СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОВИНТОВЫХ ВЕРТОЛЕТОВ

В последние годы в связи с совершенствованием летных данных и расширением диапазона условий применения летательных аппаратов наблюдается возрастающее усложнение их систем управления. Вертолеты в этом смысле не составляют исключения. Если на первых вертолетах система управления состояла лишь из механической проводки и механизмов отклонения органов управления, то в дальнейшем в систему уп­равления вошли гидроусилители, воспринимающие нагрузки на органах управления, и устройства автоматической стабилизации (автопилот, ав­томат оборотов) для осуществления полуавтоматического и автоматического пилотирования вертолета.

Характерны тенденции к объединению устройств, выполняющих раз­личные функции, в единые агрегаты, что уменьшает вес системы (напри­мер, объединение гидроусилителей с рулевыми машинами автопилота), а также все более тесная связь системы управления с комплексом пило­тажно-навигационного оборудования.

В систему управления современного вертолета, таким образом, вхо­дит ряд подсистем: механическая проводка, гидравлическая система, си­стема автоматической стабилизации и др., по отношению к которым в книге сохранен термин «система», как это принято в современной литературе.

В отечественной технической литературе специфические вопросы, связанные с системами управления вертолетов, освещены крайне недо­статочно. Настоящая книга представляет собой попытку в какой-то ме­ре восполнить указанный пробел. В. основу книги положен обширный практический материал, накопленный лри разработке с. йсТСм управления и автоматической стабилизацищдля’ ряда успешно летающих и широко распространенных вертолетов конструкции М. Л. .Миля, хорошо извест­ных в СССР и за рубежом. Кроме того, приведены представляющие ин­терес данные по некоторым типам зарубежных вертолетов.

Особое внимание во всех разделах уделялось рассмотрению практи­ческих вопросов проектирования системы управления и автоматической стабилизации вертолета.

В книге рассмотрены только одновинтовые вертолеты, как получив­шие наибольшее распространение в мировой практике. Это, однако, по­чти не ограничивает общности выводов, и все основные положения кни­ги могут в равной степени быть отнесены и к вертолетам других схем.

Книга состоит из шести глав. В первой главе даются общие сведения по устойчивости и управляемости вертолета и излагается подход к выработке критериев управляемости вертолета.

Вторая глава посвящена описанию особенностей систем управления вертолетов, включая сюда системы управления и стабилизации специа­лизированных вертолетов-кранов. Кратко рассматривается работа жест­кого несущего винта с управляющим гироскопом. [1])

Третья глава посвящена вопросам проектирования механической проводки управления и гидросистемы вертолета, выбору гидроусилите­лей, структурной схемы автопилота и параметров сервопривода автопи­лота. Эта глава содержит большое количество практических рекомендаций, которые могут быть использованы конструкторами.

В четвертой "главе даются примеры конструктивного оформления отдельных агрегатов и узлов системы управления.

В пятой главе излагается математическое описание вертолета как объекта автоматического регулирования, основы работы систем автома­тической стабилизации вертолета (автопилотов) и приводится анализ оп­тимальных параметров автопилота на вертолете. Даются основы современной теории работы человека — оператора в замкнутом контуре регу­лирования и ее приложения к исследованию управляемости вертолета, пилот ируемого летчиком.

В шестой главе описаны некоторые конструкции систем автоматической стабилизации отечественных и зарубежных вертолетов.

Главы III и IV написаны И. С. Дмитриевым, главы V и VI С. Ю. Есауловым, главы 1 и II — совместно.

Авторы считают своим долгом выразить благодарность докт. техн. наук, заслуженному деятелю науки и техники, профессору И. П. Бра­тухину и канд. техн. наук В. А. Федулову и В. А. Кожевникову за ряд ценных замечаний, сделанных ими при просмотре рукописи.

Авторы признательны также инж. Я. В. Коробову и Б. Ю. Костину за помощь и работе над книгой.

Управление одновинтовым вертолетом осуществляется путем изме­нения сил и моментов, воздействующих в полете на вертолет относитель­но всех трех его осей (рис. 1).

Продольное управление осуществляется продольным перемещением

ручки управления. При этом изменяется циклический шаги происходит соответствующий наклон равнодействующей сил на несущем винте, что приво­дит к одновременному воз­никновению момента относи­тельно поперечной оси и силы, направленной вдоль продоль­ной оси (рис. 2).

Поперечное управление осуществляется отклонением ручки управления вбок. При этом происходит соответствую­щее изменение циклического шага и наклона равнодействующей сил на несущем винте в поперечном направлении, в результате чего на вертолет начинают действовать мо­мент относительно продольной оси и боковая сила, направленная вдоль поперечной оси (рис. 3).

Управление общим шагом служит для изменения величины равно* действующей сил несущего винта. Оно осуществляется одновременным изменением угла установки всех его лопастей с помощью рычага об* щего шага.

