Автоматика авиационная или зачем это нужно. Часть 3.
Продолжаем нашу тему о роли и влиянии автоматики, которая есть на всех воздушных судах. Для тех, кто пропустил первые две части, заходим сюда:
Автоматика авиационная или зачем это нужно.Часть 1.
Автоматика авиационная или зачем это нужно.Часть 2.
В предыдущей части мы узнали, как сделать самолет одновременно устойчивым и управляемым при помощи автоматики. Но возникла проблема: самолет управляется по-разному на разных этапах полёта. Как устранить этот недостаток, мы рассмотрим в этой части.
Сидит конструктор в своем кабинете в конструкторском бюро. Перед ним стоит важная задача - узнать, почему самолет ведет себя по-разному на разных этапах полёта. Красные глаза, бледность лица выдают бессонные ночи. На столе лежат результаты испытаний: графики, таблицы, отчеты. Еще несколько дней, и понять, что находится на бумаге, будет невозможно из-за следов кофе. В течение нескольких дней ничего не приходит в голову. Из-за этого раздосадованный конструктор совсем потерял интерес к жизни. Он не замечает ничего и никого вокруг.
В один прекрасный летний вечер идет наш конструктор мимо клуба любителей авиации, в котором идет жаркий спор:
-“Что бы изменить высоту самолету требуется сделать сложное движение!”
-“Нет! Для изменения высоты, самолет просто «ходит» вверх/вниз, как лифт!”
-“Ха-ха. Что за ерунда? Это тебе сказал мальчик Петя, который играл с самолетиком в песочнице? Запомни! Сначала образуется аэродинамическая сила на рулях, потом возникает момент, следом идет изменение углов атаки и тангажа, только после этого изменяется высота!”
-“А давайте спросим у конструктора, он точно знает, как самолеты летают”.
После этого все собравшиеся окружили конструктора.
-“Добрый вечер, конструктор, объясните нам, пожалуйста, как летает самолет”,- просит юная любительница авиации.
-“Хорошо, - отвечает конструктор, - самолет совершает сложное движение…”
Все слушали рассказ очень внимательно. Конструктор поставил точку в жарком споре. Настроение у него тут же поднялось: на что-то он еще способен.
-“… Но вот в чем особенность, - продолжает маэстро,- на разных скоростях самолет ведет себя по-разному. В чем причина такого поведения? Над этим вопросом я сейчас думаю.
-“Так это легко объяснить,- раздается голос восьмиклассника,- скоростной напор на разных скоростях разный! Мы это сегодня на физике проходили.”
В этот момент к конструктору приходит вдохновение…
Самолет держится в атмосфере за счет взаимодействия его частей с воздухом. Самолет летит относительно воздуха с какой-то скоростью. При этом воздух действует на самолет с определенной силой, пропорциональной скоростному напору (q):
q = (плотность воздуха*скорость в квадрате)/2
Сила, которая возникает на рулях:
F=k*q, где k - коэффициент, характеризующий самолет.
Отсюда следует, что сила пропорциональна квадрату скорости, с которой летит самолет!
…Теперь конструктору стало понятно, что происходило с самолетом во время испытательного полета…
На низких скоростях скоростной напор был маленький, сила, возникавшая на рулях, была небольшой, пилоту требовалось отклонить колонку штурвала на 100мм для изменения угла тангажа на 5°. Но стоило набрать большую скорость, скоростной напор резко возрастает, сила становится большой, пилоту требуется отклонить только на 50мм колонку штурвала, для изменения тангажа на 5°.
… Но как сделать так, что бы избавиться от этой особенности? Над этой задачей думают инженеры в конструкторском бюро. Если летать с небольшой скоростью, тогда скоростной напор будет примерно одинаковым, летчики не заметят изменений. Но тогда расход топлива будет большим, а пассажиры будут недовольны временем полета. Этот путь не подходит.
