CC BY
115X Международная научно-практическая конференция УДК 007.5
Литвинова Анастасия Васильевна Litvinova Anastasia Vasilevna
Студентка Student
Санкт-Петербургский государственный университет гражданской
авиации
St. Petersburg State University of Civil Aviation
ХАРАКТЕРИСТИКА И РОЛЬ ЭЛЕКТРОДИСТАНЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ САМОЛЕТА
CHARACTERISTICS AND ROLE OF THE ELECTRIC CONTROL
SYSTEM OF THE AIRCRAFT
Аннотация. Появление электродистанционной системы управления (ЭДСУ) во многом связано с ростом лётно-технических характеристик воздушных судов и сопутствующих этому росту технических проблем. В этой научной работе исследуется достоинства и недостатки этой системы управления.
Abstract: The appearance of the electric station control system (EDSU) is largely due to the growth of the flight performance characteristics of aircraft and the technical problems accompanying this growth. This scientific work examines the advantages and disadvantages of this control system
Ключевые слова. ЭДСУ, авиация, пилот, авиабезопасность, управление.
Key words: EDSU, aviation, pilot, aviation security, controlling.
1 История
Появление электродистанционной системы управления (ЭДСУ) было связано с ростом лётно-технических характеристик летательных аппаратов и сопутствующих этому росту технических проблем.
17 декабря 1903 года Орвилл Райт совершил полет на аппарате Flyer, пролетев 37 метров за 12 секунд и выполнив успешную посадку. Это был первый в истории задокументированный управляемый полет на механизме, оторвавшемся от земли с помощью тяги двигателя. Для
«Научные исследования и инновации» управления самолетом Райт перемещал вбок деревянные рамки, от которых к концам крыльев были протянуты тросы. За счет увеличения угла атаки на одном конце крыла и одновременном его уменьшении на другом создавался управляющий момент. С тех пор конструкция самолетов значительно изменилась. На смену рамкам братьев Райт пришли штурвалы и педали.
Долгое время система управления самолётов была механической, то есть усилия от штурвала и педалей передавались к рулям посредством тросовой проводки, проложенной внутри конструкции самолета, при этом рулевые машины автопилота включались параллельно в проводку управления. Применение такой системы управления накладывало ограничения на размеры, массу и скорость полета самолета, так как при скоростном полете сравнительно большого самолета пилоту могло не хватить физических сил для его управления.
В дальнейшем рост летно-технических характеристик потребовал установки необратимых гидроусилителей, которые полностью брали на себя нагрузки от рулей, а для имитации привычных лётчику усилий потребовалось устанавливать на самолёты пружинные загружатели и механизмы триммирования. Однако, такая система управления при множестве положительных качеств также имела массу недостатков, в частности, она была сложной, громоздкой и тяжёлой. Гораздо перспективнее было бы отказаться от механических тяг и части промежуточных гидравлических агрегатов, заменив это электропроводкой.
Настоящий расцвет ЭДСУ произошел в середине 1950-х. Тогда
для военных самолетов были разработаны статически неустойчивые
аэродинамические компоновки, которые повышали маневренность
самолетов. Но с такой компоновкой невозможно было летать без
постоянной коррекции, причем возникающие возмущения требовалось
185
X Международная научно-практическая конференция парировать быстрее, чем они развивались. Однако скорость реакции человека этого делать не позволяла, поэтому разработали ЭДСУ, или, как ее назвали за рубежом, Fly-by-wire (буквальный перевод с английского - «полет по проводам»). На основе данных, поступающих с датчиков и органов управления, ЭДСУ формировала сигналы для сервоприводов элеронов и рулей. Первой такой военной машиной стал истребитель-перехватчик CF-105 Arrow, созданный в 1953-1959 годах. Подобные технические решения к 60—70-м годам 20-го века получили достаточно широкое распространение. В советской авиации на самолёте-бомбардировщике Ту-22М впервые в отечественной практике был применён электродистанционный канал по крену — четырёхканальная система дистанционного управления интерцепторами ДУИ-2М. Установка электродистанционной системы с интерцепторами позволила легко автоматизировать управление по крену и конструктивно освободила заднюю часть крыла под высокоэффективные закрылки.
