Воскресенье, 28.02.2021, 15:18
Приветствую Вас Гость | RSS
Восемнадцатая олимпиада посвящена 100-летию наследия Н.Е.Жуковского
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Работы 1-го тура » Готовые работы

Автоматические системы управления и стабилизации в современных самолетах вертикального взлета и посадки

Автор: Казанцев Никита Андреевич
Возраст: 18 лет
Место учебы: ГУАП (Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения)
Город, регион: Калининградская область, Гурьевск

Автоматические системы управления и стабилизации
в современных самолетах вертикального взлета и посадки

Введение 

20 век, необходимо признать веком авиации и авиационных технологий, которые откроют человечеству книгу великого космоса и раскроют тайны микроэлектроники. Сегодня, всемирно известные  фамилии авиаконструкторов, имена людей которые повлияют на развитие авиации 20-21 века, Братья Уилбер и Орвилл Райт, А.Н. Туполева, А.Фарман, ученых Н.Е Жуковски., Б.С. Стечкин, могут скрываться за тенью своих заслуг. Так, в наши дни К.Э.Циолковский предстает перед нами не только как основоположник теоретической космонавтики, но и как выдающийся исследователь, ученый в области воздухоплавания, авиации. В 1894 году он опубликовал в журнале «Наука и жизнь»  статью «Аэроплан, или птицеподобная летательная машина». В этой работе была высказана мысль о применение на самолёте автопилота. Рассматривалась идея, использовать в качестве автопилота гироскоп.

Тема моей работы «Автоматические системы управления и стабилизации в современных самолетах вертикального взлета и посадки» сформирована  на основании двух вопросов « Кто стоял у истоков советской авионики?» и  «СВВП: в чём их достоинства и недостатки?». Так почему выбор тем именно такой? В процессе проектирования пилотажной радиоуправляемой модели самолета, в частности размещая аккумуляторы, я обнаружил зависимость  расположения центра тяжести ЛА. Если я добивался по расчетам правильной центровки, то ЛА снижал пилотажные свойства, если аккумуляторная батарея смещалась к хвостовой части самолет становился сильно не устойчив, и требовалось установка электронного стабилизатора. Параллельно занимаясь разработкой конвертоплана, в котором  электронная система стабилизации критически важна, я решил узнать о истории подобных решений. Именно практический опыт помог с выбором темы для изучения вопросов олимпиады.

Самолёт вертикального взлёта и посадки (далее СВВП) — самолет, способный взлетать и садиться при нулевой горизонтальной скорости, используя тягу двигателя, направленную вертикально.

Основная часть

История

Первая разработка в области автоматического управления самолётом была сделана в США в 1912 году компанией Sperry Corporation. Автопилот помогал автоматически удерживать курс полёта и стабилизировать крен. Гидравлический привод с блоком, получающий сигналы от гирокопаса и высотомера, был связан с рулями высоты и направления. Устройство назвали «гироскопическим стабилизирующим аппаратом», впервые установили на самолёт Curtiss C-2 и показали на выставке во Франции 18 июня 1914 года. В 1914, рамках демонстрации во время полёта оба пилота вылезли на крылья самолёта, чтобы показать способность летательного аппарата  продолжать полёт без ручного управления.

Смысл автопилота состоит в том, чтобы система поддерживала правильную ориентацию аппарата. В случае с самолётом ориентация в пространстве определяется тремя углами. Это угол тангажа — угол между продольной осью летательного аппарата и горизонтальной плоскостью, угол рыскания — угол поворота корпуса в горизонтальной плоскости, и угол крена — он возникает при повороте самолёта вокруг продольной оси.

Для сохранения ориентации необходимо её определить, и в этом помогает гироскоп. Американский лётчик Элмер Сперри использовал его, чтобы сначала просто стабилизировать самолёт, а затем и создать автопилот в начале 1920-х годов. Первые приборы в системах стабилизации были гирогоризонт и гировертикант.

Гирогоризонт предназначен для стабилизации ЛА по углу тангажа. Он же задает  программу изменения угла тангажа. Гироскоп этого прибора помещен так, что ось ротора горизонтальна и лежит в плоскости полета ЛА.

Гировертикант обеспечивает стабилизацию по курсу и крену. Ось ротора расположена перпендикулярно плоскости полета. Поэтому гироскоп оказывается нечувствительным к изменению угла тангажа ракеты, но реагирует на повороты и курсовые отклонения.

Применение автопилота необходимо не только для того, чтобы снизить нагрузку на живого человека во время управления, но и для управления торпедами и ракетами, когда пилота внутри них нет и не может быть.

