Матвеенко А.М. (ред.) - Системы оборудования летательных аппаратов - 2005

ВВЕДЕНИЕ

Современные авиационные комплексы предназначены для вы­ полнения широкого круга задач — транспортных, поисково-спа­ сательных, исследовательских, сельскохозяйственных, военных. В состав авиационного комплекса входят: летательные аппараты, средства (наземные и бортовые) управления, комплекс связи и обслуживания, экипаж и пассажиры, обслуживающий и вспомо­ гательный персонал.

Собственно JTA включает: 1 — планер; 2 — силовую установку;

3 — взлетно-посадочные устройства;

4 — системы управления;

5— пилотажно-навигационное оборудование;

6— радиотехническое оборудование;

7— электротехническое оборудование;

8— системы жизнеобеспечения (высотное оборудование) и спасения;

9— энергосистемы (пневматические и гидравлические);

10 — пассажирское бортовое или специальное оборудование. Приведенное деление (как и любое другое) не строгое. Так, при современных компоновках систем управления двигателями воз­ духозаборники и реактивные сопла в равной мере принадлежат группам 1 и 2, электротехническое оборудование обеспечивает питанием группы 2, 4, 8, 9, 10; приводы энергосистем входят

вгруппы 2, 3, 4, 10.

Всоответствии с Авиационными правилами, часть 25 (АП-25) [2], самолет оснащается функциональными системами (3, 4, 8, 9, 10) и бортовым оборудованием (5, 6, 7).

Внастоящем учебнике рассмотрены следующие функциональ­ ные системы оборудования JTA:

■системы кондиционирования воздуха (СКВ), индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности (ИСОЖ) и системы спасения (СС) членов экипажей и пассажиров;

■гидравлические и газовые системы (ГГС), питающие энергией функциональные подсистемы механизации и автоматизации управления;

■системы защиты JTA в экстремальных условиях (противообледенительные (ПОС) и противопожарные (ППС) системы).

Перечисленные системы создаются в неразрывной связи с про­ ектируемым ЛА. Их элементная база, в отличие от пилотажно-на-

12

Введение

Рис. В. 1. С хе­ ма автопилота К. Э. Циолковского (собственноручный рисунок):

1 — чувствительный элемент-маятник, погруженный в вяз­ кую жидкость; 2 — переключатель пита­ ния «динамо-мото­ ра»; 3 — указатель положения руля

вигационных, радио- и электротехнических систем, значительно меньше унифицирована, а отдельные части этих систем (напри­ мер, панельные системы обогрева и охлаждения, катапультные установки пилотов, тормозные колеса самолетов) являются одно­ временно и частями конструкции ЛА.

История создания систем оборудования ЛА связана с именами выдающихся ученых России. Так, в 1875 г. Д. И. Менделеев пред­ ложил схему герметической кабины для защиты экипажа ЛА при полетах на больших высотах, а в 1888 г. он разработал способ хра­ нения на борту воздушных шаров сжатых газов в стальных балло­ нах при давлении 10—12 МПа.

В1898 г. К. Э. Циолковский обосновал необходимость и пред­ ложил схему автопилота (рис. В.1), в состав которого входил ис­ полнительный привод руля.

В1911 г. Г. Е. Котельников разработал, а в 1912 г. успешно ис­ пытал первый в мире ранцевый парашют (рис. В.2) для прыжков

ссамолета.

Созданный в 1913 г. в России четырехмоторный самолет «Илья Муромец» уже имел закрытую остекленную кабину с отоплением и освещением, оборудованную пилотажными приборами (компа­ сами, кренометрами, указателями высот и скоростей полета), ука­ зателями контроля параметров двигателей, фотоаппаратами.

В 1918 г. был создан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), ныне крупнейший центр авиационной науки мирового значения. В комиссию по созданию ЦАГИ входили Н. Е. Жуковский и А. Н. Туполев. По инициативе Н. Е. Жуков­ ского в 1919 г. создается Московский авиационный техникум (за­ тем преобразованный в Военно-воздушную инженерную академию (ВВИА) им. проф. Н. Е. Жуковского), вводится аэродинамическая специализация на механическом факультете Московского высше­ го технического училища им. Н. Э. Баумана (на его базе в 1930 г. был создан Московский авиационный институт — МАИ).

