СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНЫМИ ЛЕТНЫМИ ФУНКЦИЯМИ САМОЛЕТА

Полезная модель относится к области авиации, а именно к системам управления основными летными функциями самолетов с помощью электромеханических приводов.
Известна система электропривода рулевых поверхностей управления полетом (патент US №7007897 от 27.01.2004), состоящая: из подсоединенных к рулевым поверхностям, по меньшей мере, из двух электроприводов: электромеханического привода и электропневматического привода, предназначенного для создания силы, дополнительно действующей на рулевые поверхности при превышении заданного значения силы, создаваемой в процессе управления электромеханическими приводами и действующей на рулевую поверхность. Рулевой поверхностью, к которой подсоединяются электромеханические и электропневматические приводы, может быть любая рулевая поверхность, используемая для управления полетом самолета: элерон, руль направления, рули высоты, спойлеры - тормозные щитки и интерцепторы; а также аэродинамические поверхности, используемые при взлете и посадке - предкрылки и закрылки. Система управления рулевыми поверхностями имеет контроллер управления электромеханическими приводами рулевых поверхностей, получающий сигналы управления и передающий их для управления электромеханическим приводом. Система управления рулевыми поверхностями имеет датчик положения у каждой из рулевых поверхностей, подсоединенный к контроллеру и передающий сигналы о положении рулевой поверхности; датчик положения действующего на рулевую поверхность элемента электромеханического привода, передающий сигналы к контроллеру; бортовой компьютер, генерирующий сигналы управления полетом или удаленная система управления полетом самолета.
Недостаток данной системы в том, что она содержит пневматическую систему с пневмодвигателями, клапанами с электроуправлением и один или множество компрессоров, что усложняет и утяжеляет систему управления полетом самолета и, соответственно, увеличивает массу самолета.
Известна система электроприводов рулевых поверхностей управления полетом (патент US №8033509 от 27.02.2007), состоящая из подсоединенных к рулевым поверхностям, по меньшей мере, двух электроприводов: электромеханического и электрогидравлического, из которых основным приводом, создающим силу, действующую на рулевую поверхность в процессе управления, является электрогидравлический привод, а сила, создаваемая электромеханическим приводом, может быть дополнительной и действующей после определения уровня силы, действующей на рулевую поверхность от электрогидравлического привода. Также может быть использован режим совместного действия сил от электромеханического привода и электрогидравлического привода.
Недостаток данной системы - в том, что в ней используются разнородные приводы, из которых подсистема с электрогидравлическими приводами является более массивной, чем подсистема с электромеханическими приводами.
Известна система электропривода рулевых поверхностей управления полетом (патент US №7549605 от 29.07.2005), в которой силы, действующие на каждую рулевую поверхность, создают, по меньшей мере, два электромеханических привода вращательного движения (патент US №6739550 от 08.10.2002).
В электромеханическом приводе рулевых поверхностей используется электромеханический привод с поступательно движущимся элементом шарико-винтовой передачи, преобразующей вращательное движение ротора электродвигателя в поступательное (патент US №7764035 от 14.02.2008).
Известна система управления подвижными поверхностями летательного аппарата, содержащая, по меньшей мере, два электромеханических привода (патент RU №2531998 от 18.10.2011), которые могут быть как электромеханическими приводами вращательного движения, так и электромеханическими приводами с винтовым или другим преобразователем вращательного движения вала электродвигателя в поступательное движение элемента, создающего силу, действующую на рулевые поверхности летательного аппарата. Система управления электромеханическими приводами включает блок управления каждым электромеханическим приводом и центральный блок управления системой электромеханических приводов рулевых поверхностей, датчики положения элементов электромеханических приводов, действующих на рулевые поверхности, и датчики положения рулевых поверхностей, соединенные как с блоками управления электромеханических приводов, так и с центральным блоком управления.
-1
Такие системы с электромеханическими приводами могут быть массивными и иметь большие габариты, если в них используются электродвигатели с пониженной частотой вращения ротора, например, меньшей 6000 мин.
