ШТУРВАЛЬНАЯ КОЛОНКА САМОЛЕТА
AIRCRAFT STEERING COLUMN

Область техники
Изобретение относится к области авиации, более конкретно к ручным управляющим устройствам для приведения в действие поверхностей управления летательного аппарата, и может найти применение при установке ее между приборной доской и креслом пилота, выполненного без специального выреза под штурвальную колонку, с парашютом в чашке с целью увеличения обзора приборной доски, предотвращения неконтролируемого вывода самолета на большие перегрузки, улучшения эксплуатационных и компоновочных возможностей, повышения безопасности полетов.
Уровень техники
Известен штурвал (Авторское свидетельство СССР №21707, заявленное 22 декабря 1930 года), состоящий «из двух выштампованных дисков, которые в центральной части соединены между собой втулкой, а по наружному краю завальцованы».
Основной недостаток такого штурвала заключается в том, что он заслоняет часть приборной доски сплошным «выштампованным» колесом (диском).
Известно «Штурвальное устройство» (Steering Wheel Apparatus, Publication number JP 55047961, publication date 1980-04-05), состоящее из секции рулевого колеса, сконструированной интегрально с прозрачной пластиковой секцией (вместо спиц колеса), установленной на вращающемся валу. Секция приборной панели с приборами прилегает непосредственно и плотно к задней стенке прозрачной секции штурвала для исключения попадания грязи на приборы.
Недостатки этой конструкции заключаются в том, что при движении штурвала по тангажу приборы, установленные на штурвале, оказываются на разном расстоянии от глаз пилота и в некоторых случаях (при положении штурвала у груди пилота) могут быть не видны. Кроме того, тяга продольного управления (вал, на котором закреплена прозрачная часть штурвала) заслоняет часть приборной доски, что ухудшает эксплуатационные возможности.
Известен штурвал (Steering Wheel, Publication number 55047962, publication date 1980-04-05), секция штурвального колеса которого (спицы) выполнена из прочного прозрачного материала (керамики или поликарбоната), позволяющего уменьшить площадь приборной доски, закрываемой спицами штурвального колеса, особенно при его вращении по крену.
Недостаток этой конструкции заключаются в том, что тяга продольного управления (вал, на котором закреплена прозрачная часть штурвала) заслоняет нижнюю часть приборной доски.
Известен «Командный пост ручного управления летательного аппарата» (Патент RU №2122509, опубликованный 27.11.1998 г.), который «содержит два поста управления, рычаги с рукоятками, соединенные тягой продольного управления с валом синхронизации, соединяющим указанные посты и связанным с проводками управления рулем высоты и элеронами. Тяга продольного управления установлена в трубе, закрепленной в приборной доске с возможностью вращения».
Основной недостаток этого штурвала заключается в том, что он заслоняет часть приборной доски тягой продольного управления, «закрепленной в приборной доске».
Конструкция, описанная в патенте "SLIDER WHEEL, PITCH AND ROLL CONTROL, STICK APPARATUS FOR AN AIRCRAFT", U.S. Patent Oct. 18. 1988. №4778133, Inventors: Sakurai. Seiya (Seatle, WA). Assignee: The Boeing Company (Seatle, WA) содержит штурвальную колонку или вал, который проходит ниже приборной доски, под острым углом к ней, а движение штурвала «на себя-от себя» происходит почти горизонтально, при этом вырез в приборной доске отсутствует.
Недостаток данной конструкции заключается в том, что движение штурвала «на себя-от себя» происходит почти горизонтально, что ограничивает обзор нижней части приборной доски, где, в соответствии со стандартами, располагаются указатели (приборы) курса и курсовых углов, что затрудняет пилотирование.
Известно штурвальное управление (Шульженко М.Н. «Конструкция самолетов». - М.: Машиностроение, 1971 г., Стр.237).
