Хидраулички систем авиона је склоп неопходних компоненти у затворену инсталацију, са међусобно усклађеним радом и карактеристикама, у основној намени преноса енергије са једног места на ваздухоплову на неки његов уређај, ради погона истог. То је систем у коме хидро уље под притиском преноси део узете енергије, од погонског мотора авиона, до „потрошача“. Тај део снаге мотора се конвертује у потенцијалну енергију притиска хидроуља, помоћу хидрауличне пумпе. Притисак уља се преноси са системом цеви, на све кориснике на авиону. Потенцијална енергија притиска хидроуља, може бити конвертована у механички рад, са хидропокетачима (хидрауличким моторима), у функцији отклањања командних површина, извлачења ногу стајних органа, извлачења аеродинамичких кочница и друго.. [1][2]

Садржај

1 Историјат 2 Предности преноса снаге са хидрауличким системом 3 Опис 4 Компоненте

o 4.1 Хидрауличка пумпа o 4.2 Хидраулички покретач o 4.3 Хидраулички акумулатор

5 Резервација поузданости 6 Види још 7 Референце 8 Спољашње везе

Историјат

Апликација хидрауличког система на авиону B737-300.

Кроз ваздухопловну историју, са развојем технологије ваздухоплова, расла је и потреба за погон појединих система. Неки од система, искључиво су захтевали погон са електричном енергијом и ту је то и задржано. Системи који су тражили механичку снагу за своје напајање прошли су одређену еволуцију, од директног коришћења снаге пилота, плеуматике, пиротехнике и хидраулике. Кроз дугогодишње искуство и доказивање, показало се да је велика предност хидраулике и она је ушла у стандард, као преносник снаге од погона до многих авионски система потрошача, а то су првенствено поједине површине и делови авиона, који се у функцији и у току лета померају:

командне површине, закрилца и преткрилца, аеродинамичке кочнице, ноге стајних органа, измена угла стреле крила, код одговарајућег типа авиона, промена геометрије уводника ваздуха и млазнице код млазних мотора, отварање шкрга за регулацију хлађења клипних мотора и друго. [1]

Предности преноса снаге са хидрауличким системом

У стогодишњој ваздухопловној историји, у мега броју апликационих примерака, једнозначно су доказане предности преноса снаге преко хидрауличког система, у односу на све алтернативне покушаје. Предности су:

мала маса, брз одговор, у односу на командни сигнал (брз одговор, мала временска

константа), поуздан рад, ради или не (црно бело), лако је за одржавање, ради без удара, буке и без опасности од пожара, може практично да развије неограничену снагу или обртни момент.

Ове позитивне особине су од круцијалне важности за систем команди лета, стајне органе, системе оружја и друго. Посебно је важна карактеристика, добра управљивост авиона, томе даје велики допринос употреба хидрауличких покретача командних површина, који не повећавају време кашњења одговора авиона, због позитивних особина преноса снаге са хидрауликом. [1]

Опис

Хидраулички систем авиона је затворен систем, испуњен са хидроуљем, под притиском. За хидроуље се захтева да буде хемијски неутрално, незапаљиво и са што је могуће мањом стишљивошћу. Те захтеве најбоље испуњавају минерална уља.

Хидраулички систем авиона сачињава мноштво компоненти и уређаја, које међусобно повезују цеви. Један део цеви је под већим радним притиском (на шеми горе обојено црвено), а та потенцијална енергија се претвара у механички рад одређеног хидрауличког покретача. Други део повратних цеви је излаз из покретача и оне враћају уље у резервоар (тамно плаве), одакле се напаја пумпа за обнову притиска, односно обнављање потенцијалне енергије. Улога резервоара је да прихвати повратно уље, а и да обезбеди потребну резерву уља у систему, за надокнаду нежељених губитака, због цурења, испаравања и слично. Пумпа је кључни део система, као срце код човека. Уграђује се на авионски мотор и део његове енергије претвара у потенцијалну енергију у хидрауличком систему. Раније је резервна била ручна, са којом је пилот морао ручно да створи притисак за најнужније радње при отказу мотора авиона или отказа моторске хидрауличке пумпе.

Садашња су решења, да је та помоћна пумпа са електро погоном и напаја се из електро акумулатора. Систем поседује и хидроакумулатор, који са својим потенцијалом успори пад притиска у случају неког поремећаја рада. Уље мора ићи из пумпе, према потрошачима, високе чистоће због чега пролази кроз филтер. Горњу границу притиска регулише регулациони вентил, вишак прелива у повратну грану, односно према резервоару за уље. Преко вентила селектора напајају се уређаји „потрошачи“. [2][3]

Компоненте

Ову инсталацију сачињавају пумпе, цевоводи, разне врсте вентила, филтри, хидроакумулатор и хидропокретачи (хидраулички мотори).

Хидрауличка пумпа

Зупчаста пумпа успоставља проток течности између зуба два упарена зупчаника. Један зупчаник је уклињен на погонско вратило, покреће и други са узупчаним преносом, који је слободан на својој осовини. Чеоне површине зуба прати контура кућишта пумпе, са минималним зазором, а бочно заптивање је са равним плочама са обе стране. Простор ниског притиска је успостављен на улазу, као простор где се зуби са преносом два зупчаника удаљавају и остављају слободан простор, са смањеним притиском. Као резултат тога, течност утиче у тај простор и преноси се (гура) са зубима према излазу. При међусобном зупчању, течност се истискује из простора између два зуба, са великом принудом, на оба зупчаника, што повећава притисак у течности на излазу из пумпе. Илустрације приказују принципа рада и неке варијације у конструктивним решењима. Овај тип пумпе је са типичном одређеном брзином и са константним протоком. Обично раде на релативно ниском притиску. Једноставне је конструкције и израде, лако се одржава. Веома је поуздана и као таква постала је стандард за инсталације уља, за подмазивање мотора са унутрашњим сагоревањем. [1][2]

Анимација примене принципа и наобичној баштенској пумпи за воду. .

