1.5. Краткий исторический очерк развития систем стабилизации и управления летательными аппаратами
Раньше других систем стабилизации и управления появились самолетные системы. Вопросы истории этих систем неоднократно привлекали внимание ученых и специалистов [1,4,5] и теперь имеется возможность изложить их в обобщенном и систематизированном виде, позволяющем проследить сложный процесс, связанный с развитием такой области техники какой является авиационное приборостроения и автоматика.
Системы стабилизации самолетов появились практически с рождением авиации. Это объясняется тем, что конструкторы самолетов не имели тогда еще достаточного опыта в проектировании и поэтому пытались с помощью дополнительных устройств компенсировать неудовлетворительные аэродинамические качества летательного аппарата (в частности устойчивость). Основополагающая идея создания таких устройств была высказана русским ученым К.Э. Циолковским еще в 1898 году. Предложенный им “автоматический регулятор горизонтального руля” предназначался для стабилизации продольной оси дирижабля в горизонтальной плоскости. Схема первого в мире автопилота К.Э. Циолковского приведена на рис.1.5.
Рис. 1.5
В качестве чувствительного элемента предлагалось использовать маятник М, для демпфирования колебаний которого применялся сосуд с жидкостью. Исполнительным элементом был электродвигатель ЭД, поворачивающий через передачу руль глубины Р дирижабля. При отклонении дирижабля от горизонтального положения система контактов, укрепленных на маятнике, включает двигатель таким образом, что он поворачивает руль в направлении, ликвидирующем отклонение. Хотя эта идея К.Э. Циолковского не была на практике осуществлена, она послужила прообразом всех устройств стабилизации, в том числе и современных.
Первые практические конструкции автопилотов появились примерно в 1910 году. Использовались самые различные принципы и схемы, иногда очень оригинальные и остроумные. В 1912 году профессором Н.Е. Жуковским были прочитаны лекции о приспособлениях для придания самолету автоматической устойчивости, в которых рассматриваются известные в то время автоматы и предложения как наших, так и иностранных конструкторов.
Н.Е. Жуковский разбивал все устройства стабилизации того времени на три группы: маятниковые, флюгерные и гироскопические.
Рассмотри лишь основные идеи, лежащие в основе их построения. Более подробно конструкции первых автопилотов изложены в книге известных советских конструкторов и ученых Е.В. Ольмана, Я.И. Соловьева, В.П. Токарева [5].
Рис. 1.6
На рис.1.6 приведена одна из схем маятникового стабилизатора (1910 г.). Кресло летчика К подвешено к корпусу самолета на карданном подвесе и вместе с сидящем в нем летчиком образуется маятник. Кресло с помощью тяг соединено с рулем высоты РВ и элеронами. При появлении отклонения самолета от горизонтального положения маятник воздействует на рули таким образом, что требуемое положение восстанавливается.
Это система стабилизации прямого действия, хотя в это же время были предложены системы непрямого действия. Так, например, в самолете братьев Райт (1910 г.) маятник управлял работой пневматического исполнительного элемента, который и отклонял рули самолета. Недостатки маятниковых систем стабилизации очевидны и определяются недостатками маятника как чувствительного элемента, реагирующего на линейные ускорения основания.
В настоящее время маятниковые системы стабилизации не применяются.
Идея построения флюгерной системы стабилизации поясняет рис.1.7.
Через систему рычагов на руль высоты самолета оказывает воздействие не только летчик, отклоняющий ручку управления РУ, но и флюгер Ф, который поворачивается относительно оси O. Если летчик не участвует в управлении, то при отклонении самолета от заданного положения, флюгер, оставаясь неизменным в потоке набегающего воздуха, изменяет свое положение относительно корпуса самолета и в результате отклоняет руль высоты. Вследствие этого возникают аэродинамические силы, под действием которых самолет возвращается в исходное положение.
Рис 1.7
Многолетний опыт показал, что наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям гироскопические устройства стабилизации, чувствительные элементы которых в наименьшей степени подвержены влиянию внешних возмущений. Примером таких устройств является автомат стабилизации курса, схема которого приведена на рис.1.8. При отклонении самолета от заданного направления полета, гироскоп Г, сохраняя неизменной в пространстве ось своего вращения, перемещает щетку потенциометра П относительно его корпуса. Усиленный сигнал приводит в движение электродвигатель, поворачивающий руль направления. Возникающие при этом аэродинамические силы возвращают самолет в исходное положение. Аналогичным образом работают и устройства стабилизации самолета в плоскости горизонта.
Хотя, как уже указывалось, первые проекты автоматов стабилизации появились еще до Октябрьской социалистической революции начало истории развития автопилотов следует отнести к тридцатым годам.