Штурвальное управление состоит из колонки и штурвала. Колонка может отклоняться только вперед-назад для управления рулями высоты или цельноповоротным горизонтальным оперением. Элероны управляются вращением штурвала, который жестко соединен с зубчатым колесом. На зубчатое колесо надета цепь, концы которой соединены с тросами. Тросы через ролики подводятся к элеронам. Колонка обычно крепится внизу к горизонтально расположенной трубе, несущей рычаги управления рулями высоты. Независимость отклонения рулей высоты и элеронов достигается расположением роликов так, что трос совпадает с осью ОО' вращения трубы.
Штурвальные колеса редко делаются с полным по окружности ободом. Обычно часть обода вырезается, чаще всего сверху, чтобы летчику были лучше видны приборы, расположенные непосредственно против штурвала.
Иногда конструкторы в целях освобождения кабины летчика колонку штурвального управления располагают впереди за приборной доской, а вал штурвала - на неподвижной стойке».
Таким образом, применяемые в системах штурвального управления конструкции можно разделить на два вида:
- Со штурвальной колонкой, установленной на полу кабины между приборной доской и креслом пилота, наиболее близкой к предполагаемой.
- С валом штурвала, проходящим через приборную доску.
В первой конструкции часть приборной доски заслоняется штурвальной колонкой, а во второй - тягой продольного управления, «закрепленной в приборной доске». В обоих случаях движение штурвала «на себя-от себя» происходит почти горизонтально, что ограничивает обзор нижней части приборной доски, где, в соответствии со стандартами, располагаются указатели (приборы) курса и курсовых углов, что затрудняет пилотирование.
Конструкции со штурвальной колонкой, установленной на полу кабины между приборной доской и креслом пилота, неудобны тем, что штурвал находится далеко от пилота, особенно в полностью отклоненном от себя положении. Кроме того, разместить штурвал ближе к пилоту не позволяет чашка кресла пилота, даже если в ней сделаны специальные вырезы под штурвальную колонку. Более того, при размещении в чашке кресла спасательного парашюта, что необходимо не только для военных самолетов, но и при летных испытаниях любых самолетов, применить такое решение невозможно. Поэтому дотянуться до полностью отклоненного «от себя» штурвала пилот может, только наклонившись вперед, т.е. отрывая спину от спинки кресла, что невозможно при застопоренных плечевых ремнях.
При этом инерционные силы, действующие на руки пилота и штурвал со штурвальной колонкой, при увеличении вертикальной перегрузки способствуют ее превышению, что снижает безопасность полета и требует либо увеличения загрузки штурвала (более мощные пружины), что неудобно для пилота и небезопасно при отказе механизма триммирования, либо специальной весовой балансировки системы управления, что ведет к увеличению веса конструкции.
Широкое применение вычислительных машин (ЭВМ) в быту и авиации наряду с применением электронных индикаторов (МФИ) делает актуальным вопрос об управлении индикацией и системами самолета посредством обычной или модифицированной клавиатуры домашнего компьютера (ПК). Размещение такой клавиатуры в кабине самолета оказывается непростой задачей, поскольку наиболее удобное и привычное для человека место для ее размещения занято штурвалом управления.
Известен, например, "PORTABLE CONTROLLER FOR AN AIRCRAFT" (US 6264146, опубликованный 24.07.2001 г.), который предназначен для управления полетом, оружием и другими подсистемами самолета непилотирующим членом экипажа. Устройство состоит из клавиатуры, селекторного переключателя режимов и управления курсором. Альтернативный вариант устройства содержит пару независимых систем управления курсором для управления отдельными дисплеями систем самолета, а также включает дисплей (строка в верхней части контроллера) для индикации вводимых с клавиатуры данных. Легкий и компактный пульт управления может удерживаться одной или двумя руками непилотирующего члена экипажа или может быть пристегнут ремешком к бедру члена экипажа.
Очевидно, что, как сказано в указанном патенте, заявленный пульт управления значительно улучшает эргономику управления различными системами самолета, ибо в другом случае требуется значительное количество повторяющихся движений руками, чтобы дотягиваться до панелей управления самолетом. Пульт управления также сокращает необходимость в большом количестве переключателей на панели управления.
