Системы механизации в авиации

Положение самолёта в пространстве управляется отклоняемыми плоскостями, однако принципы передачи команды от лётчика к ним и принципы работы весьма разнообразны. Данная статья описывает основные системы механизации, устанавливаемые на самолёте, их основные достоинства и недостатки.

Системы управления делятся на следующие основные виды:

• Механическая,
• Пневматическая,
• Гидравлическая,
• Электрическая.

Механика

Механические системы приводятся в действие через тросы, ролики и иные кинематические звенья человеком. Обладая крайне малой массой, они требуют от лётчика для работы больших усилий или времени на их использование, из-за чего ручные системы уборки и выпуска закрылков и шасси после появления в начале 30-х годов стали быстро вытесняться в середине десятилетия пневматикой и гидравликой, частично оставаясь на новых отдельных машинах до конца десятилетия.

Как механизм управления плоскостями они применялись с момента возникновения первых самолётов и устанавливается на всех самолётах, но с появлением реактивной авиации и возросшими скоростями полёта на рули и элероны действует большая нагрузка от воздушного потока, для преодоления которой лётчику требуется больше усилий. Для увеличения эффективности управления самолётом применяют бустерную систему, которая представляет собой гидроусилитель, или электромеханизм, управляемый бортовой системой.

Пневматика

В пневмосистемах все действия выполняются сжатым газом, а силовые цилиндры отличаются низкой мощностью и небольшой прочностью, из-за чего пневмоцилиндр закрылка может быть повреждён на средних скоростях полёта (300+ км/ч), а процесс уборки и выпуска тяжёлых стоек шасси требует значительное количество времени.

Вторым недостатком пневмосистем является трудность выставления штока пневмоцилиндра в промежуточном положении, из-за самолёты с данной системой имеют только крайнее (Spitfire, истребители Як) выпущенное положение выпуска закрылка за редкими исключениями (например, на И-185 была возможность отклонения закрылков на 15 промежуточных позиций).

Низкая мощность пневмосистемы и возможность установки силовых цилиндров только в двух крайних положениях ограничивала применение системы, не позволяя использовать её как основную систему на больших самолётах, однако благодаря низкому весу она применялась как основной на истребителях и могла устанавливаться в качестве аварийной, которая должна была выпустить закрылки и шасси при отказе гидравлической системы.

Гидравлика

Гидросистемы похожи на пневмосистемы, однако вместо воздуха основным элементом является жидкость, главным образом масло. Элементы гидросистемы должны быть более прочными, из-за чего система имеет большую массу, однако, в сравнении с пневматикой, способна выдавать большую мощность, а жидкость может использоваться как гидрозамок, что позволяет выпускать гидроцилиндр на любую длину штока и зафиксировать его.

Гидравлическая система может использоваться для управления рулями и элеронами через гидроусилитель или бустер. Данное решение значительно увеличивает эффективность управления на большой скорости полёта.

Кроме массы, недостатком также является огнеопасность и низкая живучесть к боевым повреждениям. Огнеопасность вызвана тем, что в гидравлических системах в качестве жидкости используется машинное масло, которое при утечке может воспламениться из-за огня или искры. Низкая живучесть гидросистем возникает из-за размеров, занимаемые элементами системы (особенно на небольших истребителях) и потери работоспособности при возникновении утечки рабочей жидкости хоть в одном трубопроводе, пока в пневматике возможно подавать в систему внешний воздух с помощью компрессоров, работающих от двигателей.

Электросистема

Электросистемы. Главным преимуществом данного типа систем является низкий вес и простота системы, однако на момент появления уже использовались пневмо- и гидросистемы, которые распространились и закрепились в авиации как надёжные приводы. Кроме того, недостатком электроприводов является низкая мощность электроцилиндров по сравнению с гидро- или пневмо-цилиндрами, но электромоторы обладают большой мощностью, сравнимой с гидромоторами.

В современных самолётах для отклоняемых поверхностей используется ЭДСУ (Электродистанционная система управления), в которой управление выполнено не напрямую к управляющим поверхностям, а через бортовую систему, которая отправляет сигналы управления с учётом данных, получаемые с датчиков самолёта.

