - МПУ; 3 - электромеханическая раздвижная тяга демпфера рыскания (курса); 4 - устройство переключения на аварийное управление; 5 - гидромеханический привод; 6 - руль направления; 7 - аварийное (без усиления мощности) управление; 8 - устройство вклю­чения и выключения ЭМП; 9 - ЭМП; 10 - автопилот; 11 - механизм загрузки педалей: 12 - устройство отключения механизма загрузки педалей при выключении гидромеханического привода; 13 - РВ; 14- элероны; 15 - интерцепторы; 16 - ЭМП стабилизатора; 77 - термовыводы

Электрогидромеханическая СУР может быть выполнена в двух вариантах:

1) как совокупность МПУ с электромеханическим и гидромеханическим следящими приводами (см. рис. 2.3), при этом электромеханический следя­щий привод управляет рулевой поверхностью через гидравлический следя­щий привод;

2) как совокупность МПУ с гидравлическими следящими приводами, имеющими как механическое, так и электрическое (электрогидравлический следящий привод) управление (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Самолёт Ту-154 с электрогидромеханической СУР:

1- РУ; 2- индикатор положения руля; 3- механизм загрузки; 4- МПУ; 5- датчик обратной связи; 6-электрогидравлический привод; 7-механический сумматор; 8-гидромеханический привод; 9-датчик положения руля; 10- РВ; 11- сумматор электрических сигналов; 12- электрические связи; 13-система автоматического управления и стабилизации; 14-элерон; 15-интерцепторы; 16-закрылки; 17- неленейный механизм управления внешними интерцепторами; 18- компенсационная качалка; 19- руль направления

Электрогидравлическая СУР получила широкое распространение на со­временных самолетах, позволяя наиболее полно реализовать преимущества гидропривода и получить необходимую стабильность характеристик и надёжность СУР при минимальной избыточности элементов. Последнее объ­ясняется тем, что электрогидравлический привод обладает важным преиму­ществом перед другими видами приводов: при его резервировании можно наиболее эффективно использовать принципы мажоритарной логики, т. е. «голосования большинством», обеспечивая не только высокую стабильность характеристик привода, но и минимальные возмущения рулевой поверхности при возникновении в приводе или во взаимодействующих с ним системах отдельных отказов или неисправностей.

При создании электрогидравлических СУР кроме решения упомянутых проблем также необходимо выбрать метод и степень резервирования, по­зволяющие получить требуемую безопасность полёта и надёжность выпол­нения полётного задания при минимальной избыточности входящих в СУР элементов.

Приведённая на рис. 2.4 схема электрогидромеханической СУР пред­ставляет собой основную СУР. Однако на ряде самолётов, например «Кон­корд» (рис. 2.5), электрогидравлическая СУР используется для основной сис­темы управления, гидромеханическая - для аварийной системы управления, которая включается в работу при отказе основной системы. Такая СУР явля­ется промежуточным этапом перехода от СУР с гидромеханическим приво­дом к СУР с электрогидравлическим приводом, т. е. от систем с механиче­ской передачей командных сигналов к системам с электродистанционным управлением рулевыми поверхностями - ЭДСУ. Электродистанционные сис­темы управления (рис. 2.6) определяют новый этап в развитии СУР самолёта, обеспечивая не только автоматическую компенсацию динамической неус­тойчивости, но и контроль и ограничение вибраций конструкции самолёта, перераспределение нагрузок на планер и т. д. Таким образом, ЭДСУ подгото­вили основу для внедрения в авиационную технику так называемых активных систем управления.

Кроме улучшения лётных характеристик существуют и другие конструк­тивные преимущества от замены МПУ на электрическую:

1) экономия трудозатрат на конструирование и монтаж — при обслужива­нии нет необходимости в натяжении, осмотре и ремонте тросовой проводки;

2) экономия массы и пространства - исключаются тяжеловесные механи­ческие элементы и узлы, гермовыходы и люфты в механических соединениях проводки;

3) увеличение надёжности в результате оснащения самолёта четырёхкрат­но резервированными и отказоустойчивыми системами управления;

4) уменьшение объёма технического обслуживания - исчезает обслужи­вание проводки, секторных качалок, тросов, шкивов, тяг, стяжных муфт, ре­гуляторов натяжения тросов, торсионных валов, крепёжных изделий и под­шипников в механической трансмиссии;

5) улучшение управляемости летательного аппарата за счёт исключения нелинейностей в механической системе (трения, люфтов и гистерезиса);