Сначала ЭДСУ были аналоговыми. Первым серийным американским самолётом с аналоговой ЭДСУ, эксплуатация которого началась в 1961 году, стал A-5 «Виджилент». Вскоре появились более совершенные цифровые ЭДСУ. С 1980-х годов этот тип системы управления активно внедряется и в гражданской авиации (впервые — на Airbus A320 и Ту-204), но он служит, конечно, не для обеспечения свехманевренности, как на военных самолетах, а для обеспечения безопасности полета. Так компьютер, входящий в состав ЭДСУ пассажирских лайнеров, не позволяет пилоту превысить летные ограничения самолета или вывести самолет на критический режим полета.
Основными тенденциями развития ЭДСУ в аппаратной области
являются: повышение надежности и производительности элементов
ЭДСУ, снижение их массы и габаритов, унификация элементов ЭДСУ
186
«Научные исследования и инновации»
и постепенное внедрение оптико-волоконных связей. Что касается области программного обеспечения, то планируется массовое внедрение программного обеспечения на основе языков высокого уровня, что позволит значительно сократить затраты на его разработку и сопровождение в процессе эксплуатации, и использование совершенного алгоритмического обеспечение на основе методов современной теории управления.
2 Принцип устройства ЭДСУ
У ЭДСУ есть принципиальное отличие от механических и бустерных систем управления. Если у механических или бустерных систем управления воздействия от органов управления в кабине экипажа к управляющим поверхностям (например, элеронам, рулю высоты), а так же силовым приводам передаются с помощью механической проводки, которая включает в себя тяги, тросы, качалки, шкивы и т. д, то у ЭДСУ эти воздействия передаются с помощью электрических сигналов.
Упрощённая схема электродистанционной системы управления представлена на рис. 1.
Рис. 1 Из схемы ЭДСУ видно, что в неё входят:
187
X Международная научно-практическая конференция Ручка управления (обозначен цифрой 1) - элемент управления самолётом, позволяющий изменять крен и тангаж воздушного судна
Руль высоты (обозначен цифрой 2) - аэродинамический орган управления самолёта, осуществляющий его вращение вокруг поперечной оси
Датчик (основной и резервный) — преобразует движение ручки в электрический сигнал
Компьютер — цифровая вычислительная машина/вычислитель Автопилот - устройство или программно-аппаратный комплекс, ведущий воздушное судно по определённой, заданной ему траектории Рулевой агрегат — преобразует электрический сигнал в механическое движение
Гидроусилитель - предназначены для снижения усилий на ручках управления и педалях, которые возникают в полете при управлении самолётом
Механизм триммирования — заменяет собой обычный триммер, по желанию пилота уменьшают или полностью снимает усилия на ручке управления
Датчики параметров движения (дополнительные сигналы) — множество сигналов о положении воздушного судна и режиме полётов (например, информация о высоте полёта, скорость самолёта, об угле атаки, скольжения, тангажа, о температуре наружного воздуха и так далее)
Вместо механической проводки от ручки управления до рулевого привода в ЭДСУ есть электрическая или волоконно-оптическая проводка. А механическая проводка присутствует только на участках от рулевого привода до руля и от ручки управления до загрузочного механизма.
ЭДСУ — это автоматизированная система ручного управления.
Не только отсутствие механической проводки в ЭДСУ является её
188
«Научные исследования и инновации» отличительной особенностью. Специфика этой системы заключается также и в наличии в её составе электрогидравлического рулевого привода, системы контроля, и системы обеспечения устойчивости и управляемости, обеспечивающей заданную реакцию самолёта на управляющие действия лётчика.
В кабине экипажа все механические перемещения рычагов управления посредством датчиков, установленных на рычагах, преобразуются в аналоговые или цифровые электрические сигналы. Эти сигналы попадают в вычислитель системы управления по электропроводке. В то же время в вычислитель поступают дополнительные сигналы о параметрах движения. К примеру, информация от датчиков угловых скоростей, углов атаки, скольжения, тангажа, перегрузок, числа Маха и т. д. Затем вычислитель ЭДСУ, ориентируясь на специальные алгоритмы управления, заложенные в него, преобразует эти сигналы в управляющие электросигналы приводов органов управления. Более того, компьютер не даёт пилоту превысить лётные ограничения воздушного судна или вывести воздушное судно на критический режим (не допускать превышения установленных ограничений по перегрузке, углу атаки и другим параметрам). В следствие использования такой системы значительно сокращается вероятность попадания самолёта в нежелательные режимы полета: сваливание, штопор и т. д.
Всем известен тот факт, что безопасность — самое главное на борту любого воздушного судна. Для того, чтобы любой полёт имел высокий процент безопасности, не маленькую роль играет хорошая надёжность функционирования системы ЭДСУ. С намерением предотвратить авиационное происшествие или аварию в случае выхода из строя какого-либо элемента электродистанционной системы управления, все элементы многократно дублируются.