Однако место для крепления предлагаемого пульта управления (в руках или на бедре) выбрано не совсем удачно.
Таким образом, известные штурвалы обладают ограниченными компоновочными возможностями, а именно ухудшают обзор нижней части приборной доски, не позволяют обеспечить досягаемость штурвала при его отклонении от себя, особенно при компоновке с парашютом в чашке кресла пилота, не имеющей специального выреза под штурвальную колонку.
Более того, известные штурвалы не используют для весовой балансировки системы управления, что снижает безопасность полета, и не используют для размещения на них клавиатуры (пульта) управления индикацией и самолетными системами посредством компьютера, что снижает безопасность полета.
Сущность изобретения.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении эксплуатационных и компоновочных возможностей и повышении безопасности полетов за счет увеличения смещения штурвала вниз при отдаче его от себя, обеспечения увеличения обзора приборной доски при штурвальном управлении, обеспечения досягаемости штурвала при его полном отклонении «от себя», особенно при компоновке с парашютом в чашке кресла пилота, не имеющей специального выреза под штурвальную колонку, использования конструкции штурвала для весовой балансировки системы управления, затрудняющей неконтролируемый выход на большие перегрузки, а также за счет размещения на штурвале клавиатуры (пульта) управления индикацией и самолетными системами посредством компьютера.
Для достижения указанного технического результата в штурвальной колонке самолета, расположенной вертикально между креслом пилота и приборной доской, состоящей из вертикальной стойки, верхняя часть которой выполнена с головкой штурвала для установки штурвального колеса, нижняя часть стойки закреплена на валу вращения штурвала по тангажу или на горизонтальной трубе, соединяющей левый и правый посты управления, несущей проводку управления рулями высоты, ее средняя часть выполнена со ступенчатым выступом в виде колена, отодвигающим среднюю часть стойки от чашки кресла пилота и переходящим в нижнюю часть колонки, выполненной длиннее выступа, повернутой и направленной в точку крепления, смещенную вместе с валом вращения штурвала по тангажу или с горизонтальной трубой, соединяющей левый и правый посты управления под кресло пилота.
Таким образом, обеспечивают увеличение смещения штурвала вниз при отдаче его от себя, что увеличивает обзор приборной доски.
Указанным способом обеспечивают досягаемость штурвала при его полном отклонении «от себя», особенно при компоновке с парашютом в чашке кресла пилота, не имеющей специального выреза под штурвальную колонку.
Этот выступ позволяет устанавливать в кабине кресло пилота с парашютом в чашке кресла, т.е. без выреза в чашке кресла.
Заявляемая штурвальная колонка позволяет использовать ее конструкцию для весовой балансировки, затрудняющей неконтролируемый выход на большие перегрузки.
Кроме того, штурвальное колесо вместе с головкой штурвала могут быть установлены развернутыми на 180° для увеличения обзора нижней части приборной доски, где обычно располагают указатели курса и курсовых углов, при всех возможных отклонениях штурвала по тангажу, для улучшения эксплуатационных и компоновочных возможностей.
Более того, на поперечных спицах штурвального колеса или на верхней горизонтальной части выступа вертикальной стойки может быть установлена клавиатура (пульт) управления индикацией и самолетными системами посредством компьютера для улучшения эксплуатационных и компоновочных возможностей.
Заявляемая штурвальная колонка самолета иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1÷5.
На фиг.1 показана кинематическая схема штурвальной колонки и пример ее подключения к проводке управления рулем высоты.
На фиг.2 показана сравнительная схема заявляемой штурвальной колонки и прототипа. Пунктиром показана кинематическая схема прототипа.
На фиг.3 показана схема весовой балансировки системы управления штурвалом самолета. Пунктиром показана схема крепления штурвального колеса к колонке штурвала в конструкции прототипа.
