Проектирование систем управления СЛА

Состав системы управления и требования, предъявляемые к ней

Системой управления самолетом называют совокупность устройств, обеспечивающих управление движением самолета, работой двигателя и различными агрегатами.

В данной главе внимание акцентировано на основном управлении, то есть управлении рулевыми поверхностями самолета: рулем высоты, рулем направления, элеронами (интерцепторами).

В систему основного управления СЛА входят:

• командные рычаги управления (КРУ), на которые непосредственно воздействует летчик для управления положением самолета
• проводка управления, соединяющая КРУ с управляющими поверхностями
• устройства загрузки КРУ и балансировки усилий на рулевых поверхностях

Основное управление разделяется на две практически независимые системы - ручное управление и ножное управление.

Ручное управление включает управление рулем высоты и элеронами (интерцепторами), осуществляемое с помощью ручки, расположенной в кабине. Ножное управление предназначено для воздействия на руль направления и осуществляется с помощью педального механизма.

Система управления должна удовлетворять ряду важных требований:

1. При управлении самолетом движения рук и ног летчика должны соответствовать естественным рефлексам человека при сохранении равновесия. То есть при движении ручки вперед (от себя) руль высоты должен отклоняться вниз, а самолет опускать нос. При движении ручки назад (на себя) руль высоты должен отклоняться вверх, а самолет - переходить на кабрирование. Движение ручки направо должно вызывать правый, а движение ручки влево - левый крен самолета.

2. При отклонении КРУ усилия на них должны возрастать плавно и всегда быть направленными в сторону, противоположную отклонению, а величина этих усилий на всех режимах полета должна находиться в пределах:

• по тангажу-от 2, 5 до 25 кгс
• по крену-от 1, 5 до 15 кгс
• по курсу - от 3 до 50 кгс

3. Должна быть обеспечена полная независимость управления, то есть отклонение руля высоты не должно вызывать отклонения элеронов и наоборот.

4. Необходимо согласование углов отклонения рулевых поверхностей и КРУ. При этом углы отклонения рулевых поверхностей должны обеспечивать возможность полета на всех полетных и посадочных режимах, а отклонения КРУ должны быть ограничены жесткими упорами.

5. Все сочленения и механизмы управления должны быть доступны для осмотра и обслуживания.

Командные рычаги управления самолетом

Командные рычаги системы управления устанавливаются в кабине и включают в себя узел ручного и узел ножного управления.

Узел ручного управления представляет собой механизм, состоящий из ручки управления, вала, тяг, качалок и кронштейнов крепления.

Ручка управления представляет собой рычаг, имеющий две степени свободы. Это позволяет ей отклоняться вперед-назад при управлении рулем высоты и вправо-влево при управлении элеронами или интерцепторами.

Схемы узлов ручного управления, показанные на рис. 4, 20, б, в, хорошо сочетаются с жесткой, а узел, по казанный на рис. 4. 20, а,-с гибкой или смешанной проводками управления.



Рис 4.20 Конструкция узлов ручного управления

Независимо от конструктивного исполнения узла для выполнения требования независимости управления необходимо, чтобы точка "А" подсоединения качалки проводки системы управления 7 находилась на продолжении оси, относительно которой поворачивается вилка ручки.

В каждом из рассмотренных узлов кроме ручки 1, вилки 2, вала 3, тяги 4 и качалок 6 и 7 должно устанавливаться шарнирное звено 5, обеспечивающее возможность поворота одного из наконечников тяги 4.

Управление рулем направления на СЛА чаще всего осуществляется от педалей, отклоняемых ступнями, простых конструктивно и удобных эргонометрически. На рис. 4. 21, а показана рычажная схема ножного управления. Достоинством этой схемы является крайняя простота конструкции. Основным недостатком - отсутствие поступательного движения ступней ног при повороте педалей, что быстро утомляет пилота. Этот недостаток устранен в более сложной (рис. 4. 21, б) рычажно-параллелограммной схеме.



Рис 4.21 Конструкция узлов ножного управления
а - рычажного, б - параллельного

Регулировка по росту летчика осуществляется за счет смещения педалей относительно направляющих трубок в первой схеме и параллелограммного механизма во второй.

Проводка управления

Проводка управления (рис. 4. 22) служит для передачи перемещений от КРУ до рулевых поверхностей. Она может быть гибкой, жесткой и смешанной.



Рис 4.22 Проводка управления СЛА

Гибкая проводка выполняется в виде двух тросов, проложенных по роликам, установленным в местах изменения направления троса. Концы тросов крепятся к секторам, один из которых расположен у командного рычага управления, другой - на оси рулевой поверхности. Секторы обеспечивают постоянство натяжения троса, чего не удается достичь непосредственным его присоединением к рычагам и качалкам. Сектор представляет собой часть ролика достаточно большого, но вполне определенного диаметра и предназначен для преобразования вращательного движения вала в поступательное движение тросов у командных рычагов или поступательного движения тросов во вращательное движение вала рулевой поверхности. Для натяжения тросов используются соединительные тандеры. Концы тросов запрессовывают в наконечники, имеющие внешнюю резьбу. Муфта тандера свинчивает два наконечника, имеющих резьбу разного направления, позволяя соединять трос и регулировать его натяжение.