Рис. 1.8
В эти годы появились тяжелые самолеты, способные совершать многочасовые беспосадочные перелеты. Возникла острая необходимость в разгрузке летчика от однообразной и утомительной работы по стабилизации самолета на крейсерском режиме полета. Эта задача была решена созданием промышленной серии автопилотов АВП: АВП-1, АВП-3, АВП-10, АВП-12. На базе серии АВП в предвоенные годы был разработан автопилот АП-42, который позднее выпускался в варианте АП-45. Автопилот АП-45 пневмогидравлического типа при этом получился настолько удачным, что продолжает эксплуатироваться и в настоящее время на самолетах Ли-2, Ил-12, Ил-14. Современная история автопилотостроения относит автопилоты серии АВП, АП-42, АП-45, а также автопилот АП-5 (АП-5-2), который появился уже в послевоенные годы, к автопилотам первого поколения. Все автопилоты первого поколения выполняли функцию лишь угловой стабилизации самолета при простейших законах регулирования.
В связи с появлением первых самолетов большой пассажировместимости (Ту-104, Ил-18, Ан-10, Ту-114) возникла необходимость в повышении качества автоматической стабилизации и безопасности полета с включенным автопилотом. Поэтому в пятидесятые годы был разработан и стал широко применяться на практике целый ряд автопилотов второго поколения: автопилот АП-28, заменивший АП-5-2 на самолетах ТУ-104 и устанавливаемый на самолетах ИЛ-18, ТУ-124, ТУ-134; автопилот АП-28 на самолетах АН-10, АН-24 и автопилот АП-15Т на самолетах Ту-114.
По сравнению с первым поколением автопилоты второго поколения используют более сложные законы регулирования с обязательным введением сигналов по угловой скорости во всех каналах, выполняют некоторые дополнительные функции такие, как стабилизация высоты полета, координированный разворот от задатчика.
Автопилоты серии АП-28 обеспечивают вывод самолета в режим горизонтального полета при потере летчиком чувства пространственной ориентации. В автопилотах второго поколения нашли применение новые прецизионные гироскопические датчики (“центральные” гировертикали серии ЦГВ, гирополукомпас ГПК-52 АП и др.).
Повышение интенсивности воздушного движения в шестидесятых годах потребовало автоматизации наиболее сложных этапов полета-захода на посадку и посадки. Характер требований к автопилотам изменился. Теперь уже речь шла о стабилизации неустановившегося движения самолета, об автоматическом управлении самолетом по сигналам радиотехнических систем посадки. Эта задача была решена в результате создания в середине 60-х годов промышленных серий автопилотов третьего поколения. Поскольку эти автопилоты на режиме захода на посадку выполняли совершенно новую функцию – управление движение центра тяжести – их стали называть автоматизированными (автоматическими) бортовыми системами управления. Подобными системами в настоящее время оборудованы самолеты Ту-124, Ту-134, ИЛ-18 (БСУ-ЗП), ИЛ-62 (САУ-ГТ). Автопилоты в том смысле, в котором они подразумевались раньше, являются составной частью бортовых систем управления, их подсистемами.
Наконец новый этап в развитии автопилотов связан с появлением таких самолетов, как Ту-154, Ту-144, широкофюзеляжных ИЛ-76, ИЛ-86, а также с настоятельной необходимостью существенного повышения регулярности и безопасности воздушного движения. Кроме того, накопленный опыт эксплуатации бортовых систем управления полетом показал, что применение их при соблюдении требований надежности позволяет внести такие изменения в аэродинамическую компоновку самолета, при которых существенно улучшаются его летно-технические характеристики. Все это говорит о новом подходе к назначению бортовых систем управления, при котором они становятся неотъемлемой обязательной составной частью самолета. Системы этого уровня интенсивно развиваются. Они образовали группу автопилотов четвертого поколения. Характерной внешней чертой этого поколения является то, что если раньше в полете летчик мог обойтись без автопилота, т.е. включение автопилота производилось лишь по его желанию, то теперь полное отключение автопилота производится в силу крайней необходимости. Конечно, для обеспечения необходимой безопасности, особенно при выполнении посадки, потребовалось существенно увеличить надежность аппаратуры. Достаточную степень надежности оказалось возможным обеспечить только благодаря многократному резервированию отдельных элементов и даже целых каналов управления, а также благодаря применению непрерывно действующей в полете системы встроенного контроля. Так, например, система АБСУ-154 имеет трехкратное резервирование и обеспечивает более безопасный полет, чем при ручном управлении, начиная от взлета и кончая заходом на посадку до высоты принятия решения, равной 20-30 м. автоматизированная бортовая система управления АБСУ-144, устанавливаемая на самолете Ту-144, имеет четырехкратное резервирование и обеспечивает управление самолетом от взлета до приземления. Системы АБСУ-154 и АБСУ-144 при работе с навигационным комплексом осуществляют полностью автоматический полет по заданному маршруту, включая необходимое маневрирование при взлете, на трассе и при посадке.