stringtranslate.com

Система управления полетом самолета

Типичные основные органы управления полетом самолета в движении

Обычная система управления полетом самолета с фиксированным крылом ( AFCS ) состоит из поверхностей управления полетом , соответствующих органов управления кабины, соединительных тяг и необходимых рабочих механизмов для управления направлением самолета в полете. Органы управления двигателем самолета также считаются органами управления полетом, поскольку они изменяют скорость.

Основы управления самолетом объясняются в динамике полета . В этой статье основное внимание уделяется рабочим механизмам управления полетом. Базовая система, используемая на самолете, впервые появилась в легко узнаваемой форме еще в апреле 1908 года на пионерском моноплане Blériot VIII Луи Блерио . [1]

Элементы управления в кабине

Первичный контроль

Органы управления в кабине и приборная панель самолета Cessna 182 D Skylane

Как правило, основные органы управления полетом в кабине экипажа расположены следующим образом: [2]

Штанги управления также сильно различаются в зависимости от самолета. Есть штурвалы, где крен контролируется вращением штурвала по часовой стрелке/против часовой стрелки (как рулевое управление автомобилем), а тангаж контролируется перемещением колонки управления к пилоту или от него, но в других тангаж контролируется сдвигом штурвала в приборную панель и из нее (как в большинстве самолетов Cessna, таких как 152 и 172), а в некоторых крен контролируется сдвигом всего штурвала влево и вправо (как в Cessna 162). Центральные ручки также различаются в зависимости от самолета. Некоторые напрямую соединены с поверхностями управления с помощью кабелей, [3] другие (самолеты с электродистанционным управлением) имеют компьютер между ними, который затем управляет электрическими приводами.

Блерио VIII в Исси-ле-Мулино , первый проект самолета, пригодного к полетам, с первоначальной формой современных органов управления полетом для пилота

Даже когда самолет использует различные поверхности управления полетом, такие как руль направления с V-образным хвостовым оперением , флапероны или элевоны , поскольку эти различные поверхности управления комбинированного назначения управляют вращением вокруг тех же трех осей в пространстве, система управления полетом самолета все равно будет спроектирована так, чтобы ручка или штурвал управляли тангажем и креном традиционно, как и педали руля направления для рыскания. [2] Базовая модель для современных средств управления полетом была впервые разработана французским деятелем авиации Робером Эсно-Пельтри , а его коллега французский летчик Луи Блерио популяризировал формат управления Эсно-Пельтри первоначально на моноплане Луи Блерио VIII в апреле 1908 года и стандартизировал формат на пересекающем Ла-Манш Blériot XI в июле 1909 года . Управление полетом уже давно преподается таким образом в течение многих десятилетий, что было популяризировано в учебных пособиях ab initio, таких как работа 1944 года Stick and Rudder .

В некоторых самолетах поверхности управления не управляются с помощью тяги. В сверхлегких самолетах и ​​моторизованных дельтапланах, например, вообще нет механизма. Вместо этого пилот просто хватает подъемную поверхность рукой (используя жесткую раму, которая висит снизу) и перемещает ее. [ необходима цитата ]

Вторичный контроль

В дополнение к основным органам управления полетом для крена, тангажа и рыскания, часто имеются вторичные органы управления, которые дают пилоту более точный контроль над полетом или облегчают рабочую нагрузку. Наиболее распространенным органом управления является штурвал или другое устройство для управления триммером руля высоты , так что пилоту не нужно поддерживать постоянное давление назад или вперед для удержания определенного положения тангажа [4] (другие типы триммера, для руля направления и элеронов , распространены на более крупных самолетах, но могут также появляться на более мелких). Многие самолеты имеют закрылки , управляемые переключателем или механическим рычагом или в некоторых случаях полностью автоматические с помощью компьютерного управления, которые изменяют форму крыла для улучшения управления на более низких скоростях, используемых для взлета и посадки. Другие вторичные системы управления полетом могут включать предкрылки , интерцепторы , воздушные тормоза и крылья с изменяемой стреловидностью .

