Компенсационная система

Для снижения усилий на рычаги управления элеронами, рулями высоты и рулями направления, возникающих вследствие появления аэродинамических шарнирных моментов рулей при их отклонении, применяется аэродинамическая компенсация различных типов.

Осевая аэродинамическая компенсация в настоящее время является наиболее распространенной. Для осуществления ее ось вращения руля смещается назад на расстояние b_ОК относительно передней кромки (рис. 16), что уменьшает плечо равнодействующей аэродинамической силы Р_Р относительно оси вращения, а следовательно, и величину шарнирного момента М_Ш= Р_Р(х_Р-b_ОК).

Рис. 16. Схема осевой компенсации рулей

Мера эффективности осевой компенсации – отношение площади осевой компенсации S_ОК к полной площади руля S_0K/S_Р или отношение хорды осевой компенсации к полной хорде руля b_ОК/b_Р.

Роговая аэродинамическая компенсация осуществляется с помощью компенсатора («рога»), представляющего собой часть рулевой поверхности, расположенной впереди оси вращения (шарниров) у внешнего края руля (рис. 17, а, б, в). Сила, действующая на рог при отклонении элерона создает момент обратного знака по отношению к основному шарнирному (рис. 17, г). М_Ш = Р_Эх_Р – Р_РКх_РК). Площадь рогового компенсатора обычно составляет 8-12% от всего руля.

Рис. 17. Схемы роговой компенсации

При отклонении элерона на большие углы возникающая у края элерона в месте расположения рогового компенсатора щель вызывает перетекание потока и значительные завихрения, что приводит к увеличению лобового сопротивления и к потере эффективности части площади элерона в этой зоне. По этой причине роговые компенсаторы на скоростных самолетах не применяются.

Внутренняя аэродинамическая компенсация применяется на элеронах. Носок элерона снабжается компенсатором, который соединен со стенкой (лонжероном) крыла 1 воздухонепроницаемой диафрагмой 2, выполненной из прорезиненной ткани или брезента (рис. 18, а). Хорду внутренней компенсации b_BK можно условно измерять от оси вращения элерона до середины диафрагмы.

При отклонении элерона давление по сторонам компенсатора изменяется так же, как на примыкающих к нему сторонах элерона. Например, при отклонении элерона вниз (рис. 18 б) давление в верхней полости А уменьшается, а в нижней полости В увеличивается. За счет разницы давлений на внутреннем компенсаторе создается сила Р_ВК, момент которой уменьшает шарнирный момент М_Ш, создаваемый силой Р_Э. Полная нагрузка на элерон равна сумме Р_Э и Р_ВК.

Рис. 18. Схема внутреннего аэродинамического компенсатора

а – схема устройства компенсатора; б – принцип действия компенсатора; 1 - продольная стенка или лонжерон; 2 – гибкая перегородка; 3 – узкие щели

Основным преимуществом данного типа компенсации является отсутствие щелей и, следовательно, перетекания воздуха из зоны повышенного давления в зону пониженного давления. Этим обусловливается эффективность компенсации без увеличения лобового сопротивления крыла; применение внутренней аэродинамической компенсации устраняет выход носка элерона за габариты крыла при отклонении элерона.

Внутренний компенсатор ограничивает отклонение элерона, что затрудняет применение его для тонких крыльев.

Стабилизаторы и кили значительно тоньше крыльев. Поэтому применение внутренней компенсации на рулях не позволяло бы отклонять их на большие углы.

Сервокомпенсация. Сервокомпенсатор (флетнер) представляет собой часть поверхности руля у задней кромки, автоматически отклоняющуюся при отклонении руля (рис. 19) в сторону, противоположную отклонению руля. При этом моменты аэродинамических сил сервокомпенсатора и руля относительно оси вращения руля противоположны по направлению, т. е. шарнирный момент руля уменьшается М_Ш = Р_Эх_Р-Р_СКх_СК.

Обычный сервокомпенсатор, как и осевая аэродинамическая компенсация, при определенном отклонении руля уменьшает шарнирный момент М_Ш и нагрузку на командный рычаг Р в дозвуковом полете примерно на одинаковое значение, независимо от скоростного напора q. Однако желательно, чтобы при больших значениях М_Ш степень компенсации была больше. Это позволяет сделать пружинный сервокомпенсатор (рис. 20), который отклоняется лишь при преодолении предварительной затяжки пружины большими усилиями в системе управления. При больших шарнирных моментах отклонение сервокомпенсатора получается больше и обеспечивает значительное уменьшение нагрузок на командные рычаги.

