Рычаги управления и требования эргономики

На большинстве пассажирских самолетов в качестве основных рычагов управления летчика применяются штурвальные колонки и педали. Появление штурвалов и педалей в том виде, в каком они применяются на большинстве пассажирских самолетов, было обусловлено необходимостью обеспечения приемлемых характеристик управляемости самолета прежде всего по усилиям при действующих на самолете уровнях усилий от механической проводки и рулей (трения, инерционности, аэродинамических шарнирных моментов и др,). Для преодоления этих усилий летчику нужны были достаточно мощные рычаги управления типа штурвальной колонки, штурвала и педалей. Напримар, для больших тяжелых самолетов с НРУ диапазон нормируемых величин Р"у составлял ЗОН-90 кг/ед. перегр. Поэтому штурвальные колонки и педали стали наиболее распространенными рычагами управления на пассажирских самолетах. В дальнейшем их конфигурация, расположение в кабине, диапазоны перемещения были в известной мере стандартизированы с тем, чтобы ввести единообразие рычагов управления и их расположение в кабине различных типов пассажирских самолетов, создать летчику максимум удобств при управлении самолетом, упростить освоение экипажем различных типов самолетов.

Для самолетов с рычагами управления такого типа были разработаны основные показатели управляемости по усилиям и перемещениям(РПу, РШх, ХПу…), которые обеспечивали наилучшую гармонию усилий при управлении самолетом. Эти показатели основывались на результатах огромного налета самолетов различных типов в различных эксплуатацуонных условиях и ситуациях. Затем эти показатели были изложены в виде рекомендаций к характеристикам управляемости пассажирских самолетов с рычагами управления типа штурвальных колонок.

При переходе к необратимому бустерному управлению, при котором аэродинамический шарнирный момент полностью

воспринимался рулевым приводом, резко уменьшились усилия на рычагах управления. При этом виде управления усилия на рычагах управления определялись уже характеристиками загрузочного устройства, трением в механической проводке и золотниках рулевых приводов. Это позволило на некоторых тяжелых военных самолетах (например., В1, В2(США), Ту-ІбО(СССР)) применить обычные ручки управления, которые характерны для маневренных самолетов, хотя при этом потребовалась установка в системе вспомогательного привода для снижения усилий на рычагах управления от трения в проводке и золотниках приводов. Соответственно для ручки управления с учетом класса самолета были выработаны нормативы к характеристикам управляемости по усилиям, обеспечивающие гармонию усилий для этого типа рычага управления. Например, показатель управляемости, характеризующий величину усилия для содания единицы перегрузки (РПу) уменьшился до значения —10-=—20 кг/ед. перегр.,были уменьшены также градиенты усилий Р*в и усилия страгивания (/ггр.<Л,0 кг).

Однако наиболее радикальным шагом снижения усилий на рычагах управления стал переход к. электродистанционному управлению. В такой системе практически исчезла взаимосвязь рычагш управления с усилиями от трения в проводке, золотниках рулевых приводов и от шарнирных моменте» органов управления, которая в основном влияла на конфигурацию рычагов управления.

Вместе с тем следует отметить, что высокий уровень усилий, который был характерен для тяжелых дозвуковых самолетов с механической системой управления, служил надежным средством против непроизвольного вывода самолета на опасные режимы полета (перегрузки, углы атаки сваливания и т. д.). Однако это достигалось ценой ухудшения комфорта и повышения психофизиологической нагрузки летчика при управлении самолетом.

В СДУ основная нагрузка на рычаги управления формируется загрузочным устройством, создающим искусственную вазаимосвязь между усилиями летчика и реакцией самолета. В связи с этим СДУ породила соблазн в применении миниатюрных рычагов управления (особенно при отсутствии резервного механического управления), поскольку это прежде всего сулило снижение веса рычагов управления и улучшение обзора приборной доски.

Однако применение облегченных рычаге® для управления самолетом возможно только при условии создания надежней защиты от выхода самолета на опасные режимы полета. Такую защиту должна обеспечивать специальная система ограничения предельных режиме® полета (ОПР). При этом указанная система ОПР не должна ограничивать управление самолетом в пределах разрешенной области режиме® полета. Наиболее эффективно решение данной задачи может быть выполнено на основе интегральной системы управления(ТУ — -204,А320)(см. главу 8).

Первый опыт применения боковой ручки на серийном самолете был получен на истребителе Р-16А(США).При этом главной целью применения боковой ручки на этом самолете было улучшение характеристик управляемости самолетом(точности пилотирования)и повышение боевой эффективности в условиях воздействия больших перегрузок( и*=5… 9), улучшение обзора приборов. Боковая ручка была установлена в кабине этого самолета после проведения обширных стендовых и летных исследований различных конфигураций ручек, на основании которых была выбрана форма ручки, положение ее в кабине, характеристики загрузки и параметры угловых отклонений [17] .

