Система активного управления

Проблемы, описанные в предыдущем разделе, касались системы управления, которую с сегодняшних позиций можно назвать пассивной. Поскольку других систем управления на предыдущем этапе развития авиации не было, то не было и нужды в определении такого подхода как пассивного метода управления.

При использовании систем пассивного управления пилот (или автопилот в соответствии с заданной программой) воздействует на управляющие поверхности, которые в обычном положении не выступают за контур неподвижных элементов планера. Составной частью такой системы является механизм управления, связывающий исполнительные плоскости с соответствующими рычагами в кабине экипажа при помощи тросов (гибкая проводка управления), тонкостенных труб, изготовленных обычно из алюминиевых сплавов (жесткая проводка), либо тросов и труб (смешанная проводка).

Рис. 1.35. Элементы системы активного управления самолета F-16.

I – вычислитель полетных параметров; 2-командная ручка управления самолетом, размещенная на подлокотнике кресла пилота; 3 – акселерометры; 4 -зависающий элерон; 5-гидропривод зависающего элерона; 6-руль направления; 7-гидропривод руля направления; 8 – управляемый дифференциальный стабилизатор; 9-гироскопы в каналах крена, рыскания и тангажа; 10 -электрическая подсистема управления; II -центральная ЭВМ.

В начале 70-х годов механизм управления был заменен системой электропередачи сигналов от соответствующих ручек к быстродействующим исполнительным устройствам (ими служат гидроприводы), отклоняющим управляющие поверхности. Работу системы обеспечивает цифровое вычислительное устройство, получающее информацию от датчиков угловой скорости, ускорения, угла атаки и т.п. и при необходимости корректирующее решения пилота, сигналами которых служат отклонения командных рычагов управления.

Электродистанционная система управления позволила реализовать активное управление, основанное на автоматическом отклонении рулей в ответ на возникающие отклонения параметров полета от заданных. Эта система работает независимо от пилота, допуская тем не менее возможность его вмешательства в процесс управления. Обычно электродистанционная система выполняет ту же роль, что и механическая, и может применяться самостоятельно как основная или аварийная либо параллельно с механической системой, которой отводится роль аварийной.

Самолет с системой активного управления выполняется как статически неустойчивая система, особенно по продольной оси, т.е. используется оперение меньшей площади. Неустойчивость компенсируется динамически посредством непрерывного автоматического воздействия системы на управляющие поверхности, т.е. путем их отклонения, приводящего к уравновешиванию действующих на самолет моментов. При таком управлении обеспечиваются:

– высокая маневренность, связанная, во- первых, с уменьшением запаздывания отклонения управляющей поверхности в ответ на сигнал системы управления и, во-вторых, с использованием предкрылков и закрылков в качестве управляющих поверхностей ;

– более быстрая реакция самолета на воздействие порывов ветра и уменьшение нагрузок, действующих на конструкцию (что повышает усталостную выносливость планера);

– демпфирование самовозбуждающихся колебаний;

– разгрузка пилота от реагирования на изменение балансировки самолета, особенно от изнурительного постоянного реагирования на изменение параметров траектории полета на малой высоте в условиях турбулентной атмосферы.

Обычно это приводит к улучшению характеристик самолета и живучести планера, а также комфортабельности полета. В боевом самолете это повышает эффективность вооружения, позволяет экипажу сконцентрировать свое внимание на выполнении задания, сохраняет на более длительный период времени его оперативную готовность и т.п. Включение в систему активного управления носовых щитков или закрылков позволяет управлять распределением нагрузки вдоль размаха крыла. Например, при одновременном отклонении элеронов кверху нагружаются концы крыла, а при отклонении закрылков книзу происходит дополнительное нагружение его корневых частей. При этом, сохраняя постоянной подъемную силу, крыло будет воспринимать меньший изгибающий момент при полете самолета в турбулентной атмосфере или во время выполнения маневров.

Рис. 1.36. Самолет F-4CCV с дополнительным передним оперением.

Дальнейшим шагом в направлении улучшения характеристик самолета является увеличение числа управляемых степеней свободы самолета. В современных самолетах используются системы управления четырьмя степенями свободы: тяга (сопротивление), крен, тангаж и рыскание.

Разрабатываемая в настоящее время концепция предусматривает в дополнение к этому управление подъемной силой для вертикального и горизонтального перемещения самолета относительно траектории полета без изменения его углового положения. Для реализации управления по этим двум степеням свободы предполагается использовать шарнирно-закре- пленные консоли крыла (с изменяемым в полете углом установки), поворот которых в соответствии с отклонением руля высоты создаст дополнительную вертикальную силу, приложенную к центру тяжести самолета. Предполагается также установка дополнительного вертикального оперения в носовой части фюзеляжа; поворот этого оперения, согласованный с поворотом руля направления, создаст дополнительную горизонтальную силу. Таким образом, управление самолетом по шести степеням свободы потребует применения только 6-7 подвижных плоскостей (2 консоли крыла, 2 плоскости горизонтального оперения и 2 или 3 плоскости вертикального оперения) в сравнении с 9-15 подвижными элементами, используемыми в современных сверхзвуковых самолетах (рули, элероны, носовые щитки, предкрылки и закрылки, тормозные щитки, интерцепторы). Такой результат можно получить и для самолета классической схемы, однако необходимо дополнительно установить на нем одну вертикальную и две горизонтальные плоскости либо только две плоскости по схеме V-образного оперения, которые надо разместить в носовой части фюзеляжа.

