Контрольные вопросы и задания

1. Сформулируйте назначение фюзеляжа и требования к нему.

2. Как реализуются требования к фюзеляжам в их конструкциях?

3. Охарактеризуйте конструктивно-силовые схемы фюзеляжа, дайте их характеристику и определите области применения.

4. Какие нагрузки действуют на фюзеляж? Опишите работу фюзеляжа под нагрузкой.

5. Определите назначение и опишите конструкцию силовых элементов фюзеляжа.

6. В чем назначение герметических кабин? Опишите их конструкцию, способы герметизации.

Глава 13 Системы управления

13.1. Элементы системы управления самолетом

Системы управления самолетом разделяются на основные и вспомогательные. К основным принято относить системы управления рулем высоты, рулем направления и элеронами (рулями крена). Вспомогательное управление – управление двигателями, триммерами рулей, средствами механизации крыла, шасси, тормозами и т. д.

Любая из основных систем управления состоит из рычагов управления и проводки, связывающей эти рычаги с рулями. Рычаги управления отклоняются ногами и руками пилотов. С помощью штурвальной колонки или ручки управления, перемещаемых усилием руки, пилот управляет рулем высоты и элеронами. Рулем направления управляют с помощью ножных педалей. Для облегчения пилотирования и повышения безопасности полета при продолжительном полете управление большинства гражданских самолетов дублируется: делают две пары педалей, две штурвальные колонки или ручки, которые связаны между собой так, что отклонение рычага первого пилота вызывает такое же отклонение рычагов у второго пилота.

Уменьшить усилие и даже полностью снять нагрузку с рычагов управления можно с помощью аэродинамической компенсации. Для преодоления больших, превышающих физические возможности пилотов усилий на рычагах управления к системе управления подключают гидравли-ческие или электрические приводы, которые называются усилителями (бустерами). В этом случае пилот управляет усилителями, которые, в свою очередь, отклоняют рули. Система управления (СУ) самолетов, предназна-ченных для длительных полетов, снабжается автопилотом, который обеспечивает пилотирование.

Привод рулевых устройств может быть гидравлическим, электри-ческим и пневматическим.

Рулем высоты и элеронами управляют при помощи ручки управ-ления или штурвальной колонки. Ручка (рис. 13.1) представляет собой вертикальный неравноплечный рычаг с двумя степенями свободы, т. е. поворачивающийся вокруг двух взаимно перпендикулярных осей.

При движении ручки вперед и назад отклоняется руль высоты, при перемещении ручки вперед (вперед и назад), влево и вправо (поворот вокруг оси а–а) отклоняются элероны. Независимость действия руля высоты и элеронов достигается размещением шарнира на оси.

На тяжелых самолетах вследствие большой площади рулей высоты и элеронов увеличиваются нагрузки, потребные для отклонения рулей. В этом случае самолетом удобнее управлять с помощью штурвальной колонки (рис. 13.2). Подобных колонок на самолете две: одной управляет командир корабля, другой – второй пилот. Каждая колонка состоит из дюралюминиевой трубы, головки штурвала и нижнего узла опоры штурвальной колонки, в торцах которого заделаны шарикоподшипники. В нижней части колонки имеется рычаг, к которому присоединены тяги управления рулем высоты. Тяги управления элеронами соединены с качалками, установленными на кронштейнах.

НП

Рис. 13.1. Ручка управления маневренным самолетом [8]:

1 – ручка; 2 – ось-кронштейн; 3 – тяга управления рулем высоты;

4 – поддерживающая качалка; 5 – рычаг; 6 – тяга управления элеронами

Рис. 13.2. Штурвальная колонка

Для управления рулем направления предназначены педали двух типов: перемещающиеся в горизонтальной плоскости и перемещающиеся в вертикальной плоскости. Педали, перемещающиеся в горизонтальной плоскости, перемещаются по прямолинейным направляющим или на шарнирном параллелограмме, собранном из стальных тонкостенных труб. Параллелограмм обеспечивает прямолинейное перемещение педалей без их поворота, что необходимо для удобного и неутомительного положения ступни пилота. Педали, перемещающиеся в вертикальной плоскости, имеют нижнюю или верхнюю подвеску. Положение педалей можно регулировать, подгоняя под рост пилота.

Пульт ножного управления (рис. 13.3) состоит из трех щек 10, между которыми на штангах 11, соединенных с трубой 8, подвешены педали 6.

