Эффективность продольного управления

При выборе размеров органов продольного управления для обеспе­чения требуемой их эффективности целесообразно исходить из использования двух органе» управления для создания момента тангажа: один для балансировки самолета (стабилизатор), а другой для совершения маневра (руль высоты) и работы системы улучшения устойчивости и управляемости. Такое разделение органов продольного управления обусловлено тем, что балансировка самолета по режимам полета (высоте, скорости, изменению конфигурации) и изменению массы самолета (вследствие выгорания топлива) происходит довольно медленно, в связи с этим потребная скорость отклонения органов продольного управления для балансировки самолета получается небольшой, в то время как для маневра самолета требуется быстрое

изменение момента тангажа, для чего необходимы большие скорости отклонения органов управления. При использовании в системе продольного управления этих двух органов можно значительно

уменьшить требуемые размеры горизонтального оперения и руля высоты.

Ниже приведены возможные схемы продольного управления дозвуковыми самолетами (рис.6.15).

—Схема управления рулем высоты при неподвижном стабили­заторе.

В этой схеме балансировка самолета и управление при маневре на всех режимах полета выполняется только рулем высоты. Располагае­мый момент от органов управления по тангажу создается только рулями

ВЫСОТЫ m*pac.= max). ПОЭТОМУ

для обеспечения балансировки самолета на всех режимах полета требуются большие размеры как рулей высоты, так и всего горизонтального оперения. Одна из особенностей этой схемы управления состоит в том, что рули высоты почти на всех режимах полета находятся в отклоненном положении, что приводит к снижению аэродинамического качества. Для снижения потерь аэродинамического качества при балансировке самолета целесообразно рули высоты выполнять с минимальной аэродинамической компенсацией, а это, как известно, приведет к увеличению шарнирных моментов, что требует дополнительной энергетики. Эта схема продольного управления в настоящее время имеет очень ограниченное применение (самолеты с малоэффективной механизацией крыла и небольшим диапазоном эксплуатационных центровок).

—Схема управления с дискретно переставным стабилизатором.

В схеме продольного управления с дискретно переставным стаби­лизатором управление и балансировка самолета при изменении высоты, скорости, массы и центровки осуществляются рулем высоты. Изменение, угла отклонения стабилизатора связано (дискретно) с изменением угла отклонения механизации крыла, т. е. только на режимах взлета и посадки. Она имеет ограниченное применение на некоторых пассажирских самолетах, так как имеет существенные недостатки. А именно, не учитывает изменение массы и изменение центровки самолета. Кроме того, на самолетах с такой схемой продольного управления автоматическая балансировка обычно осуществляется также рулем высоты и на многих установившихся режимах это приводит к значительному рассогласованию между штурвалом управления и углом отклонения руля высоты-штурвал находится в нейтральном положении, а рули высоты могут быть отклонены на значительный угол, что понижает безопасность полета самолета. Таким образом, схема продольного управления с дискретно переставным стабилизатором с рулями высоты не является перспективной.

—Схема управления рулями высоты при балансировочном (подвижном) стабилизаторе.

Отличительная особенность этой схемы продольного управления состоит в том, что стабилизатор используется на всех режимах полета д ля полной продольной балансировки самолета, а рули высоты применя­ются только для управления при маневре и для автоматики (создание перегрузки, отрыв носового колеса на разбеге и др.). При этом на всех установившихся режимах полета имеется полное соответствие между отклонением штурвала управления, и рулями высоты. Независимо от

массы, положения центра тяжести самолета располагаемые моменты

*

тангажа самолета при отклонении рулей высоты (на пикирование и кабрирование) всегда максимальные, что повышает безопасность полета даже в случае грубых ^ошибок загрузки самолета.

В схеме управления с балансировочным стабилизатором полный располагаемый момент тангажа, используемый на взлете и посадке, определяется суммой моментов от руля высоты и стабилизатора:

Wz=mz(Snax) + Wz(<pmax), ВСЛЄДСТВИЄ ЭТОГО Требуемые размеры

горизонтального оперения и рулей высоты получаются значительно меньшими, чем при неподвижном стабилизаторе, что очень важно для современных пассажирских и транспортных самолетов.

На всех установившихся режимах полета в этой системе балансировка самолета осуществляется стабилизатором, рули высоты находятся в неотклоненном положении, и для снижения шарнирных моментов их можно выполнить с большой осевой компенсацией ($ож~0,30).

Управление балансировочным стабилизатором обычно осуществляется с помощью кнопки, расположенной на штурвале управления.

Опыт эксплуатации отечественных пассажирских и транспортных самолетов (Ил-62, Ил-76, Ил-86, Ил-96, Ту-204, Як-40,

• Як-42), а также самолетов зарубежных фирм (Боинг, Эрбас-Индастри и др.) с рулями высоты и балансировочным стабилизатором (кнопочное управление) показал, что такая схема продольного управления самолетом обеспечивает простоту управления и высокую безо­пасность полета, вследствие чего она получила широкое применение на современных неманевренных самолетах, имеющих высокоэффективную механизацию крыла и является очень перспективной.