Несмотря на успешное применение боковой ручки на самолете F-16A (на январь 1989г. было поставлено 2267 самолетов) , она все же не получила широкого распространения на последующих перспективных самолетах-истребителях с электродистанционным управлением (без механической резервной проводки): например, ВАе, ЕАР, EFA, Дассо Бреге “Рафаль A”, IAI “Лави”, JAS 39, F -22. На этих самолетах используется центральная ручка управления. Интересно отметить, что на новейшем самолете F-22 предполагалось применить боковую ручку. Первые летные образцы самолета были оборудованы такими ручками, однако затем на серийные образцы F-22 было принято решение установить центральную ручку управления. Такое положение, по-видимому, можно обьяснить тем, что пока применение боковой ручки не дает ощутимых преимуществ по

сравнению с центральной ручкой и требует переучивания пилотов. Кроме того, при центральной ручке возможно пилотирование самолета со сменой рук.

Впервые боковая ручка на пассажирском самолете была применена на самолете Эрбас Индастри А320, имеющем СДУ без перехода на резервное управление й СУУ интегрального типа (астатическое управление). Такое решение имело целью:

—улучшить обзор приборной доски, т.е. улучшить эргонрмику, так как считалось, что громоздкие штурвальные колонки частично закрывали обзор некоторых приборов, а также повысить точность пилотирования самолета,

—уменьшить вес системы за счет замены штурвальных колонок боковыми ручками и исключения механических связей между рычагами управления; выигрыш в весе составляет—30 кг.

Боковые ручки на самолете А320 установлены по бортам кабины летчиков. Такое расположение боковых ручек нарушило в известней мере привычную манеру управления самолетом, поскольку первый летчик должен управлять левой рукой, а второй-правой. В связи с этим следует отметить, что, как показывают статистические данные [183, в мире число людей, являющимися правшами и левшами, составляет, соответственно, 90 и 10%. Так как в полете основные операции по пилотированию самолета выполняет левый летчик, то согласно этой концепции управления 90% летного состава должны осваивать заново управление самолетом левой рукой (за исключением летчиков, которые владеют правой и левой рукой одинаково). Таким образом, при переходе с самолетов, имеющих обычные рычаги управления, на самолет с боковыми ручками требуется специальная подготовка ^ лётчиков как в части приобретения навыков левши, так и освоение нового рычага управления, имеющего отличные от обычных рычагов управления конфигурацию, характеристики загрузки и показатели управляемости.

Практически применение боковых ручек возможно только в СДУ при условии жесткого ограничения опасных режимов, в которой уровень усилий на ручках определяется только загрузочными устройствами СДУ. Этот уровень усилий выбирается с учетом

возможностей кистевого управления. Поэтому использование традиционной резервной механической системы практически исключается из-за неприемлемых усилий, создаваемых механической системой на боковых ручках. На самолете А320 для повышения надежности управления на случай кратковременного обесточивания СДУ(<5 мин.) в качестве резервного управления рассматривается управление с помощью триммируемого стабилизатора и руля направления, имеющих механические аварийные системы, которые не связаны с боковыми ручками.

Весьма важней особенностью, присущей боковым ручкам А320, является отсутствие механической связи между ними. Вместо механическое связи предусмотрена электронная логика выбора сигналов управления, Она строится с учетом особенностей взаимодействия двух летчиков при управлении:

—наличия как синхронных, так и несинхронных входных сигналов,

—обеспечения возможности "пересиливания” одного сигнала другим.

При исключении механической связи учитывалась также возможность противодействия одного летчика другому в результате, например, потери сознания летчика, что может быть причиной непроизвольного отклонения ручки или ее "зажатие” в каком-либо положении. При этом неразумное поведение летчика не рассматривается, так как такое поведение также является проблемой и на самолетах с обычными рычагами управления [17].

На самолете А320 пределы нормального отклонения ручки и пределы "пересиливания” установлены в 33 и 75% соответственно, хотя они могут изменяться и не следует считать их фиксированными.’ Например, если какой-либо летчик создает входной сигнал, тогда противоположное движение другой ручки за пределы этого внутреннего ограничения вызовит передачу всего управления второму летчику, создающему компенсирующий, входной сигнал. Каждый летчик предупреждается об этих случаях световыми сигналами.