При увеличении общего шага сила тяги несущего винта увеличи­вается и на вертолет при этом начинает действовать реактивный момент несущего винта (относительно вертикальной оси), направленный в сто­рону, противоположную вращению винта. Увеличивается и мощность, потребляемая несущим винтом. Поэтому на вертолетах, как правило, управление общим шагом связано с управлением силовой установкой, чтобы при изменении общего шага не происходило значительного изме­нения числа оборотов несущего винта (рис. 4).

Путевое управление осуществляется посредством изменения общего шага хвостового винта, связанного с отклонением педалей путевого уп­равления. ‘ ‘

При отклонении педалей изменяется сила тяги хвостового винта, при этом изменяется мо­мент, действующий на вертолет относительно вертикальной оси. Кроме путевого управления, хво­стовой винт обеспечивает уравновешивание реак­тивного крутящего момен­та несущего винта (рис. 5).

Воздействуя с по­мощью указанных видов управления на величины сил и моментов, дейст­вующих па вертолет, лет­чик имеет возможность удерживать вертолет в желаемом положении на различных режимах полета: висении, наборе высоты, поступательном полете, снижении, авторотации и т. п.

Основной задачей системы управления, таким образом, является осуществление наиболее точной кинематической связи между рычагами управления (ручка, педали, рычаг общего шага) и органами управления (механизм изменения циклического шага, механизмы изменения общего шага несущего винта и шага хвостового винта, рычаги управления дви­гателями). Эта задача, сравнительно легко разрешимая для вертолетов небольших полетных весов, в возрастающей степени усложняется при увеличении полетного веса вертолета. Это происходит главным образом из-за роста нагрузок на органы управления, а также вследствие увели­чения расстояний между рычагами и органами управления.

Нагрузки от шарнирных моментов лопастей несущего винта, пере­дающиеся на кольцо автомата перекоса, уже для вертолета с полетным весом 5 т таковы, что летчик не в состоянии преодолеть их вручную. Это приводит к необходимости применения в системе управления гидравли­ческих усилителей (силового следящего гидропривода), которые воспри­нимают аэродинамические нагрузки на органах управления. При таком управлении летчик должен прикладывать к рычагам управления усилия, необходимые лишь для преодоления сил трения в системе управления и в золотниковых распределительных устройствах гидроусилителей, а также сил от пружин центрирования и загрузки, что во много раз мень­ше усилий, развиваемых выходными штоками гидроусилителей.

В связи с этим система управления становится неразрывно связан­ной с гидравлической системой вертолета. К гидравлической системе предъявляется требование максимальной надежности, поскольку выход ее из строя влечет за собой полную потерю управляемости вертолета.

Увеличение расстояния между рычагами и органами управления с увеличением полетного веса (а следовательно, и габаритов) вертолета
вносит дополнительные проблемы. Сильно увеличивается трение и упру­гие деформации в длинной механической проводке управления, идущей от ручки летчика до управляющего золотника гидроусилителя, устанав­ливаемого, как правило, вблизи втулки несущего винта. Из-за упругости фюзеляжа появляется возможность возникновения недопустимых авто­колебаний в системе «механическая проводка — золотник — гидроуси­литель— упругий фюзеляж».

Все сказанное относится к сравнительно простой системе ручного управления, единственная задача которой, как уже указывалось, состоит в осуществлении точной кинематической связи между рычагами и орга­нами управления. Однако на систему управления верто­летом сейчас все в большей мере накладываются требо­вания гораздо более широ­кие, связанные с обеспече­нием нужных характеристик устойчивости и управляемо­сти вертолета.

Большинство построен­ных в настоящее время во всем мире одновинтовых вертолетов имеет несущий винт, лопасти которого кре­пятся ко втулке посредством горизонтального, вертикального и осевого шарниров. Вертолет с таким несущим винтом, рассматриваемый как динамическая система, неустойчив практически на всех режимах полета.

Летчик, пилотируя вертолет, в общем случае решает одновременно две, по существу, различные задачи: одна из них — стабилизация поло­жения вертолета в пространстве; вторая — управление траекторией вер­толета в пространстве.

Если бы вертолет был устойчив, то первую задачу летчик решал бы с меньшими затратами сил и внимания, так как вертолет в какой-то сте­пени сам бы сохранял заданное положение в пространстве. Это позволи­ло бы летчику в большей мере сосредоточиться на решении второй зада­чи и на выполнении других необходимых функций.

Наиболее эффективным средством улучшения устойчивости верто­лета с шарнирным несущим винтом является система автоматической стабилизации (автопилот). В отдельных случаях для этого применяются механические гиростабилизирующие устройства (вертолеты Белл, Хил­лер).

Большие преимущества в этом отношении обещает применение бес­шарнирных или жестких несущих винтов, в сочетании с которыми меха­нические гиростабилизаторы, повидимому, будут особенно эффективны.

Автопилот, предназначенный для непрерывной в течение всего вре­мени полета стабилизации вертолета, должен быть органически связан с механической проводкой и гидравлической системой управления верто­летом.

Таким образом, задачу, решаемую системой управления вертолета в общем смысле, следует рассматривать как задачу обеспечения задан­ных характеристик устойчивости и управляемости вертолета.