Сравнение эффективности рассматриваемых схем продольного управления самолетом приведено на рис. 6.16, из которого следует, что располагаемый момент тангажа при неподвижном стабилизаторе даже при очень большой площади горизонтального оперения, соответствующей коэффициенту статического момента Лг. о.=0,85 и большой площади рулей высоты ($в = 0,27), примерно на 30% меньше, чем для систем с балансировочным стабилизатором при существенно меньших площадях горизонтального оперения (-Аг. о.= 0,65) и рулей высоты ($в=0,16). Кроме того, на самолете с неподвижным стабилизатором невозможно при необходимости увеличить располагаемый момент тангажа от рулей высоты (например, с увеличением массы самолета или при смещении диапазона центровок вперед), тогда как при использовании балансиро­вочного стабилизатора это может быть достигнуто путем увеличения угла отклонения стабилизатора.

Рис.6.16. Эффективность органов продольного управления

На рис. 6.17 приведены зависимости потребных для ба­лансировки самолета коэффициентов момента тангажа от скорости полета для различных значений массы и центровки самолета (расчеты выполнены применительно к тяжелому транспортному самолету). Потребные коэффициенты момента тангажа определялись из условия выполнения самолетом следующих маневров :

— выход на нормальную перегрузку 1 ±0,3 ;

— отрыв носового колеса на разбеге;

— посадка (с учетом влияния земли).

Из графика на рис. 6.17 можно определить потребные коэффициенты момента тангажа для совершения маневра и для балансировки самолета. Анализ показывает, что эти моменты можно разделить на "быстрые” (управление рулями высоты) и "медленные” (управление стабилизатором). Таким образом, на современных транспортных и пассажирских самолетах целесообразно иметь два органа продольного управления — балансировочный стабилизатор с малой скоростью перекладки (<р=0,25-г0,50 град/с) и рули высоты с обычной скоростью перекладки (<5в —25~г 30 град/с) для совершения маневра. В качестве примера на рис.6.18 приведена зависимость коэффициента статического момента потребной площади горизонтального оперения от центровки при двух рассматриваемых системах продольного управления для тяжелого транспортного самолета.

Рис.6.17. Зависимость потребного для балансировки самолета коэффициента момента тангажа от скорости полета Произведнные расчеты показывают, что при использовании на самолете подвижного (балансировочного) стабилизатора с рулями высоты суммарная мощность приводов в системе продольного управления требуется в пять—шесть раз меньшей, чем в системе с неподвижным стабилизатором. Это обьясняется не только тем, что геометрические размеры рулей высоты меньше, но и меньшими величинами шарнирных моментов вследствие возможности

использования на них большей осевой компенсации, так как рули высоты на всех длительных режимах находятся в нейтральном положении, тогда как в системе с неподвижным стабилизатором рули высоты отклонены на значительные углы.

Рис.6.18. Зависимость статического момента площади горизонталь­ного оперения от положения центра масс самолета

При наличии на самолете двух органов управления (балансировоч­ный стабилизатор и рули высоты) нет необходимости применять триммерный механизм для снятия усилий на штурвале управления, так как балансировка осуществляется стабилизатором; кроме того, проще решается вопрос обеспечения устойчивости самолета по скорости полета.

Таким образом, применение на современных пассажирских и транспортных самолетах системы продольного управления с балансировочным (подвижным) стабилизатором с рулями высоты имеет ряд преимуществ по сравнению с системой управления с неподвижным стабилизатором, среди которых основными являются :

— меньшая потребная площадь горизонтального оперения примерно на 30%;

— большее аэродинамическое качество самолета при полете на крейсерских режимах;

— более высокая безопасность полета в случае грубых эксплуатационных ошибок в загрузке самолета (передний отсек багажного отделения загружен, а задний нет);

— налчиие постоянного располагаемого момента тангажа для управления самолетом, независящего от массы и положения центра тяжести самолета;

— полное соответствие между штурвалом управления и рулями высоты на установившихся режимах полета;

— нет необходимости в установке механического автомата балансировки;

— проще осуществлять аварийную систему продольного управления, применяемую в настоящее время на случай выхода из строя основной и резервной систем управления;

— ослабляется требование к динамическим характеристикам приводов рулей высоты (зоны нечувствительности, люфты И Т. П.), вследствие меньшей эффективности рулей ВЫСОТЫ (Wi|);

— меньшая мощность рулевых приводов (в 5т6 раз) и целый ряд других преимуществ в структуре системы управления.

Система продольного управления стабилизатором с кине­матически связанным с ним рулем высоты и система управления це­ликом управляемым горизонтальным оперением (стабилизатором) имеют очень большую эффективность и применение их на не­маневренных дозвуковых самолетах связано с большими кон­структивными трудностями: для получения удовлетворительных характеристик продольной управляемости Хву необходимо применять регулирование Кш по режимам полета в больших пределах (связь между штурвалом управления и органами продольного управления). Такие системы продольного управления не нашли применение на неманевренных дозвуковых самолетах.