Преимуществом гибкой проводки является ее малая масса и удобство компоновки. Недостатком-износ тросов в местах перегиба на роликах и их вытяжка. Кроме того, тросовая проводка пружинит и вследствие упругой деформации дает на командных рычагах ощущение "упругого" люфта, что снижает чувствительность управления.

Гибкая проводка часто используется в каналах управления рулем направления и элеронами.

Жесткая проводка управления обычно выполняется из тонкостенных дюралевых труб, называемых тягами. В местах сочленения тяг устанавливаются качалки. Эта проводка по сравнению с гибкой более удобна в эксплуатации, обеспечивает большую чувствительность управления, но имеет большую массу и часто требует увеличения площади сечения фюзеляжа в районе кабины.

Жесткая проводка на СЛА чаще всего используется в канале управления рулем высоты.

Смешанная проводка представляет собой оптимальное сочетание жесткой и гибкой проводки. Возле командных рычагов и при подходе к рулям проводка обычно выполняется из жестких тяг, а в промежутках, особенно на прямых и длинных участках, прокладываются тросы.

В местах перехода жесткой проводки в тросовую и обратно обязательно устанавливаются секторы. Исключение могут составлять случаи, когда фигура, образованная тросами и качалками, независимо от угла отклонения КРУ, является параллелограммом. Это возможно только в том случае, когда обе качалки стоят в одной плоскости, а их плечи равны.

Проектирование системы управления

Проектирование системы управления необходимо начинать с выбора типа проводки. Для управления рулем высоты, как наиболее ответственным элементом системы управления, от которого в первую очередь зависит безопасность полетов, лучше использовать жесткую проводку. Она, естественно, будет иметь несколько большую массу, чем гибкая, но в то же время будет лишена недостатков, присущих последней. Проводка управления элеронами может быть жёсткой, тросовой или смешанной. Проводку управления рулем направления лучше выполнять гибкой.

Указанные рекомендации не могут быть универсальными и в каждом конкретном случае для выбора типа проводки необходимо учитывать всю совокупность факторов. Так, например, при двухбалочной схеме самолета в канале управления рулем высоты более выгодной может оказаться гибкая дублирующая проводка, тросы которой разветвляются около кабины и, дублируя друг друга, проходят в двух балках. В этом случае по концевым нервюрам руля высоты целесообразно установить два сектора, каждый из которых (рис. 4. 23, а) выполнен заодно с узлом подвески. Данный узел (рис. 4. 23, б) включает в себя втулку 5, сектор 1, пластину быстросъемного узла 3 с прикрепленной к ней втулкой 2 шарикового подшипника 4. При таком расположении секторов тросы проводки управления не будут загружать ось руля высоты изгибающим моментом.



Рис 4.23 Гибкая дублирующая проводка управления рулем высоты двухбалочного СЛА
а - схема размещения секторов, б - узел подвески управления

Узел ручки управления выбирается из рекомендуемых (рис. 4. 20) схем, в зависимости от типа проводки в канале управления элеронами и технологических соображений. Если для канала крена выбрана гибкая проводка, то целесообразно использовать узел, показанный на рис. 4. 20, а, при жесткой проводке - один из двух других, представленных на данном рисунке.

Узел ножного управления выбирается в зависимости от назначения СЛА, продолжительности его полета и т. п. Если переднее колесо управляемое, то во многих случаях целесообразно совместить узел ножного управления с узлом разворота переднего колеса. Примером такого совмещения может служить узел, показанный на рис. 4. 24, а. Он состоит из кронштейна 2 с двумя подшипниками 1, в которых свободно вращается вал 6 с вилкой колеса 9 и сектором 8. На этом же валу на подшипнике 10 свободно посажен сектор 7 с педалями 5. Секторы 7 и 8 кинематически связаны между собой двумя тросами, переброшенными через ролики 3, 4. Выгодно тросы заменить резиновыми шнурами. В этом случае существенно смягчатся толчки, передаваемые с переднего колеса на руль направления при движении по неровному грунту. При отклонении педалей в ту или другую сторону сектор 7 вместе с валом 6 и вилкой 9 будут разворачивать и колесо, но в противоположную педалям сторону.



Рис 4.24 Конструкция (а) и схемы (б и в) узлов ножного управления в едином агрегате с узлом разворота переднего колеса

Недостатком данного узла, как и узла с парой шестерен, кинематика которого показана на рис. 4. 24, б, является то, что углы разворота колеса при заданном отклонении педалей, выбираются при проектировании равными 10... 15° и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Такие углы разворота колеса являются чрезмерно большими для режима взлета и посадки и малыми для режима руления.

