СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫМИ РУЛЕВЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ САМОЛЕТА
SYSTEM FOR CONTROL OVER AIRCRAFT AIRFOIL VITALS

Изобретение относится к средствам управления самолетом по каналам тангажа, крена и курса, обеспечивающих связи между органами управления двух летчиков и жизненно важными рулевыми поверхностями.
Изобретение может быть использовано в самолетах большой и малой авиации.
Известны каналы управления самолета, представляющие собой систему механических элементов (стержней, тросов, качалок и т.п.), передающих усилия и перемещения от рычагов управления к рулям управления. По виду возникающих в проводке управления напряжений различаются: жесткая проводка, работающая на растяжение и сжатие (пуш-пульные тяги), гибкая (мягкая) проводка, работающая только на растяжение; вращательная проводка, работающая только на кручение, и смешанная проводка, включающая элементы различных типов.
Жесткая проводка управления в основном состоит из труб, которые шарнирно подвешены на рычагах-качалках. Тяги могут быть с изменяемой или фиксированной длиной. У тяг с изменяемой длиной один или оба наконечника сделаны регулируемыми. Для повышения надежности жесткую проводку управления иногда дублируют в виде разнесенных по разным бортам ветвей.
Гибкая проводка управления состоит из прямой и возвратной ветвей. В ней обычно используются гибкие нераскручивающиеся тросы, или металлические ленты и проволока. Для изменения направления тросовой проводки управления служат устанавливаемые на кронштейнах ролики с ограничителями, предотвращающими сход тросов с роликов. Постоянство натяжения тросовой проводке управления при температурных изменениях окружающей среды обеспечивается регуляторами натяжения.
Во вращательной проводке управления возвратно-поступательные движения рычагов управления преобразуются в реверсивное вращательное движение тяг-валов, а оно, также с помощью преобразователей, обеспечивает соответствующее отклонение рулей управления. [1]
Достоинством механических каналов управления является надежность и простота эксплуатации. Недостатком таких каналов управления является невозможность создания больших усилий на рулевых поверхностях, что особенно важно для больших самолетов дальней авиации.
Этот недостаток устранен в каналах управления, содержащих усилители моментов (или усилий). Например, за счет использования гидравлических рулевых приводов с механическим управлением гидрораспределителями (золотниками), как это сделано на самолете Ту-154. Механическая проводка дополнительно содержит специальные механические загружатели для обеспечения летчиков тактильной информацией. Недостатком таких каналов управления является большая масса механических каналов управления и сложность согласования одновременного действия гидроприводов с механическим управлением и от автопилота.
Стремление к уменьшению массы обусловило переход на дистанционное управление с электрическими каналами связи, особенно при использовании бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ). Отказ от чисто механической проводки управления и необходимость перехода к электродистанционной системе управления обусловлены внедрением автоматики в контур ручного (штурвального) управления самолета. Автоматизация штурвального управления позволяет обеспечить не только оптимальные характеристики управляемости и устойчивости самолета, но и заметно улучшить их летно-технические характеристики.
Электродистанционная система управления обеспечивает высокие требования по их надежности, которые достигаются резервированием основных подканалов и элементов электродистанционной системы управления. На практике используется двух-, трех- или четырехкратное резервирование, и устанавливается специальная система встроенного контроля, которая в процессе всего полета сравнивает сигналы всех подканалов электродистанционной системы управления и выдает команду на отключение неисправного.
Как утверждает И.С. Шумилов в статье «Возможные пути снижения массы системы управления самолета» (Журнал наука и образование №2, 2013), такой переход позволил уменьшить массу каналов управления на 80%. Однако переход на только электрические каналы связи уменьшает надежность и создает опасность возникновения катастрофических ситуаций. Полный выход из строя электрической системы энергопитания или блоков штатной электронной системы, например, вследствие удара молнии или при воздействии других факторов, приводит к потере управления полетом. Как отозвался о таких системах летчик испытатель А. Кнышев, «если сбой по электричеству - все, молись, и не дай бог, попадет молния, как недавно над Атлантикой, … самолет падает» (см А. Кнышев Разбор полетов - беседа с летчиком испытателем //Московский комсомолец №517776, 2010// http//www.mk.ru//2010).
Для устранения такого недостатка на самолетах А320-А340, Ил86, Ил96, Ту204 управление по курсу используется трехканальное резервирование гидравлических рулевых приводов. Один канал обеспечивает связь от органа управления летчика к гидроусилителю с помощью механической проводки. Два других с электрическими каналами связи от датчиков органа управления до БЦВМ и от БЦВМ до гидроусилителя. Достоинством этой схемы является ее большая надежность за счет разнородных каналов управления.
Недостатком таких схемных решений является наличие в каналах управления гидроусилителей с гидродвигателями, для которых на всех режимах работы необходимо гидропитание; сложность и большая масса существующих механических проводок, наличие специальных механизмов загрузки в механических каналах управления; механические и электрические каналы управления связаны с разными приводами, что также увеличивает массу.