Остается только изменять коэффициент штурвала по рулю высоты от скорости…
Коэффициент штурвала по рулю высоты показывает, на сколько градусов отклоняется руль высоты при перемещении колонки штурвала на 100 мм.
Автомат регулирования продольного управления:
СВС- система воздушных сигналов. Определяет скорость и высоту полета.
В-Вычислитель
С-Сумматор (сравнивающее устройство)
У- Усилитель
ИМ- Исполнительный Механизм
ДОС-Датчик Обратной Связи
КМ- Кинематический Механизм
РП-Рулевой Привод
МЗ-Механизм Загрузки
КШ-Колонка Штурвала
Работа схемы: в вычислитель (В) поступает информация о скорости полета от СВС. В соответствии с законом управления, сигнал приходит на исполнительный механизм (ИМ), где он преобразуется в перемещение кинематического механизма. В результате изменяется коэффициент штурвала. Сумматор (С), усилитель (У), датчик обратной связи (ДОС) необходим для точного управления коэффициентом штурвала.
В вычислителе заложена следующая зависимость:
Этот график показывает, что при перемещении колонки штурвала на 100 мм при маленькой скорости рули отклоняться на 10°, а при большой на 4° (числа взяты для примера).
В результате, сила на рулях:
F=k*q, q∼v^2
при увеличении скорости (v↑), увеличивается скоростной напор (q↑), но коэффициент, характеризующий самолет уменьшается (k↓). В результате, аэродинамическая сила остается постоянной. Для пилота самолет становится одинаковым на всех режимах.
… Спустя пару недель самолет готов к новому испытательному полету. Погода стояла отличная: комфортная температура, на небе ни облачка, дул едва заметный ветерок. Вся команда в сборе. Конструктор на радостях просто влетает в самолет. Конечно, он решил проблему. Любой на его месте будет рад. Но опытного летчика-испытателя не проведешь. У него прекрасно развито шестое чувство, которое подсказывает ему, что этот полет будет непростым. Какие только аргументы ему не предоставляли, ничто не могло убедить его, что полет не преподнесет сюрпризов. Деваться некуда, надо лететь.
И вновь рев двигателей, стук колес, отрыв. Самолет летит великолепно: ни намека на колебания, но при этом он послушно следует за командами испытателя. Все на борту напряглись, настал момент истины. Пилоты разгоняют самолёт до максимальной скорости. Начинаются испытания Автоматов регулирования. Испытатель отклоняет штурвал и… на его лице появляется радостная улыбка. Самолет не преподнес сюрпризов. Все маневры проходят прогнозируемо.
-“Никакого дискомфорта при управлении,”- говорит испытатель, -“ на всех скоростях и высотах это одинаковый самолет. Тебе, конструктор, удалось это сделать.
Радости конструктору и его команде нет предела. Конечно, ведь их детище летает просто отлично. Еще чуть - чуть, и конструктор будет кричать и бегать по самолету.
Раздается голос диспетчера:
-“ Погода портится, вам следует поспешить с посадкой”
При подлете к аэропорту погода совсем испортилась: небо затянуло тучами, пошел дождь, поднялся порывистый ветер - кошмар для пилота. Но у нас за штурвалом самые лучшие пилоты во всей авиации, поэтому решаем садиться. Когда самолет шел по глиссаде, при каждом порыве ветра его постоянно подкидывало то вверх, то вниз. Неприятные ощущения. Но труднее всего приходилось испытателю: пока из-за порыва подкорректируешь самолет, пройдет целая вечность.
«Естественно, пока пройдет цепочка: аэродинамическая сила на рулях, момент, изменение тангажа, угла атаки, появление дополнительной подъемной силы, изменение высоты, выравнивание тангажа, угла атаки, уменьшение подъемной силы пройдут долгие мучительные секунды. Вот бы сделать самолет, который летал бы, как мальчик Петя показывал: на подобии лифта “вверх/вниз”.Именно эта мысль засела в голове конструктора.
А как думаете Вы, возможно ли это? Если возможно, как это сделать?