Шематски приказ примењиваних принципа хидрауличкe зупчасте пумпе..

Криласта пумпа, ради исто на принципу ротације и стварања разлике притиска на улазу и излазу, са повећањем кинетичке енергије ротиране течности (уља), у ротирајућем систему. Повећање кинетичке енергије течности је уствари повећање динамичког, па и укупног притиска. Укупни притисак се може, по потреби, трансформисати сав у статички. Крилна пумпа се састоји од ротора, уклињеног на погонско вратило. Ротор је кружни добош на коме су радијално распоређена клизна лежишта за „крилца“ (слободне кракове елисе). При ротирању „крилца“ услед центрифугалне силе теже да се радијално извуку према ободу, из својих клизних лежишта. У томе их спречава њихов чеони ослонац на унутрашњи зид прстена око ротирајућег добоша. Прстенасти статични спољни добош, елиптичног је пресека. На правцу дуже осе елипсе су излазни отвори из пумпе, са већим укупним притиском, пошто су на тим местима највеће локалне обимне брзине уља (течности). аналогно томе у правцу краће осе елипсе су усисни отвори (улаз), ту је најмања локална обимна брзина уља.

У овом пројекту, спољни прстен је елиптичан, а не круг и дозвола два сета унутрашњих комора. По два отвора су на свакој комори, на супротним крајевима, под углом од 180 степени. Са својом функцијом усисавања и истицања течности стварају радијалне силе истог интезитета, а супротног смера и међусобно се поништавају. На тај начин вратило и лежајеви немају трансверзално оптерећење. [2][4]

Анимација рада криласте пумпе и изглед реалне, расклопљене..

Принципијелна шема клипне пумпе

Клипна пумпаје за потребе хидрауличких инсталација, веома је усклађен концепт и пројекат. Принцип рада и концепција конструкције, приказани су на датим илустрацијама. Код ове пумпе, цилиндри, клипови и осовина су међусобно коаксијални. Имају неколико пари цилиндара и клипова (углавном непаран број), распоређени су кружно у кућишту. То је најједноставнији тип клипне пумпе. Довод и одвод течности (уља) из пумпе пролазе кроз засебне канале, који повезују улазе и излазе из цилиндара, преко вентила. У кућишту вентила интегрисане су две коморе, које омогућавају довод радне течности и њен одвод. Клипови су смештени у отворима цилиндара и са доњим крајем, повезани су са на погонску плочу, која је под углом у односу на вратило, које је погони. Како се погонска плоча окреће, ослонци клипова прате њену површину, принуђујући њихово аксијално померање. Пошто је удаљеност од тачке ослонца, циклично променљива, при тој ротацији погонске плоче. Течност кроз канале и вентиле, усисава се и избацује, у одводни канал у систем, под притиском при сабијању са клипом у цилиндру. [2][5][6]

Илустрација принципа рада и конструкције хидрауличкe клипне пумпе..

Хидраулички покретач

Хидраулички покретачи (мотори), раде на супротном принципу од приказаних за пумпе. Треба имати на уму, да се најчешће користи клипни принцип, а нешто ређе и турбински (криласти). Зупчасти принцип није применљив за хидромоторе. Хидропокретачи, користе потенцијалну енергију притиска хидроуља и извршавају одређени рад при померању крмила, или увлачења и извлачења ноге стајних органа, или плоче аеродинамичких кочница, или неки други део авиона. Покретни делови, који се при кретању међусобно додирују имају висок ниво финоће површинске обраде и заштите. Међусобни зазори (толеранције), посебно су нормирани, за мало трење, трошење и за мало унутрашње и спољно цурење. Хидропокретачи, за померање крмила, у оквиру система команди лета, су неповратног континуалног дејства, са повратном спрегом. За остале потребе, обично су рани положаји гранични, извучено и увучено. За неке делове, као за аеродинамичке кочнице, може бити и са једним међуположајем. [2][7]

Хидраулички покретач има разводник и клип, који се крећу у оквиру својих цилиндара, са блиским контактима зидова. Они се системски

подмазују, а цурење, услед међусобног зазора, своди се на најмању могућу меру.

Хидрулички акумулатор

Двокоморни хидраулични покретач.

Хидраулички акумулатор

Улога акумулатора је да стабилизује притисак хидроуља у инсталацији. У току скока повећане потрошње потенцијалне енергије, његово дејство смањује ниво пада притиска. Поред тога основна му је корист, што је у њему неко краће време резерва потенцијалне енергије. Неко краће време може да ублажи последице прекида рада пумпе. Једноставне је конструкције, у цилиндричном је или сверичном облику, у коме су одвојене две коморе са еластичном мемраном, или код цилиндричних, са покреним преградним клипом. Са једне стране преграде је суви азот под притиском, а са друге стране је уље повезано са хидро инсталацијом. Када дође до пада притиска у хидроинсталацији, азот се шири и потискује хидроуље на другој страни преграде и успорава пад притиска у целој инсталацији. [2]

Резервација поузданости

Што је људски организам крвоток, може се слободно рећи да је за савремени авион хидраулички систем. Сви савремени авиони имају хидрауличке покретаче командних површина у оквиру команди лета. Нестанак притиска у инсталацији и отказ покретача значи и губитак авиона. Да би се тај ризик свео на најмању меру, конструктивно је предузета вишеструка резервација поузданости. Сви су покретачи командних површина двокоморни, то змачи у једном цилиндру су две редне комора, са засебним клиповима и разводницима. То обезбеђује могућност да се свака комора напаја са хидроуљем под притиском из одвојеног хидросистема.

