Принципы построения автоматизированных бортовых систем управления

К параметрам углового движения самолета относятся углы крена γ, тангажа ϑ, рыскания ψ, а также их производные. Они измеряются обычно гироскопическими приборами.

Управление полетом современного самолета — это сложный комплекс операций по определению текущих пилотажно-навигационных параметров, сравнению их с заданными и активному воздействию на органы управления двигателями и рулевые по­верхности самолета с целью максимальной точности выдерживания расчетного маршрута полета. С ростом скоростей, высот и даль­ностей выполняемых полетов задача управления значительно усложняется и это в первую очередь оказывает отрицательное воздействие на состояние экипажа. Степень этого воздействия за­висит от функциональной роли летного состава в системе человек— самолет. Поэтому главным критерием совершенства подобной системы управления является уровень автоматизации систем управления или, другими словами, характер распределения функций между человеком и автоматикой.

Полагая в основу классификации пилотажно-навигационного оборудования современных самолетов степень участия летного состава в системе управления, все многообразие оборудования можно условно разделить на три группы.

К первой группе относятся информационные пилотажно-навигационные приборы и устройства, принцип действия которых основан на использовании каких-либо природных или физических явлений.

Вторая группа объединяет комплексы оборудования, которые работают от датчиков, действующих на основе различных физических принципов. Благодаря рациональному их использованию достигается наибольшая точность измеряемых параметров. Эта группа получила наименование пилотажно-навигационных систем и характеризуется в подавляющем большинстве случаев применением аналоговых вычислителей. Нередко информация, вырабатываемая подобными системами, используется при работе автоматизированных и автоматических систем управления самолетом САУ).

Третья группа включает комплексы бортовых уст­ройств и систем управления полетом самолета.

Развитие автоматизированных и автоматических навигацион­ных комплексов стало возможным благодаря созданию централи­зованных информационно-измерительных систем на базе аналого­вых вычислителей и специализированных бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ).

Бортовые цифровые вычислительные машины применяются на самолетах различного назначения. Они позволяют:

-«запоминать» (хранить) исходные данные для конкретного маршрута полета (координаты всех пунктов маршрута и наземных средств коррекции, координаты аэродромов и параметры различ­ных схем подхода и захода на посадку и т. п.);

-выбирать оптимальный режим полета, для чего в БЦВМ вводятся данные о массе самолета, скорости, высоте полета, ре­жиме работы двигателей, о состоянии воздушной среды и другие параметры;

-программировать полет, т. е. этапы полета автоматически рассчитывать по исходным данным;

-вычислять текущие координаты самолета;

-пересчитывать текущие координаты местоположения самолета из одной системы координат в другую, что позволяет получать необходимую информацию в удобную для отображения на индикаторах навигационной обстановки;

-оперативно изменить программу полета при изменении опе­ративной обстановки (например, при полете на запасной аэрод­ром, при обходе грозы, при облете наземных препятствий и т. д.);

-вырабатывать сигналы оптимального управления самолетом при взлете, на маршруте и при посадке;

-вырабатывать данные для системы сигнализации, привле­кающей внимание экипажа к тому или иному фактору навигационной обстановки, и выдавать советы экипажу в аварийных ситуа­циях;

-автоматически контролировать работоспособность комплекса и правильность выполняемых экипажем операций.

Совокупность задач, решение которых возлагается на БЦВМ, может быть подразделена на две группы. К первой группе отно­сятся информационные задачи, ко второй - задачи управления.

При решении задачи первой группы БЦВМ перерабатывает большие массивы информации и рассчитывает данные, необходи­мые пилоту для управления самолетом. При решении задач вто­рой группы БЦВМ на основе соответствующей информации выра­батывает команды управления, которые поступают в автомати­зированные системы управления самолетом.

Преимуществами применения БЦВМ в составе автоматизиро­ванного навигационного комплекса по сравнению с использова­нием аналоговых вычислителей являются:

-возможность резкого повышения степени автоматизации в результате реализации большого количества вычислительных и логических задач, что обеспечивает использование более точных формул;

-практически неограниченные возможности повышения ин­струментальной точности решения навигационных и других задач, а также широкие возможности учета методических погреш­ностей датчиков исходной информации;

-большие возможности автоматического контроля правиль­ности работы как самого вычислителя, так и всех составных ча­стей комплекса как в процессе предполетной подготовки, так и в полете;

-высокая техническая надежность, достигаемая благодаря широкой унификации применяемых блоков бортового оборудо­вания для различных типов самолетов.

Эти качества делают БЦВМ основой построения современных и перспективных автоматизированных комплексов, связывающих в единое целое совокупность бортового оборудования различного назначения.

Бортовые системы управления полетом относятся к числу ос­новных и важнейших направлений авиационной науки и техники. Автоматизация процесса управления самолетом не ис­ключает пилота из контура управления, оставляя за ним функции контроля.

