Управление самолетом: принципы и механизмы

Введение

Как управляют воздушными судами

Система управления полетом обычного самолета с фиксированным крылом (AFCS) состоит из органов управления полетом, соответствующих элементов управления в кабине пилота, тяг и необходимых механизмов, обеспечивающих управление направлением воздушного судна в полете. Управление двигателем самолета также относится к органам управления полетом, поскольку оно изменяет скорость. Основы управления воздушным судном объясняются в аэродинамике полета. В данной статье рассматриваются механизмы работы органов управления полетом. Базовая система, используемая на самолетах, впервые появилась в узнаваемой форме еще в апреле 1908 года на конструкции моноплана Луи Блерио Blériot VIII.

Механические

Механические или ручные системы управления полетом являются наиболее простым способом управления воздушным судном. Они использовались в первых самолетах и до сих пор применяются в небольших самолетах, где аэродинамические нагрузки не слишком велики. В самых ранних самолетах, таких как Wright Flyer I, Blériot XI и Fokker Eindecker, использовалась система изменения геометрии крыла, при которой на крыле не было традиционных управляющих поверхностей с шарнирами, а иногда даже и для управления тангажом, как в Wright Flyer I и первых версиях Etrich Taube 1909 года, которые имели только руль направления с шарниром, в дополнение к управлению тангажом и креном посредством изменения геометрии крыла. Ручная система управления полетом использует набор механических деталей, таких как тяги, тросы, шкивы, противовесы и иногда цепи, для передачи усилий от органов управления в кабине непосредственно к управляющим поверхностям. Турникеты часто используются для регулировки натяжения тросов управления. Cessna Skyhawk является типичным примером самолета, использующего такую систему. На припаркованных самолетах с механическими системами часто используются блокираторы управления для защиты управляющих поверхностей и тяг от повреждений ветром. Некоторые самолеты имеют блокираторы управления, встроенные в систему управления. Увеличение площади управляющих поверхностей и более высокие скорости, необходимые для более быстрых самолетов, привели к увеличению аэродинамических нагрузок на системы управления полетом. В результате силы, необходимые для перемещения этих поверхностей, также значительно возросли. В связи с этим были разработаны сложные механические передачи для получения максимального механического преимущества и снижения усилий, требуемых от пилотов. Такая конструкция встречается на более крупных или высокопроизводительных винтовых самолетах, таких как Fokker 50. В некоторых механических системах управления полетом используются аэродинамические компенсаторы, которые обеспечивают дополнительную аэродинамическую помощь. Аэродинамические компенсаторы – это небольшие поверхности, прикрепленные к управляющим поверхностям. Механизмы управления полетом перемещают эти компенсаторы, а аэродинамические силы, в свою очередь, перемещают или помогают перемещению управляющих поверхностей, уменьшая необходимое механическое усилие. Эта схема использовалась в первых транспортных самолетах с поршневыми двигателями и в первых реактивных транспортных самолетах. Boeing 737 оснащен системой, которая в маловероятном случае полной неисправности гидравлической системы автоматически и плавно переключается на управление посредством аэродинамических компенсаторов.

Mechanical or manually operated flight control systems are the most basic method of controlling an aircraft. They were used in early aircraft and are currently used in small aircraft where the aerodynamic forces are not excessive. Very early aircraft, such as the Wright Flyer I, Blériot XI and Fokker Eindecker used a system of wing warping where no conventionally hinged control surfaces were used on the wing, and sometimes not even for pitch control as on the Wright Flyer I and original versions of the 1909 Etrich Taube, which only had a hinged/pivoting rudder in addition to the warping operated pitch and roll controls. A manual flight control system uses a collection of mechanical parts such as pushrods, tension cables, pulleys, counterweights, and sometimes chains to transmit the forces applied to the cockpit controls directly to the control surfaces. Turnbuckles are often used to adjust control cable tension. The Cessna Skyhawk is a typical example of an aircraft that uses this type of system. Gust locks are often used on parked aircraft with mechanical systems to protect the control surfaces and linkages from damage from wind. Some aircraft have gust locks fitted as part of the control system. Increases in the control surface area, and the higher airspeeds required by faster aircraft resulted in higher aerodynamic loads on the flight control systems. As a result, the forces required to move them also become significantly larger. Consequently, complicated mechanical gearing arrangements were developed to extract maximum mechanical advantage in order to reduce the forces required from the pilots. This arrangement can be found on bigger or higher performance propeller aircraft such as the Fokker 50. Some mechanical flight control systems use servo tabs that provide aerodynamic assistance. Servo tabs are small surfaces hinged to the control surfaces. The flight control mechanisms move these tabs, aerodynamic forces in turn move, or assist the movement of the control surfaces reducing the amount of mechanical forces needed. This arrangement was used in early piston engined transport aircraft and in early jet transports. The Boeing 737 incorporates a system, whereby in the unlikely event of total hydraulic system failure, it automatically and seamlessly reverts to being controlled via servo tab.

