stringtranslate.com

Система управления полетом самолета

Основные органы управления полетом типичного самолета в движении

Обычная система управления полетом самолета ( AFCS ) состоит из поверхностей управления полетом , соответствующих органов управления кабиной, соединительных звеньев и необходимых рабочих механизмов для управления направлением самолета в полете. Органы управления двигателем самолета также считаются органами управления полетом, поскольку они меняют скорость.

Основы управления самолетом объясняются в динамике полета . Эта статья посвящена рабочим механизмам органов управления полетом. Базовая система, используемая на самолетах, впервые появилась в легко узнаваемой форме еще в апреле 1908 года, на моноплане эпохи пионеров Луи Блерио Blériot VIII . [1]

Органы управления в кабине

Основные элементы управления

Органы управления кабиной и приборная панель Cessna 182 D Skylane

Обычно основные органы управления полетом в кабине устроены следующим образом: [2]

Рычаги управления также сильно различаются в зависимости от самолета. Есть штурвалы, в которых крен контролируется вращением штурвала по часовой стрелке или против часовой стрелки (как рулевое управление автомобилем), а тангаж регулируется перемещением колонки управления к пилоту или от него, но в других тангаж контролируется путем сдвигания штурвала внутрь и наружу. приборной панели (как и у большинства Cessna, таких как 152 и 172), а в некоторых крен контролируется путем сдвига всего хомута влево и вправо (как Cessna 162). Центральные ручки также различаются в зависимости от самолета. Некоторые из них напрямую подключены к управляющим поверхностям с помощью кабелей, [3] другие (самолеты с электродистанционным управлением) имеют между собой компьютер, который затем управляет электрическими приводами.

Блерио VIII в Исси-ле-Мулино , первая летная конструкция самолета, имеющая первоначальную форму современных средств 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 одних и тех же трех осей в пространстве, система управления полетом самолета все равно будет спроектирована таким образом. что ручка или штурвал традиционно управляет тангажем и креном, как и педали руля направления для рыскания. [2] Базовая схема современного управления полетом была впервые предложена французским деятелем авиации Робером Эно-Пельтери вместе с французским авиатором Луи Блерио , который популяризировал формат управления Эно-Пельтери первоначально на моноплане Луи Блерио VIII в апреле 1908 года и стандартизировал формат на Июль 1909 г. Переправа через Ла-Манш Блерио XI . Управление полетом уже давно преподается таким образом, на протяжении многих десятилетий, что популяризируется в учебных пособиях для начинающих , таких как работа 1944 года «Путь и руль» .

В некоторых самолетах управление поверхностями управления не осуществляется с помощью рычажного механизма. В сверхлегких самолетах и ​​мотодельтапланах, например, механизм вообще отсутствует. Вместо этого пилот просто хватает рукой подъемную поверхность (с помощью жесткой рамы, свисающей с ее нижней стороны) и перемещает ее. [ нужна цитата ]

Вторичные элементы управления

В дополнение к основным органам управления полетом по крену, тангажу и рысканию, часто имеются вторичные элементы управления, которые дают пилоту более точный контроль над полетом или облегчают рабочую нагрузку. Наиболее широко доступным элементом управления является штурвал или другое устройство для управления триммером руля высоты , чтобы пилоту не приходилось поддерживать постоянное давление назад или вперед для удержания определенного положения по тангажу [4] (другие типы триммирования, для руля направления и элеронов , распространены на более крупных самолетах, но могут встречаться и на меньших). Многие самолеты имеют закрылки , управляемые переключателем или механическим рычагом, а в некоторых случаях полностью автоматические с помощью компьютера, которые изменяют форму крыла для улучшения управления на более медленных скоростях, используемых для взлета и посадки. Другие вторичные системы управления полетом могут включать предкрылки , спойлеры , воздушные тормоза и крылья изменяемой стреловидности .

