Конструкція органів управління та їх приводів

Розглянемо конструкцію аеродинамічних рулів.

Конструкція елеронів, суцільно поворотних та кінцевих рулів залежить від їх площі. При невеликій площі (до 0,05 м²) рулі виконуються у вигляді суцільних та моноблочних конструкцій. Суцільні рулі можуть виконуватись в двох варіантах: лопасть руля та опорна цапфа штампуються або відливаються як одне ціле або окремо. Другий варіант більше розповсюджений, так як лопасть зазвичай виготовляють із легких кольорових сплавів, а цапфа (більш навантажений силовий елемент) – із високоякісних сталей.

Моноблочні конструкції виконуються штампованими із кольорового сплаву (складаються з двох половинок), а цапфа – із високопробного матеріалу. В таких конструкціях матеріал розміщений більш раціонально, ніж в суцільних, тому маса таких рулів менша хоч їх вартісні характеристики гірші.

При площі рулів більше 0,1 м² вони виконуються у вигляді традиційних каркасних схем з наповнювачем.

Конструкція рулів та елеронів, які закріплені на нерухомій несучій поверхні, можуть бути аналогічні суцільно поворотним рулям суцільної або каркасної конструкції.

Елерони конструктивно виконуються подібно до рулів.

Інтерцептори зазвичай конструктивно виконуються у вигляді суцільної пластини, встановлені за задньою кромкою несучої поверхні і закріпленої на качалці, яка приводиться в рух електромагнітом.

Конструкція ролеронів складається з ротора, обойми, в якій на підшипниках закріплений вал ротора. При зберіганні та транспортуванні ролерон закріплюється стопором зі стяжною стрічкою, яка перегорає при запусканні двигуна.

Із газодинамічних органів управління детально розглянемо газові рулі. Вони найбільш прості по конструкції і можуть встановлюватись як в газовому потоці, так і поза ним на зрізі сопла. (периферійні рулі). Газові рулі, які знаходяться в потоці продуктів згорання двигуна, створюють додатковий опір, в результаті чого зменшується тяга двигуна. Крім того, в процесі польоту лопасть руля поступово руйнується. Тому необхідно вибирати відповідну форму руля і відповідний термоерозіоностійкий матеріал (графіт, молібден та інші).

Конструктивно газовий руль представляє собою профільовану консоль, закріплену на осі.

На деяких ЛА газові рулі використовуються в комбінації з аеродинамічними поворотними рулями. Конструктивно вони виконуються на одній вісі і повертаються однією рульовою машиною. З початком польоту управління здійснюється газовими рулями, так як до досягнення швидкості 50м/с аеродинамічні рулі малоефективні. Потім газові рулі згорають і починають діяти аеродинамічні рулі. Тим самим добиваються зменшення шкідливого впливу газових рулів на тягу двигуна.

Периферійні рулі представляють собою пластинки циліндричної або іншої більш складної поверхні, які встановлюються на зрізі сопла таким чином, щоб в неробочому положенні вони були поза газовим струменем. Такі конструкції досить прості і дозволяють зменшити втрати, однак їх суттєвими недоліками являються значні шарнірні моменти.

Аеродинамічні та газодинамічні органи управління створюють управляючі моменти за допомогою силових приводів.

В конструкціях ЛА часто підсилювач-перетворювач та приводний двигун виконують в вигляді єдиного агрегату – рульової машини (РМ), тип якої визначається джерелом енергії. Розрізняють пневматичні, гідравлічні і електричні РМ. Механізми управління можуть розміщуватись в одному відсіку корпусу або розосереджені по ЛА. Жорсткий зворотній зв´язок дає інформацію про значення кута відхилення органу управління або шарнірного моменту.

Приводи ЛА повинні забезпечувати:

– потрібну швидкодію і точність в залежності від класу апарату. Так для балістичних ракет швидкість повороту органу управління зазвичай не перевищує 50^о/_с, для ЛА “повітря-повітря”, “земля-повітря” зазвичай потрібна кутова швидкість в 10 разів більша;

– надійну роботу в заданих зовнішніх умовах з достатньо малими статичними і динамічними помилками;

– простоту і зручність в експлуатації.

Розглянемо привід (РМ), працюючий на стисненому газі.

Широке використання цих РМ на ЛА обумовлено їх простотою, малими габаритними розмірами, порівняно невеликою масою і потрібною надійністю.

В той же час до недоліків цих рульових машин слід віднести відносно велику витрату повітря, яке стравлюється в атмосферу, і складність отримання великих управляючих зусиль.