Сви савремени системи су опремљени са два независна паралелна хидрауличка система и са једним помоћним. Овде је је проблем у томе како обезбедити и са независним изворима напајања, пумпама. Код двомоторним авионима то је једноставно, на сваки мотор, интегрише се по једна хидрауличка пумпа. На једномоторном авиону се морају обе пумпе интегрисати на један мотор, што умањује поузданост са могућношћу отказа мотора. Трећи резервни хидраулички систем је изведен делимично, са захтевом да снабде виталне потрошаче, првенствено команде лета. Његова је пумпа са електрричним погоном, а постоје и решења са извлачењем ветрогенератора из контуре авиона. Када авиону остане у употреби само помоћни хидраулички систем, одмах исти прекида мисију и враћа се на најближи аеродром, на слетање.

Ваздушна турбина, на комерцијалном авиону Боинг 757.

Помоћни систем напаја само једну комору хидрауличких покретача, што значи да је повратак на аеродром са што мањим маневрисањем у току лета.

Систем команди лета авиона подразумева међусобно интегрисане подсистеме, који су у функцији управљања и преко којих се мења и одржава жељени режим кретања (лета) летелице. Преко њих пилот саопштава своју жељу о промени режима лета, а авион одговара са својим карактеристикама и извршава задату команду. Одступање одговора авиона, од жељеног, пилот уочава и коригује, са допунском командом. Заједно, пилот, команде лета и авион сачињавају затворену динамичку целину, која се међусобно усклађује, у реализацију жељеног режима лета. Са развојем ваздухопловства, то усклађивање је све савршеније и све је ближе јединственом „организму“, као код птица, чему човек тежи од давнина. На томе путу развоја, систем команди лета авиона је имао велике трансформације, сагласно развоју свих грана технике и са освајањем нових технологија.

Пилот на своме радном месту, у седишту борбеног авиона .

Садржај

1 Коришћене физичке величине 2 Опис и принцип

o 2.1 Примарне команде o 2.2 Секундарне команде

3 Технологије команди лета o 3.1 Механичке o 3.2 Хидро–механичке

3.2.1 Хидраулички покретачи o 3.3 Електричне команде лета

3.3.1 Аналогна технологија 3.3.2 Дигитална технологија 3.3.3 Резервација поузданости

o 3.4 Управљање са потиском мотора преко електричних сигнала 3.4.1 Систем ХОТАС

o 3.5 Трансформација командног сигнала 3.5.1 Промена преносног односа 3.5.2 Симулација осећаја силе на палици 3.5.3 Пригушивачи осцилација авиона 3.5.4 Аутопилот

o 3.6 Перспектива даљег развоја 3.6.1 Пренос сигнала преко оптичких каблова 3.6.2 Алтернатива за хидросистем

4 Види још 5 Напомене 6 Извори 7 Коришћена издања 8 Спољашње везе

Коришћене физичке величине

Основне

[s] време

[m] дужина

[kg] маса

Изведене

[m] полупречник кривине путање

[m] дужина, дуж „X“ осе

[m] дужина, дуж „Z“ осе

[rad/s] угаона брзина, око „y“ осе

[rad/s] угаона брзина, око „Z“ осе

[rad/s] угаона брзина, око „X“ осе

[m/s] брзина

[m/s2] убрзање

[m/s2] гравитација

[kg/ms2] статички притисак

[kg/ms2] динамички притисак

[kgm/s2] сила

[kgm/s2] сила на палици/педалама

[kg/s2] крутост опруге

[kgm/s2] тежина

[kgm/s2] сила узгона

[—]фактор аеродинамичког оптерећења

Опис и принцип

Пилот управља са свима системима на авиону, а коначно и са самим авионом, односно одређује путању и остале параметре његовог лета. То захтева посебну психо–физичку способност, увежбаност и знање. Гледано кроз историју развоја ваздухопловства, то је на почетку било вишеструко једноставније, у односу на савремене авионе са великим бројем система, радњи и са велики разликама између минималних и максималних брзина лета. Једино је остало исто то што пилот доноси коначне одлуке. На савременим авионима су интегрисани многи системи који пилоту олакшавају управљање са авионом и растерећују га од сувишних радњи, које ни физички не може обавити, у захтеваном кратком временском периоду. Пилоту се олакшава управљање са авионом, са интеграцијом система на бази достигнућа технолошког развоја у домену, рачунарства, аутоматике, вештачке интелегенције, роботике, експертних система итд. Развој тих система и њихова интеграција у функционални ланац пилот–систем и пилот–авион, уствари је развојни пут система команди лета авиона, од првих једноставних до паметних и веома сложених.

Пилот је смештен у кабину авиона, на своје радно место, а код борбених авиона, везан је са посебним појасевима у пилотско седиште. Своје жеље, односно одлуке може пренети на авион и његове системе са мехничким радњама руку и ногу, покретом главе и са изговореним препознатљивим речима. У последње време се много истражује и управљање

са покретом очију. На првим авионима, на почетку развоја ваздухопловства, било је управљање само са механичким радњама руку и ногу. Та чињеница је и одредила концепцију и техничка решења за команде лета. То је задржано и на данашњим авионима, а остала усавршавања су само додавана. Командни покрети руку и ногу пилота, преношени су на системе, такође механички, преко сајли, котурача и полуга, касније је увођен пренос преко електричних сигнала, прво преко аналогних електронских, касније дигиталних и сада се стигло преко преноса са светлосним сигналима. Сваки авионски систем је специфичан и по начину управљања, а ти остали управљачки системи, сви заједно се сврставају, у тако зване „секундарне команде“, а примарне су команде лета са аеродинамичким покретним површинама, у функцији континуалног подешавања аеродинамичких сила и момената у циљу одржања жељеног режима лета авиона на задатој путањи.

