СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ

7.1. Общие положения

Управление современным самолетом осуществляется с использованием следующих органов управления:

—аэродинамических органов управления (продольного, поперечного и путевого);

—управление тягой двигателей (и реверсом тяги);

—управление аэродинамическими тормозами;

—управление механизацией крыла, повышающей подъемную силу и изменяющей аэродинамическое сопротивление.

Управление первыми двумя из перечисленных органами управления осуществляется по следящему принципу-эффект воздействия на самолет пропорционален перемещению рычага управления, либо усилию, прикладываемому к нему.

Два последних органа управления(тормоза и механизация крыла) как правило, отклоняются по дискретной команде без обратной связи по динамическим параметрам самолета.

В настоящее время общая структура управления магистральным самолетом(см. рис.7.1)включает:

СШУ-систему штурвального управления, которая представляет собой связь рычагов управления с органами управления и позволяет летчику однозначно осуществлять управление самолетом по любому параметру. Например, перемещая штурвал (от себя или на себя), создавать однозначное пропорциональное приращение перегрузки самолета пу или скорости полета V. На первой стадии развития авиации такое перемещение штурвала путем механической связи вызывало определенное отклонение органа продольного управления (руля ВЫСОТЫ и др.).

На современных магистральных самолетах связь рычага

Рис.7.1. Структура системы штурвального управления (СШУ)

управления (штурвала) с органом управления, как правило, осуществляется через электро — и гидравлические системы, а в. Систему управления включаются автоматические устройства, улучшающие характеристики устойчивости и управляемости СУУ. (см. схему рис.7.2). Структуры СУУ, их оптимальные алгоритмы рассматриваются подробно в следующей 8 главе.

Наконец, современные магистральные самолеты имеют также систему автоматического управления—САУ. Система САУ (или на более ранней стадии—автопилот) осуществляет автоматическое комплексное управление самолетом по всем шести степеням сво — боды(углы тангажа, крена, курса и координатам в пространстве),а также стабилизацию этих параметров и, наконец, ряд стандарт­ных режимов управления(разворот, набор высоты и автоматическую посадку и т. п.). САУ, какправило, работает через СЩУ.

Проблемы САУ в значительной степени связаны с траекторным управлением и, следовательно, с навигационными системами и представляют собой специальные вопросы, которые в этой монографии не рассматриваются.

Здесь будут рассмотрены только вопросы стыковки САУ с СУУ и СШУ.

www. vokb-la. spb. ru — Самолёт своими руками?!

Проблема создания системы управления является важнейшим аспектом проектирования самолета. Система управления в существенной мере влияет на важнейшие характеристики пилотирования самолета: устойчивость и управляемость.

СШУ может состоять из отдельных систем различной степени сложности, выполняющих определенные функции. В соответствии со сложившейся практикой в СШУ принято включать следующие системы:

—механическая система, связывающая рычаги управления летчика с приводами рулей самолета; система связи может быть также электродистанционной;

—система создания усилий на рычагах управления;

—система сервоприводов и рулевых приводов;

—система регулирования коэффициента передачи между рычагом управления и рулями(-Кш);

—система ограничения предельных режимов полета (ОПР);

—система управления балансировкой.

Состав, входящих в СШУ перечисленных систем, зависит от особенностей самолета, требований к его пилотажным и летно­техническим характеристикам.

Система автоматического управления (САУ) предназначена для автоматизации полета по типовой траектории (включая практически полную автоматизацию от взлета до посадки) с целью снижения загрузки экипажа, особенно при длительном пилотировании самолета, повышения точности выполнения режимов полета и выдерживания эшелонов, снижения погодного минимума и, соответственно, повышения регулярности полетов. На основе САУ может быть построен режим совмещенного и директорного управления.

Режим директорного управления—это режим, который построен на автоматизации обработки первичной информации, необходимой для осуществления управления полетом в условиях отсутствия видимости земли или каких-либо ориентиров, и выдачи летчику вторичной информации в удобном для него виде. Эта информация обычно отображается на специальных командных пилотажных приборах или

на лобовом стекле кабины. Используя эту информацию, летчик при выполнении посадки через систему СШУ осуществляет корректирующие действия для устранения рассогласования между заданным и текущим значением параметра управления.