Системы управления полетом

Механический

тросы руля высоты и направления самолета de Havilland Tiger Moth

Механические или ручные системы управления полетом являются самым основным методом управления самолетом. Они использовались в ранних самолетах и ​​в настоящее время используются в небольших самолетах, где аэродинамические силы не являются чрезмерными. Очень ранние самолеты, такие как Wright Flyer I , Blériot XI и Fokker Eindecker, использовали систему деформации крыла , где на крыле не использовались обычные шарнирные поверхности управления, а иногда даже не использовались для управления тангажом, как на Wright Flyer I и оригинальных версиях 1909 Etrich Taube , у которых был только шарнирный/поворотный руль в дополнение к управлению тангажом и креном, работающим с деформацией. [5] Ручная система управления полетом использует набор механических частей, таких как толкатели, натяжные тросы, шкивы, противовесы и иногда цепи, для передачи усилий, приложенных к органам управления кабины, непосредственно на поверхности управления. Для регулировки натяжения тросов управления часто используются талрепы . Cessna Skyhawk является типичным примером самолета, который использует этот тип системы. Блокировки порывов часто используются на припаркованных самолетах с механическими системами для защиты поверхностей управления и тяг от повреждения ветром. Некоторые самолеты имеют блокировки порывов, установленные как часть системы управления. [6]

Увеличение площади поверхности управления и более высокие скорости полета, требуемые для более быстрых самолетов, привели к более высоким аэродинамическим нагрузкам на системы управления полетом. В результате силы, необходимые для их перемещения, также стали значительно больше. Следовательно, были разработаны сложные механические передаточные устройства для извлечения максимального механического преимущества с целью уменьшения усилий, требуемых от пилотов. [7] Такое устройство можно найти на более крупных или высокопроизводительных винтовых самолетах, таких как Fokker 50 .

Некоторые механические системы управления полетом используют сервоприводы , которые обеспечивают аэродинамическую помощь. Сервоприводы — это небольшие поверхности, шарнирно прикрепленные к управляющим поверхностям. Механизмы управления полетом перемещают эти приводы, аэродинамические силы, в свою очередь, перемещают или помогают движению управляющих поверхностей, уменьшая количество необходимых механических усилий. Такая компоновка использовалась в ранних поршневых транспортных самолетах и ​​в ранних реактивных транспортных самолетах. [8] Boeing 737 включает в себя систему, посредством которой в маловероятном случае полного отказа гидравлической системы он автоматически и плавно возвращается к управлению с помощью сервопривода.

Гидромеханический

Гидромеханические конструкции, состоящие из механической цепи и гидравлической цепи, использовались для уменьшения сложности, веса и ограничений механических систем управления полетом. [9]

Сложность и вес механических систем управления полетом значительно увеличиваются с размером и производительностью самолета. Гидравлические управляющие поверхности помогают преодолеть эти ограничения. С гидравлическими системами управления полетом размер и производительность самолета ограничены экономикой, а не мускульной силой пилота. Сначала использовались только частично усиленные системы, в которых пилот все еще мог чувствовать некоторые аэродинамические нагрузки на управляющие поверхности (обратная связь). [7]

Гидромеханическая система управления полетом состоит из двух частей:

Движение пилота по элементу управления заставляет механическую цепь открыть соответствующий сервоклапан в гидравлической цепи. Гидравлическая цепь питает приводы, которые затем перемещают поверхности управления. Когда привод перемещается, сервоклапан закрывается механической обратной связью, которая останавливает движение поверхности управления в желаемом положении.

Такая компоновка была обнаружена в реактивных транспортных самолетах старой конструкции и в некоторых высокопроизводительных самолетах. Примерами являются Антонов Ан-225 и Lockheed SR-71 .