Сви улазни командни сигнали, који потичу од пилота, иницирају се у кабини и преносе према извршним подсистемима. Пилот саопштава улазне сигнале преко специфичних командних елемената интегрисаних у кабини.[1]

Волан на авиону Боинг 737

Примарне команде

За више информација видети Аеродинамика и Крило

Примарне команде лета служе за управљање са изменом аеродинамичких сила и момената авиона, у циљу реализације лета по жељеној путањи са жељеним параметрима. На измену аеродинамике се утиче са померањем делова крила и репних површина. На крилу су померљиви делови површине, близи краја његовог размаха и излазне ивице. На хоризонталном и вертикалном репу су класична решења са крмилом, а новија су са обртном целом површином.[a]

Поглед на пилотску палицу и педале у кабини F-14 томкета.

Мала палица, постављена бочно, од пилота. Кабина авиона Ербас А380.

Све ове покретне површине се отклањају (обрћу) око својих „шарнирних“ оса. На авиону су обртне командне површине:

крилца, на првој слици, обележена су са „А“, крмило хоризонталног репа, обележено са „C“ и крмило вертикалног репа, обележено са „D“.

Елементи у кабини, преко којих пилот иницира померање наведених обртних површна, обележено са „B“, су:

палица и

педале.

Крилца су покретни делови крила, на горњој првој слици. Диференцијално се отклањају, у функцији стварања разлике узгона на левом и десном полу–крилу, резултат чега је момент ваљања авиона, око његове уздужне осе. Хоризонтални реп/крмило је узгонска површина, постављена на завршном делу трупа авиона. Служи за уздужну стабилизацију и за уздужно управљање са авионом. Вертикални реп/крмило је уграђено на завршном делу трупа авиона, у равни симетрије, ако је удвојен онда паралелно са њом. Служи за бочну стабилизацију и за управљање са авионом у скретању.

Палица је повезана са крилцима и са хоризонталним репом/крмилом. Бочно отклањање палице се преноси на диференцијално отклањање крилаца. Када пилот отклони палицу на десно, крилце на десном полу–крилу, иде нагоре, а на левом надоле. Уздужно отклањање палице (у равни симетрије), преноси се на отклањање хоризонталног репа/крмила. Када пилот отклања палицу према себи хоризонтални реп/крмило се отклања тако што му излазна ивица иде нагоре (-) и обрнуто (+).

Код класичних борбених авиона, са избацивим седиштем са нормалним нагибом, пилотска палица је уграђена у равни симетрије авиона. Код савременијих авиона, са електричним преносом командног сигнала и са заваљеним седиштем, палица је смањена и постављена бочно, десно од пилота, као џојстик (енгл. Joystick). Код појединих путничких, туристичких и пословних авиона је уместо палице уграђен волан.

Педале су уграђене у продужетку ногу пилота, по сличном принципу као и код аутомобила. Оне су повезане са вертикалним репом/крмилом правца. Када се десна педала гура напред, крмило се отклања тако што му се излазна ивица креће у десно (+) и обрнуто (-). Овај принцип и решење су практично исти, за све врсте авиона и за све нивое њиховог развоја и савремености.[1][2][3]

Секундарне команде

Секундарне команде су све остале, које нису везане за померање пилотске палице и педала. Њима припадају и команде са прекидачима, уграђеним у рукохват палице. То су елементи преко којих пилот управља са појединим кључним системима у току лета и када не скида руку са палице. Секундарним командама припадају и оне команде које су везане за промену аеродинамике крила, при полетању и слетању авиона, то јест команде са преткрилцима и закрилцима.

Командне ручице, педале и други прибори за управљање, у кабини авиона Пајпер сенека (енгл. Throttle piper seneca) .

Секундарним командама, поред ових за извлачења преткрилаца и закрилаца, припадају и за:

погон (мотора), навигацију, аутопилот , наоружање, стајне органе, аеродинамичке кочнице, радио и друге системе везе, одбацивање спољних терета, активну и пасивну електронску заштиту, електро и електронску опрему, позив информација и података на показивачки систем, катапултирање пилотског седишта итд.

Пренос покрета ногу пилота на крмило правца, преко сајли, на авиону из првих деценија историје ваздухопловства. Тада су још сајле пролазиле изван контуре трупа, од кабине према крмилу

Технологије команди лета

Механичке

Механичке команде лета су прва технолошка решења, која су се користила на првим авионима у току ваздухопловне историје. Задржана су као најједноставнија решења на ултра-лаким авионима, где су се задржале мале силе, потребне за померање палице и педала. Код ових команди, све су компоненте механичке:[2] [3]

палица/педале/ручице, сајле, котураче, полуге.

Хидро–механичке

Са развојем ваздухопловства расле су брзине лета, прешле су у крозвучне и надзвучне области, са чиме су расли и шарнирни моменти командних површина. Са друге стране, аеродинамика је на тим брзинама у функцији измене густине ваздуха и аеродинамички центар (центар потиска) командне површине се нагло помера преко 50% њене тетиве, због чега се прешло на целообртне. У тим условима механичке команде лета, практично нису применљиве, због:

великих сила на палици и педалама и због преласка центра потиска на другу страну шарнирне осе, што мења смер

шарнирног момента па и сили на палици и онемогућава управљање.