Системы управления полетом

Механический

Тросы руля высоты и руля направления de Havilland Tiger Moth

Механические или ручные системы управления полетом являются основным методом управления самолетом. Они использовались в первых 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 , при которой на крыле не использовались традиционные шарнирные поверхности управления, а иногда даже не использовались для управления тангажом, как на Wright Flyer I и оригинальных версиях. Etrich Taube 1909 года , который имел только шарнирный/поворотный руль направления в дополнение к органам управления по тангажу и крену, приводившимся в действие деформацией. [5] В системе ручного управления полетом используется набор механических частей, таких как толкатели, натяжные тросы, шкивы, противовесы, а иногда и цепи, для передачи усилий, приложенных к органам управления в кабине, непосредственно на поверхности управления. Талрепы часто используются для регулировки натяжения троса управления. Cessna Skyhawk — типичный пример самолета, использующего систему такого типа. Замки от порывов ветра часто используются на припаркованных самолетах с механическими системами для защиты поверхностей управления и тяг от повреждений ветром. На некоторых самолетах в систему управления встроены замки от порывов ветра. [6]

Увеличение площади поверхности управления и более высокие скорости полета, необходимые для более быстрых самолетов, привели к увеличению аэродинамических нагрузок на системы управления полетом. В результате силы, необходимые для их перемещения, также становятся значительно больше. Следовательно, были разработаны сложные механизмы механической передачи , чтобы получить максимальное механическое преимущество и снизить усилия, требуемые от пилотов. [7] Эту схему можно встретить на винтовых самолетах большего размера и с более высокими характеристиками, таких как Fokker 50 .

В некоторых механических системах управления полетом используются сервоприводы , которые обеспечивают аэродинамическую помощь. Выступы сервопривода представляют собой небольшие поверхности, шарнирно прикрепленные к поверхностям управления. Механизмы управления полетом перемещают эти выступы, аэродинамические силы, в свою очередь, перемещают или способствуют движению поверхностей управления, уменьшая количество необходимых механических сил. Такая конструкция использовалась в первых транспортных самолетах с поршневыми двигателями и в первых реактивных транспортных самолетах. [8] Боинг 737 оснащен системой, благодаря которой в маловероятном случае полного отказа гидравлической системы он автоматически и плавно возвращается к управлению с помощью сервопривода.

Гидромеханический

Гидромеханические конструкции, состоящие из механической схемы и гидравлической схемы, были использованы для снижения сложности, веса и ограничений механических систем управления полетом. [9]

Сложность и вес механических систем управления полетом значительно возрастают с увеличением размера и характеристик самолета. Поверхности управления с гидравлическим приводом помогают преодолеть эти ограничения. При использовании гидравлических систем управления полетом размер и характеристики самолета ограничиваются экономическими соображениями, а не мышечной силой пилота. Поначалу использовались системы с лишь частичным наддувом, в которых пилот все еще мог чувствовать часть аэродинамических нагрузок на рули (обратная связь). [7]

Гидромеханическая система управления полетом состоит из двух частей:

Перемещение рычага управления пилотом заставляет механическую цепь открывать соответствующий сервоклапан в гидравлической цепи. Гидравлический контур приводит в действие приводы, которые затем перемещают поверхности управления. Когда привод движется, сервоклапан закрывается механической связью обратной связи, которая останавливает перемещение поверхности управления в желаемом положении.

Такое расположение использовалось в реактивных транспортных средствах старой конструкции и в некоторых высокопроизводительных самолетах. Примеры включают Антонов Ан-225 и Lockheed SR-71 .

Устройства искусственного ощущения

В чисто механических системах управления полетом аэродинамические силы на рулевых поверхностях передаются через механизмы и ощущаются непосредственно пилотом, что обеспечивает тактильную обратную связь по воздушной скорости. При гидромеханических системах управления полетом нагрузка на поверхности не ощущается и существует риск перенапряжения самолета чрезмерным движением рулей. Чтобы решить эту проблему, можно использовать системы искусственных ощущений. Например, для органов управления реактивным бомбардировщиком Avro Vulcan ВВС Великобритании и сверхзвуковым перехватчиком Avro Canada CF-105 Arrow ВВС Великобритании ( обе конструкции 1950-х годов) необходимая силовая обратная связь достигалась с помощью пружинного устройства. [10] Точка опоры этого устройства была перемещена пропорционально квадрату скорости воздуха (для лифтов), чтобы обеспечить повышенное сопротивление на более высоких скоростях. Для управления американскими военными самолетами Vought F-8 Crusader и LTV A-7 Corsair II на оси тангажа ручки управления использовался грузик, обеспечивающий обратную связь по усилию, пропорциональную нормальному ускорению самолета. [ нужна цитата ]