Недостатками сервокомпенсации являются:

• уменьшение эффективности руля, так как сила на компенсаторе противоположна силе на руле;

• увеличение опасности возникновения флаттера.

Переставной стабилизатор и триммер. Кроме аэродинамической компенсации, уменьшающей нагрузки на рычаги основного управления без вмешательства летчика, применяются также средства, с помощью которых эти нагрузки снижаются по желанию пилота или по команде автоматической системы. Они называются средствами балансировки, имеют отдельное управление и используются при длительном полете на установившемся режиме. Средствами балансировки являются переставной стабилизатор и триммер.

Средством продольной балансировки самолета является переставной стабилизатор – стабилизатор с изменяемым в полете углом установки (рис. 21). Узлы одного из креплений (либо переднего, либо заднего) делают шарнирными, ось их является осью вращения. Другое крепление делается подвижным по вертикали, что и обеспечивает изменение в полете угла установки стабилизатора. Схема с подвижным передним креплением является более удобной, так как передние узлы менее нагружены и изменение угла установки стабилизатора меньше влияет на положение оси вращения руля высоты. При перестановке стабилизатора создается аэродинамический момент, уравновешивающий самолет; при этом руль высоты разгружается и нагрузки на командный рычаг уменьшаются.

Рис. 21. Схемы стабилизаторов с изменяемым в полете углом установки

Переставной стабилизатор применяется, когда диапазон угла отклонения рулей высоты недостаточен для управления и балансировки самолета на малых скоростях полета (например, набор высоты или посадка).

Для обеспечения балансировки самолета относительно всех трех осей используются триммеры. Триммер представляет собой небольшой руль, установленный на всех рулевых поверхностях. Конструктивно выполняется так же, как сервокомпенсатор, и состоит из каркаса и обшивки (рис. 22).

Рис. 22. Конструкция триммера и узлов его навески и управления:

1 – триммер; 2 – нервюра; 3 – лонжерон; 4 – диафрагма; 5 – элерон (руль); 6 – узлы навески; 7 – тяга управления; 8 – кронштейн

Триммер имеет самостоятельную систему управления электромеханическую или механическую (обычно электромеханическую) из кабины экипажа. Сам механизм управления чаще всего винтовой или червячный. Он приводится в действие от электромоторчика. Раньше барабан винтового механизма обычно приводился во вращение при помощи троса, идущего от барабана, установленного в кабине, и вращаемого пилотом при помощи штурвальчика. При отклонении руля триммер остается неподвижным относительно него. Для этого механизм управления триммера располагается в носке руля (рис. 23, а), уменьшая тем самым массы на весовую балансировку руля. Если по конструктивным соображениям это сделать трудно, механизм управления устанавливается в части конструкции, к которой прикреплен руль, и соединяется с триммером кинематической связью так, чтобы повороты руля не приводили к изменению угла отклонения триммера (рис. 23, б) или изменение этого угла было небольшим (рис. 23, в).

Рис. 23. Схемы управления триммерами

Воздушная сила, действующая на отклоненный пилотом триммер и преодолевшая шарнирный момент руля, удерживает его в отклоненном положении, соответствующем данному режиму полета, разгружая штурвал или педали (рис. 24, а).

Рис. 24. Схема работы триммера (а) и кинематическая схема триммера-сервокомпенсатора (б)

Можно включить механизм управления триммером непосредственно в механизм отклонения сервокомпенсатора. Такой агрегат называется триммером-сервокомпенсатором (триммером-флетнером). Кинематическая схема его (рис. 24, б) получается из обычной схемы сервокомпенсатора, в которой шарнир делают передвижным вдоль хорды и управляемым. При фиксированном положении шарнира и отклонении руля триммер-сервокомпенсатор работает как сервокомпенсатор; при перемещении шарнира и неподвижном руле – как триммер. При одновременном перемещении шарнира и руля триммер-сервокомпенсатор может отклоняться на большой угол, что снижает его эффективность.

Площадь триммера обычно составляет 4–8% площади руля.

Для повышения надежности управления вводится многократное резервирование в системе управления и разделение конструкции рулей и элеронов на несколько раздельно управляемых секций. При бустерном управлении отпадает необходимость в аэродинамической компенсации и триммерах. Если же гидравлика бустеров достаточно демпфирует колебания, можно обойтись и без массовых балансиров.