Автоматика авиационная или зачем это нужно. Часть 2.
Продолжаем нашу тему о роли и влиянии автоматики, которая есть на всех воздушных судах. Для тех, кто пропустил первую часть, заходим сюда Автоматика авиационная или зачем это нужно.
Итак, мы оснастили наш самолет демпфером, это помогло избавиться от колебаний, уменьшило время колебаний.
Как видно из графика, время затухания колебаний у самолета с демпфером меньше, что благоприятно сказывается на полете.
Испытательный полет. Опытный летчик-испытатель поднимает ЛА в воздух. У всех радостное настроение. Но без волнения не обойтись. Все переживают, а как будет работать новая система во время полета? В самолете находится вся команда испытателей: кроме командира воздушного судна и второго пилота здесь много инженеров-испытателей, которые сидят за компьютерами и следят за всеми системами, а в случае необходимости могут изменять настройки систем. Самое почетное место у конструктора. Он может наблюдать за всем процессом полета. Рядом с ним находятся разные приспособления для измерения основных параметров: кроме секундомера и линейки, есть еще много полезных вещей.
Настал момент истины, самолет набрал необходимую высоту и скорость. Пилот отпускает штурвал, и…. ничего не происходит, самолет летит прямо, без колебаний. Такое поведение очень нравится испытателям. Конструктору и его команде удалось справиться с колебаниями. Демпфер работает идеально. Теперь лететь на нашей мечте очень комфортно. Атмосфера очень радостная, на всех лицах радостные улыбки, но только командир попытался сделать разворот, как его лицо омрачилось, и он сказал:
-"Самолет меня не слушается! Мне «не хватает» рулей! "
-"Проверьте параметры демпферов! "- раздался голос конструктора.
В течении нескольких минут инженеры проверяют и перепроверяют параметры всех систем, включая демпферы, вносят изменения в законы управления. После каждого изменения раздаётся голос одного из инженеров:
-"А сейчас как? Есть изменения? "
-"Нет. Все по-старому",- отвечает командир.
Так продолжается в течение долгих минут, но у команды ничего не получается изменить. Самолет так же не слушается пилотов.
- "А давайте выключим демпфер, и посмотрим, как поведет себя самолет",- раздается голос самого опытного инженера.
Щелчок тумблера, мучительные секунды ожидания, пара разворотов позади, напряженная тишина нарушается командиром:
-"Управление восстановилось, я могу управлять самолетом! "
Но вот появилось странное ощущение, как на корабле во время шторма. Самолет колеблется, пилотам все время приходится бороться с этими колебаниями. Одному из молодых инженеров стало дурно. Сразу видно, что он не служил на морском флоте.
Кое-как испытателям удается посадить самолет. Из летающей машины все выходят озабоченными, а с пилотов пот течет градом.
-"Еле-еле посадили, то «нет» рулей, то колебания. Ужас" ,-говорит командир.
-"Да, тяжелый был полет",- отвечает усталым голосом второй пилот.
Оба пилота подходят к конструктору и говорят в один голос:
-"На таком самолете летать нельзя! Он неуправляем! Очень плохая управляемость. Идите и улучшайте управляемость".
Сидит наш конструктор и думает:
- "А в чем причина плохой управляемости? "
Далее рассмотрим пример по каналу тангажа.
В результате исследований установлено, что демпфер тангажа имеет несовершенную конструкцию.
Во время изменения угла тангажа, появляется угловая скорость тангажа ( самолет вращается относительно поперечной оси). Эта скорость фиксируется датчиком угловой скорости(ДУС) и демпфер пытается уменьшить ее до нуля путем отклонения руля высоты. При этом нет разницы, из-за чего эта скорость возникла : из- за ветра, или положение звезд на небе, или пилот отклонил колонку штурвала. Пилот хочет изменить высоту. Он отклоняет колонку штурвала, отклоняются рули высоты, в результате появляется угловая скорость тангажа ( изменяется угол тангажа), но демпфер отклоняет рули высоты в противоположенную сторону, уменьшая угловую скорость. Как итог: пилоту «не хватает» руля. Управляемость очень плохая.
Для наглядности: красная линия- отклонение руля высоты самолетом без демпфера.
Вывод, к которому приходит конструктор очень простой: надо сообщить демпферу, что хочет сделать пилот. В этом случае демпфер не будет препятствовать управлению самолетом. Но как это сделать?... Правильно, поставить Датчик Положения, который связан с колонкой штурвала.
Автомат Продольного Управления (АПУ); Автомат Бокового Управления (АБУ).
ДУС-Датчик Угловой Скорости
ДЛУ-Датчик Линейного Ускорения (акселерометр)
ДП-Датчик Положения
В-вычислитель
С-Сумматор (сравнивающее устройство)
У- Усилитель
ИМ- Исполнительный Механизм
ДОС-Датчик Обратной Связи
РП-Рулевой Привод
МЗ-Механизм Загрузки
КШ-Колонка Штурвала
Работа схемы:
При возникновении угловой скорости, датчик угловой скорости(ДУС) выдает сигнал в вычислитель(В), где находится закон управления ( как, когда и на какой угол отклонять рулевую поверхность. В соответствии с этим законом, сигнал идет через сумматор(С) и усилитель(У) на исполнительный механизм(ИМ), который отклоняет руль высоты. Датчик обратной связи(ДОС) нужен для того, что бы вернуть руль в заданное положение. В результате всего процесса угловая скорость становится равной нулю.