При директорном управлении летчик также, как и при ручном управлении, является звеном замкнутой системы управления “летчик — СШУ-самолет”и поэтому качество(точность)пилотирования самолета при использовании режима директорного управления зависит также от техники пилотирования самолета летчиком.

Современные САУ имеют большой набор автоматических режимов, которые существенно облегчают пилотирование самолета летчиком и повышают безопасность полета. Например, на ряде самолетов(Ту-204,Ил-96-300,В-747,А300В, БС-10,Ь-1011) реализованы режимы СП:

—стабилизация угла тангажа,

—стабилизация угла крена,

—выбор курса,

—стабилизация курса,

—захват высоты,

—стабилизация высоты,

—управление вертикальной скоростью,

—стабилизация вертикальной скорости,

—стабилизация индикаторной скорости,

. —стабилизация числа М,

—координированный разворот,

—полет в турбулентной атмосфере,

—взлет,

—заход и посадка по категории Ш ИКАО,

—уход на второй круг,

—режим совмещенного управления.

При автоматическом управлении роль летчика сводится к осуществлению функций контроля, набора автоматических режимов и осуществлению в случае необходимости корректирующих действий в режимы САУ. В ряде случаев с целью обеспечения простого перехода с режима САУ на ручное управление и обратно предусматривается режим совмещенного управления, который включается путем приложения усилий (выше пороговых) к обычным рычагам управления самолетом.

Тенденция расширения функций автоматического управления на пассажирских самолетах также была обусловлена необходимостью уменьшения числа ошибок, происходящих по вине человека. Статистика показывает С23 СЗЗ, что в настоящее время ~70% авиационных катастроф происходит по вине человека. Большинство ошибок—это непреднамеренные действия, неадекватные данной ситуации. Ошибки человека могут быть существенно уменьшены путем расширения использования автоматизации сложных задач пилотирования, при выполнении которых человек склонен допускать ошибки, например, выполнение посадки в условиях плохой видимости или компенсация воздействия отказов,, требующих быстрой ответной реакции. Автоматические системы, как известно, лишены“чувства страха и усталости”, действуют более точно и быстро, не требуют постоянной тренировки для сохранения навыков, нм не свойственна забывчивость, но они требуют контроля и высокой надежности.

Однако при “сплошной” автоматизации управления роль человека сводится в основном к функциям контроля за состоянием систем самолета, в случае особых ситуаций, вызванных отказами автоматических систем, летчик должен обеспечить адекватную реакцию на отказ, ввиду этого недопустима его растренированность, особенно, если такие события происходят крайне редко.

Это подтверждают результаты статистического анализа данных опроса пилотов авиакомпаний, проведенных британским институтом авиационной медицины с целью определения отношения летного состава к автоматизации управления самолетами. Абсолютное большинство опрошенных (из 1400 чел)выеказалось одобрительно об автоматизации и внедрении новых систем индикации в кабинах летчиков. Некоторое беспокойство летчиков вызывает то, что автоматизация сопровождается некоторой утратой навыков ручного управления, которые необходимы при возникновении отказных ситуаций С4] .Поэтому для сохранения навыков пилотирования при сильно автоматизированном управлении летчик должен иметь возмржность включаться в процесе ручного управления самолетом, хотя бы в течение ограниченного времени. В связи с этим летчикам могут оказать существенную помощь специальные тренажеры, воспроизводящие достаточно полно картину поведения самолета, включая особые ситуации, воспроизведение которых в полете кроме того связано с большим риском. Таким образом, должен быть найден компромисс между ручным и автоматическим управлением, исходя из условий обеспечения безопасности полета.

По мнению представителя американского комитета по безопасности перевозок, проблема автоматизации управления самолетами заключена не в технических аспектах автоматизации, а в пересмотре подходов в подготовке летчиков. Важными новыми функциями летчиков являются контроль и оценивание летных характеристик самолета, контроль за работой автоматики.

Отношение к автоматизации должно определяться на эмпирически выявлениях и научно обоснованных принципах и правилах, которые обеспечат рациональность взаимодействия автоматических систем и летчика [4].

В главе 7 рассматриваются в основном вопросы, относящиеся к СШУ, как основной системе, играющей наиболее важную роль с точки зрения выполняемых ею функциональных задач и обеспечения безопасности полета самолета.