Если первый автопилот мог сохранять заданный режим полёта, то последующие системы управляли рулями и двигателями самолёта и могли не только летать без участия лётчика, но и взлетать и садиться.

В 1947 году американский военно-транспортный самолёт Douglas C-54 Skymaster, построенный на базе пассажирского DC-4, перелетел через Атлантический океан под управлением автопилота. И взлёт, и посадка были осуществлены в автоматическом режиме.

Так же отличный пример раннего автопилота — немецкая баллистическая ракета дальнего действия «Фау-2», которую в конце Второй мировой войны принял на вооружение Вермахт. Ракета взлетала вертикально, после чего в действие вступала автономная гироскопическая система управления.

В России свою историю системы автоматического пилотирования начали еще в 1873 году. Согласно исследованию, опубликованному в 1962 году доцентом МАТИ Г. А. Сломянским, инновации в сфере авиационных приборов начались в российском воздухоплавании куда раньше: первые в России авиационные приборы были использованы в ходе полёта на воздушном шаре еще в 1804 году. А На Всемирной выставке в Вене (1873 год) русскими воздухоплавателями был продемонстрирован первый в мире автопилот!

Во время первой мировой войны частичное производство авиаприборов было возложено на Центральную аэронавигационную станцию г. Киева, возглавляемую профессором, летчиком-поручиком А.А. Фридманом. Он первый выдвинул идею строительства отечественного завода авиационных приборов.

В СССР к теме автопилотов проявлялся большой интерес, о чём говорит издание «Основы теории автоматического пилотирования и автопилоты. Сборник статей». В книгу вошли переведённые статьи «Общая теория автоматического регулирования», «Автопилот Сименса для самолетов», «Гиропилот Сперри» и другие, описаны принципы автоматического пилотирования и конструкции автопилотов. 

Первое в СССР крупное предприятие, специализирующееся на производстве электроизмерительной аппаратуры, — завод «Электроприбор» (г. Ленинград) — вошел в строй в 1927 г. Здесь впервые в мире была организована конвейерная сборка приборов.

25 января 1941 года вышло постановление о создании в Ленинграде авиационного института (ЛАИ). Институт размещен в здании Чесменского дворца, в котором до этого размещался Ленинградский автодорожный институт (ЛАДИ) Наркомата внутренних дел. В годы войны шло бурное развитие не только самолетостроения – быстрыми темпами стало развиваться и бортовое оборудование, приборы и системы управления, для разработки, производства и эксплуатации которых требовались квалифицированные специалисты. В связи с этим в феврале 1945 года ЛАИ был преобразован в Ленинградский институт авиационного приборостроения (ЛИАП).

Перед продолжением исследования истории систем автоматического пилотирования ЛА и стабилизации, необходимо раскрыть связь пилотажно-навигоционного оборудования и автопилотов.

Термин «пилотажно-навигационное оборудование» (ПНО) обозначает здесь совокупность всех технических средств, используемых экипажем для управления полетом самолета. Такое определение удобно тем, что может быть использовано при рассмотрении ранних стадий развития авиации, когда пилотажно-навигационного оборудования практически не существовало, но управление полетом, безусловно, осуществлялось экипажем.

В процессе развития авиации пилотажно-навигационное оборудование претерпевало существенные изменения. Эти изменения находили отражение в изменении форм взаимодействия экипажа с пилотажно-навигационным оборудованием, в частности в перераспределении функции по управлению полетом между экипажем и этим оборудованием. Поэтому в различное время по-разному решалась задача обеспечения наилучшего взаимодействия человека и техники при управлении полетом.

В начале 20 века схема взаимодействия с ЛА и пилотом выглядела так:

Первый период - с начала XX в. до 30-х годов - характеризуется тем, что задачей системы управления в целом было обеспечение полетов самолета на небольшие расстояния при видимости горизонта и наземных ориентиров. В этих условиях практически все функции системы управления, как это показано на рисунке выполнял экипаж. Небольшое количество простейших пилотажно-навигационных приборов служило для уточнения представлений экипажа, полученных посредством органов чувств, о значениях некоторых параметров полета.

В начале 30-х годов стали интенсивно создаваться самолеты, способные нести большие грузы на большие расстояния. Необходимо было обеспечить круглосуточные полеты таких самолетов вне видимости земли в любых географических и метеорологических условиях. Решение этих задач оказалось возможным благодаря ознаменовавшему начало второго периода внедрению в систему двух новых структурных технических элементов:

  • автопилота, разгрузившего летчика от утомительной физической работы по стабилизации заданного режима на маршрутном полете.
  • новых приборов, способных доставлять всю необходимую информацию при полете вне видимости земли и горизонта. 