-1
-1
Известны электромеханические приводы аэродинамических поверхностей самолета (патенты RU №108238 от 09.06.2010, RU №108239 от 09.06.2010, RU №2442721 от 09.06.2010, RU №2515014 от 25.07.2012, RU №2522635 от 25.07.2012, RU №2522638 от 25.07.2012, RU №2522646 от 25.07.2012), включающие электрический двигатель с номинальной частотой вращения ротора, выбираемой из диапазона от 3000 мин до 25000 мин с датчиком углового положения ротора и присоединенный к нему волновой редуктор с телами вращения с количеством ступеней от 1 до 3 с датчиком углового положения выходного вала, характеризуемые передаточным отношением, выбираемым из интервала от 500 до 2500. Электромеханический линейный привод (патент RU №2522646) включает шарико-винтовой преобразователь вращательного движения выходного вала в поступательное движение выходного звена, соединенного с управляемой рулевой поверхностью.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, - снижение габаритов и массы электромеханических приводов системы управления основными летными функциями самолета.
-1
Техническая задача решена в системе управления основными летными функциями самолета, содержащей: рулевые поверхности, служащие для управления летными функциями курса, и расположенные слева и справа от фюзеляжа рулевые поверхности, служащие для управления летными функциями тангажа и крена, а также поверхности аэродинамического торможения (тормозные щитки и интерцепторы); по меньшей мере, два следящих электромеханических привода, соединенных с каждой рулевой поверхностью, выходные звенья каждого из которых совершают вращательное движение или линейное перемещение; блоки управления следящими электромеханическими приводами рулевых поверхностей, выполняющих управление летными функциями курса, тангажа и крена и поверхностями аэродинамического торможения; блоки управления электродвигателями следящих электромеханических приводов, соединенные интерфейсными шинами с блоками управления следящими электромеханическими приводами рулевых поверхностей и поверхностей аэродинамического торможения; по меньшей мере, один центральный блок управления (компьютер, контроллер) каждой рулевой поверхностью каждой из функций курса, тангажа и крена и поверхностями аэродинамического торможения, соединенный интерфейсными шинами с блоками управления следящими электромеханическими приводами, по меньшей мере, с одним бортовым компьютером; датчики углового положения каждого выходного вала следящего электромеханического привода, соединенные интерфейсными шинами с блоками управления следящими электромеханическими приводами; датчики углового положения и скорости каждой рулевой поверхности каждой из функций курса, тангажа и крена и каждой поверхности аэродинамического торможения, соединенные интерфейсной шиной с блоками управления следящими электромеханическими приводами рулевых поверхностей, при этом каждый электродвигатель следящих электромеханических приводов рулевых поверхностей каждой из функций курса, тангажа и крена и поверхностей аэродинамического торможения является бесколлекторным вентильным электродвигателем постоянного тока с постоянными магнитами, имеющим частоту вращения вала ротора, выбираемую из интервала 6000…60000 мин, и соединенный с валом ротора волновой редуктор с телами вращения с передаточным отношением, выбираемым из диапазона 500…4000.
-1
Для снижения момента инерции вращающихся деталей электромеханических приводов и снижения времени реакции на управляющие воздействия бесколлекторный вентильный электродвигатель постоянного тока с постоянными магнитами имеет частоту вращения, выбираемую из интервала 26000…60000 мин, а соединенный с валом ротора волновой редуктор с телами вращения с передаточным отношением, выбираемым из диапазона 1000…4000.
Для повышения унификации электромеханических приводов и упрощения системы управления несколько следящих электромеханических приводов рулевых поверхностей, выполняющих управление летными функциями курса, тангажа и крена, являются идентичными.
Для привода протяженных рулевых поверхностей силовые следящие электромеханические приводы рулевых поверхностей, служащих для управления, по меньшей мере, одной из летных функций курса, тангажа и крена, являются следящими электромеханическими приводами вращательного движения.
Для привода поверхностей аэродинамического торможения следящие электромеханические приводы рулевых поверхностей, служащих для управления, по меньшей мере, одной из летных функций курса, тангажа и крена, являются силовыми следящими электромеханическими приводами линейного перемещения.
-1
Технический эффект - снижение габаритов и массы электромеханических приводов системы управления основными летными функциями самолета - достигается за счет совокупности отличительных признаков полезной модели: каждый электродвигатель следящих электромеханических приводов рулевых поверхностей каждой из функций курса, тангажа и крена и поверхностей аэродинамического торможения является бесколлекторным вентильным электродвигателем постоянного тока с постоянными магнитами, имеющим частоту вращения вала ротора, выбираемую из интервала 6000…60000 мин, и соединенный с валом ротора волновой редуктор с телами вращения с передаточным отношением, выбираемым из диапазона 500…4000.