На фиг.4, 5 показаны варианты размещения клавиатуры на спицах штурвального колеса и на верхней горизонтальной части выступа вертикальной стойки штурвала.
На чертежах обозначено:
1. Верхняя часть вертикальной стойки.
2. Ступенчатый выступ.
3. Средняя часть вертикальной стойки.
4. Нижняя часть штурвальной колонки.
5. Головка штурвала.
6. Штурвальное колесо.
7. Вал вращения штурвала по тангажу (Горизонтальная труба, соединяющая левый и правый посты управления).
8. Проводка управления рулями высоты.
9. Загрузочный механизм.
10. Механизм триммерного эффекта.
11. Чашка кресла пилота.
12. Траектория движения заявляемой колонки штурвала.
13. Траектория движения колонки штурвала прототипа.
14. Клавиатура.
А - Ось вращения штурвала по тангажу в конструкции прототипа.
В - Точка пересечения вектора сил инерции штурвала и перпендикуляра к нему, проходящего через ось вращения штурвала по тангажу.
Ц.Т. - Центр тяжести штурвальной колонки.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Штурвальная колонка самолета, показанная на фиг.1, состоит из верхней части вертикальной стойки 1, ступенчатого выступа 2, средней части вертикальной стойки 3 и нижней части штурвальной колонки 4.
Верхняя часть выполнена с головкой штурвала 5 для установки штурвального колеса 6.
Средняя часть вертикальной стойки 3 выполнена со ступенчатым выступом в виде колена, отодвигающим среднюю часть штурвальной колонки от кресла пилота.
Нижняя часть штурвальной колонки 4 закреплена под креслом пилота на валу вращения штурвала по тангажу 7 или на горизонтальной трубе 7, соединяющей левый и правый посты управления, несущей проводку управления рулями высоты 8, в которую посредством тяг и качалок могут быть включены загрузочный механизм 9 и механизм триммерного эффекта 10. Штрих-пунктиром показаны траектория движения головки штурвала при отклонении штурвала «на себя»-«от себя» и пунктиром крайние положения заявляемой штурвальной колонки самолета.
На фиг.2 показаны: верхняя часть вертикальной стойки 1, ступенчатый выступ 2, средняя часть вертикальной стойки 3, нижняя часть штурвальной колонки 4, головка штурвала 5, штурвальное колесо 6, вал вращения штурвала по тангажу 7 (или на горизонтальная труба 7, соединяющая левый и правый посты управления), проводка управления рулями высоты 8, загрузочный механизм 9, механизм триммерного эффекта 10, чашка кресла пилота 11, траектория движения заявляемой колонки штурвала 12 (пунктирная линия с крестиками), ось вращения штурвала по тангажу в конструкции прототипа «А», траектория движения колонки штурвала прототипа 13 (пунктирная линия). Пунктиром показана схема крепления штурвала к вертикальной стойке посредством головки штурвала в конструкции прототипа.
На фиг.3 показаны: верхняя часть вертикальной стойки 1, ступенчатый выступ 2, средняя часть вертикальной стойки 3, нижняя часть штурвальной колонки 4, головка штурвала 5, штурвальное колесо 6, вал вращения штурвала по тангажу 7 (или горизонтальная труба 7, соединяющая левый и правый посты управления), проводка управления рулями высоты 8, загрузочный механизм 9, механизм триммерного эффекта 10, ось вращения штурвала по тангажу в конструкции прототипа «А», точка пересечения вектора сил инерции штурвала и перпендикуляра к нему, проходящего через ось вращения штурвала по тангажу «В», центр тяжести штурвальной колонки Ц.Т. Пунктиром показана схема крепления штурвала к вертикальной стойке посредством головки штурвала в конструкции прототипа.
На фиг.4 показан пример установки клавиатуры 14 (пульта) управления индикацией и самолетными системами посредством компьютера на спицах штурвального колеса 6. На фиг.4 (вид сбоку) показаны также верхняя часть вертикальной стойки 1, ступенчатый выступ 2, средняя часть вертикальной стойки 3, нижняя часть штурвальной колонки 4, головка штурвала 5, штурвальное колесо 6.
