В данной статье проведено теоретическое исследование целесообразности усовершенствования системы автоматического управления вертолетом. Представлен анализ логики работы системы и её модернизации с целью реализации новых функций управления вертолетом.
Ключевые слова: вертолетная техника, САУ, автопилот, ВУП, КСУ, управление вертолетом, авионика, СДУ, система автоматического управления, комплексные системы управления.
Первый вертолет появился около 80 лет назад. Управление этим летательным аппаратом требовало высокого мастерства и постоянного внимания от летчика. И даже при благоприятных полетных условиях отсутствие одного или двух этих факторов могло привести к катастрофическим последствиям, т. к. ночной полет и полет по приборам были невозможными. После чего произошли значительные изменения в конструкции вертолета и авионике, что сделало реальностью даже полет по приборам с одним пилотом, в то же время реализовав основные задачи-преимущества, включая значительное повышение безопасности и более широкое использование вертолета. Это стало возможным благодаря системам автоматического управления полета вертолетов.
Уже сегодня на рынке для многих вертолетов, производимых в настоящее время, доступен всё более широкий спектр автоматических систем. Эти системы могут быть простыми, например, визуализация информации о состоянии полета или могут быть очень сложными, объединяя функции повышения устойчивости путём демпфирования возмущений от потока встречного ветра с функциями автоматического управления полетом, способную к висению и выходу на заданную высоту. Эти передовые системы не уступают всему, что предлагается в мире по разработке самолетов. Как обычно, существует ряд сокращений, таких как КСУ (комплексные системы управления), которые включают в себя функции: САУ (системы автоматического управления), СДУ (системы дистанционного управления), СОС (система ограничительных сигналов), ОПР (система активного ограничения предельных режимов) и СИПЭ (система интеллектуальной поддержки экипажа).
Одной из наиболее значимых систем вертолёта, во многом определяющих безопасность полётов и эффективность его применения, является система управления полётом. Она относится к «системам с полной ответственностью», то есть к системам, напрямую влияющим на безопасность каждого полёта. А для многоцелевых легких вертолетов, наряду с безопасностью полёта, важны и такие показатели, как количество вертолетовылетов за заданное время, экономичность и эксплуатационная технологичность. Указанные характеристики в значительной степени будут определяться уровнем конструктивного совершенства системы управления полётом.
Сравнение крыла самолета с лопастью несущего винта вертолета
Сравнивая функциональность крыльев самолета и лопастей несущего винта вертолета, мы видим, что крылья создают подъемную силу, а лопасти вертолета — тягу, крутящий момент и подъемную силу.
По сравнению с рулем направления самолета и хвостовым (рулевым) винтом вертолета, оба используются для демпфирования рыскания (путевой устойчивости). Но в тоже время хвостовой винт вертолета ещё и противодействует крутящему моменту от несущего винта, создавая реактивный момент.
Большинство самолетов по своей природе устойчивы. Если установить самолет в желаемое положение, убрать руки с ручки управления самолетом (штурвала) — то он довольно хорошо сохранит стабилизацию положения в полете. Чего нельзя сказать о вертолетах, по своей сути это нестабильные летающие аппараты. Пилотов вертолета с первого дня учат не убирать руки с органов управления (циклического, общего и дифференциального шага). Иногда это является проблемой для пилотов, и они переходят на высококлассные сложные вертолеты, где полет без рук возможен и является нормой. [3]
Особенность вертолета в отличие самолета заключается в том, что его несущая система подвижна относительно фюзеляжа. Управление летательным аппаратом происходит только за счет автомата перекоса, который, наклоняясь относительно вала несущего винта, изменяет не только горизонтальную силу, но и момент, относительно центра масс. Управление общим шагом вертолета позволяет увеличивать подъёмную силу одновременно на всех лопастях несущего винта, что приводит к увеличению высоты полета. В несущую систему входит несущий винт, который имеет собственную динамику, приводящую к запаздыванию управления. Рулевые машинки (РМ) из системы управления нагружаются переменными, периодическими силами от несущего винта, что отсутствует в самолете. [1, с.44]
Комплексная система управления — КСУ
Система КСУ при информационном обеспечении комплекса КБО предназначена для обеспечения ручного, директорного и автоматического управления вертолетом.
В состав КСУ входят следующие изделия:
центральный вычислитель управления (ЦВУ);
интегральный блок датчиков (ИБД);
ручка продольно-поперечного управления (РППУ);
боковая ручка управления общим шагом (РОШ);
электромеханизм триммера педалей (ЭМТ-П);
пульт управления (ПУ);
пульт перезапуска (ПП);
рулевой электромеханический привод (РЭМП);
блок резервированных электрогидравлических агрегатов (БГА);
элементы управления и коммутации.