Искусственные тактильные устройства

В чисто механических системах управления полетом аэродинамические силы на управляющих поверхностях передаются через механизмы и ощущаются непосредственно пилотом, что обеспечивает тактильную обратную связь скорости полета. В гидромеханических системах управления полетом нагрузка на поверхности не ощущается, и существует риск перенапряжения самолета из-за чрезмерного движения управляющих поверхностей. Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать искусственные системы ощущения. Например, для управления реактивным бомбардировщиком Avro Vulcan Королевских ВВС и сверхзвуковым перехватчиком Avro Canada CF-105 Arrow Королевских ВВС (оба конструкции 1950-х годов) требуемая обратная связь по силе достигалась с помощью пружинного устройства. [10] Точка опоры этого устройства перемещалась пропорционально квадрату скорости воздуха (для рулей высоты), чтобы обеспечить повышенное сопротивление на более высоких скоростях. Для управления американскими военными самолетами Vought F-8 Crusader и LTV A-7 Corsair II использовался «грузовой балансир» на оси тангажа ручки управления, обеспечивающий силовую обратную связь, пропорциональную нормальному ускорению самолета. [ необходима ссылка ]

Шейкер для палочек

Встряхиватель ручки — это устройство, которое крепится к штурвальной колонке в некоторых гидравлических самолетах. Он встряхивает штурвальную колонку, когда самолет приближается к условиям сваливания . Некоторые самолеты, такие как McDonnell Douglas DC-10, оснащены резервным источником электропитания, который может быть активирован для включения встряхивателя ручки в случае отказа гидравлики. [11]

Питание по проводам

В большинстве современных систем питание исполнительных механизмов управления подается гидравлическими системами высокого давления. В системах управления по проводам клапаны, которые управляют этими системами, активируются электрическими сигналами. В системах управления по проводам электрические исполнительные механизмы используются вместо гидравлических поршней. Питание исполнительных механизмов передается по электрическим кабелям. Они легче гидравлических труб, их проще устанавливать и обслуживать, и они более надежны. Элементы системы управления полетом F-35 питаются по проводам. [12] [13] [14] Исполнительные механизмы в такой системе электрогидростатического привода (EHA) представляют собой автономные гидравлические устройства, небольшие замкнутые гидравлические системы. Общая цель заключается в создании более или полностью электрических самолетов, и ранним примером такого подхода был Avro Vulcan . Серьезное внимание было уделено использованию подхода на Airbus A380. [15]

Системы управления по проводам

Система управления по проводам (FBW) заменяет ручное управление полетом самолета на электронный интерфейс. Движения органов управления полетом преобразуются в электронные сигналы, передаваемые по проводам (отсюда и термин « управление по проводам» ), а компьютеры управления полетом определяют, как перемещать приводы на каждой поверхности управления, чтобы обеспечить ожидаемый ответ. Команды с компьютеров также вводятся без ведома пилота для стабилизации самолета и выполнения других задач. Электроника для систем управления полетом самолета является частью области, известной как авионика .

Fly-by-optics, также известная как fly-by-light , является дальнейшим развитием технологии с использованием волоконно-оптических кабелей .

Исследовать

Существует несколько технологических исследований и разработок для интеграции функций систем управления полетом, таких как элероны , рули высоты , элевоны , закрылки и флапероны , в крылья для выполнения аэродинамической цели с преимуществами меньшего: массы, стоимости, сопротивления, инерции (для более быстрого, более сильного реагирования на управление), сложности (механически проще, меньше движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания) и эффективной поверхности рассеяния для скрытности . Они могут использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и истребителях 6-го поколения . Два многообещающих подхода — гибкие крылья и струйная техника.

Гибкие крылья

В гибких крыльях, также известных как «трансформирующиеся аэродинамические профили», большая часть или вся поверхность крыла может менять форму в полете, чтобы отклонять поток воздуха, как у орнитоптера . Адаптивные податливые крылья являются военными и коммерческими усилиями. [16] [17] [18] Активное аэроупругое крыло X-53 было совместной разработкой ВВС США, НАСА и Boeing . Заметные усилия также были предприняты FlexSys, которая провела летные испытания с использованием гибких аэродинамических профилей, модернизированных для самолета Gulf stream III. [19]

Активное управление потоком

В системах активного управления потоком силы в транспортных средствах возникают посредством управления циркуляцией, в котором более крупные и сложные механические части заменяются более мелкими, более простыми жидкостными системами (щелями, которые испускают потоки воздуха), где большие силы в жидкостях отводятся меньшими струями или потоками жидкости с перерывами, чтобы изменить направление транспортных средств. [20] [21] При таком использовании активное управление потоком обещает простоту и меньшую массу, стоимость (до половины меньше), а также инерцию и время отклика. Это было продемонстрировано в беспилотном летательном аппарате Demon , который впервые поднялся в воздух в Великобритании в сентябре 2010 года. [22]