Приводи, які працюють на гарячому газі від порохового акумулятору тиску (ПАТ), використовують в основному тверде паливо і по принципу розподілу газового потоку розподіляються на відкриті і закриті. В відкритих системах газ витрачається постійно, навіть при відсутності управляючого сигналу, тобто вони працюють як пневматичні РМ. В закритих приводах отвори, які регулюються, відкриваються тільки в момент споживання газу, тому такі системи мають регулювання самого процесу горіння твердого палива, “вплоть” до гасіння та повторних запусків. На ЛА, в основному, використовуються відкриті приводи, які надійніші і конструктивно значно простіші закритих, не дивлячись на більшу економічність, меншу масу останніх.

В якості твердого палива використовуються нітрогліцеринові перхлоратні пороха, які горять з торця зі швидкістю 3,8....7,6 мм/с під тиском (35....100)10⁵ Па, при цьому температура може досягати 370....1100^оС. При великому потрібному часі роботи приводу (декілька хвилин) палива для більш конкретного розміщення в корпусі може бути виконана у вигляді зміє вика, спіралі або пакету із циліндричних шашок, розміщених паралельно з послідовним запаленням. При цьому для зниження температурі газового потоку його пропускають через пористу пластину, яка, абліруючи, охолоджує газ.

Основні достоїнства приводів з ПАТ – невелика маса, висока надійність і можливість довгострокового зберігання в готовому для роботи стані. Недолік, який присутній всім пневматичним РМ – деяка залежність роботи від температури оточуючого середовища, яка впливає на значення тиску в полості РМ.

В останній час більше на ЛА використовують гідравлічні приводи, які можуть бути відкритого і замкнутого типу.

В якості робочої рідини використовуються різні мінеральні масла, які зберігають необхідні якості в достатньо широкому діапазоні температур – 60⁰....250^оС. Відкриті приводи, в яких використана рідина викидається за борт ЛА, використовуються при малій дальності польоту. Схеми замкнутого типу можна використовувати при будь-якій тривалості польоту, хоч конструктивно вони складніші.

Гідронасоси зазвичай шестеренчастого типу обертаються турбіною або електродвигуном з частотою 2000....2500 об/хв і створюють робочий тиск в системі (100....200)·10⁵ Па. За час польоту до 1 хв зазвичай використовують турбіну, що розкручується гарячим газом від ПАТ; при більшій тривалості польоту краще використовувати електропривод. Для підтримання постійного тиску в системі передбачені гідроакумулятор і скидаючий кран.

Гідравлічні машини можуть бути виконані в вигляді силового циліндру, сектору, або з використанням кривошипно-шатунного механізму.

Гідравлічні машини точніші ніж газові, практично безінерційні, мають значно меншу масу. В той же час вони потребують два джерела енергії, тому складніше і дорожче ніж інші типи приводів, крім того, робочі рідини мають визначений термін зберігання в системі із-за їх хімічного складу.

Електромеханічні приводи, які складаються з електродвигуна і редуктора, використовуються на ЛА з великим часом польоту. Електродвигунні приводи можуть бути двох типів: з перемінним по напрямку обертанням ротору і з постійним.

Перші не знайшли широкого використання із-за того, що при реверсуванні двигуна виникають значні сили інерції, що визиває запізнення в відхиленні органів управління.

У електродвигунів з постійною по напрямку кутовою швидкістю ротора цей недолік відсутній, і для зміни кута відхилення органа управління використовують електромагнітні муфти – фрикційні, магнітопорошкові і гістерезисні.

Електромагнітні РМ прості по конструкції, надійні в роботі і використовуються для відхилення інтерцепторів, що мають невеликі шарнірні моменти. Приводним двигуном таких РМ служить електромагнітний соленоїд, обмотка якого включає реле, що працює за сигналом СУ. Так як потужності невеликі, то можливе використання хімічних джерел струму.

Розглянемо будову і конструкцію наступного елементу приводів – механізмів управління (МУ), які призначені для передачі енергії від РМ при можливих деформаціях конструкції ЛА, незалежність дії різних каналів управління.

Конструкція МУ повинна мати мінімальну довжину комунікацій, мінімальні зазори і сили тертя в місцях з´єднання ланок, так як ці характеристики впливають на ефективність ЛА. В склад МУ входять силова проводка, механізми диференційного управління, зміни передаточного числа автопілоту, стопоріння рулів та інші пристрої.