  Поэтому в середине 20 века, схема взаимодействия и управления ЛА пилотом выглядела так:

Третий период развития систем управления, начавшийся в середине  50-х годов, характеризуется резким повышением требований к точности управления траекторией полета вне видимости земли. Это связано с постановкой перед авиацией таких задач, как взлет, полет, заход на посадку в сложных метеорологических условиях и ряд других. Осуществить выполнение этих требований оказалось возможным только благодаря внедрению в систему управления четвертого структурного элемента - бортовых вычислительных машин, призванных компенсировать не достаточные быстродействие и точность экипажа при выполнении стандартных математических и логических операций.

Новые возможности повышения качества управления, открывающиеся благодаря использованию на борту вычислительных машин, позволили реализовать переходы в режимах пилотирования ЛА. Так мы плавно подходим к зараждению современого вида СВВП.

Разработка самолётов ВВП началась впервые в 1950-х годах, когда был достигнут соответствующий технический уровень турбореактивного и турбовинтового двигателестроения, что вызвало повсеместную заинтересованность в самолётах этого типа как среди потенциальных военных пользователей, так и в конструкторских бюро. Значительным импульсом в пользу развития СВВП послужило и широкое распространение в ВВС различных стран скоростных реактивных истребителей с высокими взлётными и посадочными скоростями. Такие боевые самолёты требовали длинных взлётно-посадочных полос с твёрдым покрытием: было очевидно, что в случае масштабных военных действий значительная часть этих аэродромов, особенно прифронтовых, будет быстро выведена из строя противником.

Перечисленные трудности заставили военных поверить в перспективность проектов самолета нового типа. В первую очередь, эта заинтересованность была именно со стороны военных. Для гражданской авиации это было дорого и не очень нужно. Поэтому прототипы или не вышли в серию, или и вовсе остались только на бумаге. Самым известным из них можно назвать Hawker Siddeley HS-141.

Так мог бы выглядет пассажирский СВВП Hawker Siddeley HS-141

Естественно, были созданы десятки прототипов, большую часть которых видели буквально несколько человек. Они терпели крушение уже во время первого полета, после чего в конструкции вносились изменения и самолет менялся до неузнаваемости.

В середине 1961 года техническая комиссия НАТО огласила требования к единому истребителю-бомбардировщику с вертикальным взлетом/посадкой. Это подтолкнуло отрасль к созданию сверхзвуковых СВВП. По прогнозам, в 60-70-х годах в войска стран, входящих в Альянс, должно было быть поставлено около 5000 новых самолетов.

Как не трудно догадаться, за такой лакомый кусочек военного пирога решили побороться буквально все. Среди компаний, которые занимались проектированием СВВП были такие монстры своего дела, как Мессершмитт, Локхид, Дассо, Ролс-Ройс и даже итальянский Фиат.

Главной проблемой производства единого самолета для всех стран НАТО было то, что компании проектировали самолеты принципиально разного типа. У каждой страны было свое видение того, каким должен быть СВВП — никто не хотели идти на уступки и соглашаться на монополию другого. Это очень сильно затормозило проект общего самолета, и компании продолжили проектировать собственные самолеты.

Прототип самолета Ryan X-13 Vertijet 1956 год.
Платформа понималась, после чего самолет не без труда взлетал.

Самым удачным оказался проект многоцелевого самолета British Aerospace Sea Harrier.  Первый полет этого самолета состоялся 20 августа 1978 года, а завершилась эксплуатация только в мае 2016 года. Всего было произведено 111 самолетов в трех модификациях. Это совсем не много. Для примера, можно сказать, что многоцелевой истребитель F-16 Fighting Falcon, первый полет которого состоялся в 1974 году, выпустили в количестве более 4600 единиц и продолжают выпускать. Многие страны стремились к успеху  Sea Harrier. Были разработаны ранние модификации  уже принятых на вооружение самолетов:

  • P.1150 английской фирмы «Хоукер-Сиддли» и западногерманской «Фокке-Вульф»;
  • VJ-101 западногерманского Южного Объединения «EWR-Зюд» («Бельков», «Хейнкель», «Мессершмитт»);
  • D-24 нидерландской фирмы «Фоккер» и американской «Рипаблик»;
  • G-95 итальянской фирмы «Фиат»; Мираж III V французской фирмы «Дассо»;
  • F-104G в варианте ВВП американской фирмы «Локхид» совместно с английскими фирмами «Шорт» и «Роллс-Ройс».

