Автоматика авиационная или зачем это нужно
Многие из нас знают, что пилотам во время полёта, будь это взлёт или посадка, крейсерский полёт, маневрирование, помогает автоматика. Без неё никуда, так как на первом месте в современном мире стоит безопасность полётов. Но не все знают, как эта самая автоматика себя ведёт: чем управляет, что гасит, что включает. Об этом и многом другом я буду писать, рассказывать простым языком. Рад буду ответить на вопросы, а со стороны специалистов, если я совершу ошибку или допущу неточность, прошу указать на эти вещи : )
Итак, прежде чем самолёт (далее ЛА- летательный аппарат) поступит к заказчику - эксплуатанту, его надо построить. То, что мы видим на заводах, это только часть большой авиационной кухни. Всё начинается с так называемой математической модели ЛА. Это огромное количество математических уравнений, выражений, матриц, функций, которые моделируют поведение самолёта в различных ситуациях, таких как: куда отклонится ЛА в результате действия внешних воздействий; что будет, если сместить центр масс ЛА влево или вправо, вперед назад; какие возникнут моменты, если откажет правый двигатель, или произойдёт несимметричный выпуск закрылков. Имея данную модель на руках, можно переходить к анализу поведения нашей мечты в воздухе.
Вот так выглядит наш самолет в полете в виде математической модели. Многие сейчас вскрикнули, многие закрыли глаза и не поверили в это. Но это правда.
Самолёт проектируется так, чтобы он был устойчив. То есть самостоятельно, без участия пилота, сохранять заданный режим полета и возвращаться к нему после непроизвольного отклонения под действием внешних возмущений.
Для упрощения анализа математической модели, разобьем её на два движения: в вертикальной плоскости (продольное движение, изменяются углы тангажа, атаки, угловая скорость тангажа, высота и скорость) и в горизонтальной плоскости (боковое движение).
Рассмотрим продольное движение.
Пусть самолет находится в прямолинейном установившемся полете, то есть на него не действуют внешние силы: ветер, неравномерность загрузки.
В результате воздействия внешнего возмущения у самолета изменится угол
атаки, Если при этом появится аэродинамический момент, направленный на сохранение угла атаки Mz(индекс альфа), то самолет является статически устойчивым по углу атаки (данная схема используется на ЛА ГА). Если появится момент, направленный на еще большое изменение угла атаки, то такой самолет неустойчив ( современные истребители, самолет братьев Райт). У самолета имеется такая точка, которая называется фокусом по углу атаки, относительно которой момент тангажа остаётся постоянным при небольших изменениях угла атаки. Положение фокуса и центра масс самолёта отсчитывается от носка средней аэродинамической хорды ba.
Расстояние Xt называется центровкой самолёта. Если центр масс ЛА самолёта находится впереди фокуса( X(индекс F) > X(индекс Т)), то при увеличении угла атаки на самолёт будет действовать пикирующий момент, а при уменьшении угла атаки - кабрирующий момент.
Если центр масс ЛА самолёта находится позади фокуса( X(индекс F) < X(индекс Т)), то при увеличении угла атаки на самолёт будет действовать кабрирующий момент, а при уменьшении - пикирующий. То есть в этом случаем самолёт старается ещё больше отклониться от начального положения равновесия. А нам с вами это не нужно.
Это был случай продольного движения самолёта. Аналогично для бокового движения. Если на самолёт действует внешнее возмущение, происходит изменение угла скольжения, то под действием аэродинамического момента он должен вернуться в начальное положение. Аналогично с фокусом по углу скольжения - точка, которая должна быть позади центра масс.
При этом, когда будут изменяться углы и т.д, будет происходить демпфирование за счет трения поверхности самолета о воздух ( попробуйте помахать большой фанерой, воздух начнет сопротивляться, тяжело?))
Всё это было в идеализированной, упрощенной ситуации. В реальности, когда самолёт возвращаться к исходному положению, он может его проскочить,т.к демпфирование о воздух может оказаться недостаточным). Колебания повторяются, они будут затухающие, и ЛА вернётся к тому самому положению через некоторое время, при этом будет возникать вертикальная перегрузка, и люди в ЛА будут как в американских горках, ходить то вверх, то вниз). Возникнут колебания. Естественно, пилот видя изменение угла тангажа, старается отклонить руль высоты( далее РВ) так, чтобы погасить эти колебания, то есть сделать сам переходной процесс ещё меньше по времени. Автоматика служит для облегчения это проблемы. В данном примере рассмотрим демпферы колебаний, а именно демпфер тангажа.
Демпфер тангажа( далее ДТ) - средство автоматизированного управления, обеспечивающее демпфирование продольных короткопериодических колебаний, то есть тех, которые связаны с изменением угловой скорости тангажа, угла атаки и тангажа, путём автоматического отклонения РВ при изменении угловой скорости тангажа.
Это устройство работает по заданному закону управления. То есть в этом законе прописано, на какой угол должны отклонить РВ при изменение угловой скорости на какое-то значение.
Работа схемы: пусть под действием внешних возмущений ЛА изменит угловую скорость тангажа. Тогда с датчика угловых скоростей ( для нас это просто датчик и далее называем его ДУС), поступит электрический сигнал на вычислитель( блок В), который согласно выше упомянутому закону управления преобразует его в электрический сигнал U(индекс В). Сигнал идёт на сумматор сервопривода( далее СП), поэтому рулевой агрегат( далее РА) начнёт отклонять РВ на определённый угол, который мы получили из нашего закона управления. Отклонение РВ будет по тех пор, потом сигнал жёсткой обратной связи( далее ЖОС) с датчика обратной связи( далее ДОС) не уравновесит на входе сумматора СП сигнал с вычислителя U(индекс В), тогда РВ остановится.
Под действием отклонённых РВ, ЛА уменьшит угловую скорость тангажа, поэтому сигнал с ДУС будет уменьшаться, пока не станет равный нулю. Сигнал с вычислителя тогда обнулится, тогда СП под действием сигнала ЖОС вернёт РВ в исходное балансировочное положение - такое положение управляющих поверхностей, при котором все моменты и силы относительно наших осей вращения равны нулю. Колебания будут погашены.
Аналогично по каналу рулей направления и по каналу элеронов.
В следующей статье мы расскажем какие могу возникнуть проблемы с демпферами,как их решить, и как облегчить работу пилота ещё больше.
Статья была написана вместе с моим другом, Хомяковым Сергеем.