Аэродинамическая компоновка и активные системы управления

Проектировщики практически исчерпали все возможности повышения эффективности самолета за счет выбора оптимальных параметров схемы (аэродинамической компоновки).
Применение активных систем управления или техники активного управления открывает перед проектировщиками большие возможности для успешного выполнения сложных ТЗ на проектирование. Техника активного управления предполагает, что в процессе полета часть управляющих воздействий на самолет не зависит от действий летчика, а определяется автоматической системой управления (АСУ), обладающей значительно большими, чем летчик, быстродействием и точностью дозирования управляющих сигналов.

Рис. 7.98. Укрупненная блок-схема управления самолетом с АСУ

Традиционный контур системы управления самолетом (см. рис. 7.33) дополняется обеспечивающими технику активного управления устройствами, взаимодействие которых с традиционной системой иллюстрируется рис. 7.98.

Летчик управляет самолетом, отклоняя рулевые поверхности с помощью гидравлических рулевых приводов.
Независимо от летчика на приводы рулевых поверхностей и, соответственно, на рулевые поверхности подаются управляющие сигналы, сформированные бортовым комплексом цифровых вычислительных и аналоговых машин.
Бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ), имеющие мощное программное обеспечение, вырабатывают управляющие сигналы на основе информации о потребной программе полета и действиях летчика, а также о реальных параметрах движения самолета, выдаваемых набором датчиков.
Информацию о скорости полета выдают приемники воздушного давления, о высоте полета - различные высотомеры. Работающие как флюгеры в потоке обтекающего самолет воздуха датчики углов атаки и скольжения (ДУАС) выдают информацию о положении самолета относительно вектора скорости набегающего потока. Акселерометры (от лат. accelero - ускоряю и греч. metreo - измеряю) измеряют ускорение самолета в продольном, поперечном и вертикальном направлениях. Гироскопы (от греч. gyros - круг, gyreuo - вращаюсь и skopeo - смотрю) выдают информацию об углах тангажа, крена, рыскания и угловых скоростях вращения относительно всех трех осей.
Программное обеспечение БЦВМ может предусматривать различные концепции техники активного управления.
Наиболее существенное влияние на эффективность самолета и его аэродинамическую компоновку может оказать концепция обеспечения "искусственной" устойчивости самолета. В этой ситуации размеры оперения выбираются таким образом, чтобы самолет имел минимальный запас "естественной" устойчивости или был неустойчивым. Это позволяет уменьшить размеры оперения, как следствие - массу самолета, размеры крыла, лобовое сопротивление. При любых отклонениях самолета от положения балансировки АСУ отклоняет соответствующие рулевые поверхности, корректируя положение самолета, и самолет без участия летчика, который даже не успевает заметить это, возвращается в исходное положение.
Для того чтобы обеспечить необходимое быстродействие АСУ (до 40-50 коррекций в секунду), приходится отказываться от традиционных проводок управления и переходить на проводные (электродистанционные или волоконно-оптические) системы, связывающие все элементы АСУ. Чтобы обеспечить надежность и безотказность таких систем на уровне традиционных механических систем, ведется трех-, четырехкратное резервирование всех элементов системы.

Рис. 7.99. Самолет с НУПС и НУБС

АСУ с помощью традиционных органов управления (рули высоты, элероны, руль направления), средств механизации крыла (предкрылки, закрылки) и новых поверхностей оперения (рис. 7.99) - дополнительного переднего (носового) вертикального 1 и горизонтального 2 оперения позволяет реализовать концепции непосредственного управления подъемной силой (НУПС) и непосредственного управления боковой силой (НУБС). Совместное отклонение традиционных и новых поверхностей управления позволяет изменить угловое положение самолета в пространстве без изменения траектории или изменить траекторию без изменения углового положения самолета, т. е. независимо изменять положение самолета по трем угловым и трем линейным координатам.
Естественно, что анализ и выбор концепций техники активного управления, которые при заданном ТЗ позволят улучшить ЛТХ или экономические характеристики проектируемого самолета, должен производиться на самых ранних этапах проектирования, поскольку это оказывает существенное влияние на конфигурацию и параметры аэродинамической схемы самолета.
В конечном итоге разрешение проектных противоречий, возникающих при проектировании самолета по все усложняющимся ТЗ, возможно не за счет выбора оптимальных проектных параметров самолета традиционной концепции, а за счет выбора какой-либо новой нетривиальной концепции, сформированной с учетом широкого применения новейших достижений, в том числе и техники активного управления.
Активные системы управления не только повышают ЛТХ, но и существенно улучшают условия работы высоконагруженной конструкции ЛА.