Существуют две системы резервирования ЭДСУ:
189
X Международная научно-практическая конференция
1) путём резервирования целых каналов;
2) путём резервирования отдельных элементов.
Для обеспечения безопасности на борту воздушного судна имеется четыре или более параллельно работающих каналов управления с вычислителями, с их собственными датчиками, преобразователями и электропроводкой. Если один из вычислителей выдаёт неверные данные, то система контроля, сравнив между собой сигналы каждого канала, способна отклонить ошибку. Несмотря на тотальный контроль над сигналами каналов управления, на борту воздушного судна часто ставят многоуровневый дополнительный контроль сигналов на соответствие параметрам. В результате такого сильного контроля над системой, шанс отказа системы ЭДСУ на самолётах гражданской авиации составляет менее 10-9, а на военных — менее 10-7 на 1 час полёта.
3 Типы ЭДСУ на примере самолетов Sukhoi Superjet 100, Airbus A320 и Boeing 777
Существует 2 типа ЭДСУ: ЭДСУ с полной ответственностью (без механического резерва) и ЭДСУ с механическим резервом.
3.1 ЭДСУ с полной ответственностью
Примером ЭДСУ с полной ответственностью служит ЭДСУ самолета Sukhoi Superjet 100. Уникальность этого самолета в том, что впервые в мире для самолетов такого класса была создана цифровая электродистанционная система управления без тяжелой механической аварийной системы. Сегодня за рубежом только один сертифицированный пассажирский самолет не имеет механической аварийной системы управления - это Airbus A380. То есть сделан важный шаг к созданию надежной, многоуровневой, резервированной электродистанционной системы управления.
В этом самолете все построено на цифровой технологии. Есть
основной контур управления, который построен на строенном
190
«Научные исследования и инновации» вычислителе, каждую из граней которого составляет разнородная резервированная пара и программного, и аппаратного комплексов. Разнородная пара - это использование различных процессоров и различных операционных систем. Резервный контур также построен по принципу использования двух разнородных пар вычислителей.
Полностью цифровая электродистанционная система управления полетом с боковыми ручками управления оптимизирует эксплуатационные характеристики самолета, снижает нагрузку на экипаж, сокращает расход топлива и обеспечивает защиту от выхода самолета за пределы допустимых эксплуатационных режимов полета.
3.2 ЭДСУ с механическим резервом
Под механическим резервом понимают возможность перехода на управление посредством механической проводки в случае отказа ЭДСУ.
Рассмотрим, в качестве примера, самолеты Airbus A320 и Boeing 777, ЭДСУ которых имеет механический резерв. 3.2.1 Airbus A320
Airbus A320 — семейство узкофюзеляжных самолётов для авиалиний малой и средней протяжённости. Выпущенный в 1988 году, он стал первым пассажирским самолётом, на котором была применена электродистанционная система управления (fly-by-wire).
В кабине экипажа этого воздушного судна вместо штурвалов на боковых консолях имеются стоят джостики (по другому их называют сайдстики — от англ. Sidestick). Между сайдстиком и плоскостями управления самолета отсутствует какое-либо механическое воздействие. Каждый сайдстик оборудован тензодатчиками, данные с которых обрабатываются бортовыми компьютерами самолета.
Всего имеется на Airbus A320 семь бортовых компьютеров:
два ELAC (Elevator Aileron Computer) - компьютеры руля высоты и элеронов
X Международная научно-практическая конференция три SEC (Spoilers Elevator Computer) - компьютеры, управляющие интерцепторами и рулем высоты
два FAC (Flight Augmentation Computer) — компьютеры для задания скорости полета
Воздействие на сайдстик преобразуется в цифровой сигнал и передаётся к компьютера ELAC и SEC, которые в свою очередь обрабатывают этот сигнал в соответствии с учётом текущих полётных параметров. В дальнейшем компьютеры преобразуют эти сигналы в управляющие электросигналы приводов органов управления.
Безусловно, Airbus A320 имеет многократное резервирование ЭДСУ. Наличие двух и более компьютеров с определённой функции увеличивают процент безопасности полёта. Если откажет один, то на помощью придёт другой. Но что если откажет и второй компьютер? На этот случай ЭДСУ Airbus A320 имеет дублирование функций между разными типами компьютеров. Кроме того, каждый из компьютеров имеет функцию самодиагностики, контролируя процессор, электропитание, входные и выходные данные, обратные связи. Никакой механической связи между сайдстиком и плоскостями управления самолета нет, однако, в качестве резерва, руль направления и горизонтальный стабилизатор имеют механическую проводку. 3.2.2 Boeing 777
В отличие от Airbus A320 на Boeing 777 отсутствуют сайдстики.