Прототипом изобретения является конструкция, описанная в американском патенте US 5456428 В64С 13/12 от 10.10.1995 г., в которой организована механическая проводка между боковыми ручками управления, чтобы дать пилотам возможность синхронно управлять самолетом и тактильно (осязательно) корректировать действия напарника, т.е. реализовано интуитивно-понятное пересиливание. Однако реализация конструкции предполагает наличие сложной и громоздкой кинематики для каждого канала управления, в частности для канала тангажа предлагается использование тяг и качалок, а для канала крена тросовая проводка. Для обеспечения синхронной работы ручек в автоматическом режиме предусмотрены в качестве исполнительных элементов безредукторные схемы с электромоторами, которые встроены в соответствующие оси рукояток каждой БРУ. Данная конструкция позволяет связать две БРУ как механически, так и электрически, но связь с рулевыми поверхностями осуществляется только с помощью электродистанционной системы управления (ЭДСУ).
Целью изобретения является повышение надежности и безопасности полета в аварийных ситуациях, используя разнородные каналы управления: дистанционное электропроводное и ручное механическое, упрощение механической проводки и сокращение массы.
Поставленная цель достигается тем, что в системе управления жизненно важными рулевыми поверхностями самолета, состоящей из каналов дистанционного управления от бортовой цифровой вычислительной машины и задающего и парного органов управления двух пилотов: по каналу курса - педалей, по каналам тангажа и крена - боковых ручек управления, при этом каждый канал органов управления содержит датчики положения, датчики момента и электродвигатель, имеющие электропроводную связь с бортовой цифровой вычислительной машиной, согласно заявляемому изобретению каждый канал системы управления имеет механическую связь с усилителем момента соответствующей приводной системы жизненно важной рулевой поверхности, а именно: по каналу курса связан с приводной системой рулей направления, по каналу крена - с приводной системой элеронов, по каналу тангажа - с приводной системой рулей высоты, кроме того, в каналах дистанционного управления введены согласующие усилители, имеющие характеристики и подключенные таким образом, что они обеспечивают движение парного органа управления пилота и соответствующей рулевой поверхности в направлении поворота задающего органа управления, а на сам задающий орган передают противоположный момент, создавая тактильное усилие, в качестве усилителей моментов приводных систем жизненно важных рулевых поверхностей использован электрический двигатель с редуктором, при этом редуктор выполнен с двумя входами, один из которых соединен с валом двигателя, а второй - с выходным валом механической связи, которая выполнена в виде набора отдельных отрезков валов, размещенных в трубах на подшипниках, и участков с гибким валом так, что каждый канал механической связи включает элемент стыковки с выходом усилителя момента соответствующего органа управления, блок муфт сцепления валов при переходе на ручное управление и дифференциальные механизмы: в канале курса - механический сумматор, в каналах тангажа и крена - последовательно соединенные механический сумматор и дифференциальный мультипликатор, а также выходной элемент стыковки с редуктором приводной системы рулевой поверхности непосредственно или через дополнительный редуктор, при этом редукторы (мультипликаторы) выполнены на основе механических передач с высоким прямым и обратным КПД, например волновых передач с телами качения.
Цели достигаются за счет оснащения каналов органов управления электромоторами с редукторами, которые обеспечат требуемые усилия для реализации тактильной связи между летчиками, и выполнения механической проводки: системы валов и механических передач. Механическая проводка выполнена в виде набора участков из вращающихся валов, размещенных в трубе на подшипниках качения или скольжения с участками гибкого вала. Участки гибкого вала упрощают компоновку и прокладку механической проводки. Для обеспечения требуемых моментов и усилий в качестве усилителей моментов применяются согласующие редукторы и мультипликаторы. Дифференциал предназначен для суммирования скоростей вращения валов от двух БРУ и дальнейшей передачи его на согласующий редуктор для управления рулевой поверхностью. Блок муфт сцепления предназначен для того, чтобы присоединять валы механической проводки в аварийном режиме, так как передаточные числа, а следовательно и углы отклонения рулевых поверхностей различны для рабочего и аварийного режимов.
На фиг. 1 показана функциональная схема управления рулевыми поверхностями в штатном режиме, на фиг. 2 показана схема управления рулевыми поверхностями в аварийных ситуациях, на фиг. 3 показаны участки гибкого вала механической проводки.
Каналы управления жизненно важных рулевых поверхностей состоят из органов управления: двух боковых ручек (1) для управления самолетом по каналам тангажа и крена и двух пар педалей (2) для управления по каналу курса. На оси каждой боковой ручки управления расположены: электродвигатель (3), редуктор-мультипликатор (4), имеющий два механических входа, один из которых предназначен для соединения с валом электродвигателя (3), а второй для присоединения механической проводки управления, датчик положения (5), датчик усилия (6). Аналогично, на осях педалей (2) расположены электродвигатель (7), редуктор-мультипликатор (8), датчик положения (9), датчик усилия (10). В каждом канале каждого органа управления имеются согласующие усилители (11), посредством которых осуществляется управление электродвигателями (3, 7, 13). Каждая рулевая поверхность (12) соединяется с исполнительным механизмом привода, который содержит в себе электродвигатель (13), редуктор (14), имеющий два механических входа, один из которых предназначен для соединения с валом электродвигателя (13), а второй для присоединения механической проводки управления, и датчик положения рулевой поверхности (15). БЦВМ (16) является центральным элементом системы, который принимает сигналы с датчиков положения (5, 9, 15) и датчиков усилия (6, 10) и вырабатывает сигналы для управления электродвигателями (3, 7, 13) через согласующие усилители (11).