Палочный шейкер

Шейкер — это устройство, которое крепится к колонке управления некоторыми гидравлическими самолетами . Он трясет колонку управления, когда самолет приближается к состоянию сваливания . Некоторые самолеты, такие как McDonnell Douglas DC-10, оснащены резервным источником электропитания, который можно активировать для включения встряхивателя в случае отказа гидравлики. [11]

Электропитание по проводам

В большинстве современных систем питание на исполнительные механизмы управления подается с помощью гидравлических систем высокого давления. В электродистанционных системах клапаны, управляющие этими системами, активируются электрическими сигналами. В системах с электроприводом вместо гидравлических поршней используются электрические приводы. Электроэнергия передается на приводы по электрическим кабелям. Они легче гидравлических труб, их проще устанавливать и обслуживать, а также они более надежны. Элементы системы управления полетом F-35 имеют электродистанционное питание. [12] [13] [14] Приводы в такой системе электрогидростатического привода (EHA) представляют собой автономные гидравлические устройства, небольшие гидравлические системы замкнутого цикла. Общая цель — создание более или полностью электрических самолетов, и ранним примером этого подхода был Avro Vulcan . Серьезное внимание было уделено использованию этого подхода на Airbus A380. [15]

Дистанционные системы управления

Дистанционная система (FBW) заменяет ручное управление полетом самолета электронным интерфейсом. Движения органов управления полетом преобразуются в электронные сигналы, передаваемые по проводам (отсюда и термин « пилотное управление »), а компьютеры управления полетом определяют, как перемещать приводы на каждой поверхности управления, чтобы обеспечить ожидаемый ответ. Команды от 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-оптика, также известная как «fly-by-light» , является дальнейшим развитием волоконно-оптических кабелей .

Исследовать

Существует несколько технологических исследований и разработок, направленных на интеграцию функций систем управления полетом, таких как элероны , рули высоты , элевоны , закрылки и флапероны , в крылья для выполнения аэродинамических целей с меньшими преимуществами: масса, стоимость, сопротивление, инерция (для более быстрого полета). , более сильная реакция управления), сложность (механически проще, меньше движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания) и радиолокационная эффективность для малозаметности . Они могут использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и истребителях 6-го поколения . Двумя многообещающими подходами являются 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, отклоняя поток воздуха, подобно орнитоптеру . Адаптивные крылья — это военная и коммерческая разработка. [16] [17] [18] Активное аэроупругое крыло X-53 было разработкой ВВС США, НАСА и компании Boeing . Заметные усилия были также предприняты компанией FlexSys, которая провела летные испытания с использованием гибких аэродинамических профилей, модернизированных на самолете Gulfstream III. [19]

Активное управление потоком

В системах активного управления потоком силы в транспортных средствах возникают посредством управления циркуляцией, при котором более крупные и сложные механические детали заменяются меньшими и простыми жидкостными системами (щелями, которые испускают потоки воздуха), где большие силы в жидкостях отклоняются меньшими струями или потоками воздуха. жидкость с перерывами, для изменения направления движения транспортных средств. [20] [21] При таком использовании активное управление потоком обещает простоту и меньшую массу, затраты (до половины меньше), а также инерцию и время отклика. Это было продемонстрировано на БПЛА Demon , который впервые полетел в Великобритании в сентябре 2010 года. [22]

