Активное управление полетом

Усложнение боевых задач, решаемых самолетами тактической авиации, влечет за собой необходимость постоянно улучшать их летно-технические характеристики, особенно устойчивость и управляемость на различных скоростях и высотах полета. Это, по мнению зарубежных специалистов, неразрывно связано с совершенствованием бортовых систем управления (СУ) летательных аппаратов (ЛА).

Системы управления реактивных самолетов первых двух поколений создавались за рубежом одновременно с завершением их общего проектирования, а подсистемы управления, в том числе улучшения устойчивости и управляемости, как бы подстраивались к спроектированному в целом самолету. Для управления положением его в пространстве использовались стандартные органы управления — стабилизатор, руль направления и элероны. При создании машин третьего поколения в ряде случаев внедрялась изменяемая в полете геометрия крыла, в системах управления использовались электроника и цифровые вычислительные системы. Эта тенденция нашла свое развитие и в самолетах четвертого поколения. В них аэродинамическая форма, общая компоновка, схема размещения рулевых поверхностей задавались с учетом реализации желаемых свойств управляемости и маневренности.

Зарубежные военные специалисты считают, что выполнить компоновку, обеспечивающую необходимые аэродинамические характеристики на всех режимах полета при неизменных его геометрических формах, невозможно. Решение проблемы они видят в создании самолетов, способных в значительной степени изменять геометрическую форму, то есть адаптироваться к заданному режиму полета.

Эту задачу рассчитывают решать с помощью СУ, работа которых основана на принципе целенаправленного и активного воздействия на аэродинамические и геометрические характеристики ЛА. Такие «активные СУ» (термин «активные» подчеркивает, что задачи решаются с помощью новых СУ, отличных от традиционных, «пассивных»), по утверждению зарубежных специалистов, могут быть реализованы лишь на основе применения микропроцессорных цифровых вычислительных структур и электрических систем дистанционного управления (ЭСДУ). По их мнению, применение ЭСДУ вместо механической (тяговой, тросовой) СУ дает ряд практических преимуществ: улучшаются характеристики управляемости ЛА, так как ЭСДУ свободна от свойственных механической СУ нелинейностей, таких, как люфты, гистерезис, трение; появляется возможность повысить надежность СУ в целом за счет реализации многократного резервирования; значительно снижается масса и объем аппаратуры СУ, что позволяет более рационально компоновать оборудование самолета; существенно снижаются требования к статической устойчивости ЛА, ибо при использовании ЭСДУ появляется возможность реализовать концепцию «активного управления» самолетом, которая предусматривает режимы непосредственного управления аэродинамическими силами.

Среди задач, решаемых «активными СУ», можно выделить наиболее типовые, характерные для ЛА различных схем и назначения. Прежде всего это улучшение летных характеристик путем искусственного обеспечения устойчивости неустойчивого ЛА, что позволяет более полно использовать несущие свойства планера, исключить потери стабилизатора на балансировку, снизить относительную массу конструкции ЛА, уменьшить потребный запас топлива. Кроме того, появляется возможность демпфирования упругих колебаний планера, активного подавления флаттера. Системы демпфирования колебаний имеют в своем составе линейные и угловые акселерометры, датчики угловых скоростей, по сигналам которых сервоприводы обеспечивают отклонение специальных органов управления — секционных элеронов и рулей — в передней части фюзеляжа.

Полагают, что с решением этой задачи для экипажа создаются наиболее комфортные условия пилотирования.

Рассчитывают также сделать полет более безопасным путем использования бортовых систем, предотвращающих выход самолета на срывные режимы полета, то есть режимы, на которых происходит потеря управляемости. Так, для маневренных ЛА основной задачей считают ограничение угла атаки, для неманевренных — перегрузки. При этом благодаря использованию управляющего контура бокового канала обеспечивают минимальные углы скольжения.

Управляя маневренными перегрузками, «активная СУ» обеспечивает снижение рабочих напряжений в конструкции ЛА за счет перераспределения подъемной силы крыла в целях уменьшения изгибного момента в корневом сечении и увеличения коэффициента аэродинамического качества. Основными органами управления полетом в этом случае считаются элероны, закрылки, отклоняемые концевые панели крыла, носки. Как управляющий орган в процессе выполнения заданных маневров в «активной» системе используется и силовая установка ЛА. Алгоритмы управления ею, как считают зарубежные специалисты, должны разрабатываться совместно с алгоритмами управления траекторным и угловым движениями. При этом эффективность управления самолетом значительно повышается за счет применения двигателей с плоскими соплами и отклоняемым вектором тяги.