Следует отметить, что практика применения боковых ручек на пассажирских самолетах еще незначительна с точен зрения

подтверждения уровня безопасности полета с этими рычагами управления (по состоянию на 1 сентября 1991г. число самолетов А320, находящихся в эксплуатации, составило 204; с 1988г. было потерено 3 самолета [193). Еще не получили широкого распространения нормы летней годности, отражающие специфику этих рычагов управления. В частности, применительно к самолету А320 в его сертификационном базисе рассматривается следующее требование:"Конструкция электронной связи между боковыми ручками управления должна предусматривать коррекцию и/или пересиливание входных сигналов с помощью любого летчика при сохранении безопасных характеристик. Средства извещения летчиков о состоянии блоков управления боковых ручек не должны давать запутанную информацию экипажу”.

Фирма Боинг при проектировании самолета 777 также рассматривала возможность применения боковых ручек управления. При этом отмечалось, что важнейшее значение для безопасности полета имеют принципы взаимодействия летчиков в процессе управления. В частности, рассматривались также различные варианты логики взаимодействия летчиков:

—управляющим сигналом является больший по величине сигнал,

—управляющим сигналом является сумма сигналов обоих рычагов управления. При одновременных согласованных сигналах реакция самолета увеличивается, при противоположных сигналах реакция самолета нулевая,

—управляющим сигналом является сигнал только от одного рычага управления. При этом рассматривались два варианта выбора сигнала: либо обеспечивается приоритет левому летчику, либо с помощью переключателей, расположенных на каждой боковой ручке, осущствляется взятие управления на себя любым летчиком, но управление самолетом производится тем летчиком, который нажал переключатель последним.

Фирма Боинг полагает, что могут быть выдвинуты сильные доводы в пользу связанных боковых ручек управления, если они будут применяться. В процессе работ над проектом 777 в качестве альтернативного варианта рассматривалась возможность установки рычагов управления в виде мини-штурвалов с механической связью.

Как это сделует из предыдущего анализа, вопросы взаимодействия летчиков при управлении самолетом имеют принципиальное значение, поскольку их решение непосредственно влияет на безопасность полета. При принятой в гражданской авиации методике пилотирования самолета функции командира, как известно, выполняет левый летчик, которому предоставлен приоритет в управлении самолетом.

Введение механической связи во всех случаях позволяет:

—синхронизировать рычаги управления, что обеспечивает передачу управления другому летчику без запаздывания, поскольку правый летчик принимает рычаг управления в положении, отвечающем текущей команде;

—обеспечить в случае необходимости совместное управление двух летчиков по крайней мере на уровне аварийного управления; реализации такого управления способствует тактильная информация;

—обеспечить непрерывный контроль датчиков и цепей управления рычага летчика, который в данный момент исключен из управления;

—ограничить случайное вмешательство в управление со стороны правого летчика, так как для вмешательства необходимо приложить усилия к рычагу, превышающие усилия характерные для нормального управления;

—исключить необходимость применения переключателей для передачи управления от одного летчика к другому. В экстремальной ситуации летчик может забыть о переключателе.

В целом, рассматривая применение различных рычагов управления на пассажирских самолетах с СДУ, можно отметить • тенденцию к уменьшению их размеров вплоть до применения боковых ручек. Однако с учетом всех факторов, связанных с применением рычагов управления (вес, габариты, эргономика, точность отработки сигналов, безопасность полета, нормативы и др,), наиболее компромиссным вариантом являются рычаги управления в виде, может быть, уменьшенного размера с механической связью между ними. Эти рычаги управления позволяют:

—сохранить привычные навыки по управлению самолетом одной

или двумя руками левым и правым летчиком;

—использовать существующие нормируемые показатели к характеристикам управляемости самолета;

—исключить необходимость применения сложной и менее надежной электронной логики для обеспечения совместной работы летчиков;

—уменьшить вес рычагов управления и улучшить эргономику в кабине по сравнению с обычными рычагами управления;

—применить в случае необходимости резервную механическую систему управления.

На пилотажных стендах ЦАГИ были проведены широкие исследования характеристик устойчивости и управляемости применительно^ к современному магистральному пассажирскому самолету со стреловидным крылом с боковой ручкой управления, размещенной слева для командира корабля (левого летчика).

Эти исследования показали, что боковая ручка управления с интегральной системой оценивается летчиками положительно. Эти исследования позволили также определить оптимальные значения статических характеристик управляемости самолета. Оптимальная величина градиента загрузки боковой ручки управления для продольного управления(по тангажу) составляетРв^ 0,06 — Ь 0,10 кгс/мм, а для поперечного управления Рэ=0,04-j — 0,07 кгс/мм. Наиболее предпочтительные характеристики статической управляемости получились примерно в 2-гЗ раза меньше, чем при штурвальном управлении. Для взлетно—посадочных режимов полета такие характеристики управляемости как и Х£* получились » равными: ХвПу=60мм/ед, пер, и Х“*=8-г 10мм/град. с-1.

Проведенные исследования на летающей лаборатории самолета с боковой ручкой управления по определению пилотажных характеристик подтвердили полученные на пилотажном стенде харектеристики.