Введение

13

В1918—1920 гг. заводами РСФСР было выпущено 558 само­ летов и 237 двигателей.

В1920-е гг. были организованы отечественные конструктор­ ские бюро по самолетостроению А. Н. Туполева, Н. Н. Поликар­ пова, Д. П. Григоровича.

Кначалу первой пятилетки (1929 г.) наша авиапромышлен­ ность полностью отказалась от копирования трофейных и лицен­ зионных образцов и перешла на производство отечественных са­ молетов, моторов и оборудования к ним.

Военно-воздушные силы начали получать истребители И-3 и разведчики Р-5 Поликарпова, бомбардировщики ТБ-1, а затем

иТБ-3 Туполева.

Вэти годы создаются Всесоюзный институт авиационных ма­ териалов (ВИАМ), Центральный институт авиационного мото­ ростроения (ЦИАМ).

В1933—1937 гг. авиационная промышленность и наука бурно развивались. В самолетостроении окончательно определился пе­ реход к схеме моноплана. С увеличением скорости полета возросла нагрузка на крыло (1400—1700 Н/м2 против 650—1000 Н/м2), что потребовало для сохранения взлетно-посадочных характеристик создания системы механизации крыла (управляемых щитков, за­ крылков, предкрылков) и торможения колес при пробеге.

Системы уборки-выпуска шасси позволили уменьшить сопротив­ ление самолета на 20—25%. Винты изменяемого шага с автомати­ чески меняющимся углом атаки лопастей позволили увеличить ско­ рость самолета на 7—10%, потолок на 18—20%, тягу на взлете на 40-45 %.

Так зарождались первые системы механизации и автоматиза­ ции управления JLA.

В1936 — 1938 гг. создаются как мягкие, так и жесткие гермо­ кабины (ГК) советских самолетов (А. Я. Щербаков, Н. Н. Поли­ карпов, В. А. Чижевский). Разрабатываются совершенные са­ молеты И-15, И-16 (Поликарпова), ДБ-3 и АНТ-25 (Туполева). С 1940 г. создаются новые скоростные монопланы Як-1, МиГ-1,

14 Введение

ЛаГГ-3, Ил-2, Пе-2, составившие основу Военно-воздушных сил ; в годы Великой Отечественной войны. ; После начала войны в кратчайшие сроки была произведена реорганизация и передислокация авиационной промышленности. ] Уже в 1942 г. наша авиационная промышленность превзошла гер- .< манскую. В 1942 г. Германия выпустила 14,7 тыс. самолетов, \

СССР — 25,4 тыс.; в 1943 г. Германия — 25,3 тыс., СССР — 35 тыс. самолетов.

Самолеты были просты по конструкции и построены из неде­ фицитных материалов, что существенно облегчило их серийное производство в условиях военного времени. Советские самолеты (Ла-5, Ла-7, Як-1, Як-3, Як-9, МиГ-3 Пе-2, Ил-2, Ил-4, Ту-2)

имели более высокое качество в отношении аэродинамики, м ае-* сы, вооружения, чем немецкие. |

Впослевоенные годы были решены сложнейшие научно-тех-1 нические задачи создания авиационной техники нового типа.

Резкое повышение скоростей полета потребовало разработки принципиально новых систем оборудования ЛА. Так, в конце 1950-х гг. были созданы системы автоматического управления по­ летом, системы управления воздухозаборниками и реактивными соплами двигателей, автоматизированные системы торможения самолетов, системы изменения геометрии крыла, разработаны ав­ томаты парирования крена при одностороннем отказе двигателя.

Во всех этих системах широко использовались электрогидравлические приводы, как линейные, так и вращательные, питаемые автономными гидравлическими системами.

Вэтот же период была решена задача спасения летчиков при авариях на больших скоростях полета — появились первые ката­ пультные кресла.