1

2

4

3

5

6

3

8

6

5

13

7

10

9

11

12

7

Рис. 13.3. Пульт ножного управления:

1, 3, 4 – тяги; 2, 8 – горизонтальные трубы; 5 – секторная качалка; 6 – педаль; 7 – рычаг; 9 – фиксатор; 10 – щеки; 11 – штанги;

12 – защелка; 13 – палец

Каждая педаль пальцем 13, проходящим внутри оси педали, связана с секторной качалкой 5. Верхняя часть секторных качалок тягами 4 и 3 соединена с рычагами горизонтальной трубы 2. На трубе 2 закреплен рычаг 7, к которому присоединена тяга 1, идущая к рулю поворота. При нажатии, например, на левую педаль (от пилота), повернется секторная качалка 5, которая через тягу 3 вызовет поворот трубы 2 против часовой стрелки. Это движение, в свою очередь, через тягу 4 вызовет поворот секторной качалки правой педали в противоположную сторону. Пальцы служат для регулировки педалей по росту пилота. Регулирование выполняется следующим образом: пилот отжимает вбок рычаг защелки 12 и тем самым выводит палец 13 из зацепления с сектором 5. Пружина (на рис. 13.3 не показана) поворачивает педаль в сторону пилота.

Проводка управления (рис. 13.4, 13.5) может быть гибкой, жесткой или смешанной.

1

2

Рис. 13.4. Соединение тросов:

1 – тандер; 2 – коуш

Гибкая проводка управления выполняется из тонких стальных тросов, диаметры которых выбираются в зависимости от действующей нагрузки и не превышают 8 мм. Так как тросы могут работать только на растяжение, то управление рулями в таком случае выполняется по двухпроводной схеме. Отдельные участки тросов соединяются тандерами. Трос к тандерам и секторам крепится коушами (рис. 13.4). Для уменьшения провисания тросов на прямолинейных участках используют текстолитовые направляющие, в местах перегиба троса устанавливают ролики с шариковыми подшипниками (рис. 13.5, а).

а

б

1

8

4

9

5

2

7

3

6

Рис. 13.5. Схема проводок управления:

а – тросовой; б – жесткой;

1 – педаль; 2 – ролик; 3 – трос; 4 – руль поворота; 5 – руль высоты;

6 – качалка; 7 – элерон; 8 – тяги; 9 – штурвал

Жесткая проводка представляет собой систему жестких тяг и качалок (рис. 13.5, б). Качалки служат промежуточными опорами, которые необходимы для деления тяг на сравнительно короткие участки (рис. 13.6). Чем короче тяга, тем меньше вероятность вибрации. Но чем больше разъемов у тяг, тем больше масса проводки.

Тяги 4 имеют трубчатое сечение, изготовляются из дюралюминия, реже из стали. Тяги между собой, а также с качалками соединяются наконечниками 5 (рис. 13.6, б) с одним или двумя ушками, в которые вмонтированы шарикоподшипники, допускающие перекос между осями тяги. Отдельные наконечники имеют резьбу для возможной регулировки длины проводки.

Достоинства жесткой проводки следующие: отсутствие вытяжки проводки при эксплуатации, что исключает возможность образования люфта; малые силы трения; высокая живучесть. Недостатки жесткой проводки по сравнению с гибкой заключаются в большей массе и потребности в значительных объемах для ее размещения.

Гибкую проводку не следует применять при передаче больших усилий, а также в тех случаях, когда от управления требуется большая точность исполнения.

Для поддержания тросов управления и изменения их направления применяют ролики 1, которые прессуют из текстолита-крошки и для уменьшения трения монтируют на шарикоподшипниках (рис. 13.6, а). Кронштейны 2 крепления роликов выполняют обычно литыми из магниевых сплавов.

а

б

1

2

4

3

5

4

Рис. 13.6. Элементы проводки:

а – типовой кронштейн с роликами: 1 – ролики; 2 – кронштейн; б – узел с ролико-

выми направляющими тяг: 3 – направляющие ролики; 4 – тяги; 5 – наконечники

На участках, где тяги совершают прямолинейные движения, устанавливают роликовые направляющие. Больше двух роликовых направляющих на одной тяге ставить нельзя, так как при деформациях самолета это приводит к заеданию проводника. Направляющие имеют фланцы крепления к фюзеляжу. В ушки направляющих, расположенных под углом 120° относительно друг друга, вмонтированы три шарикоподшипника, на наружные кольца которых напрессованы бандажные втулки. Между этими подшипниками и перемещается тяга. Управление механизацией крыла осуществляется или приводом с механической трансмиссией, или силовыми цилиндрами гидросистемы самолета. При механической трансмиссии поверхности управления перемещаются винтовыми механизмами, вращение которых от привода передается через угловые редукторы вращающимися валами. Каждая секция закрылка, интерцептора и другой отклоняющейся поверхности перемещается двумя винтовыми механизмами и силовыми цилиндрами. Приводом пилот управляет дистанционно с помощью механической (тросовой) или электрической проводки.

Расчет на прочность деталей управления. Расчет усилий в элементах основного управления рулем высоты, рулем направления и элеронами производится от расчетных разрушающих нагрузок, действующих на командные рычаги со стороны пилота и определяемых по нормам прочности. Эти силы ограничиваются следующими пределами:

– 1 270–2 350 Н для ручки, штурвальной колонки при управлении рулем высоты;

– 640–1 270 Н для ручки, штурвала при управлении элеронами;

– 1 760–2 450 Н для педалей при управлении рулем направления.