-1
Для дополнительного снижения габаритов и массы электромеханических приводов вал ротора бесколлекторного вентильного электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами имеет частоту вращения, выбираемую из интервала 26000…60000 мин, а соединенный с валом ротора волновой редуктор с телами вращения с передаточным отношением, выбираемым из диапазона 1000…4000.
Данная совокупность отличительных признаков не обнаружена в ходе патентно-информационного исследования, следовательно, полезная модель отвечает критерию "новизна".
На фиг. 1 показан общий вид самолета с рулевыми поверхностями и поверхностями аэродинамического торможения.
На фиг. 2 - вид самолета с рулевыми поверхностями спереди.
На фиг. 3 - два электромеханических привода вращательного движения для рулевых поверхностей и поверхностей аэродинамического торможения.
На фиг. 4 - вид А на фиг. 3.
На фиг. 5 - электромеханический привод вращательного движения с кривошипно-шатунным механизмом и рычагом для поворота поверхности аэродинамического торможения.
На фиг. 6 - электромеханический привод для рулевых поверхностей и поверхностей аэродинамического торможения с бесколлекторным вентильным электродвигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и с трехступенчатым волновым редуктором с телами вращения.
На фиг. 7 - линейный электромеханический привод рулевой поверхности или поверхности аэродинамического торможения.
На фиг. 8 - конструкция линейного электромеханического привода с двухступенчатым волновым редуктором с телами вращения и с шарико-винтовым механизмом преобразования вращательного движения в поступательное для рулевой поверхности.
На фиг. 9 - система управления расположенными справа от продольной оси самолета электромеханическими приводами рулевых поверхностей и поверхностями аэродинамического торможения.
Система управления основными летными функциями самолета (фиг. 1-9) содержит: рулевую поверхность 1 (руль 1 направления) (фиг. 1, 2), служащую для управления летной функцией курса, и расположенные слева и справа от продольной оси 2, проходящей через центр тяжести самолета, рулевые поверхности 3 (рули 3 высоты), служащие для управления летной функцией тангажа, и рулевые поверхности 4 (элероны 4), расположенные в оконечностях крыла 5, служащие для управления летной функцией крена, а также поверхности аэродинамического торможения (тормозные щитки 6 и интерцепторы 7).
а
Каждая рулевая поверхность 1, 3, 4 имеет, по меньшей мере, два следящих электромеханических привода 8 (фиг. 3-6) вращательного движения или два следящих электромеханических привода 8b (фиг. 7, 8) линейного перемещения, номинальная мощность которых зависит от площади приводимой ими рулевой поверхности и максимальной скорости ее поворота ["Определение предельных динамических характеристик рулевого привода на основе предельных режимов полета самолета. Т.Б. Близнова, Ю.Г. Оболенский, В.А. Полковников, Электронный журнал "Труды МАИ", вып. №61. www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35650]:
н
max
где N - номинальная мощность; М - шарнирный момент поворота рулевой поверхности; ω - максимальная угловая скорость поворота рулевой поверхности; S - площадь рулевой поверхности; υ - максимальная скорость полета.
а
а
а
Поверхности аэродинамического торможения - тормозные щитки 6 (фиг. 1, 7) и интерцепторы 7 (фиг. 1, 5), закрепленные на неподвижном элементе 9 (фиг. 3-8) силового набора оперения, приводятся в движение, по меньшей мере, двумя электромеханическими приводами 8 вращательного движения через присоединенные к выходным валам 10 рычаги 11 и шатуны 12 (фиг. 5) и закрепленные на рулевых поверхностях 1, 3, 4 и поверхностях аэродинамического торможения 6 и 7 рычаги 13, или электромеханическими приводами 8b линейного перемещения через присоединенные к выходным звеньям 10b рычаги 13 (фиг. 7), но для повышения надежности путем резервирования могут приводиться и двумя электромеханическими приводами 8 или 8b через муфты 14 (фиг. 3, 6).