Развитие СШУ происходило в течение значительного периода времени(~90 лет) —от первых полетов самолетов, на которых было положено начало применения простых систем непосредственно ручного управления, до самолетов настоящего времени, которые оборудованы сложными автоматизированными системами штурвального управления. В процессе эволюции СШУ можно выделить несколько важных этапов, которые позволили осуществить переход к новому уровню пилотажных и летно-технических характеристик самолета, расширению диапазона режимов его полета, повышению безопасности полета и улучшению комфорта экипажа и пассажиров.

Этап совершенствования механической системы управления занимал самый длительный период времени. При механической системе управление самолетом осуществляется непосредственно мускульной силой летчика. Поэтому на этом этапе в основном решались задачи обеспечения приемлемых характеристик устойчи­вости, управляемости и эффективности управления. Для этой цели широко использовались различные аэродинамические средства снижения аэродинамических шарнирных моментов рулей (триммеры, осевая компенсация, кинематическая компенсация, сервокомпенсация, роговая компенсация и др.). Они позволяли обеспечить приемлемую управляемость, например, такими самолетами как Ил-62, В707, DC-8, имеющих взлетный вес~ 150т и число М полета—0,8.Наряду с этим большая работа была проделана по совершенствованию и повышению надежности самих механических элементов проводки управления(тяг, тросов, блоков, качалок и др. элементов), из которых осуществлялась механическая связь между рычагами управления летчика и рулями. Применение таких систем ограничивалось самолетами, имеющими дозвуковой диапазон режимов полета и умеренные аэродинамические шарнирные моменты рулей, и требовали большой доводки.

По мере развития авиации возрастала продолжительность полета.

«

Ручное пилотирование самолета в течение длительного времени было утомительным.

Важнейшим этапом развития СШУ было внедрение необратимого бустерного управления(НБУ),что позволило обеспечить “легкое”по усилиям управление самолетом при аэродинамических шарнирных моментах, существенно превышающих физические возможности летчика. С этого момента уровень усилий на рычагах управления определялся характеристиками специальных загрузочных устройств(пружины, автоматы усилий). Переход к НБУ осуществлялся постепенно. В начале были созданы и проверены в полете система обратимого бустерного управления (ОБУ)[3] и система необратимого бустерного управления с переходом на ручное в аварийном случае. Первыми пассажирскими самолетами с НБУ были

Сюд Авиасьен“Каравелла”( 1958), Викерс УС-10(1962),Хаукер Сиддли “Трайдент”( 1963).Первый отечественный пассажирский самолет, на котором было применено НБУ для управления рулями по йсем осям был Ту-154,совершивший первый полет в 1968 г. Самолет Ту-154 имеет 3-х канальную НБУ, которая сохраняет работоспособность после отказа двух гидравлических систем. Принципы построения резервированной НБУ обеспечили ее высокую надежность. Затем НБУ стало широко применяться на других отечественных пассажирских и транспортных самолетах—Ту-144, Ил-76,Ил-86,Ан-124,Ил-96-300,Ту-204.При создании этих систем широко использован опыт военных самолетов.

С появлением самолета Ту-154 была разработана автоматическая система управления АБСУ-154 с 3-х кратным резервированием. По своим техническим характеристикам НБУ позволяла ввести использование автоматической посадки, удовлетворя­ющей требованиям второй категории автоматической посадки ИКАО(30х400м).Система сохраняла работоспособность после одного отказа.

На самолете Ту-144(1968)была установлена система АБСУ- 144, которая была расчитана на выполнение требований третьей категории автоматической посадки ИКАО (0x200м). Эта система имела 4-х кратное резервирование и сохраняла работоспособность после 2-х последовательных отказов. На базе разработанных СШУ самолеты Ил-86 и Як-42 были оборудованы системой САУ-Ш, расчитанной на вторую категорию автоматической посадки. Особенностью этих САУ является их высокая надежность, обеспеченная резервированием.

Некоторые из указанных самолетов имели СУУ различной сложности и САУ, которые обеспечивали ряд важнейших функций управления самолетом.

Рассмотренные СУУ и САУ были построены на аналоговой технике. Аналоговая техника снижала возможность в реализации автоматических режимов, контроля системы, обеспечивала меньшую точность, имела больший вес из-за невозможности, например, использования мультиплексных шин, позволяющих значительно

уменьшить число проводов.