Конструкція силової проводки може бути гнучкою, яка виконується за допомогою тросів; жорсткою, яка складається з качалок, тяг, валів, ричагів і змішаною. Довжина силової проводки суттєво залежить від геометричних розмірів ЛА і його внутрішньої компоновки. Зазвичай прагнуть зменшити довжину комунікацій за рахунок розміщення РМ в безпосередній близкості до органу управління.

Гнучка проводка використовується на ЛА невеликих розмірів і малій маневреності, тобто при невеликих управляючих силах. Маса такої проводки – невелика, але троси пружинять і внаслідок її пружної деформації з´являється подібність люфтів.

Жорстка проводка забезпечує зворотно-поступальний рух тяг або обертання валів. При цьому може використовуватись велике число рухомих з´єднань, які приводять до люфтів. В змішаній проводці використовується комбінація гнучкої і жорсткої.

Розглянемо характеристики жорсткої проводки.

Вали виконуються у вигляді полих труб, до яких зварюванням або за допомогою штифт-болтових з´єднань прикріплюються ричаги. Ричаги – ланки кінематичного ланцюга, до яких приєднуються тяги або безпосередньо рульові машини. Вони працюють на крутіння, ричаги – на згинання.

Тяги використовуються для дистанційної передачі зусиль від РМ до органів управління і виконуються у вигляді дюралевих або стальних трубок. Для з´єднання з іншими елементами проводки на їх кінцях розміщуються спеціальні наконечники типа “вухо” або “вилка”, довжина яких може регулюватись і фіксуватись гайкою для компенсації неточностей виготовлення і зборки механізму. З´єднання тяг мають гнучкі перемички для ліквідації розрядів статичної електрики.

Качалки використовуються для підвішування тяг при їх великій довжині і для зміни напрямку їх руху. Для кріплення качалок до елементів силового набору НП і корпусу використовують кронштейн 1 різної конфігурації.

Конструкція з´єднань всіх елементів проводки виконується з використанням сферичних шарикопідшипників, щоб забезпечити першу вимогу, що пред´являється до МУ.

Друга вимога забезпечується застосуванням в МУ елементів диференціального управління рулями. Суть диференціального управління полягає в тому, що за командою каналу тангажа (рискання) рулі відхиляються на один і той же кут за рахунок жорсткого зв´язку між рулями. За командою каналу крену рулі відхиляються від цього положення на однаковий кут, але з різними знаками за рахунок застосування шарніру Гука – пристрою дозволяючого передавати обертання при переломі вісі. Для забезпечення роботи механізму часто використовується на кінцях ричагів скользящий шаровий шарнір, який дозволяє передавати обертання при зміні площини обертання. Робочі поверхні шарніру ретельно обробляються для забезпечення його зносостійкості на стирання.

На деяких ЛА в місці розміщення рулів за умовами компоновки не вдається розмістити повністю МУ з наскрізною віссю рулів. В цьому випадку застосовуються розрізні вісі рулів, які пересікаються, кожен з яких має індивідуальну РМ з електричним диференціалом.

В деяких випадках при експлуатації ЛА необхідно мати механізми зміни передаточного числа (МЗПЧ) від РМ до органів управління і механізми стопоріння рулів. МЗПЧ призначений для коректування кутів відхилення рулів при зміні швидкісного напору для виконання певного маневру на різних висотах, так як система управління в цьому випадку передає однакові управляючі сигнали на РМ, тобто МЗПЧ зменшує кут відхилення рулів при великих, збільшує при малих швидкісних напорах, а також служить обмежувачем допускаємого перевантаження за умовами міцності.

Найбільш простий за конструкцією – пружинний МЗПЧ.

При збільшенні швидкісного напору пружина розтягується, в результаті зменшення хода штока РМ, і навпаки.

Аналогічно працює і МЗПЧ з торсіоним стержнем, який при тих чи інших швидкісних напорах скручується на певну величину в залежності від його жорсткісних характеристик, а руль повертається на внутрішній парі підшипників в сторону, протилежну дії РМ. В результаті цього при великих швидкісних напорах кут відхилення руля зменшується, а при менших їх значеннях – збільшується.

З відомих МЗПЧ ще необхідно відмітити електромеханічні, в яких управляюча команда в залежності від швидкісного напору подається на електродвигун через редуктор, що обертає черв´ячний гвинт. Тим самим зменшується або збільшується плече в залежності від швидкісного напору.

Механізми стопоріння рулів на ЛА застосовуються на другій ступені при роботі першої, при транспортуванні ЛА носієм в деяких програмних польотах і т.д. Конструктивно механізми стопоріння виконуються у вигляді запору качалки спеціальним ричагом, який звільнюється по команді в необхідний момент часу.