а
а
а
-1
Для уменьшения габаритов и массы электромеханических приводов 8 (фиг. 3-6) или 8b (фиг. 7, 8), а также для уменьшения массы неподвижных элементов 9 (фиг. 3-8) силового набора оперения, к которым присоединены рулевые поверхности, каждый электродвигатель 15 (фиг. 3-8) следящего электромеханического привода 8 (8b) каждой рулевой поверхности 1, 3, 4 является бесколлекторным вентильным электродвигателем постоянного тока с постоянными магнитами с частотой вращения ротора 16 электродвигателя 15, выбираемой из интервала 6000…60000 мин, а следящий электромеханический привод 8 (8b) имеет соединенный с валом ротора 16 волновой многоступенчатый редуктор 17 с телами вращения 18 с передаточным отношением, выбираемым из интервала 500…4000.
-1
-1
-1
а
При частоте вращения, меньшей 6000 мин, электромеханический привод 8 (8b) имеет низкий уровень удельной мощности электродвигателя 15, меньший 0,45 кВт/кг; прирост удельной мощности с увеличением частоты вращения ротора 16 электродвигателя 15 уменьшается, и при частоте вращения более 60000 мин прирост удельной мощности становится небольшим, поэтому увеличение частоты вращения более 60000 мин дает несущественный прирост удельной мощности и становится нецелесообразным.
Волновые редукторы 17 (фиг. 6, 8) с телами вращения 18 также имеют минимальные габариты, особенно в сравнении с наиболее применяемыми зубчатыми многоступенчатыми редукторами, а также, в сравнении с другими типами редукторов, позволяют иметь высокое передаточное отношение, обеспечивающее уменьшение угловой скорости поворота рулевой поверхности 1, 3, 4 в 500…4000 раз в сравнении с угловой скоростью вращения ротора 16 электродвигателя 15. Такой диапазон передаточных отношений редуктора необходим в связи с небольшой угловой скоростью поворота каждой из рулевых поверхностей и поверхностей аэродинамического торможения.
а
a
-1
При использовании в электромеханических приводах 8 и 8b электродвигателей 15 с частотой вращения ротора 16 более 26000 мин и двухступенчатого волнового редуктора 17 (фиг. 8) или трехступенчатого волнового редуктора 17 (фиг. 6) с телами вращения 18 с передаточным отношением 1000…4000 для двухступенчатого и трехступенчатого редукторов 17 соответственно, можно для привода рулевых поверхностей при повышении надежности увеличивать число электромеханических приводов 8 и 8b при меньшем увеличении их суммарной массы в сравнении с электромеханическими приводами, имеющими меньшую частоту вращения ротора электродвигателя.
а
а
В каркасе силового набора оперения, например крыла 5, можно размещать несколько электромеханических приводов 8 и 8b для привода каждой рулевой поверхности, и, соответственно, повышать надежность управления основными функциями курса, тангажа, крена и аэродинамического торможения, не прибегая, наряду с электромеханическими приводами 8 и 8b, к электрогидравлическим приводам (не показаны) и электропневматическим приводам (не показаны), как это предлагается в известных изобретениях фирм Airbus, Honeywell, Boeing и используется в самолетах.
а
а
Следящие электромеханические приводы 8 и 8b, выполняющие управление рулевыми поверхностями 1, 3, 4 и поверхностями 6, 7 аэродинамического торможения, имеющими равные площади, могут быть идентичными как по номинальной мощности, так и по конструкции, что позволяет повысить уровень унификации электромеханических приводов 8 и 8b и снизить их себестоимость.
а
а
В зависимости от заданного угла поворота рулевой поверхности выходной вал 10 электромеханического привода 8 совершает вращательное движение (фиг. 3-6), а выходное звено 10b электромеханического привода 8b совершает линейное перемещение (фиг. 7, 8), получаемое путем преобразования вращательного движения вала ротора 16 электродвигателя 15 в поступательное через кривошипно-шатунный механизм 19 (фиг. 5) или через шарико-винтовую передачу 20 (фиг. 8).
а
а
Каждая поверхность 6 (6.1, 6.2, 6.3) (фиг. 1) аэродинамического торможения также может иметь, по меньшей мере, один следящий электромеханический привод 8 (фиг. 3-6), выходной вал 10 которого совершает вращательное движение, или электромеханический привод 8b (фиг. 7, 8), выходное звено 10b которого совершает линейное перемещение.
