ВАРИАТИВНОЕ РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ САМОЛЕТОМ (ВАРИАНТЫ)
AIRCRAFT VARIABLE MANUAL CONTROL (VERSIONS)

Изобретение относится к ручному управлению рулями высоты и направления, элеронами или элевонами самолетов малого класса и других летательных аппаратов с аэродинамическими поверхностями управления.
Известно ручное управление самолетами, см., например, пат. №2410286. Однако у разных самолетов реакция отклонения управляющего органа (ручки управления самолетом, штурвала, педалей) приводит к разному отклонению управляемых элементов (элеронов, элевонов, вертикальных и горизонтальных рулей, интерцепторов, закрылков) и к разной эффективности реакции на управляющее воздействие. И, кроме того, большие самолеты обладают инерционностью управления, то есть реакция самолета на отклонение управляющего органа несколько размытая и запаздывающая.
Задача и технический результат изобретения - получение характеристик управления данным самолетом, субъективно аналогичных характеристикам управления другого самолета. Это особенно важно для учебных самолетов - на легком одномоторном самолете можно имитировать поведение в воздухе самолета другой модели и другого размера. Можно также подстраивать «резкость» управления под вкусы и привычки конкретного летчика. То есть такое управление «вариативное» - допускает настройку на различные варианты «резкости» и «плавности» управления.
В первых двух вариантах использовано известное в авиации крепление ручки управления самолетом с помощью двух шарниров, но с последующим разделением качания ручки на два рычага - по тангажу и по крену.
ВАРИАНТ 1. Для этого механизм управления, кроме управляющих органов, управляемых элементов и кинематики между ними, состоит из продольно закрепленного вала (здесь и далее - все направления даны относительно прямого горизонтального полета самолета) с поперечной горизонтальной вилкой и консольным перпендикулярным рычагом; в вилке закреплен Г-образный рычаг с ручкой управления на вертикальном конце и с продольным горизонтальным рычагом с шаровым шарниром на другом конце, который соединен тягой с двумя шаровыми шарнирами с вертикально качающимся рычагом, причем на этом рычаге и на консольном рычаге имеются отверстия для присоединения тяг управления креном и тангажом (см. фиг.1).
Причем консольный рычаг может быть расположен с той же стороны, что и вилка, а может быть - с другой стороны. Особенно, если этот другой конец расположен как раз в районе центроплана, что облегчает передачу управления тросам элеронов.
Тяги могут присоединяться к консольному и вертикально качающемуся (то есть - расположенному горизонтально) рычагам непосредственно к отверстиям. Или же на рычагах с помощью тех же отверстий могут крепиться дугообразные ложементы для укладки тросовых тяг. Причем сменные ложементы могут быть разного радиуса (для получения разной «резкости» управления).
Указанные направления могут быть изменены на 90 градусов (для поперечного спаренного управления), но указанное расположение рычагов удобнее для продольно спаренного управления учебным самолетом - на втором конце вала может иметься вторая ручка управления, которая соединена с первой параллелограммным механизмом.
Вертикально качающийся рычаг может быть одноплечим или двуплечим, как на фиг.1. А отверстия на нем могут быть расположены в один или в два ряда.
ВАРИАНТ 2. Этот вариант несколько отличается конструктивно - вместо продольного вала он имеет продольно закрепленную крестовину с консольным вертикальным рычагом (можно использовать доработанную автомобильную), на поперечных штырях которой закреплена вилка с ручкой управления и с рычагом, имеющим шаровой шарнир на конце, который соединен тягой с двумя шаровыми шарнирами с вертикально качающимся рычагом, причем на этом рычаге и на консольном рычаге имеются отверстия для присоединения тяг управления креном и тангажом (см. фиг.2).
На фиг.1, 2 показаны в диметрии 1-й и 2-й варианты управления, где: 1 - продольный вал, 2 - поперечная вилка на нем, 3 - консольный рычаг на нем (пунктиром показан рычаг на другом конце вала), 4 - Г-образный рычаг с ручкой управления 5 и с продольным горизонтальным рычагом 6, шаровой шарнир на котором расположен на продолжении оси продольного вала (ось «y»). Далее показаны: 7 - тяга с шаровыми шарнирами, 8 - вертикально качающийся двуплечий рычаг (вместо него может быть одноплечий или Г-образный).