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Крауч, Том (1982). Блерио XI, История классического самолета . Издательство Смитсоновского института. стр. 21 и 22. ISBN 978-0-87474-345-6.
  2. ^ аб Лангевише, Вольфганг. Палка и руль направления: объяснение искусства полета, McGraw-Hill Professional, 1990, ISBN 0-07-036240-8 , ISBN 978-0-07-036240-6 .  
  3. ^ «Поверхности управления, управляемые напрямую с помощью кабелей» . Архивировано из оригинала 02 февраля 2017 г. Проверено 25 января 2017 г.
  4. ^ Том, 1988. п. 87.
  5. ^ Тейлор, 1990. с. 116.
  6. ^ Том, 1988. п. 153.
  7. ^ аб Тейлор, 1990. с. 118.
  8. ^ Том, 1988. п. 86.
  9. ^ Справочник пилота по авиационным знаниям . Федеральная авиационная администрация . 24 августа 2016 г. п. 6-2.
  10. ^ Наконечники стрел, страницы 57–58, 83–85 (только для CF-105 Arrow).
  11. ^ Дэниелс, Тауми. «Относительно пилотного использования технологий отображения для повышения осведомленности о состояниях систем самолета» (PDF) . Исследовательский центр НАСА в Лэнгли .
  12. ^ "Электрическое питание - Авионика" . Май 2001 г. Архивировано из оригинала 27 июня 2017 г. Проверено 9 августа 2018 г.
  13. ^ Маре, Жан-Шарль; Фу, Цзянь (2017). «Обзор управления сигналом по проводам и питанием по проводам для большего количества электрических самолетов». Китайский журнал аэронавтики . 30 (3): 857–870. дои : 10.1016/j.cja.2017.03.013 .
  14. ^ «Электрические системы управления полетом C-141 и C-130 - Публикация конференции IEEE» . Май 1991 г.: 535–539, том 2. дои : 10.1109/NAECON.1991.165802. S2CID  109026952. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  15. ^ «A380: «Более электрический» самолет — авионика» . Октябрь 2001 г. Архивировано из оригинала 12 августа 2018 г. Проверено 12 августа 2018 г.
  16. ↑ Скотт, Уильям Б. (27 ноября 2006 г.), «Morphing Wings», Aviation Week & Space Technology , заархивировано из оригинала 26 апреля 2011 г. , получено 26 апреля 2011 г.
  17. ^ «FlexSys Inc.: Аэрокосмическая промышленность». Архивировано из оригинала 16 июня 2011 года . Проверено 26 апреля 2011 г.
  18. ^ Кота, Шридхар; Осборн, Рассел; Эрвин, Грегори; Марич, Драган; Флик, Питер; Пол, Дональд. «Адаптивное крыло, соответствующее заданию – проектирование, изготовление и летные испытания» (PDF) . Анн-Арбор, Мичиган; Дейтон, Огайо, США: FlexSys Inc., Исследовательская лаборатория ВВС. Архивировано из оригинала (PDF) 22 марта 2012 года . Проверено 26 апреля 2011 г.
  19. ^ "ФлексФойл". ФлексСис . Проверено 22 января 2022 г.
  20. ^ П Джон (2010). «Программа комплексных промышленных исследований безлопаточных летательных аппаратов (FLAVIR) в авиационной технике». Труды Института инженеров-механиков, Часть G: Журнал аэрокосмической техники . Лондон: Публикации машиностроения. 224 (4): 355–363. дои : 10.1243/09544100JAERO580. hdl : 1826/5579 . ISSN  0954-4100. S2CID  56205932. Архивировано из оригинала 17 мая 2018 г.
  21. ^ «Витрина с БПЛА демонстрирует безлоскутный полет» . БАЕ Системс. 2010. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 г. Проверено 22 декабря 2010 г.
  22. ^ «БПЛА-демон влетает в историю, летая без закрылков» . Metro.co.uk . Лондон: Associated Newspapers Limited. 28 сентября 2010 г. Архивировано из оригинала 23 августа 2011 г. Проверено 29 сентября 2010 г.

Библиография

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть средства массовой информации, связанные с системами управления полетом самолетов .