Существенная роль отводится непосредственному управлению аэродинамическими силами (НУАС). Оно основано на использовании дополнительных поверхностей в целях создания смещающих сил. За счет разводки траекторного канала и канала управления угловыми координатами значительно повышаются быстрота реакции самолета на управляющие воздействия и точность его вывода на заданную траекторию полета. Характерной особенностью систем НУАС считают одновременное воздействие на несколько независимо отклоняемых рулевых поверхностей. Коэффициенты усиления в системах НУАС для эт+ix поверхностей подбираются таким образом, чтобы суммарный момент возникающих сил относительно центра масс самолета равнялся нулю. Считают, что результирующая сила при этом проходит через центр масс самолета, вызывая его плоскопараллельное движение в горизонтальной или вертикальной плоскости, либо разгон, либо торможение.

Зарубежные специалисты подразделяют системы НУАС на следующие основные группы: системы непосредственного управления подъемной (НУПС), боковой (НУБС) и продольной (НУПрС) силами. Полагают, что непосредственное управление подъемной силой может осуществляться дополнительным передним горизонтальным оперением (ПГО) — горизонтальными канардами в сочетании со стабилизатором или с закрылками или же с отклонением вектора тяги силовой установки. Применение НУПС, как утверждают специалисты, позволяет реализовать принципиально новые типы маневров ЛА на различных участках полета. Например, движение самолета в вертикальной плоскости с постоянным углом атаки либо тангажа или изменение их независимо от изменения траектории полета.

Непосредственное управление боковой силой осуществляется концевыми закрылками или тормозными щитками, расположенными на консолях крыла в сочетании с рулем направления (PH), либо изменением тяги одного из двигателей многодвигательного самолета в сочетании с использованием PH, либо дополнительным передним и вертикальным оперением — декилем (вертикальными канардами) — также в сочетании с PH. Применение НУБС, по мнению экспертов, позволяет реализовать новые типы маневров ЛА: боковое поступательное перемещение самолета с неизменным значением угла рыскания, плоский разворот с нулевым углом скольжения, разворот на заданный угол по курсу при сохранении исходного направления движения.

Способы НУПрС основаны на принципе управления сопротивлением планера самолета набегающему потоку и могут осуществляться тормозными щитками в сочетании с изменением тяги силовой установки, координированным отклонением поверхностей горизонтального оперения, стабилизатора, носков и закрылков крыла, а также дифференциально отклоняемыми двумя вертикальными канардами в сочетании с дифференциально отклоняемыми PH двухкилевого самолета. Полагают, что их воздействие не должно создавать аэродинамических моментов относительно центра масс самолета, а функции сводятся к автоматическому обеспечению безынерционных знакопеременных изменений продольной управляющей силы ЛА. При этом возникающая продольная перегрузка должна быть по возможности большой. По утверждению зарубежных экспертов, совместное использование силовой установки и аэродинамических поверхностей для изменения продольной управляющей силы позволяет снизить частоту изменения режимов работы силовой установки, повышая тем самым ее технический ресурс.

Как полагают зарубежные специалисты, дальнейшим развитием идеи НУАС явится управление адаптивным крылом — крылом с плавным изменением кривизны профиля без разрыва обтекаемой потоком воздуха поверхности. Считают, что по величине коэффициента полезного действия проект адаптивного крыла ЛА относительно близок к крылу птицы. Адаптивное крыло .представляет собой цельную в механическом отношении конструкцию с неизменяемой центральной частью, отклоняемой вниз гибкой передней кромкой (6ПК) и отклоняемой вниз и вверх гибкой задней кромкой (zt63K). Изменение кривизны крыла в полете в зависимости от числа М полета и угла атаки позволяет, по оценкам зарубежных экспертов, добиться максимального аэродинамического качества в широком диапазоне используемых режимов полета путем обеспечения безударного входа потока воздуха на переднюю кромку крыла и более плавного его обтекания.

Адаптивное крыло предполагают использовать для управления кривизной профиля в крейсерском полете в целях достижения максимальной дальности полета, парирования нагрузок от турбулентных потоков воздуха, управления креном (путем установки профиля асимметричной кривизны вместо обычных элеронов) и нагрузками при маневрах. Полагают, что применение адаптивного крыла позволит улучшить летно-технические характеристики ЛА, прежде всего при осуществлении маневренного полета.

В зарубежной печати отмечалось, что введение дополнительных рулевых поверхностей, обеспечивающих работу систем НУПС, НУБС, НУПрС, требует использования соответствующего числа нештатных командных рычагов управления (КРУ) или изменения функций штатных КРУ с помощью специальной коммутирующей аппаратуры.

Проведенные за рубежом испытания самолетов с «активной СУ» показали возможность значительного повышения эффективности боевого применения авиации за счет увеличения точности применения оружия, сокращения областей невозможности проведения атакующих действий при различных методах наведения и сокращении дистанции применения оружия, управления полетом на малой высоте в режиме отслеживания рельефа местности. Появилась также возможность существенно повысить безопасность полета на критических режимах, обеспечить полную автоматизацию захода на посадку, реализовать режимы дозаправки в воздухе и автоматического группового пилотирования на всех этапах полета.