Ова ограничења су постала препрека за даљи развој авиона. Решење је нађено са увођењем хидрауличког покретача командне површине, са неповратним дејством. При томе се шарнирни момент уравнотежава са силом хидропокретача, а на палици се осећа безначајан отпор трења у чворовима механичког преноса и у разводнику хидро уља. Овде се јављају нови проблеми, пилот губи осећај о учињеној радњи, преко информације пораста силе реакције на палици и педалама, при његовој команди. Тај се осећај мора вештачки симулирати, што је приказано у поглављу „Симулација осећаја силе на палици“. Други је проблем је осетљивост разводника хидропокретача и на најмањи нежељени улаз, што изазива и нежељени отклон крмила. Због дужине механичког кола команди лета, од палице до разводника, тај услов је тешко испунити због зазора у чворовима и због еластичности целог командног кола. Компромисно решење се налази у повећању преклапања клипова разводника и пролазних отвора. На тај начин се повећава толеранција на нежељени улаз у разводник, али се повећава нелинеарност система хидропокретача.[4]

Хидраулички покретачи

Хидропокретачи крмила, концепциски су двокоморни (редно интегрисана два цилиндра и два клипа, на заједничкој клипњачи). Разводници су такође редно интегрисани, са клиповима на заједничкој клипњачи и са заједничким улазом. На овај начин је обезбеђена

потребна снага, са релативно малим пречником клипова и напајање оба цилиндра са независним системима хидроинсталације. То повећава поузданост рада, са аспекта њиховог напајања, са хидроуљем под потребним притиском. Допунски је обезбеђен и резервни хидро систем, који напаја једну од комора, за нужно управљање са авионом при отказу оба основна.

Повратна спрега је механичка, са системом полуга (на слици назначено са плавом бојом), која обезбеђује прецизно позиционо управљање са крмилом. Преносни однос, дефинисан је са кинематиком повратне спреге, дефинише се као појачање исте. Блок шема, на горњој слици, алгоритамски дефинише принцип рада хидрауличког покретача. Са „А“ је означен цилиндар са двоструким клипом, „Б“ је структура повратне спреге и „С“ је упоређивач, који направи разлику између жељеног и стварног помака клипњаче (крмила). Уочена разлика је допунски (корективни) улаз на разводник и такав се одвија процес, све док се грешка (разлика) између жељеног и постигнутог отклона крмила не изједначи са нулом. Хидраулички покретач, бољих перформанси, то брже оствари.[b]

Хидраулички покретач је веома поуздан уређај. Поузданост његовог рада једино може да угрози отказ напајања и нечистоће у хидроуљу. Преклапање клипова вентила мора постојати због несавршености механичког кинаматског кола од палице до улаза у вентил. Са друге стране би вентили без икаквог преклапања имали одређено унутрашње цурење хидроуља, што би изазивало корективно померање улаза на њима, па и нестабилност рада. У стварној примени хидропокретача на авионима виших перформанси постоје и аутопилоти и пригушивачи, чији излази (команде) исто пристижу у хидропокретач. То су електронски улази, са ограниченим ауторитетом и они се саопштавају хидропокретачу преко сервовентила. Код електричних команди лета су сви улази електронски сигнали, али потпуног ауторитета (у пуним границама између два крајња отклона крмила).[5]

Анимација принципа рада хидрауличког покретача.

Шематски приказ хидрауличког покретача, са принципијелном шемом, где су: А-хидропокретач, Б-повратна спрега и С- упоређивач.

Електричне команде лета

За више информација погледајте чланак Аеродинамика

Механички и хидро–механички системи команди лета, поред тога што су једноставни, имају доста негативности. Ови системи увећавају масу целог авиона, пошто полуге, сајле и котураче имају значајну масу, али и са својим захтевима о крутости структуре која прихвата наслоне њених чворова, индиректно изазива повећавање њених димензија, па и масе авиона. Строги услови производње чворова командних кола испред хидропокретача, поскупљује производњу. Авиони са механичким и хидро–механичким системима морају испунити услове обезбеђења значајне статичке резерве стабилности авиона, што има за последицу већу масу његове структуре, а и директно деградира перформансе лета.

Увођењем електронске везе између пилотске палице/педала и хидропокретача, добијају се значајна побољшања, а уклањају се сви проблеми са полугама, сајлама, котурачама, крутошћу и трењем. Добија се систем брзог одзива (мале временске константе). Поготово се остварују велике користи, када се тај електронски сигнал успут моделира у рачунару, према потребама и захтевима високих перформанси управљања. Механичко деловање пилота на палицу/педале, претвара се у електронски сигнал, који се преко рачунара моделира и спроводи у сервовентил хидропокретача. Сервовентил је потпуног ауторитета, што значи да се са примљеним електронским сигналом може остварити пун ход хидропокретача, односно пун отклон крмила. Преко електронског преноса сигнала, поједностављена је и интеграција пригушивача и аутопилота. Све те електронске сигнале, од палице/педала, пригушивача и аутопилота прихвата и интегрише рачунар, обрађује и моделира по изабраним/оптимизираним законима управљања и шаље резултујући, у серво вентил односно хидропокретач. Свакако је највећа корист од овог система команди лета што испуњава услове безбедног лета авиона и са негативном резервом статичке стабилности (статички нестабилан). Са конфигурацијом статички нестабилног авиона, добијају се далеко боље перформансе, посебно у маневру. Ово је могуће и присутно је већ као стандардардна технологија у многи серијским авионима. Рачунарске технологије и

методе оптимизације закона управљања су толико напредовале, да се могу остварити захтеви без ограничења. Без обзира што је то систем са максималном употребом рачунара и технологија оптимизације у управљању, назван је енгл. fly-by-wire control systems, а у српском школству и ваздухопловној струци електричне команде лета. Ова технологија је дуго и опрезно развијана, у стационарним и у летећим лабораторијама, све док није постала довољно поуздана. Прошла је кро фазе развоја на бази аналогне, па дигиталне технологије електронике и кроз више фаза решавања концепција резервације поузданости.

Глобални допринос електричних команди лета, сагледава се у доприносу:

Оптимизацији аеродинамичких конфигурација за повољан однос узгона и отпора у надзвучном лету.

Реализацији задате (жељене) статичке и динамичке стабилности, у целој анвелопи лета авиона, што омогућава и лет са тежиштем иза неутралне тачке (недопустива статичка нестабилност у класичној аеродинамици авиона), што побољшава перформансе авиона.

Оптималном моделирању одговора авиона на пилотову команду (изражену жељу са померањем палице/педала).