Рис. 2.5. Самолёт «Конкорд» с электродистанционной СУР, резервированной механической дистанционной передачей командного сигнала:

1 — РУ; 2 ~ электромеханизм триммирования; 3 - ручной привод триммерного механизма; 4 - сумматор; 5 - пружинная тяга автомата загрузки РУ; 6 - гидропривод автомата загрузки; 7 — СП; 8 - пружинная тяга; 9 - ограничитель усилий; 10 - регулятор натяжения тросовой проводки; //, 12,13 - ГС; 14 - компенсатор; 15 - элевоны; 16 - система контроля; 17 - ручной переключатель; 18 - индикатор; 19 - сельсин; 20 - авто­мат стабилизации; 21, 22 - системы электропитания; 23, 24 - каналы электродистанционного управления; 25 - элсктрогидромеханический привод; 26 - механическая жёсткая проводка; 27 - тросовая проводка; 28 - направляющие колодки; 29 - руль направления

1) нечувствительность к деформациям корпуса летательного аппарата на электрожгуты не влияют упругие, изгибные и температурные деформации его каркаса,

2) гибкость конструктивной компоновки кабины контроллеры боковой

ручки или мини-штурвала управления не заслоняют пилотам обзор приборной доски, легче выполняются такие функции управления, как триммирование, реверс тяги, управление воздушными тормозами и рулении по ВПП;

3) Лёгкое оснащение самолёта автоматизированными системами управле­ния полетом и посадкой (все входные сигналы - электрические, а их сумми­рование облегчило применение электронных устройств для СУР);

4) простота реконфигурации СУР - перемонтаж электрической проводки более легок, чем переделка МПУ, из-за чего легче осуществлять изменение законов управления в СУР;

5) большая живучесть - электрическую кабельную проводку проще изо­лировать, чем МПУ, и, по-видимому, при отказах в полёте она больше соот­ветствует требованию сохранения живучести самолёта;

общее повышение надёжности - меньшая сложность и большая при­способленность к выявлению неисправности, а также возможность оснаще­ния электроникой для повышения отказоустойчивости СУР.

Рис. 2.6. Самолёт с ЭДСУ:

1 – электрогидравлический привод; 2 - крыло; 3 - антенны; 4 - РУ; 5 - индикатор; б - САУ полё­том я вооружением; 7 - гироскоп; 8 - вооружение; 9 - датчики положения и автомат загрузки;

10 - датчики; 11 - стабилизатор; 12 - руль направления; 13 - САУ

Всё сказанное справедливо при наличии высоконадёжной элементной ба­зы ЭДСУ, которая создавалась и отрабатывалась десятилетиями, в связи с чем внедрение ЭДСУ происходило достаточно медленно. Пожалуй, единст­венный и очень серьёзный недостаток ЭДСУ - чувствительность к внешним электромагнитным и другим полям, что заставляет конструкторов вести ин­тенсивные поиски решения этой задачи.

Таким образом, этап III связан с развитием и внедрением резервирован­ных ЭДСУ, что проходило довольно осторожно из-за недостаточной надёж­ности её элементов. Несмотря на высокую степень резервирования ЭДСУ, обеспечить необходимую надёжность управления самолётом, соизмеримую с механической системой управления (МСУ), долгое время не удавалось. По­этому применялись ЭДСУ, работающие совместно с МСУ - гибридные СУР. Основной системой может быть ЭДСУ, а МСУ - резервной. Гибридные СУР, позволяющие противостоять воздействию сильных внешних электромагнит­ных и других полей, широко использовали на самолётах конца XX в. («Кон­корд», В-1, Ту-204 и др.). Их применение дало возможность накопить бога­тый опыт эксплуатации ЭДСУ, создать элементную базу с достаточно высо­кой надёжностью, отработать принципы построения и конструктивного ис­полнения ЭДСУ на самолётах нового поколения.

Список литературы

1. Надёжность гидравлических систем воздушных судов \ В.Д. Баданская, Т.М Башта, Ю.С. Головко и др. М.: Транспорт, 1986.

2. Нелинейные системы автоматического управления \ Е.П. Попов, М.: Машиностроение, 1970.

3. Остославский И.В., Странева И.В. Динамика полёта, устойчивость и управляемость летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1965.

4. Плунгян А.М. Гидросистемы самолётов 5-го поколения \\ Датчики и системы. 2002 №7.

5. Проблемы проектирования систем управления рулями самолётов \\ Международная науч.-техн. Конф. «Гидромашины, гидропривод и гидропневматика»: Доклад. Спб., 1972.

Дата добавления: 2015-04-29