На фиг.5 показан пример установки клавиатуры 14 (пульта) управления индикацией и самолетными системами посредством компьютера на верхней горизонтальной части ступенчатого выступа 2 вертикальной стойки. На фиг.5 (вид сбоку) показаны также верхняя часть вертикальной стойки 1, ступенчатый выступ 2, средняя часть вертикальной стойки 3, нижняя часть штурвальной колонки 4, головка штурвала 5, штурвальное колесо 6.
Штурвальное колесо 6 вместе с головкой штурвала 5 могут быть установлены развернутыми на 180°, как показано на фиг.1, 3, 4.
Работа штурвальной колонки самолета осуществляется следующим образом. В случаях, когда необходимое отклонение штурвала на себя ограничивается чашкой кресла пилота 11 (см. фиг.2), необходимо делать специальный вырез в чашке кресла, что не всегда удобно, такой вырез не позволяет разместить в чашке кресла парашют. Можно также отодвинуть кресло назад. Но тогда штурвал оказывается далеко от пилота, его не все пилоты могут отклонить полностью от себя, не отрывая спину от спинки кресла (из-за недостаточной длины руки). Для разрешения этого противоречия среднюю часть вертикальной стойки 3 (см. фиг.1÷5) выполняют со ступенчатым выступом в виде колена, отодвигающим среднюю часть штурвальной колонки 3 от чашки кресла пилота 11 при сохранении необходимого расстояния от пилота до штурвального колеса 6, что позволяет разместить в чашке кресла парашют, а штурвал приблизить к пилоту для обеспечения возможности его полного отклонения пилотом от себя не отрывая спину от спинки кресла.
При отклонении штурвала пилотом «на себя»-«от себя» вся конструкция штурвала вращается вокруг оси вала вращения штурвала по тангажу 7 (фиг.1). Это значит, что каждая часть указанной конструкции движется по окружности, центр которой совпадает с осью вала вращения штурвала по тангажу 7. Чем больше смещена указанная ось вращения назад, под кресло пилота, тем больше величина смещения штурвального колеса 6 вниз при отдаче его от себя. Т.е. вместе с движением штурвала вперед, в сторону приборной доски, происходит его смещение вниз (фиг.2), чем обеспечивают увеличение обзора нижней части приборной доски. Траектория движения заявляемой колонки штурвала 12 показана на фиг.2.
Сравнение показывает, что траектория движения заявляемой колонки штурвала 13 (фиг.2) проходит ниже траектории движения колонки штурвала прототипа 12 при его движении «от себя - на себя», чем обеспечивают увеличение обзора нижней части приборной доски.
Массу частей штурвала можно представить сосредоточенной в центре тяжести, который находится между штурвальной колонкой и пилотом, впереди оси вращения заявляемой конструкции по тангажу (фиг.3). При наличии вертикальной перегрузки произведение силы инерции массы штурвала, сосредоточенной в центре тяжести Ц.Т. штурвала, на плечо "7-В" дает пикирующий момент, часть которого воспринимается загрузочным механизмом 9 и механизмом триммерного эффекта 10, а другую часть воспринимает пилот как тянущее усилие на штурвале. Указанная весовая балансировка системы управления может быть достигнута также путем установки дополнительного груза на нижней части колонки "В-А" или на ее продолжении.