В Советском Союзе были разработаны свои, уникальные самолеты СВВП. В 1792 первый полет провела вертикально-взлетающая амфибия ВВА-14 конструкции Роберта Бартини.  Создавался как аппарат, имеющий возможность взлетать и садиться на воду и как обычный самолёт, и как самолёт вертикального взлёта и посадки. Однако из за сложностей с разработкой требуемых двигателей и авионики, проект закрыли, а имеющийся самолет так и остался экранопланом.

В основном в СССР программой СВВП занималось конструкторское бюро Яковлева. Разработки велись с 1960 года, а первой моделью стал Як-36. Выглядел он не очень симпатично, зато в целом справлялся со своими задачами. Задачи эти были исследовательскими, и для них было создано всего 4 самолета. Они даже не могли поднять мало-мальски серьезный вес вооружения — при демонстрационном полете над Домодедово в 1967 году использовались муляжи.

Действительно важным для страны самолетом стал Як-38, который на этапе разработки назывался Як-36М. Первая машина уже 15 мая 1970 года с бортовым № 05 была доставлена в ЛИИ , где прошла испытания на разработанном там кабель-кране. Самолёт подвешивали на высоте от 0 до 5 м и запускали двигатели. При этом проверялись температурные поля, регулировалась работа автоматики, отрабатывалось струйное управление. 22 сентября на этом же самолёте лётчик-испытатель ОКБ В. Г. Мухин выполнил первое свободное висение в полуметре от земли. 21 февраля 1972 года впервые выполнен вертикальный взлёт, переходный режим, полёт по кругу и посадка по самолётному, а уже 25 февраля выполнен полёт по полному профилю, с вертикальным взлётом, полётом по кругу и вертикальной посадкой. В апреле 1972 года заводские испытания были закончены, и на базе в/ч 15650 в г. Ахтубинск начат этап Государственных совместных лётных испытаний (ГСИ), продолжавшийся до сентября 1974 года. По результатам испытаний было рекомендовано допустить самолёт к эксплуатации в строевых частях и начать корабельные испытания на ТАКР пр. 1143. Одновременно начинаются работы совместно с кораблестроителями и ВМФ. Як 38 был лишен большинства проблем предыдущего ”тестового” поколения и на 27 лет стал основной советского и российского флота СВВП. На смену ему должен был прийти Як-141. Нужно отметить что Як первый в мире серийный сверхзвуковой СВВП, а учитывая запрет на эксплуатацию F35B на сверхзвуковых скоростях, 141-ый еще и единственный в своем роде. Его разработка началась еще в июне 1974 года. В первом квартале 1984 года была закончена сборка образца для наземных испытаний, который получил бортовой номер 48. Однако перевезти его из сборочного цеха на испытательную площадку удалось лишь к июню по причине задержки поставки первого двигателя. Испытания продолжались, и 9 марта 1987 года Андрей Синицын впервые поднял «сорок первого» в воздух и совершил на нём первый полёт по самолётному профилю. В июне 1987 года  был построен второй лётный образец,  получивший б/н 77. Испытания продолжались до 1991 года. 5 октября 1991 года в полдень начались испытательные полёты. Сначала слетал Синицын на первом лётном экземпляре. Затем должен был лететь Якимов на втором. Его самолёт был тяжелее — в баки было залито большее количество топлива, а на подкрыльевых пилонах были подвешены макеты ракет. Лётчик также совершил взлёт с коротким разбегом, сделал круг и начал заходить на посадку. Самолёт медленно приблизился и наконец завис над палубой. Однако он начал снижаться быстрее, чем следовало. Машина упала на палубу, основные стойки шасси пробили стенки бака с горючим, и начался пожар. После неоднократных команд руководителя полётов Владимир Якимов катапультировался, и его тут же подобрал экипаж спасательного катера. Лётчик не пострадал. Горящий же самолёт потушили, но оказалось, что восстановить его для полётов не представляется возможным. Авария «Яка» № 2 стала настоящим ударом для всей программы. Она послужила формальным поводом приостановить испытания.  В 2004 году программу свернули. 

Больше серьезных наработок и массовых моделей СВВП в нашей стране не было. 

