Автопилоты. Общие сведения

В полете самолет может одновременно вращаться относительно всех трех осей.

Так как самолет вращается относительно своего центра тяжести, то для соблюдения продольного равновесия необходимо, чтобы сумма моментов, действующих на самолет относительно оси zz (см. фиг. 1), равнялась нулю. Моменты, поворачивающие самолет относительно оси zz, могут быть вызваны аэродинамическими силами, силами тяжести и т. д.

Если продольное равновесие самолета нарушено, то для восстановления его необходимо воздействовать на руль высоты.

Равновесие самолета относительно оси уу обеспечивается равенством нулю моментов, действующих в плоскости симметрии. Оно называется равновесием пути. Нарушение этого равновесия может быть вызвано рядом причин: искажением формы одной половины крыла, отклонением руля поворота, неодинаковой тягой винтов у многомоторных самолетов и т. д.

Нарушение равновесия проявляется в разворотах самолета вправо или влево и одновременном наклоне в сторону поворота. Наклон появляется вследствие того, что наружное (по развороту) крыло проходит за то же время больший путь; следовательно, его скорость и подъемная сила, приложенная к нему, будет также больше, нежели у внутреннего крыла.

Разворот самолета летчик устраняет отклонением руля поворота в сторону, противоположную развороту.

Равновесие самолета относительно оси хх называется поперечным равновесием. Оно обеспечивается в первую очередь строгой симметрией самолета относительно плоскости симметрии.

Реакция винтомоторной группы, наклоняющая самолет в сторону, обратную направлению вращения винта, поглощается с помощью триммеров элеронов (небольшие подвижные рулевые поверхности, вписанные в габарит элерона).

Для восстановления поперечного равновесия пользуются, кроме триммеров, также и элеронами.

При поперечных кренах самолет стремится развернуться в сторону крена. Поэтому при кренах и разворотах летчик всегда одновременно воздействует на руль поворота и элероны.

Способность самолета без вмешательства летчика поддерживать неизменный режим полета, а в случае кратковременного нарушения равновесия быстро его восстанавливать, называется устойчивостью самолета.

Устойчивость самолета относительно осей хх и уу называется боковой устойчивостью. Кроме того, устойчивость относительно оси хх называют поперечной устойчивостью, а устойчивость относительно оси уу называют устойчивостью пути.

Однако чаще пользуются вспомогательными понятиями: флюгерная устойчивость и устойчивость против кренов.

Самолет называют флюгерно-устойчивым, если он без вмешательства летчика стремится стать плоскостью симметрии строго по потоку.

Устойчивостью против кренов называется стремление самолета выходить из случайно возникших кренов; чем устойчивее самолет, тем труднее летчику изменить режим его полета, тем хуже его управляемость, т. е. тем меньше чувствительность к отклонению рулей. При конструировании самолета необходимо сочетать заданную устойчивость с управляемостью.

Для облегчения работы летчика по управлению самолетом применяют автоматические стабилизаторы-автопилоты.

Почти все современные автопилоты содержат гироскопические узлы.

Автопилоты с гироскопами с тремя степенями свободы имеют большое значение для обеспечения полетов без видимости земных ориентиров.

Автопилот представляет собой автоматический регулятор, предназначенный для удержания самолета в заданном режиме полета без вмешательства летчика. Поэтому нужно, чтобы параметры, характеризующие данный режим полета, оставались постоянными, или, по крайней мере, чтобы отклонения их были возможно меньше. Например, для прямолинейного горизонтального полета средняя скорость, высота и курс должны оставаться постоянными, а амплитуда их изменения малой. Кроме того, следует устранять колебания самолета около всех трех его осей.

Некоторые параметры, характеризующие состояние равновесия самолета относительно его осей, могут измениться в полете (центровка, вес, тяга винтов и т. д.); автопилот должен без вмешательства летчика удерживать самолет в заданном положении (точнее ^в положении, мало отличающемся от заданного).

Автопилот должен выполнять все основные маневры, т. е. правые и левые развороты как в горизонтальном полете, так и при подъеме и спуске.

Автопилот должен обладать надежностью, независимостью характеристик от окружающей среды, должен быть прост в эксплуатации.

Так как одновременная стабилизация четырех основных параметров полета: высоты, скорости, курса и кренов возможна только при помощи четырех органов управления, т. е. сектора газа, руля высоты, руля поворота и элеронов, то автопилот, полностью освобождающий летчика от управления самолетом, должен состоять из четырех автоматов, управляющих сектором газа авиадвигателя,, рулем высоты, рулем поворота и элеронами. В большинстве современных автопилотов эта задача не решена полностью и имеются только автоматы, управляющие рулями самолета.

Основные части любого автомата автопилота показаны на схеме фиг. 149.

Чувствительный элемент, представляющий собой гироскоп стремя степенями свободы, воспринимает изменение регулируемого им параметра самолета.

В качестве чувствительных элементов, позволяющих сохранять выбранное направление в автопилотах, в настоящее время чаще всего применяют гироскопические приборы в виде гироскопа с тремя степенями свободы, менее других приборов подверженные действию болтанки.

Коррекция в этих приборах принципиально не отличается от коррекции авиагоризонта, ГПК и т. д. Для стабилизации скорости и высоты применяют мембранные приборы, работающие от приемника воздушных давлений.

Промежуточные механизмы воспринимают импульсы чувствительного элемента, в случае необходимости усиливают и складывают их (если одним рулем управляют несколько чувствительных элементов) и управляют работой рулевой машинки, отклоняющей соответствующий исполнительный орган (руль самолета).

Промежуточные механизмы состоят из:
а) воспринимающей части — датчика;
б) усиливающей части;
в) суммирующей части;
г) управляющей части.

Источники питания обеспечивают необходимой энергией все остальные элементы. Наиболее широко используется пневматическая, гидравлическая и электрическая энергия. Все большее распространение получает электрическая энергия.

Обратная связь согласует угол отклонения руля с величиной отклонения стабилизируемого параметра.

Контрольные приборы позволяют летчику проверять работу автопилота и его частей. Включение и выключение автопилота осуществляется рукоятками управления.

Рулевые машинки отклоняют руль самолета при помощи внешнего источника энергии. По типу используемой энергии они делятся на пневматические, гидравлические, электрические и механические. Наибольшую плавность действия обеспечивают пневматические машинки, работающие обычно на давлении 1,5/5 кг/см². Из всех элементов автопилота, нуждающихся в питании, наибольшую мощность поглощают рулевые машинки.

В качестве источников энергии чаще всего используются пневматические и гидравлические насосы. По своему назначению они делятся на обслуживающие: а) чувствительные элементы, б) рулевые машинки и в) промежуточные механизмы.