Вместо них стоят привычные штурвальные колонки. Это помогает
пилоту быстро сориентироваться на новом воздушном судне.
На Boeing 777 используется цифровая электродистанционная
система под названием «трижды-тройная избыточность» (с англ. triple -
triple redundant architecture). Ход её работы основан на том, что на борту
воздушного судна имеется три главных компьютера, в каждом из
которых по три независимых канала управления, которые могут
выполнять разные функции. Первый канал - главный канал управления,
192
«Научные исследования и инновации» второй - канал контроля, третий - канал «горячей замены», способный в любой экстренной ситуации заменить один из первых двух. К тому же, к каждому компьютеру устанавливаются процессоры, разных типов, от разных фирм-поставщиков - Intel 80486, Motorola 68040 и AMD 29050. Процессоры, хотя и снабжены одинаковым программным обеспечением, имеют разные компиляторами. И в случае расхождении расчётов данных компьютер отключает результат, оставшийся «в меньшинстве».
4 Преимущества и недостатки
4.1 Преимущества
Исключается механическая проводка управления, что позволяет добиться лучших массогабаритных показателей и в некоторой степени упрощает техническое обслуживание. Поскольку система «Fly-by-Wire» является электронной, она намного легче и менее громоздка, чем механические органы управления, что позволяет повысить топливную эффективность самолета.
Появляется возможность вводить очень сложные алгоритмы управления, физически невозможные для человека, и, например, управлять аэродинамически неустойчивыми самолётами (это повышает манёвренность на военных самолетах).
Для предотвращения сбоев, которые могут вывести самолет на критически режим полета, в большинство ЭДСУ встроено трех- или четырехкратное резервирование, то есть при выходе из строя части данной системы управления автоматически включается резервный контур управления. Кроме того, каждый из компьютеров имеет функцию самодиагностики, контролируя процессор, электропитание, входные и выходные данные, обратные связи. Все это обеспечивает многократное резервирование системы.
Система умнее и быстрее, полностью контролирует действия
пилота и не позволяет выйти на опасные режимы.
193
X Международная научно-практическая конференция
Также ЭДСУ имеет ряд функций, повышающих безопасность
полета:
Автоматическое ограничение приборной скорости и числа Маха, путем отклонения спойлеров
Автоматическое ограничение угла крена
Автоматическая компенсация разворачивающего момента в случае отказа двигателя
Автоматическое торможение при пробеге
4.2 Недостатки
Обеспечение достаточной надёжности ЭДСУ до сих пор остается трудным, поэтому для повышения помехозащищенности планируется перейти на массовое внедрение технологии Fly-by-Light (управление летательными аппаратами на основе оптоволоконной передачи команд).
У самолётов фирмы Airbus отсутствует какая-либо связь левого и правого рычага управления, поэтому пилоты могут в стрессовой ситуации действовать хаотично, что приведёт к непредсказуемым последствиям.
5 Заключение
Несмотря на некоторые недостатки, использование ЭДСУ в авиации стало прорывом по достижению лучших массо-габаритных и скоростных показателей. ЭДСУ позволило повысить топливную эффективность самолета. Благодаря этой системе в настоящее время можно управлять самолётом с помощью сложных алгоритмов. ЭДСУ, имея хорошую надежность функционирования, полностью контролирует действия пилотов и не позволяет выйти на критические режимы полета. А значит внедрение электродистанционной системы управления увеличивает безопасность при полётах воздушных судов, что является основной задачей авиации.
«Научные исследования и инновации» Библиографический список:
1. https://www.baesystems.com/en-us/definition/what-are-fly-by-wire-systems
2. Готшальк О.А. Системы автоматизации и управления. Конспект лекций
3. Книга «Системы управления летательных аппаратов» В.В. Воробьёв, М.А. Киселёв, В.В. Поляков
4. https://ra.wikipedia.org/wiki/Электродистанционная_система_ управления
5. Деловой авиационный порта ATO.RU статья «Как работает ЭДСУ»
6. Энциклопедия «Авиация» (1998 г.) - Елисеев А. А., Оводенко А. А., Яковлев В. Н., Электронные устройства управления летательными аппаратами, М., 1987.