Як 141 и F35

Но, по моему мнению, Як 141 мог стать перспективным развитием будущих СВВП, и я нахожу схожесть с современным самолетом Lockheed Martin F-35 Lightning II. Поэтому хочу сравнить два самолета более детально продемонстрировав неутешительные итоги . Несмотря на схожую внешность у самолетов имеются и кардинальные различия.  У F-35B как и у Як-141 применена комбинированная силовая установка Rolls-Royce LiftSystem (1 ПМД + 1 подъёмный вентилятор), отсек с подъёмным вентилятором (он выполняет ту же функцию, что и два ПД на «Яке») также размещён за кабиной пилота. Однако, в этом кроется различие самолетов: за счет использования "холодного" вентилятора вместо двух ПД как у Як-38 и Як-141, повышается устойчивость из-за уменьшения эффекта всасывания, которое образуется из-за горячего воздуха при полёте над землей. Сопло подъёмно-маршевого двигателя также охвачено хвостовыми балками, что можно заметить при первом же визуальном сравнении. У F-35 струйных рулей всего два и расположены под частями крыла, в отличие от Яка, у которого две точки в хвостовой части, один в носовой, и на законцовках крыльев. Это несомненно влияет на устойчивость ЛА во время взлета и посадки, не в пользу F-35. Нагрузка на крыло у Яка меньше, что при более слабом двигателе сравнивает самолеты по динамике, но F 35 имеет большую боевую нагрузку, что увеличивает его штурмовую эффективность, однако делает более инертным и менее маневренным.

В общем сравнении ЛТХ, Як проигрывает, что не удивительно. Но если учесть разницу в 10 лет между проектами, на сегодняшний день, доведенный до конца Як возможно не отставал бы от F35, а в чем от  и превосходил его. Однако это не основная мысль, которая назревает во время анализа. По некоторым данным, в 1995 году яковлевцы с разрешения правительства России продали американцам всю документацию по Як-38 и Як-141. Именно поэтому, схожесть этих самолетов неслучайна и именно в тот момент, мы загубили свое возможное преимущество и программу СВВП. 

Заключение

История показывает как авионика изменила представление о пилотировании ЛА. Развитие авиаприборостроения стимулировало появление совершенно новых типов самолетов и летной техники. С ростом микроэлектроники различные системы  стабилизации и автопилотов стали доступными обычным пользователям. На данный момент каждый может приобрести готовый квадрокоптер  или собрать его сам. Более того, электронные стабилизаторы в совокупности с точным GPS позиционированием позволят совсем неподготовленному человеку пилотировать этим дроном. Все это делает авиационные технологии доступными каждому. Поэтому нельзя забывать основателей, людей положивших начало этому развитию. Благодаря появлению эффективных стабилизаторов, возможными стали новые концепции ЛА, в том числе и СВВП. На сегодняшний день  аппараты вертикального взлета-посадки очень востребованы, однако чрезмерно дорогостоящие. К примеру, один из самых  дорогих ЛА считается американский конвертоплан V-22 Osprey. Но, не смотря на цену, с развитием технологий, а именно микроэлектроники в приборостроении и системах стабилизации, самолеты ВВП в ближайшем будущем будут более распространены. 

Литература и источники информации

  1. "Основы теории автоматического пилотирования и автопилоты. Сборник статей"
  2. "Летательные аппараты нетрадиционных схем" П.Бауэрс 
  3. "Самолеты особых схем" Д.А.Соболев 
  4. "Основы самолето-вождения" А.И. Азаров, А.И.Выск 
  5. https://habr.com/ru/post/371603/
  6. https://tass.ru/armiya-i-opk/5502973
  7. ttps://ru.wikipedia.org
  8. https://guap.ru/history
Категория: Готовые работы | Добавил: Service (13.01.2021) | Автор: Казанцев Никита Андреевич W
Просмотров: 121 | Комментарии: 2 | Рейтинг: 3.0/2
Всего комментариев: 2
2 Uta190   [Материал]
Очень интересно. Для меня много нового.

1 boldyrev65   [Материал]
Отличная работа! Очень интересно и познавательно написано!

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...

Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПЕРВЫЙ ТУР
18-й ОЛИМПИАДЫ
ЗАВЕРШЁН!

Календарь
Их многие читают
Шишкин Кирилл Ярославович (889)
Каширина Марина Сергеевна (762)
Вдовенков Иван Николаевич (714)
Сёмина Дарья Владимировна (594)
Водолазов Николай Александрович (396)
Приб Сергей Вадимович (281)
Ульбашев Мухаммат Масхутович (276)
Рахматуллин Эльдар Рафаэлович (274)
Расторгуев Даниил Игоревич (273)
Пухов Андрей Валерьевич (249)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2021