Смотрите также

Ссылки

Примечания

  1. ^ Крауч, Том (1982). Блерио XI, История классического самолета . Smithsonian Institution Press. стр. 21 и 22. ISBN 978-0-87474-345-6.
  2. ^ Лангевише, Вольфганг. Ручка и руль: объяснение искусства летать, McGraw-Hill Professional, 1990, ISBN 0-07-036240-8 , ISBN 978-0-07-036240-6 .  
  3. ^ "Поверхности управления, напрямую управляемые с помощью кабелей". Архивировано из оригинала 2017-02-02 . Получено 2017-01-25 .
  4. ^ Том,1988. стр. 87.
  5. ^ Тейлор, 1990. стр. 116.
  6. ^ Том,1988. стр. 153.
  7. ^ ab Taylor, 1990. стр. 118.
  8. ^ Том,1988. стр. 86.
  9. ^ Справочник пилота по авиационным знаниям . Федеральное управление гражданской авиации . 2016-08-24. С. 6-2.
  10. ↑ The Arrowheads, страницы 57–58, 83–85 (только для CF-105 Arrow).
  11. ^ Дэниелс, Тауми. «Относительно использования пилотами технологий отображения для повышения осведомленности о состояниях систем самолета» (PDF) . Исследовательский центр NASA Langley .
  12. ^ "Power-By-Wire - Avionics". Май 2001. Архивировано из оригинала 2017-06-27 . Получено 2018-08-09 .
  13. ^ Маре, Жан-Шарль; Фу, Цзянь (2017). «Обзор сигнально-проводного и силового электропривода для большего количества электрических самолетов». Китайский журнал аэронавтики . 30 (3): 857–870. Bibcode : 2017ChJAn..30..857M. doi : 10.1016/j.cja.2017.03.013 .
  14. ^ "Системы управления полетом C-141 и C-130 с питанием по проводам - ​​Публикация конференции IEEE". Май 1991: 535–539 том 2. doi :10.1109/NAECON.1991.165802. S2CID  109026952. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  15. ^ "A380: 'More Electric' Aircraft - Avionics". Октябрь 2001 г. Архивировано из оригинала 2018-08-12 . Получено 2018-08-12 .
  16. ↑ Скотт, Уильям Б. (27 ноября 2006 г.), «Morphing Wings», Aviation Week & Space Technology , архивировано из оригинала 2011-04-26 , извлечено 2011-04-26
  17. ^ "FlexSys Inc.: Aerospace". Архивировано из оригинала 16 июня 2011 г. Получено 26 апреля 2011 г.
  18. ^ Кота, Шридхар; Осборн, Рассел; Эрвин, Грегори; Марич, Драган; Флик, Питер; Пол, Дональд. «Mission Adaptive Compliant Wing – Design, Fabrication and Flight Test» (PDF) . Энн-Арбор, Мичиган; Дейтон, Огайо, США: FlexSys Inc., Исследовательская лаборатория ВВС. Архивировано из оригинала (PDF) 22 марта 2012 г. . Получено 26 апреля 2011 г. .
  19. ^ "FlexFoil". FlexSys . Получено 2022-01-22 .
  20. ^ P John (2010). «Программа комплексных промышленных исследований беззакрылых воздушных транспортных средств (FLAVIIR) в авиационной технике». Труды Института инженеров-механиков, часть G: Журнал аэрокосмической техники . 224 (4). Лондон: Издания по машиностроению: 355–363. doi : 10.1243/09544100JAERO580. hdl : 1826/5579 . ISSN  0954-4100. S2CID  56205932. Архивировано из оригинала 17.05.2018.
  21. ^ "Showcase UAV Demonstrates Flapless Flight". BAE Systems. 2010. Архивировано из оригинала 2011-07-07 . Получено 2010-12-22 .
  22. ^ "Demon UAV jets into history by flying without flaps". Metro.co.uk . Лондон: Associated Newspapers Limited. 28 сентября 2010 г. Архивировано из оригинала 2011-08-23 . Получено 29 сентября 2010 г.

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме « Системы управления полетом самолетов» .