Освоение больших высот и скоростей стало возможно после создания и испытания систем жизнеобеспечения и спасения эки­ пажей, систем кондиционирования воздуха, высотных скафанд­ ров, средств кислородного обеспечения, катапультных кресел лет­ чиков. Первое катапультирование из самолета в нашей стране со­ вершил испытатель Г. А. Кондрашов 24 июня 1947 г.

Высокий уровень современного бортового оборудования до­ стигнут благодаря самоотверженному труду нескольких поколений ученых и конструкторов, среди них С. М. Алексеев, Т. М. Башта,

Г.И. Воронин, И. И. Зверев, Ф. Ф. Куприянов, Н. А. Лобанов, А. И. Привалов, М. П. Селиванов и др. [51].

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные составные части современного авиационного комплекс вания ЛА»вите Функциональные системы, изучаемые в курсе «Системы оборудо-

можете^отмети1ъ?ВНЬ1е этапы Развития отечественной авиационной техники Вы

Глава 1

СОСТАВ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ОБОРУДОВАНИЯ ЛА, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ И ОЦЕНКА ИХ СОВЕРШЕНСТВА ПО КРИТЕРИЮ СТАРТОВОЙ МАССЫ

1.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ОСНОВНЫЕ ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Современные системы бортового оборудования должны на­ дежно и эффективно работать в широком диапазоне изменения температуры, давления, плотности, влажности и электропровод­ ности воздуха при наличии переменных по величине и направле­ нию действия сил, изменении положения в пространстве, на всех высотах и при всех скоростях полета.

На J1A и его системы действуют значительные силы. Так, пе­ регрузки, действующие на агрегаты J1A и его системы, достигают для пассажирских самолетов 2, для маневренных самолетов 10...20 и для беспилотных J1A — сотен единиц.

Вибрационные перегрузки характеризуются частотами до 2000 Гц и амплитудой до 2,5 мм. Агрегаты систем, устанавливаемые на двигателях J1A, испытывают вибрационные перегрузки до 20...30.

Изложим основные тактико-технические требования, предъ­ являемые к бортовым системам оборудования.

Надежность работы — это наиболее важное требование, предъявляемое к бортовым системам оборудования. Под надеж­ ностью понимают (согласно ГОСТ 27.002—83) свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.

Воздействия отказов или других неблагоприятных факторов мо­ гут привести к одной из следующих особых ситуаций (согласно оп­ ределению, приведенному в Авиационных Правилах (АП-25) [2]).

Усложнение условий полета — характеризуется незначительным ухудшением летных характеристик или незначительным увеличе­

16 Состав современных систем оборудования ЛА, стартовая масса

нием рабочей нагрузки на экипаж, например, изменение плана полета.

Сложная ситуация — особая ситуация, характеризующаяся за­ метным ухудшением характеристик и/или выходом одного или нескольких параметров за эксплуатационные ограничения, но без достижения предельных ограничений или уменьшением способ­ ности экипажа справиться с неблагоприятными условиями (воз­ никшей ситуацией) как из-за увеличения рабочей нагрузки, так и из-за условий, понижающих эффективность действий экипажа.

Аварийная ситуация — особая ситуация, характеризующаяся значительным ухудшением характеристик и/или достижением (превышением) предельных ограничений или физическим утом­ лением или такой рабочей нагрузкой экипажа, что уже нельзя по­ лагаться на то, что он выполнит свои задачи точно или полно­ стью.

Катастрофическая ситуация — особая ситуация, для которой принимается, что при ее возникновении предотвращение гибели людей оказывается практически невозможным.

Количественные значения вероятностей возникновения осо­ бых ситуаций нормируются в требованиях EHJIC и требованиях ряда зарубежных стран (например, в западноевропейских странах в требованиях JAR — Joint Aviation Requirements, в США в требо­ ваниях FAR — Federal Aviation Regulations). Установлены следу­ ющие диапазоны для вероятности особых ситуаций:

катастрофическая ситуация QK< 1 *10-9; аварийная ситуация Qa = 1 • 10_7...1 • 10-9; сложная ситуация Qc = 1 • 10_5...1 *КГ7; усложнение условий полета Qyy = 1 • 10“3...1 *КГ5.