Для новой схемы характерны все свойства активного управления, а также дополнительные качества, вытекающие из увеличения числа степеней свободы.

С точки зрения боевого применения самолета такая система, кроме прочего, обеспечивает:

– наведение самолета в плоскости крыла при атаке на наземные цели, что увеличивает точность сброса неуправляемых бомб (эта точность зависит от момента крена, воздействующего на самолет);

– ориентацию фюзеляжа со стационарным вооружением по линии прицеливания независимо от траектории полета в атаках на наземные цели с малой высоты, что увеличивает время атаки одной цели либо число атакуемых целей;

– управление положением фюзеляжа в воздушном бою, а также большую маневренность, что сокращает время прицеливания и предохраняет самолет от возможного столкновения с атакуемой целью;

– бомбардировку при почти вертикальном пикировании благодаря эффективному управлению сопротивлением за счет поворота всего крыла, что увеличивает точность бомбометания и уменьшает вероятность уничтожения самолета наземными средствами противовоздушной обороны;

– более высокие ускорения при сохранении неизменными характеристик двигательной установки посредством управления сопротивлением самолета, что может обеспечить наивыгоднейшие условия перед началом воздушного боя;

– лучшие условия выруливания, взлета и посадки благодаря использованию боковых сил, горизонтальному положению фюзеляжа (лучшей обзорности, большему удалению вооружения от земли), а также благодаря управлению сопротивлением во время разбега и пробега.

Рис. 1.37. Управление самолетом F-4CCV с использованием боковых сил для изменения положения фюзеляжа без изменения траектории полета (а), для изменения траектории полета без изменения положения фюзеляжа (б) и для обоих изменений одновременно (в).

Из вышесказанного следует, что применение автоматического активного управления может дать многообразные преимущества. Поэтому после решения проблем волнового кризиса и обеспечения самолету классической схемы надлежащей управляемости во всем диапазоне эксплуатационных скоростей были начаты работы по внедрению электродистанционных систем управления. В первую очередь были заменены электрическими некоторые механические тяги (например, управление носовыми щитками в самолете F-104, интерцепторами в «Мираже» F.8, а также внутренними секциями элевонов в «Мираже» III), а затем введены устройства стабилизации и демпфирования в поперечном управлении, искусственно повышающие устойчивость. Проведенные исследования показали, что даже ограниченное применение активного управления приносит значительные преимущества. Например, введение в стратегическом околозвуковом бомбардировщике «Боинг» В-52 противотурбу- лентной системы, приводящей в действие руль высоты и закрылки, повысило усталостный ресурс планера на 35-50% без дорогостоящего усовершенствования самой конструкции. Подобную же задачу выполняют две дополнительные небольшие несущие плоскости, установленные в передней части фюзеляжа самолета В-1, которые включены в электрическую систему активного гашения изгибных колебаний, возникающих при полете в турбулентной атмосфере.

Введение первых систем активного управления относится к началу 70-х годов. Первым шагом в этом направлении была модернизация самолетов классической схемы, в которых механические устройства управления были заменены электродистанционной системой (например, у самолетов F4 и F-8). Следующим шагом было применение дополнительного переднего оперения (горизонтального и вертикального) для создания вертикальных и боковых сил, позволяющих самолету выполнять «скачки» вверх-вниз либо в стороны. Характеристика первого типа реализована в самолете F-4CCV, на котором установлено дополнительное горизонтальное оперение, составляющее 7,5% поверхности основного крыла, а также небольшой дополнительный киль. Подобным образом модернизирован и самолет классической схемы YF-16CCY, в котором использованы только две дополнительные плоскости, работающие как V-образное оперение, выполняющее роль вертикального и горизонтального оперения.

Практическим результатом первого этапа работ над активным управлением было то, что автоматическая электродистанционная система управления предусматривалась в качестве основной уже при проектировании самолетов «Торнадо» (с механической аварийной системой), самолет F-16 проектировался с исключительно электрической цифровой системой без типичной рукоятки управления, а затем аналогичные системы управления были применены в самолетах «Мираж» 2000, F-18 и «Сюпер- Мираж» 4000.

Активное управление охватывает множество различных технических вопросов, часть из которых еще требует дополнительных исследований. Однако уже можно утверждать, что использование активного управления дает наибольший эффект в боевых пилотируемых и беспилотных самолетах.