На начальном этапе развития авиационной техники основным средством управления полетом самолета была механическая си­стема передачи усилий пилота на рули высоты, направления и эле­роны. При этом ориентация самолета в пространстве осуществля­лась визуально относительно горизонта земной поверхности и по простейшим пилотажным приборам.

Первая в мире схема автопилота была предложена в 1898 г. К. Э. Циолковским для продольной стабилизации дирижабля с по­мощью руля высоты. Это был автомат непрямого действия, содер­жащий все основные элементы современного автопилота: чувстви­тельный элемент в виде маятника, усилительное устройство, руле­вой привод.

В первые два десятилетия девятисотых годов был предложен ряд схем автоматов прямого действия. Некоторые из них получили применение. Самолеты того времени были чрезвычайно неустойчивы в полете, в связи с чем возникла необходимость в автоматах, увеличивающих продольную и поперечную устойчивость. Так, в 1910 г. русский авиатор К. Л. Ольховский предложил устройство, в котором использовался массивный маятник, имеющий две степени свободы и действующий одновременно на руль высоты и элероны. В качестве груза маятника использовался сам пилот, сиденье которого находилось в кардановом подвесе. Примерно в те же годы были предложены флюгерный автопилот и автопилот, в качестве чувствительного элемента которого использовалась анемометрическая пластина.

Для учебного самолета типа У-1 был разработан и изготов­лен пневматический автопилот. В качестве чувствительного элемента в нем использовался гиро­скоп. С развитием авиации продольная и поперечная устойчивость самолета улучшалась, возрастали дальность и продолжительность полетов. Поэтому появилась острая необходимость стабилизации самолета не только по крену и тангажу, но и по курсу.

В 30-е годы появились автопилоты серийного производства се­рии АВП: АВП-1, АВП-3, АВП-10, АВП-12, АВП-12Д. В этих автопилотах в качестве чувствительного элемента, измеряющего откло­нение самолета от заданного курса, был установлен курсовой гиро­скоп. В те же годы появились автопилоты серии СТЛ. В них применялась дистанцион­ная магнитная коррекция курсового гироскопа. Автопилот СТЛ-5 имел электрические гиромоторы и гидравлические рулевые маши­ны, автопилот СТЛ-6 был целиком электрическим.

Надеж­ность электрических элементов, применяемых в то время, была еще невысокой, поэтому в предвоенные годы и во время Великой Оте­чественной войны наибольшее распространение получили пневмогидравлические автопилоты сначала, в варианте АП-42, а затем в варианте АП-45.

АП-45 устанавливался на ряде самолетов (Ли-2, Ил-12, Ил-14). К этому же поколению может быть отнесен и автопилот АП-5 (АП-5-2), устанавливавшийся на первых самолетах-Ту-104. Все автопилоты первого поколения выполняли функцию лишь угловой стабилизации самолета при использовании простейших законов управления.

В связи с появлением первых самолетов большой пассажировместимости (Ту-104, Ил-18, Ан-10, Ту-114) возникла необходи­мость в повышении качества автоматической стабилизации и повы­шении безопасности полета с включенным автопилотом. В пятидесятые годы был разработан и стал широко применяться на практике целый ряд автопилотов второго поколения. К послед­ним следует отнести автопилот АП-6Е; заменивший АП-5-2 на са­молете Ту-104, а также устанавливавшийся на самолетах Ил-18, Ту-124 и Ту-134, автопилот АП-28Г1 на самолетах Ан-10, автопилот АП-28Л1 на самолетах Ан-24, автопилот АП-15Т на самолетах Ту-114.

В гражданской авиации большое распространение полу­чили бортовая система управления БСУ-ЗП (последние две буквы указывают на использование режима захода на посадку) и система автоматического управления САУ-1Т. Первая из указанных систем устанавливается на целом ряде самолетов (Ту-124, Ту-134, Ил-18) -вместо автопилота АП-6Е, второй системой оборудован самолет Ил-62. По техническим характеристикам эти системы примерно одинаковы и находятся на уровне требований, предъявляемых к системам первой погодной категории ИКАО.

Новый этап в развитии автопилотов связан с появлением само­лета Ту-154 и в особенности самолета Ту-144. Автопилоты этих самолетов в том или ином режиме работают в те­чение всего полета, начиная от взлета и кончая посадкой.

Определенной особенностью автопилотов четвертого поколения явилось и исполь­зование дополнительного канала — управления тягой двигателей, получившего название автомата тяги.

Система АБСУ-154 имеет трехкратное резервирование, и ее технические характеристики в целом находятся на уровне требо­ваний, предъявляемых к системам II категории ИКАО. Система АБСУ самолета Ту-144 имеет четырехкратное резервирование, и ее технические характеристики находятся на уровне требований, предъявляемых к системам IIIA категории.

Рис.70.Блок-схема связи АБСУ с другим оборудованием самолета:

С —самолет; П — пилот; Б — бустер; ВСТУ — вычислитель СТУ; ДПС — дат­чики углового положения самолета; ДСП — радиотехнические датчики систе­мы слепой посадки; ДП — директорный прибор.