Различные отказы, происходящие в системах оборудования и конструкции планера ЛА, могут приводить к созданию одной из особых ситуаций. В табл. 7.1 приведены наиболее вероятные си­ туации, возникающие при полном отказе соответствующих сис­ тем оборудования.

Заметим, что чрезвычайно высокие требования по безопаснос­ ти полетов (Q < 1 • 10“7...1 • КГ9) при существующей надежности агрегатов (X = 1 • КГ3...1 • КГ6 1/ч) и сложности систем предпо­ лагают необходимость многократного резервирования этих сис­

тем. Это следует из формулы
е с = ( 1 - Р с)л = ( 1 - е ~ х'*т)л,	(1.1)

где Рс — вероятность безотказной работы системы за время т; п — кратность резервирования; Xt — интенсивность отказов агрегатов в единицу времени; к — количество агрегатов, входящих в сис­ тему.

Особенности работы систем бортового оборудования	17
С учетом известного соотношения (при малых значениях	и т)
Qc = С Ф У	(1.2)

для следующих диапазонов изменения величин, входящих в формулу (1.2): т = 1 ч, = КГ4...1(Г5 1/ч, Qc = 1(Г8, к = 10...100 получим равенство

[(КГ4 ..КГ5)(10...100)]Л< 1(Г8,

из которого следует, что п изменяется от 2 до 4.

Отметим противоречивость требований по QK, Qa, Qc, Qyy, так как резервирование, увеличивая безопасность полетов, уменьша­ ет величины QKи 0 а за счет роста сложности системы [4].

О сложности систем можно судить по структурной схеме гидро­ системы современного тяжелого пассажирского самолета (рис. 1.1).

Эта система включает четыре автономные системы. Блоки питания каждой из них содержат один насос с приводом от марше-

Л- вого двигателя, второй насос с приводом от электродвигателя (насосную станцию), кроме того, в третьей системе имеется так

^называемая турбонасосная установка (ТНУ), работающая от воз-

чдуха, отбираемого из коллекторов СКВ или от набегающего по-

^тока (ветрянка).

Насосные станции используются при пиковых нагрузках в сис­ теме, при проверке всех систем без запуска двигателей, а также обеспечивают работу всех систем в аварийных режимах работы.

Как видно из схемы, четыре секции спойлеров на каждой кон­ соли крыла самолета питаются от четырех независимых систем, причем приводы всех секций — однокамерные. Все четыре сис­ темы питают гидроусилители руля высоты (4 секции), элеронов (4 секции) и руля направления (2 секции). При этом сочетание гидросистем, питающих гидроусилители, установленные на од­ ной секции, не повторяется в рамках одной подсистемы управле­ ния. Это обеспечивает минимальную потерю управляемости са­ молета в случае одновременного отказа двух гидросистем.

Подвижный стабилизатор имеет два привода (верхний и ниж­ ний), каждый из которых включает в себя по два гидромотора, пи­ тающихся от всех четырех систем. Выходным звеном каждого привода является гайка, которая при своем вращении или пере­ мещается по винту (верхний привод) или заставляет перемещать­ ся сам винт (нижний привод). При работе обоих приводов, таким образом, происходит сложение скоростей. В случае заклинивания одного из приводов управляш«я1г«таб«^заторш4.хохраш1ется, но с вдвое меньшей ск о р о сШ Д У К У В О -Т Е Х Ш Ч Н А

I	Б 1 Б Л 1 0 Т Е К А
I	Национального аероклх^нчного

I v h i ве о с т 't-т v ivt м f '

18 Состав современных систем оборудования ЛА, стартовая масса

Рис. 1.1. Структурная схема гидросистемы тяжелого пассажирского самолета

Особенности работы систем бортового оборудования

19

Минимальные массы и габариты. Масса оборудования совре­ менных ЛА составляет значительную величину, примерно равную полезной нагрузке.