Указанный недостаток полностью устранен в узле, схема которого показана на рис. 4. 24, в, за счет установки двух пар шестерен с разным передаточным отношением. Передаточное отношение может быть изменено пилотом за счет перемещения по шлицам вверх или вниз блока шестерен, связанных с педальным механизмом. Углы разворота выбираются в пределах 5... 10° на режиме взлета и посадки, 15... 30°-на режиме руления.

Более простой в изготовлении по сравнению с рассмотренными выше схемами может быть рычажная кинематика, широко используемая конструкторами-любителями.

При больших удлинениях крыла большое удлинение имеют и элероны и их необходимо выполнять разрезными, то есть состоящими из двух секций. В этом случае в канале управления элеронами более выгодно использовать тросовую проводку, подводя ее к сектору, расположенному примерно посредине элерона. Сектор целесообразно крепить к узлу подвески, который одновременно является и карданным соединением осей двух частей элерона. Общий вид узла и его чертеж представлены на рис. 4. 25. Оба вала (1 и 9) секций элерона вместе с сектором 7 свободно поворачиваются в подшипнике 4, закрепленном шайбой 5 в кронштейне б. Соединение валов 1 и 9 осуществляется посредством втулок 3, 8 и штифта 2. Для обеспечения необходимой стрелы прогиба вала между втулками 3 и 8 имеется зазор, а отверстие под штифт 2 имеет форму, обеспечивающую несоосность валов.



Рис 4.25 Уззел подвески элерона, совмещенный с сектором управления и карданным соединением
а - общий вид, б - конструкция узла

Прокладку жесткой проводки (рис. 4. 22) желательно вести стандартными тягами и качалками промышленного производства. При этом можно уменьшать длину тонкостенной трубки тяги; без переделки ее наконечников.

При прокладке проводки необходимо помнить, что расстояние от тяг или тросовой проводки до неподвижных элементов конструкции должно быть не менее 10... 15 мм.

При использовании тросовой проводки диаметр троса выбирается по табл. 4. 1, исходя из следующих нагрузок на командных рычагах:

• по тангажу-65 кгс
• по крену - 32, 5 кгс
• по курсу - 90 кгс

Таблица 4.1 Разрушающие нагрузки для тросов



При расчете диаметра троса необходимо учитывать, что усилия в тросовой проводке будут во столько раз больше, чем на командных рычагах, во сколько раз меньше их перемещение по отношению к точке приложения силы. Так, например, если при перемещении ручки управления самолетом на 20 см трос управления элеронами перемещается на 5 см, то расчетное усилие должно равняться 20Х32,5: 5 =130 кгс.

Следует иметь в виду, что чем больше диаметр троса будет выбран, тем большим будет и его ресурс. Коэффициент запаса прочности троса выбирается в пределах 3... 10. В любом случае не следует использовать трос диаметром менее 2,5... 3 мм.

Тандер под соответствующую нагрузку выбирается по табл. 4. 2.

Таблица 4.2 Разрушающие нагрузки для тендеров



Ролики для тросовой проводки выполняются обычно из дюралюминия или текстолита и всегда устанавливаются так, чтобы их плоскость совпадала с плоскостью изогнутого на данном ролике троса. Желательно, чтобы диаметр ролика равнялся не менее 20 диаметрам проложенного по нему троса. При меньших диаметрах ролика трос сильно перегибается, заершивается и со временем может произойти его разрушение.

Отдельные ролики к конструкции могут крепиться с помощью двух уголков (рис. 4. 26, а), выполняющих роль кронштейнов. Более выгодно в весовом отношении устанавливать (рис. 4. 26, б, в, г) не один, а несколько роликов, даже с разных каналов управления, на одном общем кронштейне. На роликах должны быть предохранительные элементы, исключающие соскакивание троса.



Рис 4.26 Узлы крепления роликов системы управления

На длинных прямолинейных участках устанавливаются направляющие втулки, выполненные из текстолита в виде двух пластин с прорезями под трос. Такие втулки предотвращают провисание и раскачку тросов.

Для согласования углов отклонения КРУ и управляющих поверхностей необходимо, чтобы отношение диаметров секторов, установленных на КРУ, и управляющей поверхности было обратно пропорциональным их потребным углам отклонения. Пусть, например, угол отклонения ручки управления самолетом в каждую сторону составляет 15°, потребный угол отклонения элеронов ±25°. Тогда отношение диаметра сектора элерона к диаметру сектора узла ручного управления должно равняться 3/5.

Совпадение нейтрального положения КРУ с нейтральным положением рулевых поверхностей обеспечивается: грубо - за счет подбора длин тросов; точно - за счет тандеров.

Расчет жесткой проводки можно вести, либо подсчитывая передаточные отношения на качалках, либо аналогично вышеописанному. Только вместо радиуса секторов подбираются радиусы подсоединения тяг управления к качалкам.

по материалам: П.И.Чумак, В.Ф Кривокрысенко "Расчет и проектирование СЛА"