Пассажирские самолеты 90-х годов (Ил-96-300, Ту-204, а также проектируемые Ту-334, Як-42М) имеют уже цифровые системы СУУ и САУ с набором всех необходимых автоматических режимов, охватывающих практически всю типовую траекторию полета, включая обеспечение полностью автоматической посадки по категории III А ИКАО. СУУ и САУ этих самолетов имеют как минимум 3-х или 4-х кратное резервирование, что позволяет обеспечить сохранение работоспособности после 2-х последовательных отказов каналов системы.

Внедрение НБУ, наряду с обеспечением приемлемых усилий при управлении, открыло широкие возможности автоматизации управления с целью улучшения характеристик устойчивости и управляемости и летно-технических данных. Ранее это обеспечивалось в основном аэродинамическими средствами(например, увеличением площадей оперений самолета, выбором компоновки самолета).С помощью автоматики СУУ можно решить проблемы, связанные с устойчивостью самолета, улучшить требуемые характеристики управляемости, осуществить коррекцию характеристик в процессе летных испытаний, выиграть в весе конструкции и аэродинамическом качестве, т. е. несколько ослабить требования к аэродинамическим характеристикам устойчивости и управляемости самолета.

Большое значение для повышения безопасности полетов гражданских самолетов с автоматизированными системами управления имела разработка усилиями институтов и ОКБ в 1974 г. первых Норм летной годности гражданских самолетов(НЛГС) C5I.

НЛГС[4] были созданы на основе обобщения многолетнего опыта эксплуатации отечественных и зарубежных пассажирских самолетов и содержат требования к обеспечению безопасности полета. Важной особенностью требований НЛГС является необходимость подтверждения работоспособности системы управления в условиях воздействия различных видов отказов и их комбинаций, в том числе механических отказов, которые традиционно относились к категории крайне маловероятных. Наряду с этим в НЛГС оговорены также особенности ситуаций, которые допускаются при этих отказах. В целом требования НЛГС распространяются на системы управления различного типа, включая резервированные системы управления.

Применение новых технических решений на перспективных самолетах расширяло использование автоматических систем, применение электродистанционных систем(СДУ)для обеспечения характеристик устойчивости и управляемости и безопасности полета (Ту-204,Ил-96-300,Ан-124,A320.MD-11 и др.).Это стало возможным благодаря большому и успешному опыту применения резервированных автоматических систем, обеспечения высокой надежности СДУ. Как правило, применяемые СДУ имеют 4-х кратное резервирование, обеспечивающее сохранение работоспособности системы после двух последовательных отказов. Переход к СДУ позволил также улучшить динамические характеристики системы, повысить точность отработки сигналов управления, обеспечить легкое управление самолетом [63.

Цифровые СДУ значительно расширяют возможности системы управления в решении задач по пилотированию самолета, позволяют реализовать более сложные законы управления, оптимизирующие характеристики управляемости, включая реализацию ограничений, осуществить многорежимное управление, производить быструю перестройку законов работы, включая осуществление реконфигурации системы, вырабатывать летчику интегральную информацию о режимах полета и состоянии систем, комплексировать бортовые системы самолета и осуществить объединенное управление системой управления и двигателями, более гибко и эффективно осуществить контроль систем самолета(см. главу 8).

С переходом на СДУ рычаги управления летчика могут быть сделаны облегченными при наличии устройств, ограничивающих выход самолета на опасные режимы полета, поскольку исчезли значительные усилия, которые имели место при применении механической проводки. Поэтому в СДУ возможно применение разнообразных рычагов управления— штурвальных колонок, миништурвалов (Ту-204), центральных ручек, боковых ручек (А320) и даже применение селекторных устройств управления, типа кнопок и клавиш при

полностью автоматическом управлении самолетом. При этом каждый. тип рычага управления, за исключением селекторных устройств, требует создания определенной гармонии усилий при управлении самолетом, так как при разных рычагах управления в процессе управления участвуют разные мышцы тела [7].

В настоящей главе рассмотрены также некоторые проблемы, связанные с рулевыми приводами, которые в настоящее время на больших самолетах потребляют большую мощность и, следовательно, требуют внимательного анализа при выборе их параметров.

Управление тягой обычно рассматривается при разработке двигателей, поэтому здесь не отражено. В отдельном параграфе рассмотрены некоторые наиболее важные вопросы управления механизации крыла. В заключении приведены материалы по системам управления существующих в эксплуатации самолетов.