На стоянке вертикальная перегрузка равна единице и в случае отсутствия в системе управления загрузочного механизма, под действием пикирующего момента силы от массы штурвала, указанной выше, штурвал находится в крайнем переднем положении. В горизонтальном полете вертикальная перегрузка также равна единице, но «брошенный» штурвал удерживается в балансировочном (нейтральном) положении под действием аэродинамических сил, передающихся от руля высоты к штурвалу через проводку управления 8. В случае увеличения вертикальной перегрузки в результате воздействия порыва ветра или отклонения штурвала на себя увеличивается пикирующий момент, действующий на штурвал, и если пилот его не парирует, то этот момент приводит к отклонению штурвала от себя и уменьшению возникшей перегрузки. Таким образом, добиваются такой весовой балансировки системы управления, при которой с увеличением перегрузки увеличиваются тянущие усилия на штурвале, что нужно для обеспечения нормируемых величин градиента усилий по перегрузке, которые достигаются обычно другими способами.
В системе штурвального управления, взятого за прототип, штурвал вращается вокруг оси "А" (см. фиг.3), центр тяжести штурвала находится позади его оси вращения и поэтому дает относительно указанной точки "А" кабрирующий момент, который способствует увеличению возникшей перегрузки, особенно при отклоненном на себя штурвале. Эта особенность и требует повышенных нагрузок в системе управления для обеспечения защиты от непроизвольного превышения перегрузки. Но известно, что излишне тяжелое управление снижает точность пилотирования и утомляет пилота.
Выполнение нижней части штурвальной колонки 4 длиннее выступа обеспечивает изменение траектории 12 движения штурвала (фиг.2) так, что при отдаче штурвала «от себя» он уходит вниз, для увеличения (неуменьшения) обзора приборной доски пилотом.
Штурвальное колесо 6 вместе с головкой штурвала 5 могут быть установлены развернутыми на 180° (фиг.1, 3, 4). Таким способом головка штурвала 5 перемещается ближе к пилоту при неизменном положении штурвала, чем обеспечивается увеличение обзора нижней части приборной доски. Такая конструкция не помешает отклонять штурвал полностью на себя, поскольку нужно оставлять зазор между грудью пилота и штурвальным колесом для обеспечения возможности вращения штурвального колеса по крену.
Клавиатуру (пульт) управления индикацией и самолетными системами посредством компьютера можно разместить на штурвальном колесе (его спицах) или на верхней горизонтальной части ступенчатого выступа 2 вертикальной стойки.
Клавиатура современного бытового компьютера имеет приблизительные размеры 450×160×20 мм, что сопоставимо с размерами обычных штурвалов. Часть клавиш (17 правых клавиш) являются дублирующими, и могут быть исключены из самолетной клавиатуры, что позволит уменьшить размеры клавиатуры до ~300×120×20 мм, что сопоставимо с размерами «мили» штурвалов.
Применение клавиатуры на наиболее напряженных этапах полета (на взлете и посадке) не предусматривается, как не предусматривается на этих этапах управление индикацией и системами самолета другими средствами. Поэтому пилот будет иметь возможность ослабить привязные ремни, наклониться вперед для лучшего обзора клавиатуры, а сама клавиатура может быть закреплена на штурвале подвижно так, чтобы пользователь мог установить ее в удобное для себя положение. При превышении порогового значения отклонения штурвала от себя может быть предусмотрена блокировка клавиатуры для исключения несанкционированного нажатия на клавиши. Клавиатура 14 может быть закреплена непосредственно на штурвальном колесе 6 (фиг.4), или на колонке штурвала 1 (фиг.5). Возможно размещение части клавиатуры на штурвальной колонке, а другой части клавиатуры - на штурвальном колесе (баранке штурвала). Любая из предложенных компоновок не исключает возможности использования клавиатуры при отклонениях штурвала от нейтрального положения.
Вместо обычной клавиатуры может быть использован сенсорный экран, а вместо или вместе с клавиатурой (сенсорным экраном) таким же образом могут быть размещены сигнальные табло, лампы-кнопки, тумблеры, сигнальные лампы, ручки (рукоятки) и другие средства и устройства управления (автопилотом, стеклоочистителями, триммерами, фарами, противообледенительной системой и т.д.). Может быть использован также упомянутый выше пульт управления "PORTABLE CONTROLLER FOR AN AIRCRAFT" (US 6264146 опубликованный 24.07.2001 г.).