Необходимо кроме установочной массы систем оборудования учитывать:

■дополнительную массу JIA, необходимую для установки систе­ мы оборудования;

■дополнительные массы двигателя, топлива и смазочного мате­ риала, обусловленные отбором мощности для системы обору­ дования и компенсации их дополнительного аэродинамичес­ кого сопротивления;

■массу устройств охлаждения систем оборудования и т.д.

Вразд. 1.3 дана приближенная методика оценки совершенства систем оборудования JIA.

Важность снижения массы агрегатов и систем JIA может быть проиллюстрирована сведениями многолетней давности, но для качественной оценки не потерявшими своего значения и в насто­ ящее время. В США считают, что экономия массы в 1 кг оправ­ дана, если приносит дополнительный доход за срок службы од­ ного самолета в 445,5 долл. [23].

Параметры точности и быстродействия систем оборудования влияют на массу основной конструкции JIA. Так, точность и быс­ тродействие работы регуляторов давления СКВ пассажирских са­ молетов сказываются на массе фюзеляжа, поскольку они опреде­ ляют расчетные значения перепадов давлений, действующих на оболочки значительных диаметров и объемов.

Различные по принципу действия системы имеют различные массовые и объемные показатели. Так, внедрение электроимпульсной противообледенительной системы (ПОС), «стряхивающей» лед с обшивки, позволило существенно уменьшить потребляемую мощность и массу по сравнению с традиционными ПОС.

Важно знать и предельно возможные характеристики, особен­ но массовые и объемные, основных типов энергетических систем, которые приведены в табл. 6.1.

В гл. 4 определены области работоспособности различных сис­ тем охлаждения воздушного цикла в зависимости от скорости и высоты полета.

Перечисленные требования по надежности, массе и объему систем оборудования J1A дополняются требованиями:

■прочности (механической, электрической, термической) и хи­ мической стойкости;

■удобства, простоты и безопасности эксплуатации;

■безопасности в отношении пожара и взрыва;

■быстрой готовности к действию;

■низкой стоимости.

20Состав современных систем оборудования JIA, стартовая масса

1.2.СОСТАВ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ОБОРУДОВАНИЯ

Изменение состава и принципов действия систем бортового обо­ рудования связано с непрерывным совершенствованием самих ЛА.

Проследим это на системах спасения экипажей и энергетичес­ ких системах механизации и автоматизации процессов управле­ ния ЛА.

В связи с расширением диапазонов скоростей и высот полета самолетов созданы специальные системы аварийного спасения экипажей. Лучшие современные образцы катапультных кресел (КК) обеспечивают спасение экипажа в широком диапазоне ско­ ростей и высот полета современных самолетов, в том числе с уров­ ня земли на режимах взлета и послепосадочного пробега. Для это­ го современные КК оснащены ракетными двигателями и па­ рашютными системами, средствами стабилизации движения и автоматики, оптимизирующими условия ввода парашюта в дей­ ствие в зависимости от скорости и высоты полета самолета не­ посредственно перед катапультированием.

На КК самолетов вертикального взлета и посадки, а также многоместных самолетов применяются средства управления век­ тором тяги ускорителя, что позволяет решить задачи спасения на режимах нулевых высот и скоростей полета и одновременного (парного) покидания ЛА.

Индивидуальные герметические капсулы могут несколько рас­ ширить максимальные индикаторные скорости полета, на кото­ рых осуществляется катапультирование, но они получаются очень сложными.

Для спасения при очень больших скоростных напорах и груп­ пового спасения могут применяться отделяемые кабины.

Для самолетов, имеющих небольшие скорости полета Vt < < 600...700 км/ч, может применяться метод спасения, основанный на извлечении ракетой [54].

На рис. 1.2 показаны области применения различных средств аварийного покидания ЛА.

Спасение экипажей на малых высотах полета ЛА может быть осуществлено при:

■обеспечении высокой траектории движения катапультируемой системы благодаря увеличению ее энерговооруженности, что­ бы располагаемая высота была бы больше потребной, которая ограничена временем ввода в действие парашютной системы