6. Методы создания управляющих усилий

Для осуществления управляемого полета необходимо, чтобы ЛА был оборудован устройствами, с помощью которых пилот или автоматическая система могут создать дополнительные (управляющие) силы или моменты. Такие устройства называют органами управления летательного аппарата. В зависимости от тактико-технических данных ЛА они строятся на разных физических принципах. Применяются следующие основные методы создания управляющих усилий:

• управление с помощью аэродинамических рулей

• управление с помощью газовых рулей

• управление с помощью изменения вектора тяги двигателей

• реактивное орудийное управление

• с помощью маховых масс

• с помощью непосредственного управления пограничным слоем

Первый способ создания управляющих усилий наиболее распространен. Он используется для управления ЛА самолетной схемы, а также осесимметричными ЛА. На самолете для реализации этого метода устанавливаются руль высоты РВ, руль направления РН и элероны Э. При отклонении руля высоты возникают аэродинамические силы , которые с одной стороны изменяют величину подъемной силы, а с другой приводят к появлению момента (рис.1.11). Этот момент, являющийся основным управляющим фактором, вызывает вращение ЛА вокруг оси OZ₁.

Рис. 1.11

В общем балансе сил, действующих на ЛА, доля дополнительной силы, возникающей при отклонении руля высоты, невелика, поэтому обычно эту часть воздействия из рассмотрения исключают. Аналогично отклонение руля направления приводит к появлению момента и вращению ЛА вокруг оси OY₁. Для создания управляющего момента относительно оси OX₁ используется правый и левый элероны, которые отклоняются в разные стороны. Таким образом, с помощью аэродинамических рулей изменяется угловая ориентация ЛА.

При отклонении руля из-за несовпадения его центра давления (аэродинамического фокуса) с осью вращения возникает момент, который нужно преодолеть для того, чтобы удержать руль в отклоненном положении (рис. 1.12). Этот момент называют шарнирным.

Рис.1.12

При проектировании стремятся его ось вращения расположить как можно ближе к центру давления, так как это уменьшает потребную мощность для перекладки. Следует иметь ввиду, что с увеличением скорости полета центр давления перемещается к передней кромке. Вследствие этого на больших скоростях может оказаться, что центр давления будет расположен впереди оси вращения, руль “перекомпенсирован” – при малейшем отклонении руля шарнирный момент стремится еще больше увеличить это отклонение. Явление перекомпенсации считается недопустимым при ручном управлении самолетом. При автоматическом управлении указанное обстоятельство, как будет показано в дальнейшем, так же приводит к нежелательному эффекту – положительной обратной связи в рулевом приводе. Сильная зависимость эффективности аэродинамических рулей от скоростного напора является самым серьезным недостатком, который делает невозможным их применение на некоторых летательных аппаратах.

Разновидностью аэродинамических рулей являются интерцепторы – особые пластинки, выдвигаемые за профиль или кромку крыла. При выдвижении пластинки (на 3-4 мм.) поток за ней турбулизируется, что приводит к уменьшению подъемной силы на этой части крыла (рис.1.13).

Рис.1.13

Интерцепторное управление очень экономично, однако оно сильно увеличивает лобовое сопротивление ЛА и теряет эффективность на сверхзвуковых скоростях.

В тех случаях, когда аэродинамические рули использовать нельзя (полет с малыми скоростями или в очень разреженном воздухе), применяются газовые рули. Последние по конструкции и способу управления практически повторяют аэродинамические рули, но располагаются в потоке вытекающего из маршевого двигателя газа. Поскольку скорость истечения газа реактивного двигателя почти постоянна, эффективность газовых рулей не зависит от режима полета летательного аппарата. Недостатком газовых рулей является их обгорание, что ограничивает область их применения.

Управление с помощью изменения вектора тяги используется для изменения скорости полета и для изменения угловой ориентации. В первом случает тяга управляется по величине путем дрооселирования двигателя. Во втором – вектор тяги изменяется по направлению путем поворота камеры сгорания (рис.1.14) или сопла.

Рис.1.14

Поворотные камеры сгорания и поворотные сопла более эффективны и надежны, чем газовые рули. Но этот вид управления обладает большой инерционностью и сложностью в техническом воплощении.

Сущность струйного реактивного управления заключается в следующем. На концах крыльев или стабилизаторов располагаются специальные реактивные насадки, в исходном положении перекрытые клапанами. Для создания управляющих усилий клапаны в определенном порядке открываются и реактивные силы вызывают необходимое управляющее воздействие. Рис. 1.15 иллюстрирует создание управляющего момента по крену.

Метод создания управляющих усилий с помощью маховых масс используется преимущественно при решении вопросов ориентации и стабилизации летательных аппаратов. Для его реализации внутри ЛА с моментом инерции помещают двигатель ДВ, на оси которого закреплена вращающаяся масса с моментом инерции J₂ (рис.1.16).

Рис.1.15

Управление достигается путем сообщения двигателю определенной скорости вращения.

Рис.1.16

При отсутствии внешних моментов можно записать

откуда

т.е. объект вращается в сторону, противоположную вращению двигателя, со скоростью, пропорциональной отношению моментов инерции маховой массы и объекта.

Один из способов непосредственного управления пограничным слоем заключается в использовании специальных отверстий, высверленных по управляемой поверхности крыла. Через эти отверстия пограничный слой либо отсасывается, либо сдувается с помощью сжатого воздуха.

Существуют и другие способы управления пограничным слоем. Однако все они имеют значительную инерционность, энергоемкость и не позволяют реализовать пропорциональное регулирование. Поэтому управление пограничным слоем используется преимущественно как средство для увеличения подъемной силы крыла при посадке самолетов.