Датчик линейного ускорения (ДЛУ) нужен для более качественного гашения колебаний.
Когда пилот перемещает колонку штурвала(КШ), с датчика положения(ДП) поступает сигнал в вычислитель(В). Теперь вычислитель знает, что хочет сделать пилот, поэтому он выдает сигнал на дополнительное отклонение руля высоты (РВ), для того, чтобы управляемость удовлетворяла требованиям, но в то же время не было колебаний (демпфер-то работает).
Это отклонение можно пронаблюдать почти на любом самолете, начиная с начала 50-х. Даже на новых AIRBUS или Boeing эти системы работают так же, только подано это под другим соусом: более сложные законы управления, современная элементная база.
Для каналов крена и рыскания работа автомата аналогична (называется автомат бокового управления).
Мы оснастили нашу летающую мечту Автоматами Продольного и Бокового Управления. Теперь ее ждут испытания.
Настал день испытательного полета. У всех на борту радостно-волнующее настроение. Наш летчик-профессионал сел за штурвал без особого энтузиазма. Все еще помнит про «нехватку» штурвала. Проверка всех систем, включение Автоматов Управления, запуск двигателя уже позади. Диспетчер разрешает взлет. Взревели двигатели на взлетном режиме, застучали колеса о стыки плит ВПП, скорость растет. Рубеж, подъем, отрыв… И вот мы летим на небольшой скорости. Самолет движется так же без намека на колебания, пилот не боится отпускать штурвал. К демпферу нареканий нет. Настал момент истины - командир аккуратно, с небольшой опаской отклоняет штурвал. У него в голове сразу всплывают неприятные ощущения предыдущего полета, и….. самолет послушно следует заданной траектории. Никаких неприятностей. Пилот получает огромное удовольствие от управления нашей мечтой. На его лице появилась радостная улыбка. Он уже не боится этой алюминиевой птицы.
С набором высоты и скорости пилота не узнать. Он стал напряженным, от легкой улыбки не осталось и следа. Вместо нее озадаченное выражение: как же так, все же было идеально, а сейчас все опять пошло не так. Напряженное молчание нарушает голос конструктора:
-"Что то не так с самолетом? "
- "Не могу понять",- отвечает пилот.- "Раньше требовалось для изменения тангажа на 5° отклонить колонку штурвала на 100мм, а сейчас на 50мм. Кажется мы теряем управление. Требуется срочная посадка, пока я могу управлять самолетом.”
-"Все системы работают исправно. Нареканий нет",- раздается голос инженера из салона.
Все напряжены. Мы идем на посадку. В воздухе витает вопрос: "А сможем ли мы сесть? ". Испытания провалены.
Самолет летит послушно, это уже хорошо, но больше всего обрадовал вид ВПП. Скорость низкая. Если упадем, больше шансов выжить.
Угнетающую тишину нарушил пилот:
-"Хмм. Странно, управление пришло в норму. На 5° тангажа требуется 100мм колонки. Ничего не понимаю".
-"Параметры систем не изменились",-рапортует инженер.- "Надо продолжить этот испытательный полет для получения большего количества информации".
После этих слов вновь набираем скорость и высоту. В процессе измеряем коэффициент штурвала(КШ) - показывает, на какой угол отклонится руль при отклонении колонки штурвала на 100мм. Для этого закрепляем специальную линейку на штурвал и смотрим на компьютеры инженеров, где отображается углы отклонения рулей. В результате нехитрых вычислений: угол отклонения руля/перемещение колонки штурвала (КШ) вычисляем коэффициент. Но с ним все хорошо. На все режимах он постоянный и соответствует требованиям, но с самолетом происходит что-то неладное. На взлете/посадке он управляется, как обычно, но на крейсерском полете что-то происходит. Управление становится очень острым. Достаточно посмотреть на штурвал, как самолет изменяет направление полета. Так в чем же дело? К сожалению, запас топлива не вечный, приходится идти на посадку.
Посадка прошла штатно, у всех настроение поднялось, с самолетом все хорошо, он исправен. Но причина такого поведения осталась не разгаданной.
На земле. Пилот подходит к конструктору и говорит:
- "Этот самолет «разный». На маленьких скоростях он один, на больших - другой. Я опытный пилот, мне было страшно, а что будет с обычным пилотом? На таком самолете летать нельзя. Придется тебе, конструктор, исправить этот недостаток. Сделай эту машину так, что бы на всех режимах полета это был один и тот же самолет.
Раздосадованный конструктор уходит в свое бюро думать.
-"А в чем причина, и как ее устранить?"
Об этом мы расскажем в третьей части нашей рубрики. Задаём вопросы и пишем пожелания!