Центральным вычислителем КСУ является вычислитель ЦВУ. ЦВУ обеспечивает проведение необходимых вычислений в КСУ, управление подсистемами КСУ, обмен информацией с взаимодействующими системами.
Пульт управления ПУ совместно с пультом перезапуска обеспечивают включение режимов, индикацию включения и отказов режимов, индикацию отказов каналов, а также перезапуск КСУ.
Каждый из четырех интегральных блоков датчиков ИБД выдает в ЦВУ угловые скорости и перегрузки. Четыре датчика ставятся в целях четырехкратного резервирования информации.
Ручки РППУ и РОШ совместно с педалями выполняют функцию органов управления вертолетом по курсу, крену, тангажу и высоте посредством управления рулевыми механизмами ЭМТ-П, РЭМП, БГА и датчиками ДПР.
Блок гидроагрегатов БГА — четырех четырехкратно резервированных рулевых механизмов, управляющих несущим винтом в каналах курса, крена, тангажа и высоты.
РППУ совместно с БГА обеспечивает управление несущим винтом в продольно-поперечных каналах, а также совместно с РЭМП — килевыми рулями.
РОШ одновременно с ЭМТ-П и БГА необходим в управлении в канале высоты.
С помощью кнопок, расположенных на РППУ и РОШ, обеспечивается включение, отключение режимов автопилота, управление перемещением вертолета.
Управление каналом курса производится педалями, передающими управляющий сигнал на рулевой механизм из состава БГА.
Датчик положения троса ДПТ выдает текущие отклонения троса с грузом в продольном и поперечном направлении и используется для стабилизации положения груза на внешней подвеске.
Для обеспечения решаемых вертолетом задач КСУ осуществляет информационное взаимодействие по основной схеме сопряжения со следующими системами и устройствами:
электронно-вычислительными машинами (ЭВМ);
системой управления общевертолетным оборудованием (СУОВО);
гидросистемой (ГС);
инерциальными навигационными системами (ИНС);
системой речевого оповещения (СРО);
рукоятками, устанавливаемыми на РОШ, РППУ;
аппаратурой объективного контроля и регистрации параметров (БСР);
системой автоматической сигнализации (САС);
и резервной схеме сопряжения со следующими системами и устройствами:
информационным комплексом высотно-скоростных параметров (ИКВСП);
радиовысотомером;
доплеровским измерителем скорости и угла сноса (ДИСС);
радиосистемой ближней навигации (РСБН).
Информационное взаимодействие КСУ представлено на рисунке 1.
КСУ получает информацию от взаимодействующих систем как напрямую, так и через две резервирующих друг друга ЭВМ.
Изделия ЭВМ выдают в КСУ необходимую навигационную и управляющую информацию для выполнения пилотажных режимов.
Изделия ИНС, СНВ и ИСРП — в КСУ информацию об углах положения вертолета, угловых скоростях и линейных перегрузках.
Датчики высотно-скоростных параметров ВВД и ИСРП и СНВ выдают в КСУ информацию о барометрической высоте, приборной и бароинерциальной скоростях, угле скольжения и угле сноса.
Изделия ППА, ИНС и СНВ — в КСУ информацию о текущем географическом положении вертолета.
Изделия ДИСС, ИНС, СНВ выдают информацию о векторе путевой скорости.
Изделие Радиовысотомер — геометрическую высоту над подстилающей поверхностью.
Изделие РСБН выдает азимут и дальность до радиостанции, а также информацию об отклонении от равносигнальной зоны глиссадных маяков.
Датчики обжатия шасси, наличия давления в гидросистемах, остатка топлива, вращения винтов, а также элементы коммутации на органах управления и приборных досках летчиков — необходимые разовые команды.
Структура указанных связей и передаваемой по ним информации определяется протоколами информационного взаимодействия между изделиями. [2, с.61]
КСУ имеет следующие режимы работы как автономно, так и во взаимодействии с КБО:
Режимы пилотирования:
режим «Автоматическая балансировка»
В режиме обеспечивается компенсация перекрестных связей между каналами управления, стабилизация углов крена и тангажа, демпфирование колебаний и улучшение управляемости по крену, тангажу и курсу, а также стабилизация угла курса либо выполнение координированного разворота — в зависимости от текущего угла крена. Также выполняется ограничение углового положения вертолета по крену, тангажу и курсу с целью невыхода за эксплуатационные ограничения.
режим «Автоматическое триммирование»
Предназначен для автоматического триммирования в каналах крена, тангажа, курса, и высоты.
режим «Стабилизация барометрической высоты»
В режиме обеспечивается автоматическая стабилизация текущей барометрической высоты.
режим «Стабилизация геометрической высоты»
Режим необходим для автоматической стабилизации текущей геометрической высоты.