На фиг.2 показана продольно закрепленная (крепление условно не показано) по оси «у» крестовина 9 с вертикальным консольным рычагом 3, на штырях крестовины по оси «x» поперечно закреплена вилка 10 с ручкой управления 5 по оси «z» и с рычагом 11 (аналог рычага 6 на фиг.1) на продолжении оси «у». Далее кинематика не показана, но аналогична фиг.1 с тягой 7 и вертикально качающимся рычагом 8.
Работают варианты 1, 2 так: переставляя тяги в рядах отверстий на рычагах 3 и 8, получают разное передаточное отношение между ручкой управления и элеронами и вертикальными рулями. После чего управление работает как обычное.
ВАРИАНТ 3. Однако взлетная и посадочная скорости самолета в 3-4 раза меньше максимальной. Поэтому на больших скоростях полета отклонение руля или элерона на тот же угол, что и на малых скоростях, приводит к увеличению усилия на элементе управления в 9-16 раз (пропорционально квадрату скорости). Это означает, что на малых скоростях летчику приходится делать размашистые, амплитудные движения штурвалом, рычагом управления или педалями (далее «орган управления»), а на максимальной скорости даже небольшое отклонение органа управления вызывает резкую реакцию самолета.
Задача и технический результат этого варианта изобретения - адекватная реакция самолета на одинаковое управляющее движение летчика во всем диапазоне летных скоростей.
Для этого управляющий орган соединен с управляемым элементом через одну или две пружины, расположенные у органа управления, или у управляемого элемента, или на элементах соединяющей их кинематики. Причем, если применены две пружины, то они при нейтральном положении органа управления должны находиться в положении половины рабочего хода (сжатия или растяжения), чтобы не провисали тросы управления.
Одна пружина в этом устройстве должна работать и на сжатие, и на растяжение. Поэтому устройство получится надежнее, если использовать две пружины, причем работающие на сжатие. Поломка пружины в этом случае не приведет к отказу управления, как было бы в случае пружин растяжения, и может даже остаться незамеченной летчиком - в месте поломки сломанный виток упрется в следующий, и пружина будет продолжать работать, хотя и с несколько меньшим усилием. Чтобы при этом витки пружины постепенно не вкручивались друг в друга, концы пружины надо зафиксировать от поворота. Проще всего это сделать с помощью зуба на концах пружины, отогнутого параллельно оси пружины и от нее.
В такой системе управления одинаковое отклонения органа управления на разных скоростях приводит не к отклонению управляемых элементов на одинаковый угол, а к появлению примерно одинакового усилия на них (чем длиннее пружина, тем это заметнее). То есть летчик знает, что отклонение органа управления на определенный угол всегда приведет к одному и тому же маневру, что особенно важно для начинающего пилота.
То есть такое управление является адаптивным - оно адаптируется к любой скорости полета.
Но при отклонении, большем рабочего хода пружин, управление превращается в обычное - то есть последующее отклонение приводит к пропорциональному отклонению управляемого элемента. Это - режим энергичных маневров. Можно порекомендовать рабочий ход пружин выбрать 50-70% от всего рабочего хода органа управления.
Применение данной системы позволит точнее управлять самолетом на больших скоростях, что особенно важно при групповом пилотировании и при необходимости других точных маневров на максимальной или крейсерской скоростях (аэрофотосъемка, опрыскивание полей и т.п.). Точнее станет управление и на малых скоростях.
Очень важное качество такой системы управления - склонность к саморегулированию. Допустим, налетел порыв встречного ветра, то есть временно резко увеличилась воздушная скорость самолета. С обычным управлением самолет резко увеличил бы тангаж (эффект воздушных ям). А в данной системе рули высоты сами повернутся так, что усилие на них останется почти постоянным. А после окончания порыва ветра вернутся в исходное положение. То же самое, только наоборот, будет и в более опасном случае - при попутном порыве ветра, что особенно опасно на бреющем полете и при ЗГО (заднем горизонтальном оперении) из-за наличия просадки. Полного саморегулирования получить не удастся, однако, эффект воздушных ям станет менее выраженным.