Интеграцији аутопилота, широког спектра функција. Реализацији лаке, поуздане и благовремене размене података са системом за

навигацију. Развоју система команди лета, пошто се лако и у раној фази укључује пилот у тај

процес, преко симулатора лета, који почиње да функционише од самог почетка развоја авиона.[5][6][7][8][9][10]

На Ербасу А380 су интегрисане електричне команде лета, а F-8 Крусадер је био један од демонстратора тих технологија. На F-8 је приказан рачунарски блок.

Аналогна технологија

Једноставно су замењене механичке команде са преносом аналогног електронаког сигнала, генерисаног на пилотској палици/педалама, до електронског серво–вентила на

хидро–покретачу. Успут је тај сигнал интегрисан са електронским сигналом аутопилота, преко одговарајућег електронског блока.

Напајање хидро–покретача са хидро уљем је задржано као код механичко–хидрауличког система. Оваква, прва и најједноставнија варијанта електричних команди лета је изведена на авиону лабораторији Авро Вулкан 1950. године. Осећај потребне силе на палици, за командни помак исте, вештачки је симулиран. Сличан систем, коришћен је и на првом надзвучном путничком авиону Конкорду.

Касније је примењен савршенији аналогни систем на борбеном авиону F-16 фајтинг фалкон. У овој апликацији су коришћене и друге опције из менија могућности, као што је смањење статичке стабилности, што је овом познатом ловцу, значајно повећало могућности у маневру. У овим унапређеним решењима, коришћени су аналогни рачунари, већих могућности..[5][11][12][13][14]

Дигитална технологија

Електричне команде лета, са дигиталним електронским сигналом, сличног су општег принципа као и претходна варијанта са аналогним сигналом. Разлика је само у електронском облику преноса сигнала и у томе што се у овом случају користи дигитални рачунар, већих могућности и бољих перформанси. Дигитални рачунар поред наведених предности је и флексибилнији за пријем сигнала од авионских сензора. Са дигиталним рачунаром се могу остварити излази, према серво–вентилу, по сложенијем, задатом софтверу. Алгоритми сличног нивоа није могуће реализовати код логичког блока аналогног система, који има велика ограничења. Са дигиталним електричним командама лета се потпуно спроводи жеља пилота, уз побољшани квалитет и уз пружање велике помоћи у управљању са авионом. Пилот се ослобађа бриге о свима ограничењима које прате управљање са авионом, као што је гранична издржљивост структуре и граница нападног угла. Софтвер, са којим рачунар обрађује сигнале, исте и филтрира од осцилаторних побуда, што обезбеђује и стабилност рада целог система. Овај систем команди лета, између осталог, отвара могућност за измештање палице, бочно од пилота. Значајно њено смањење и повећани нагиб пилотског седишта, прате овај концепт. Концепт мале бочне палице ослобађа централни део инструменталне табле, за бољу прегледност, а заваљено седиште омогућава пилоту лакше подношење услова већих оптерећења, при повећаним убрзањима. Један од пионира, у примени ових решења, је борбени авион F-16 фајтинг фалкон, а на путничком авиону Аирбусу, примењена је бочна палица.

Технологије електричних команди лета, освојене су и потврђене са обимним теоретским и лабораторијским истраживањима и са више десетина авиона–лабораторија, преправљених на бази тих нових технологија. Сада су то усвојени стандарди, за савремене борбене, транспортне и путничке авионе, широм света. У томе смислу, Федерална ваздухопловна администрација САД (енгл. Federal Aviation Administration (FAA)), стандардизовала је софтвер за електричне команде лета, под ознаком: RTCA/DO-178B, а закони управљања, морају да испуне услове DO-178B Level A. Савремени серијски борбени и комерцијални авиони се производе са овом технологијом управљања, примери су F-16 фајтинг фалкон,

F-22 раптор, Авион Рафал, JAS 39 Грипен, МиГ-29СМТ, Сухој ПАК ФА, Ербас А320, Боинг 777 и други.[15][16][17][18]

Шема примењеног принципа електричних команди лета за Нови авион.

Шема принципа електричних команди лета.

Резервација поузданости

Илустрација умножавања и надгласавања сигнала, електричних команди лета.

Основни проблем електрични команди лета био је поузданост и то првенствено због тешкоћа доказа исте. Доказ поузданости у реалном времену би био толико дуготрајан, тако да би за то време застареле све остале примењене технологије. Са савременим методама симулације, у лабораторијским условима, то је смањено на прихватљиво време. Посебно је била проблематична поузданост код дигиталних система, код којих електронски сигнал потпуно прекида рачунар, када падне његов софтвер, тада се прекида и веза према хидро–покретачу. Кроз дуготрајна истраживања и потврђивања, отворен је пут резервације поузданости преко умножавања паралелних система, са применом посебних метода међусобног надгласавања њихових сигнала, усвојен је принцип међусобне независности између канала, који је основа поузданости. Већински број сличних сигнала, софтверски одбацују мањински, који одступа са својом вредношћу. Циљ је да се избегну фаталне истовремене грешке у каналима. Ако се и појави грешка у неком од канала, са надгласавањем сигнала, тај се различит сигнал одбацује, пошто је у мањини. Поузданост електричних команди лета, дефинисана је са захтевима да више од један фаталан отказ не сме да се појави, на милион сати лета. Та поузданост система команди лета, нпр. на Рафалу, доказана је у физичкој симулацији у лабораторији, при искљученим механичким компонентама. У процесу испитивања, од милион сати лета, није се појавила ни једна грешка у електронском сигналу управљања. Шематски, на слици десно, приказан је општи принцип умножавања и надгласавања система дигиталних команди лета. Умножавање система је било по принципу три независна дигитална и један аналоган систем. У последње време је приступ са сва четири дигитална канала, при чему је на