Гидромеханические

Сложность и вес механических систем управления полетом значительно возрастают с увеличением размеров и характеристик самолета. Гидравлические органы управления помогают преодолеть эти ограничения. При использовании гидравлических систем управления полетом размер и характеристики самолета ограничиваются экономическими факторами, а не физической силой пилота. Первоначально использовались частично усиленные системы, в которых пилот все еще ощущал часть аэродинамических нагрузок на органы управления (обратную связь). Точка приложения силы в этом устройстве смещалась пропорционально квадрату воздушной скорости (для рулей высоты), обеспечивая повышенное сопротивление на больших скоростях. В системах управления американских боевых самолетов Vought F 8 Crusader и LTV A 7 Corsair II в канале тангажа ручки управления использовался "боб-вес", создававший силовую обратную связь, пропорциональную нормальному ускорению самолета.

Шейкер

Шейкер – это устройство, устанавливаемое на ручку управления в некоторых самолетах с гидравлической системой управления. Он создает вибрацию ручки управления, когда самолет приближается к сваливанию. Некоторые самолеты, например McDonnell Douglas DC-10, оснащены резервным электропитанием, которое может быть активировано для включения шейкера в случае отказа гидравлической системы.

Электроснабжение по проводу

В большинстве современных систем питание управляющих исполнительных механизмов обеспечивается высоконапорными гидравлическими системами. В системах с электрическим управлением (fly by wire) клапаны, управляющие этими системами, активируются электрическими сигналами. В системах с электрической передачей мощности (power by wire) вместо гидравлических поршней используются электрические приводы. Энергия передается к приводам по электрическим кабелям. Они легче гидравлических труб, проще в установке и обслуживании, и более надежны. В системе управления полетом F-35 используются элементы с электрической передачей мощности. Исполнительные механизмы в такой системе электрогидростатического привода (ЭГД) представляют собой автономные гидравлические устройства – небольшие гидравлические системы замкнутого контура. Общая цель – создание самолетов с большей или полностью электрической системой, и ранним примером такого подхода был Avro Vulcan. Возможность применения данной технологии серьезно рассматривалась при проектировании Airbus A380.

Системы управления по схеме "fly-by-wire"

Система электродистанционного управления (ЭДУ, fly by wire - FBW) заменяет механическое управление полетом воздушного судна электронным интерфейсом. Движения органов управления полетом преобразуются в электронные сигналы, передаваемые по проводам (отсюда и термин "fly by wire"), а компьютеры управления полетом определяют, как перемещать исполнительные механизмы на каждой управляющей поверхности для обеспечения необходимой реакции. Команды от компьютеров также вводятся без ведома пилота для стабилизации самолета и выполнения других задач. Электронное оборудование систем управления полетом самолетов является частью области, известной как авионика. Fly by optics, также известный как fly by light, – это дальнейшее развитие, использующее волоконно-оптические кабели.

Исследования

Существует несколько технологических исследований и разработок, направленных на интеграцию функций систем управления полетом, таких как элероны, рули высоты, элевоны, закрылки и флапероны, непосредственно в крылья для выполнения аэродинамических задач с преимуществами в снижении: массы, стоимости, сопротивления, инерции (для более быстрого и эффективного управления), сложности (за счет механической простоты, меньшего количества подвижных частей и поверхностей, снижения затрат на обслуживание) и радиолокационной заметности. Эти технологии могут найти применение в широком спектре беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и истребителях шестого поколения. Два наиболее перспективных направления – гибкие крылья и флюидика.

Гибкие крылья

На гибких крыльях, также известных как "морфирующие аэродинамические профили", значительная часть или вся поверхность крыла может изменять форму в полете, отклоняя воздушный поток подобно орнитоптеру. Адаптируемые податливые крылья являются областью военных и коммерческих разработок. X-53 Active Aeroelastic Wing был результатом сотрудничества ВВС США, NASA и Boeing. Значительные усилия также были предприняты компанией FlexSys, которая проводила летные испытания с использованием гибких аэродинамических профилей, установленных на самолет Gulfstream III.

Активный контроль потока

В системах активного управления потоком силы в транспортных средствах создаются за счет управления циркуляцией, при котором крупные и сложные механические компоненты заменяются более компактными и простыми пневматическими системами (щелями, выпускающими воздушные потоки). Большие силы в потоке жидкости отклоняются небольшими струями или потоками жидкости, подаваемыми периодически, для изменения направления движения транспортного средства. Такое применение активного управления потоком позволяет добиться простоты конструкции, снижения массы, стоимости (до 50%), инерции и времени отклика. Это было продемонстрировано на беспилотном летательном аппарате Demon, совершившем первый полет в Великобритании в сентябре 2010 года.