режим «Стабилизация приборной скорости»
В режиме обеспечивается автоматическая стабилизация текущей приборной скорости.
режим «Стабилизация вертикальной скорости»
В режиме обеспечивается автоматическая стабилизация текущей вертикальной скорости.
режим «Выход на заданную барометрическую высоту»
В режиме производится автоматический выход на заданную барометрическую высоту.
режим «Выход на заданную геометрическую высоту»
В режиме обеспечивается автоматический выход на заданную геометрическую высоту.
режим «Выход на заданную приборную скорость»
Режим предназначен для автоматического выхода на заданную приборную скорость.
Режим «Стабилизация малых скоростей»
В режиме обеспечивается автоматическая стабилизация установленных летчиком продольной и поперечной поступательных скоростей
в горизонтальной плоскости.
Режим «Приведение к горизонту»
Режим необходим для вывода вертолета к околонулевым значениям крена и тангажа с остановкой вращения вертолета, вывод вертолета на безопасную высоту и рекомендуемую скорость.
Траекторные режимы:
режим «Маршрут»
В режиме обеспечивается полет по заданному маршруту путевым, маршрутным или комбинированным способом.
режим «Возврат»
Режим производит возврат вертолета в точку вылета.
режим «Висение»
Режим обеспечивает стабилизацию места зависания вертолета по текущим координатам и геометрической высоте, в том числе с выпущенной гидроакустической системой.
режим «Вертикальное снижение»
Режим необходим для вертикального снижения вертолета с постоянной скоростью до выбранной летчиком высоты зависания с последующей её стабилизацией.
режим «Заход»
Режим обеспечивает заход на посадку на аэродром по сигналам посадочных радиосистем аэродрома.
режим «Уход на второй круг»
Режим производит уход на второй круг с набором высоты при прерванном заходе на посадку на оборудованные аэродромы.
Модернизация КСУ:
Используя информацию о взаимодействии изделий между собой в КСУ, возможно рассмотреть усовершенствование режима «Заход» при посадке вертолета на палубу корабля.
Главная проблема посадки вертолета на корабль заключается в том, чтобы рассчитать движение посадочной платформы в момент приземления. Заранее предсказать точное движение практически невозможно. Когда пилот приземляет вертолет, он должен на основании своего опыта оценить, возможна ли безопасная посадка.
Чтобы решить данную проблему необходимо установить прямую связь между вертолетом и кораблём, для передачи информации о месте нахождения и расчета захода на посадку.
Также данная модернизация позволит летчикам вертолета найти корабль в открытом море и точно определить его месторасположение, что является важным преимуществом по отношению к уже реализованному режиму «Заход».
Существует несколько вариантов модернизации системы. В качестве примера, рассмотрим предложение АО «Навигатор». Общество разработало многофункциональную систему навигации и посадки «Корма». [4]
Для выполнения данной модернизации необходимо на вертолете и корабле установить дополнительные блоки (изделия):
1. На корабле установить самолетный ответчик (СО), а также доработать центральный вычислитель управления (ЦВУ) для возможности передачи сигнала. *
2. На вертолете установить малогабаритную систему наблюдения за воздушной обстановкой (МСНВО) и доработать центральный вычислитель управления (ЦВУ) для возможности передачи сигнала. **
Описанная логика работы и передаваемые сигналы показаны на рисунке 2.
Рис. 2. Логика работы САУ и передаваемые сигналы во взаимодействии с кораблем
* На корабле установлен блок МСНВО в штатной конфигурации.
** На вертолете установлен самолетный ответчик (СО) в штатной конфигурации.
Заключение
В данной статье была показана важность автоматических систем в управлении вертолетом. Рассмотрена общая логика работы КСУ, на основании которой, была предложена модернизация режима «Заход».
Имеющееся функция «Заход» в система автоматического управления вертолетом, позволяла осуществлять посадку на аэродром по сигналам посадочных радиосистем аэродрома.
Усовершенствованная функция позволят летчикам вертолета, определить точное месторасположение корабля. В автоматическом режиме подвести вертолет к палубе на расстоянии 5–10 метров, по сигналам напрямую получаемых от корабля. И в ручном режиме осуществить посадку.
Литература:
- Кожевников В. А. «Автоматическая стабилизация вертолёта». Москва, 1977 г.
- John Wiley & Sons «Helicopter Flight Dynamics: Including a Treatment of Tiltrotor Aircraft» 2018 г.
- TranspoDepth [электронный ресурс]// http://www.transpodepth.ru/radep-514.html
- Военно-технический сборник «Бастион»: Многофункциональная система навигации и посадки Корма. 27.04.2019 г. [электронный ресурс]// http://bastion-karpenko.ru/korma-posadka/