једном каналу другојачији рачунар, са поједностављеним софтвером. Када би се десило, да три истоветна канала, са сложеним софтвером, имају грешку, велика је вероватноћа да четврти, са поједностављеним, неће имати и да се авион са тиме ограниченим могућностима може вратити у базу. На овај начин је смањен ризик да системска, скривена грешка у сложеном софтверу, буде фатална за цео авион.[6][7][8][18][19]

Управљање са потиском мотора преко електричних сигнала

Дигитални сигнали за управљање са режимом рада мотора омогућују потпуну интеграцију те функције у систем команди лета. На савременим борбених авионима, то је посебно значајно, пошто је обично један пилот у авиону, који је обавезан да сам извршава велики број радњи и још да води борбу. Са интеграцијом свих подсистема, као што су аутостабилизација, навигација, радар, управљање са наоружањем итд. и са уведеном аутоматизацијом, растерећује се пилот од сувишних радњи. На тај начин, пилот се у борби може усредсредити и концентристи само на тај свој примарни задатак. Са савременим интегрисаним софтвером, постиже се оптимално усклађивање потребног потиска мотора за одређени режим лета авиона, у сагласности са осталим системима и са врстом задатка. Пилот није ни заузет нити оптерећен бригом о различитим и многобројним ограничењима. Код комерцијалних авиона, добитак је у рационалности и економичности смањења потрошње горива. Ако је економичнија потрошња горива, авион носи мању његову резерву (мањи је мртав терет), па ће и индиректно мање трошити на режиму крстарења, због мање укупне масе, целог авиона.[20]

Систем ХОТАС

Код примене електричних команди лета и интеграције свих система управљања на авиону, створени су услови и за интеграцију саопштавања жеље пилота, преко леве и десне руке, према авионским системима. У тој функцији пилот стално у току лета, држи руке на малим палицама, постављеним лево и десно од његовог седишта. Са леве стране је мала палица за управљање са мотором, са десне стране је мала палица за померање крилаца и крмила хоризонталног репа. Мале командне ручице (палице) имају ергономски подешене рукохвате, за шаке руку, а пилотове подлактице имају одговарајуће наслоне на бочним странама седишта. На рукохватима палица су распоређени командни прекидачи, за управљање са системима опреме и наоружања, у реалном времену. Пилот, током лета и током вођења борбе, држи обе руке на палицама и управља са авионом, са његовим системима опреме и са оружјем. Ријеч је о такозваном систему HOTAS (енгл. hands on throtle and stick). Пилот се потпуно сједињује са борбеним авионом, у јединствен динамички систем, преко својих одлука, визуелног праћења циља и истовременог управљања са обема палицама и прекидачима на њима, при борби са непријатељем.[21][22][23]

Трансформација командног сигнала

У почетном степену развоја авијације, било је довољно одредити преносни односи змеђу дужине уздужне путање рукохвата пилотске палице и укупног угла отклона крмила хоризонталног репа и бочне путање палице и укупног угла отклона крилаца, као и отклона педала и отклона крмила вертикалног репа. То су за авионе, на почетном степену развоја,

биле константе, пошто је био мали распон њихових брзина лета, од минималне до максималне. Са даљим развојем авијације тај распон је нагло растао, чак се стигло до максималних брзина сагласних Маховом броју од М=2,5, где се и зауставило, због повећаног загревања додирних површина авиона са ваздушном струјом. У оквиру тако великог распона брзина, услови управљања и понашање авиона, драстично су измењени, што није могуће покрити са једноставним полужним или еластичним преносом, константног преносног односа командног система, без допунских уређаја–ускладника. Аеродинамички момент командне површине, око обртне осе (зове се шарнирни момент), драстично се увећава, равнотежни углови отклона (за исти маневар) су знатно смањени и распоред маса у односу на осе авиона знатно је измењен. Ово зачајно мења услове управљања, упоређујући нпр. авионе Поликарпов По-2 и F-22 раптор. Конструктори су били пред задатком да обезбеде пилоту сличан осећај када управљају са било којим од ова два гранична авиона и свих осталих конфигурација у томе распону. Аналогно, као што се са истом возачком дозволом и са истим знањем може возити Трабант и врхунска луксузна лимузина.[1]

Промена преносног односа

Нелинеарна крива преноса палица–крмило.

Код почетног развоја авиона, већ при помаку максималних брзина авиона преко 300 km/h, уочена је значајна промена у условима и у осећају пилота при управљању са авионом. Сила на палици/педалама је много увећана због пораста шарнирних момената са порастом брзине. Такође је авион постао преосетљив и на веома мале помаке палице/педала, због смањених потребних равнотежних отклона крмила, са порастом брзине. Тај проблем је код механичких командних система разрешен са „нелинеарним механизмом“. Уградњом овога механизма, постиже се измена градијента хода рукохвата палице по углу отклона

крмила , са изменом положаја (отклона) палице, по законитости приказаној на скици, датој на слици десно. Овом техником, могао се компромисно решавати овај проблем само у малом распону брзина. Са даљим порастом тога распона и при употреби хидро–покретача прешло се на механизовани систем аутоматске адаптације кинематског преносног односа палица/педале–покретач а и уједно и према опружном механизму за вештачку симулацију силе на палици/педалама. На авионима J-22 Орао и МиГ-21, примењен је механизам АРУ-3В, а на Мигу-29 АРУ-29-2.[1][24][25]

Симулација осећаја силе на палици

Пилот при управљању, са авионом, мора имати информацију шта ради, а то му саопштава прираст силе на палици при њеном померању, као реакција, на дејство руке на њу, при изражавању жеље о реализацији маневра. Градијент силе на палици по фактору аеродинамичког оптерећења, dFx /dn је кључни параметар управљивости авиона. Пилот такође мора имати информацију о томе, шта је урадио. О томе има повратну информацију преко одговора авиона, што уочава визуелно и преко осећаја оптерећења услед изазваног

