7.3. Штопор
Авторотация ВС на закритических углах приводит к штопору. Этот режим наиболее опасный из всех критических режимов полета. В штопоре ВС совершает непроизвольное движение по крутой спирали траектории малого радиуса на режиме авторотации с одновременным вращением относительно трёх осей. При этом принимаются во внимание все виды взаимодействия (инерционное, кинематическое, аэродинамическое, гироскопическое). Рассмотрим влияние только одного из них – влияние инерционных моментов на режим движения в штопоре
Пусть
и
представлены на рис. 41, где
;
;
- сумма аэродинамического продольного
момента (момента тангажа)
и инерционного
,
обусловленного угловой скоростью
.
В точках А и В будет установившееся
вращение ВС в штопоре, причем режимы в
т. А и В будут соответственно неустойчивый
и устойчивый.
В данном случае будет устойчивое вращение
на большом угле атаки
.
Вывод из штопора (который в этом случае
называется плоским) будет затруднённым,
вследствие его устойчивости. В точке А
при
штопор будет крутым и вывод из этого
режима проще, вследствие его неустойчивости.
Когда ВС попадает в первый режим
установившегося вращения
,
изменение угла установки стабилизатора
(руля высоты) с отрицательных на
положительные значения (пикирование
-
>0)
приводит не к уменьшению угла атаки, а
наоборот к его увеличению с
до
.
Отклонение элеронов из-за неудовлетворительных характеристик поперечной управляемости также не предотвращает авторотацию ВС. Наиболее эффективным способом борьбы с авторотацией является создание «внутреннего скольжения» путем отклонения руля направления (см. рис. 40).
В установившемся штопоре на закритическом
полная аэродинамическая сила
(при малых
и малых
)
лежит в плоскости симметрии ВС и
перпендикулярна продольной оси ОХ, т.е.
и из равенства сил на вертикаль получаем
.
Отсюда
;
Радиус штопора
находим
из уравнения
Откуда
,
или
;
.
Время полета и потеря высоты за виток составляют
;
Движение ВС в штопоре является одним из самых сложных и приведенные формулы являются очень приближенными. Для получения более точных характеристик штопора необходимо проводить математические моделирования на основе полной модели пространственного движения на ЭВМ.
Лекция 12. 8. Системы управления ВС
Это сложный комплекс электронно-вычислительных, гидравлических и механических устройств, в совокупности обеспечивающих необходимые характеристики устойчивости и управляемости ВС, стабилизацию установленных пилотом режимов полёта, программное автоматическое управление ВС на всех режимах полета от взлета до посадки. Здесь мы остановимся главным образом на электродистанционных системах управления (СДУ) с использованием необратимого бустерного управления (НБУ) без резервной механической системы. Внедрение СДУ позволило достаточно просто ввести активные системы управления, к которым относятся: снижения маневренных нагрузок на конструкцию ВС;
непосредственное управление подъемной и боковой силами; ослабление воздействия турбулентности атмосферы; демпфирование упругих колебаний конструкции.
Рассмотрим комплекс всех систем управления ВС
Он представлен в виде структурной упрощенной схемы:
СШУ – система штурвального управления это совокупность всех устройств, решающих задачи улучшения пилотажных и летных характеристик ВС и работающих параллельно с пилотом при ручном управлении полетом;
ПНК – пилотажно-навигационный комплекс – совокупность автоматических управляющих устройств, измерителей и приборов, с помощью которых на борту создаётся информационная модель полёта, и решаются задачи стабилизации и управления траекторией для разгрузки пилота и повышения эффективности использования ВС.
Перечислим основные задачи, которые решает система автоматического управления (САУ) с целью облегчения пилотирования и повышения безопасности полета ( реализованы на Ту-204, ИЛ-96-300, В-747, А-300В, L-1011):
- стабилизация угла тангажа; - стабилизация числа М;
- стабилизация угла крена; - координированный разворот;
- выбор курса; - полет в турбулентной атмосфере;
- захват высоты; - взлет;
- стабилизация высоты; - заход и посадка по категории III ИКАО;
- управление вертикальной скоростью; - уход на второй круг;
- стабилизация вертикальной скорости; - режим совмещенного управления.
- стабилизация индикаторной скорости;
При автоматическом управлении роль пилота сводится к осуществлению функций контроля, набора автоматических режимов и осуществлению в случае необходимости корректирующих действий в режиме САУ. В ряде случаев с целью обеспечения простого перехода с режима САУ на ручное управление и обратно предусматривается режим совмещенного управления, который включается путем приложения усилий (выше «пороговых») к обычным рычагам управления ВС.
Рассмотренный комплекс систем управления представляет собой типичную большую систему, как совокупность подсистем, объединенных общей целью функционирования. Ее особенности следующие:
1) системное построение, связанное с выделением функционально законченных подсистем;
2) ярко выраженная иерархическая структура, определяющая порядок подчинения и соединения (связей) между подсистемами;
3) избыточность информации в результате высокой насыщенности измерительными средствами, основанными на различных физических принципах;
4) функциональная избыточность за счет систем различного уровня сложности и точности, а также полуавтоматического пилотирования по командным (директорным ) приборам;
5) многоканальное управление отдельными режимами.
Схема, приведенная на рис. 43 показывает иерархическую структуру и уровни управления комплекса всех систем. В соответствии с иерархическим принципом, системы нижестоящего уровня функционируют по командам, исходящим из систем вышестоящего уровня.
Высшим звеном иерархии является пилот. Он включает системы уровня III при автоматическом управлении полетом, вырабатывает логику включения и задает режимы стабилизации систем уровня II, осуществляет контроль, управляет ВС по приборам.
Обмен информацией внутри систем комплекса совершается с помощью электрических сигналов. Звеном преобразования электрических в механические перемещения органов управления являются сервоприводы и группа приборов. Вмешательство пилота в работу систем автоматического управления производится посредством задающих устройств, преобразующих механические воздействия в электрические сигналы.
Наряду с разделением систем по функциональным иерархическим уровням («рассечение по вертикали»), системы разделяются и по их принадлежностям к тому или иному каналу управления, например, канал руля высоты, элеронов, руля направления, двигателя («рассечение по горизонтали»). Каждый из каналов управления также является самостоятельным функциональным образованием (объединением систем).
В соответствии с иерархическим принципом, системы нижестоящего уровня функционируют по командам, исходящим из систем вышестоящего уровня.
Компоновка СШУ, структура и параметры ее контуров непосредственно зависят от аэродинамической компоновки ВС, ее аэродинамических и конструктивных характеристик.
Для современных комплексов систем управления характерна функциональная избыточность, проявляющаяся в том, что управление ВС может осуществляться несколькими способами. Этих способов четыре.