Связанные системы

Обычные системы управления являются крайне распространёнными, однако конструкторы в стремлении использовать все возможности аэродинамики самолётов разработали конструктивные элементы, направленные на улучшение отдельных характеристик. В игре присутствуют следующие системы:

• Смешанные управляющие поверхности,
• Ограничение отклонения поверхности,
• Крыло изменяемой стреловидности.

Смешанные управляющие поверхности

Для улучшения управляемости самолёта при некоторых параметрах полёта некоторые управляющие поверхности могут выполнять сразу несколько операций.

Среди смешанных управляющих поверхностей самыми встречаемыми являются флапероны. Флапероны (от англ. Flaperon, Flap (закрылок) + Aileron (элерон)), или элероны-закрылки, представляют собой элерон, который может быть опущен на некоторый угол для создания подъёмной силы при сохранении работы в качестве элерона. Для опускания закрылка в кинематическую схему добавляется звено, ведущее от системы управления закрылками и опускающий элерон вниз.

Флапероны в 30-е и 40-е годы наиболее часто можно встретить на немецких самолётах самых разных типов (от истребителей He 100 и Bf 109 до бомбардировщиков Ju 88/188 и He 177), однако кроме них данную систему можно встретить и у других стран, например, на Swordfish и И-15.

В более современных самолётах ЭДСУ упрощает задание отклонения поверхностей, не требуя разрабатывать сложные гидравлические или механические схемы. Вместе с тем, что отклонение управляется бортовой системой с учётом датчиков, отклоняемые поверхности могут работать сразу в нескольких ролях (например, на истребителях Eurofighter Typhoon на задней кромке крыла поверхности одновременно выполняют роль элеронов, рулей высоты и закрылков).

Ограничение отклонения поверхности

При отклонении управляющей поверхности на неё начинает действовать нагрузка от воздушного потока, который при чрезмерной величине может привести к повреждению отклоняемой поверхности или поломке механизма управления. Для противодействия этому вводятся системы, ограничивающие угол отклонения.

Наиболее распространёнными являются две системы: система регулирования выпуска закрылков и ЭДСУ.

Система регулировки выпуска закрылка (в СССР такие закрылки называли «плавающими») в первую очередь предназначена для защиты силового цилиндра от разрушения. Возможными причинами его поломки могут быть расширение гидравлической смеси из-за повышения температуры или увеличение скорости самолёта выше допустимого. Для избегания поломок инженеры применяют несколько конструкторских решений, наиболее распространённым из которых является установка в гидравлическую схему закрылков предохранительного клапана, который при превышении давления жидкости в полости цилиндра открывается и выпускает рабочую жидкость в линию слива обратно в гидравлический бак, снижая давление в полости цилиндра.

ЭДСУ, кроме задачи управления, также выполняет функции ограничителя предельных углов отклонения управляющих поверхностей, не позволяя самолёту превысить предельную перегрузку или угол атаки, что уменьшает вероятность попадания в штопор или сваливание. В некоторых случаях данная функция может быть отключена лётчиком.

Кроме принудительного ограничения отклонения управляющей поверхности или закрылков, у самолёта могут присутствовать система принудительного выпуска воздушного тормоза при достижения максимальной скорости полёта. Данная система обычно устанавливается на учебных самолётах (например, на L-39) и в некоторых случаях на боевых самолётах (например, на первых самолётах МиГ-17).

Крыло изменяемой стреловидности

Крыло изменяемой стреловидности было результатом решения проблемы взлётно-посадочных характеристик сверхзвуковых истребителей, когда необходимые для преодоления звукового барьера небольшие по площади крылья при низких скоростях давали малую подъёмную силу, из-за чего самолётам была необходима взлётная полоса большой длины.

Конструктивно крыло выполняется из подвижной консоли, которая поворачивается на малый угол для повышения подъёмной силы или на большой угол для уменьшения лобового сопротивления и преодоления звукового барьера. Крыло изменяемой стреловидности использовалась ограниченно, устанавливаясь на самолётах 60-х и начала 70-х годов, после чего по мере развития аэродинамики и технологий на истребителях данное решение применялось ограниченно (Самолёты Tornado, Су-17/22, тяжёлые сверхзвуковые бомбардировщики Ту-22, Ту-160, B-1 Lancer).

Источники

• Сутугин Л. И. Проектирование частей самолета.
• Поликарпов Н.Н., Майоранов Е. И. Конструкция самолетов. Том 1.