а
Управление электромеханическими приводами 8 и 8b рулевых поверхностей для функций курса, тангажа или крена осуществляется через систему управления (фиг. 9), имеющую:
а
- блоки управления 21 следящими электромеханическими приводами 8 и 8b рулевых поверхностей 1, 3 или 4, выполняющих управление летными функциями курса (1), тангажа (3) и крена (4) и поверхностями 6, 7 аэродинамического торможения;
а
а
- блоки управления 22 электродвигателями 15 следящих электромеханических приводов 8 и 8b, соединенные интерфейсными шинами 23 с блоками управления 21 следящими электромеханическими приводами 8 и 8b рулевых поверхностей 1, 3, 4 и поверхностей 6, 7 аэродинамического торможения;
а
- по меньшей мере, один центральный блок управления 24 рулевыми поверхностями 1, 3 или 4 каждой из функций соответственно курса, тангажа и крена и поверхностями 6, 7 аэродинамического торможения, соединенный интерфейсной шиной 23 с блоками управления 21 и 22 следящими электромеханическими приводами 8 и 8b и интерфейсной шиной 25 с бортовым компьютером 26;
а
а
а
- датчики 27 углового положения выходного вала 10 и выходного звена 10b соответственно каждого следящего электромеханического привода 8 или 8b, соединенные интерфейсными шинами 28 с блоками управления 21, 22 следящими электромеханическими приводами 8 и 8b;
а
- датчики 29 положения каждой рулевой поверхности 1, 3, 4 и поверхностей 6, 7 аэродинамического торможения, соединенные интерфейсными шинами 30 с блоками управления 21, 22, следящими электромеханическими приводами 8 и 8b рулевых поверхностей.
а
Работа электромеханического привода системы рулевых поверхностей 1, 3, 4 и поверхностей 6 и 7 аэродинамического торможения со следящими электромеханическими приводами 8 или 8b описанных конструкций (фиг. 1-8) по управлению основными функциями курса, тангажа и крена при полете самолета включает следующие действия:
а
а
- пуск электромеханических приводов 8 и 8b, обеспечивающий начало вращения одной или нескольких рулевых поверхностей 1, 3, 4 и при необходимости поверхностей 6, 7 аэродинамического торможения по сигналам, подаваемым центральным блоком 24 управления (фиг. 9) в блоки управления 21, 22, следящих электроприводов 8 и 8b в соответствии с законами управления и алгоритмами, заложенными в программы управления;
а
а
а
а
- разгон рулевых поверхностей с необходимым ускорением до установившейся скорости движения по программе, задаваемой центральным блоком 24 управления и выдаваемыми датчиками 27, 29 сигналам, преобразуемым в блоках 21, 22 управления следящих электроприводов 8, 8b; изменение скорости вращения рулевых поверхностей при отслеживании углового положения выходного вала 10 и выходного звена 10b соответственно электромеханических приводов 8 и 8b и углового положения рулевых поверхностей по сигналам, поступающим от центрального блока 24 управления и преобразуемым в блоках 21, 22 управления следящих электроприводов 8, 8b;
а
а
а
а
а
- изменение направления вращения роторов 16 электродвигателей 15, выходного вала 10 и выходного звена 10b, рулевых поверхностей 1, 3, 4 и поверхностей 6, 7 аэродинамического торможения по сигналам, поступающим от центрального блока 24 управления и преобразуемым в блоках 21, 22 управления следящих электромеханических приводов 8, 8b; разгон электромеханического привода 8 или 8b с заданным ускорением до установившейся скорости движения одной или нескольких рулевых поверхностей 1, 3, 4 при выполнении функций соответственно курса, тангажа и крена, и поверхностей 6, 7 аэродинамического торможения осуществляется путем регулирования частоты синхронного вращения вала 10 и звена 10b электроприводов соответственно 8 и 8b.
а
а
При отказе или выходе из строя, по меньшей мере, одного из электромеханических приводов 8 или 8b, он выводится из зацепления, например, пиропатроном 31 (фиг. 3, 4, 6) [патент RU №2522638], по команде, подаваемой от центрального блока 24 управления на блок 21 или 22 управления, после чего все следящие электромеханические приводы 8, 8b могут продолжать работу при уменьшении суммарной мощности электромеханических приводов.