Механическая проводка системы управления включает в себя блок муфт сцепления (17), которая осуществляет соединение механической проводки для работы в ручном режиме и приводится в действие автоматически или путем ручного воздействия. Механическая проводка каждого канала соединяется с соответствующим механическим сумматором (18). Механические сумматоры (18) каналов тангажа и крена связаны с соответствующими дифференциалами-мультипликаторами (19) для передачи управляющего воздействия на согласующие редукторы (20), которые связаны с соответствующими редукторами (14) рулевых поверхностей. Механический сумматор (18) канала курса непосредственно связан с соответствующим согласующим редуктором (20) руля направления. Органами управления рулевых поверхностей также могут являться и специальные механические устройства с расширенным диапазоном углов поворота выходного звена.
В качестве механических передач, используемых в редукторах (мультипликаторах), используются передачи с высоким прямым и обратным КПД, например волновые передачи с телами качения.
Конструкция механической проводки (фиг. 3) представляет собой набор соединенных между собой прямых участков, каждый из которых состоит из вала (21), размещенного на подшипниках (22), которые расположены в неподвижной трубе (23). В местах, где требуется изменение направления проводки, применяется гибкий вал (24), соединяющий прямые участки. Элементы механической проводки соединяются с помощью разъемного жесткого соединения, например муфт со штифтами (25).
Заявляемое изобретение работает следующим образом. При отсутствии сигналов с органов управления (1, 2) и БЦВМ (16) органы управления (1, 2) и рулевые поверхности (12) находятся в исходном нейтральном положении.
При повороте летчиком одного органа управления (1, 2) на тот же угол поворачивается и орган управления второго летчика и пропорционально этому углу соответствующая рулевая поверхность. При этом на поворачиваемом летчиком органе управления электродвигатель (3) этого канала развивает противодействующий момент, создающий тактильное усилие.
При наличии управляющего сигнала с БЦВМ (16) на любом из каналов соответственно поворачиваются органы управления (1, 2) у обоих летчиков и соответствующая рулевая поверхность (12).
При наличии управляющего сигнала от БЦВМ (16) и одновременном действии летчиков на органы управления (1, 2) для поворота рулевой поверхности (12) в одном и том же направлении, рулевая поверхность (12) будет отклоняться по усредненному значению сигналов с органов управления (1, 2).
При наличии управляющего сигнала от БЦВМ (16) и действии одного из летчиков на орган управления (1, 2) (При вмешательстве в автоматическое управление) или действии двух летчиков в разные направления рулевая поверхность (12) будет отклоняться по заложенным в БЦВМ (16) приоритетам.
В аварийных ситуациях при отказе дистанционной системы управления автоматически или от ручного воздействия срабатывает блок муфт сцепления (17) и управление от органов управления (1, 2) к рулевым поверхностям (12) передается по механическим связям и элементам механической проводки: редукторам-мультипликаторам (4), механическим сумматорам (18), дифференциалам-мультипликаторам (19), согласующим редукторам (20), редукторам (14) с увеличением мускульной силы летчиков за счет различных передаточных чисел мультипликаторов и редукторов.
В ручном режиме при воздействии одного летчика на органы управления (1, 2) отклоняются соответствующие рулевые поверхности (12) и по обратимым механическим связям (18) поворачиваются парные органы управления (1, 2) второго летчика.
При одновременном действии двух летчиков рулевые поверхности (12) поворачиваются на требуемый угол с усилием от соответствующих органов управления (1, 2) двух летчиков.
Таким образом, повышение надежности и безопасности полетов достигается за счет использования разнородных каналов управления полетом самолета в штатных режимах дистанционного электропроводного с использованием БЦВМ и в аварийных ситуациях, при отсутствии электропитания или отказа электроники, управления пилотами без потребления других видов энергии (электрической или гидравлической). При этом переключение каналов управления самолетом осуществляется блоком муфт сцепления (17) автоматически или вручную, а канал управления без потребления других видов энергии содержит механические сумматоры (18) для обеспечения механической связи между органами управления (1, 2), дифференциалы-мультипликаторы (19) для распределения моментов к рулевым поверхностям, и согласующие редукторы (20), для обеспечения требуемых угловых скоростей валов и на входе в редукторы (14) управления рулевыми поверхностями (12).
Управление самолетом без потребления других видов энергии обеспечивается при реализации редукторов (мультипликаторов) (4, 18, 20), на основе механических передач с высоким прямым и обратным КПД, например, на основе волновых передач с телами качения.
Источники
[1] Г.П. Свищев Авиация: Энциклопедия. - Издательство: Большая Российская Энциклопедия. 1994.
[2] Mechanically linked active sidesticks Honeywell Inc US 5456428 A B64C 13/12 1995.