В третьем варианте рычаг управления самолетом закреплен в шаровом или карданном шарнире, а на нижнем продолжении рычага имеется крестообразный в сечении консольный рычаг, на ребрах которого имеются ряды отверстий для присоединения тяг управления креном и тангажом или их пружин.
Упрощенно этот вариант показан в диметрии на фиг.3, где схематично показан карданный шарнир 12, на котором по оси «z» крепится рычаг управления с ручкой, который под карданным шарниром имеет вид консольного крестообразного рычага 3, на котором имеется четыре ряда отверстий для присоединения тяг или пружин 13.
Работает этот вариант так: качания в двух плоскостях ручками управления самолетом приводят к соответствующим отклонениям рычага 3, который не перемещает непосредственно тяги, а увеличивает или уменьшает усилия сжатия четырех пружин 13 (показаны только две пружины тяг крена). Это вызывает появление управляющих усилий на элеронах и рулях высоты. Причем эти усилия почти не зависят от скорости полета.
ВАРИАНТ 4. Он полностью аналогичен варианту 3 за исключением того, что в нем применен не рычаг управления самолетом, а штурвал. В этом варианте стойка штурвала крепится в плоском шарнире с возможностью качания в продольной плоскости, а к стойке крепится штурвал, соединенный параллелограммным механизмом с закрепленным в нижней части стойки крестообразным в сечении консольным рычагом, имеющим возможность качания в поперечной плоскости, причем на ребрах консольного рычага имеются ряды отверстий для присоединения тяг управления креном и тангажом или их пружин. То есть упомянутый консольный рычаг также имеет возможность качаться в двух плоскостях, передавая усилия на тяги крена и тангажа.
Этот вариант графически не иллюстрируется и работает аналогично варианту 3.
ВАРИАНТ 5. Этот вариант можно применять совместно с любым ручным управлением, но наиболее адекватно он будет работать с «адаптивными» вариантами 3 и 4. Необходимость его вызвана тем, что большие самолеты управляются иначе, чем малоразмерные - большие амплитуды отклонений вызывают и большие силы инерции, противодействующие силам управления. То есть они управляются «плавно» и «задумчиво». Для имитации такого поведения большого самолета на легком самолете в системах ручного управления имеются демпферы, расположенные между управляющим органом и управляемым элементом, или между управляемым элементом и пружинами в системе управления, если они есть.
Такое управление учитывает инерцию большого самолета, поэтому такое управление называется «инерциальным».
Демпферы могут быть любой конструкции. Но нежелательно применять наиболее распространенные демпферы - телескопические гидравлические, так как уплотнения в них вызывают большое трение покоя, которое отрицательно скажется на точности управления самолетом (управляемый элемент будет двигаться рывками). Наиболее приемлемы гидравлические демпферы с передачей движения вращательного типа (трение покоя здесь минимально), а еще лучше - вовсе без трущихся уплотнений, предпочитая им упругие уплотнения. Возможно применение магнитных демпферов, хотя они проигрывают по массе гидравлическим.
Такой гидравлический демпфер может иметь вид стакана, в который погружен шток с поршнем, имеющим сферическую боковую поверхность.
На фиг.4 показан такой простейший гидравлический демпфер, состоящий всего из двух деталей: стакана 14 и погруженного в него с зазором поршня 15 со скругленными боками (сферическая поверхность) и штоком. Для защиты от мусора и от выливания при отрицательных перегрузках может иметься эластичный гофрированный чехол 16. Для настройки демпфера на нужную «плавность» управления (то есть - на нужное запаздывание от 0,01 до 0,3 с) в поршне может быть отверстие или несколько отверстий, закрываемых резьбовыми пробками. Причем отверстия желательно иметь разного диаметра (разной резьбы) Правда, такой демпфер работает только в вертикальном положении, но горизонтальное перемещение всегда можно преобразовать в вертикальное с помощью двуплечего рычага 17, закрепленного на прикрепленном к цилиндру ребре 18. Демпфер крепится к фюзеляжу и работает так: перемещение штока и поршня вызывает перетекание гидрожидкости по разные стороны поршня, что вызывает замедленное перемещение элементов управления.
Данное вариативное адаптивное инерциальное управление позволяет на легком самолете обучать летчиков для управления любым самолетом - от реактивного истребителя до огромного аэробуса.