Величина сил Р^э, прикладываемых пилотом к рычагам управления в эксплуатации, определяется величиной шарнирных моментов М_ш, углами отклонения рулей _р и перемещениями рычагов управления Х_ру:

Величина _р / Х_ру определяется при заданной схеме и размерах элементов проводки управления. Величина определяется величиной рулей или элеронов, достигаемой в эксплуатации. Эта величина также задается нормами прочности. Значение Р^э не должно превышать Р^э / f.

Расчет на прочность и вибрации элементов жесткой проводки выполняется в следующей последовательности:

1. Определение нагрузки на командный рычаг по нормам прочности.

2. Определение усилия в тягах по значениям Р^р.

Сначала последовательно рассматривается равновесие командного рычага и других узлов. Например, в схеме, представленной на рис. 13.7, рассматривается равновесие ручки.

Из условия равновесия качалки В получается:

S₁с = S₂d; S₂ = S₁(с/d) = .

Рис. 13.7. Кинематика управления:

схема для определения передаточного числа

Реакции в шарнире подвески ручки А находятся как

Реакции в шарнире подвески качалки В находятся как и т. д.

Затем на величины этих реакций рассчитываются оси шарниров, проушины кронштейнов узлов подвески А, В и болты их крепления к элементам каркаса планера.

Напряжения в тяге при растяжении находится как

_i  k_В,

где k – коэффициент ослабления тяг отверстиями под болты и заклепки.

Эти же тяги проверяются на продольный изгиб при сжатии:

_кр =

Усилия в тягах определяются при различных положениях командных рычагов (например, в двух крайних и в нейтральном).

Зная силы, действующие на ручку управления или штурвальную колонку, определяются действующие в их сечениях поперечные силы Q и изгибающие моменты М, при действующих напряжениях в них

;

где W – момент сопротивления сечения ручки управления.

3. Подбор сечений или проверки прочности тяг на продольный изгиб и растяжение.

4. Расчет на прочность остальных элементов проводки (шарниров, качалок, рычагов и т. д.). Усилия в рычагах и качалках определяются по нагрузкам от примыкающих к ним тяг.

Болты шарниров подбираются по расчету на срез и смятие, а к болту по каталогу подбирается соответствующий по диаметру подшипник.

5. Проверка тяг на вибрацию. Причиной вибрации тяг являются периодические возбуждающие силы, создаваемые силовой установкой. Наиболее значительны вибрации, вызываемые неуравновешенностью поршневого двигателя и винта. Поэтому для винтовых самолетов размеры тяг подбираются не только из условия их работы на продольный изгиб и растяжение, но и из условия отсутствия резонансных колебаний на основных эксплуатационных режимах работы двигателя.

Колебания тяг относятся к типу поперечных (изгибных) колебаний и поэтому могут происходить без значительного смещения концов тяг (незаметно для пилота).

Вредными последствиями вибрации тяг являются:

– появление трещин и разрушение тяг вследствие усталости металла;

– образование люфтов в шарнирах;

– образование выбоин в тягах управления от ударов о роликовые направляющие при наличии больших зазоров между тягами и направляющими.

Для достаточного удаления от резонанса, вызванного неуравновешенностью двигателя, собственные частоты колебаний тяг не должны лежать в диапазонах

п_э ± 300 кол./мин, 2п_э = ± 400 кол./мин,

где п_э – число оборотов двигателя или винта на основном эксплуатационном режиме работы.

Собственная частота колебаний тяги определяется так же, как для балки на шарнирных опорах:

где l – длина тяги, см; Е – модуль упругости, кг/см²; I – момент инерции сечения тяги, см⁴; – масса единицы длины тяги, кг · с²/см²; F – площадь сечения тяги, см².

Следует отметить, что так как (Е/)_стали  (Е/)_дюраля  2,6 · 10⁹ см, то значения  труб из этих материалов при равных размерах мало различаются. Учитывая, что для тонкостенных труб ; , то  для дюралевых и стальных труб можно оценить как

где D_ср измеряется в миллиметрах, а l – в метрах.

Продольная сила, сжимающая или растягивающая тягу, изменяет частоту собственных колебаний, однако это влияние невелико и учитывается широтой диапазонов ± 300 и ± 400 кол./мин.

Влияние продольной силы на  выражает формула

где Р – усилие, действующее в тяге; Р_э = – критическая сила,  = 1; при сжатии тяги применяется знак «–», при растяжении – знак «+».

Для того чтобы  не снижалась из-за упругих смещений опор, качалки и опорные узлы должны иметь значительную жесткость.

Последовательность расчета на прочность элементов тросовой проводки такая же, как и жесткой. Отличие состоит в необходимости учета усилия от предварительной затяжки.