убрзања. Ако не постоји ова затворена веза пилот–авион, онда тај увезани систем није управљив. Из тих разлога, у случајевима када је нарушен пожељан опсег вредности градијента силе на палици по фактору аеродинамичког оптерећења, приступа се уградњи ускладника у систем команди лета. Са нелинеарним механизмом се донекле очувају пожељне вредности градијента сила на палици по фактору оптерећења. Са порастом распона брзина и са увођењем хидрауличког покретача, неопходна су друга додатна и сложенија решења. Уграђени су, у коло команди лета, уређаји за симулацију силе и за промену преносног односа, са адаптацијом по динамичком и статичком притиску, на принципу аутоматског управљања. Илустровани су принципи развоја и примене тих уређаја са једноставним шемама, на доњој слици.[1][24][25]

Начелни принципи вештачког подешавања градијента силе, по помаку палице/педала.

Пригушивачи осцилација авиона

Са развојем авиона, истима се повећавао распон брзине лета. Увећала се и укупна маса, а и променио им се однос у величини трупа и крила. Труп се повећао, а размах крила се смањио. Та трансформација, изазвала је код авиона проблем појаве динамичке нестабилности, у виду слабо пригушених осцилација, при краткопериодичном уздужном и попречно–смерном кретању. Пошто такво понашање авиона није могуће толерисати, предузимају се вештачке мере њиховог лечења. Уведени су, у систем команди лета, уређаји (пригушивачи), са којима се те осцилације пригушују. Динамичко понашање авиона се подешава, са вештачким моделирањем, са функцијом пригушивача. Пригушивач се састоји од логичко рачунарског блока и од извршног механизма. У логичком блоку, са

одређеним софтвером, обраде се придошли сигнали са жироскопа , сагласно са динамичким карактеристикама објекта, чије се осцилаторно кретање пригушује. Оформљени управљачки сигнали, у рачунарском блоку су улаз (наредба) за извршни механизам пригушивача. На различитим нивоима развоја ваздухопловства, различите су биле концепције уградње извршног механизма у ланац командног кола. Код механичких командних система, извршни механизам је био електро или хидраулички брзи покретач, интегрисан у ланац команди као на приказаној шеми на доњој слици. На основу

примљеног сигнала, из логичког кола, извршни механизам реализује ограничен помак, са којим се отклања крмило без утицаја пилота у облику хармониске функције, са амплитудом од неколико степени (у границама од -5 до +5 степени). То се назива ограничени ауторитет. На основу софтверске подешености, са методама аутоматског управљања, фазе и учестаности кретања крмила, у односу на нежељено осциловање авиона, исто се пригушује. Код авиона са хидрауличким покретачима, извршни механизам се уграђује као предпокретач испред улаза у разводник. У каснијој фази развоја, појавили су се сервовентили са две врсте улаза, механички и електро. У тој концепцији је олакшана интеграција пригушивача. Једноставно се у сервовентил уводи електронски улаз из логичког блока пригушивача. Код система електричних команди лета, посебно је олакшана интеграција ове функције пригушивача у софтвер моделирања динамичког понашања авиона. Функција пригушивача се овде и губи, као засебна категорија.

Пригушивачи, око све три осе, на авиону Ј-22 Орао, интегрисани су у оквиру рачунарског блока УПСУ, а на МиГ-29 у оквиру САУ-451-04. На овим авионима се директно воде електронски сигнали у сервовентиле хидропокретача.[25]

Анимација пригушења у скретању и у пропињању авиона.

Аутопилот

Под појмом авионског аутопилота, подразумева се уређај за аутоматско одржавање задатих номиналних параметара лета, као што су висина, правац, брзина и тако даље. Аутопилот је интегрисан у систем команди лета авиона. За начине интеграције важи све што је речено за пригушиваче, они се заједно интегрално и решавају. Функција аутопилота је да одржава номинално стање параметара лета, а функција пригушивача је да обезбеди стабилно то стање и квалитетан прелазни процес, при задатом преласку са једног на друго номинално стање. Спецификације аутопилота путничких авиона, веома су захтевне, док за борбене су доста једноставне. За борбене авионе је најважнија функција да га врати у правилан положај, када пилот тренутно изгуби орјентацију, у акробацијама и у току борбе. Код борбених авиона, аутопилот одржава последње задате параметре, које је командовао пилот. На путничким, линијским авионима, аутопилот је интегрисан са системом за навигацију и уређајима за навођење са земље. Принципске шеме, ова два прилаза, илустрована су на доњој слици.

Аутопилот је ограниченог ауторитета, у односу на цео распон отклањања крмила. Код савремених авиона, функције пригушивача и аутопилота интегрисана су у јединствен

рачунарско аутоматичарски блок. Код авиона Ј-22 Орао је то УПСУ, код МиГ-29 је САУ-451-04.[25][26][27]

Блок шеме уобичајених улога аутопилота, за борбене и путничке авионе.[27]

Перспектива даљег развоја

Даљи развој система команди лета је усмерен на повећање поузданости, смањење масе и на смањење трошкова производње и одржавања. Поузданост је значајно повезана за електромагнетно ометање електронског сигнала, скривених грешака у софтверу рачунара и губитка хидронапајања. Решења умножених хидросистема, са цевима укупне велике дужине и великом запремином хидроуља значајно повећава масу и цену авиона.

Истражују се методе препознавања промене карактеристика авиона у ванредним случајевима отказа и оштећења и адаптације команди лета на те нове услове, у циљу очувања управљивости и спашавања летелице. На основу добијених резултата, биће надограђени софтвери команди лета.[28]

Пренос сигнала преко оптичких каблова

Класични каблови за пренос електронских сигнала, замењују се са оптичким. Добија се пренос сигнала са већом брзином, заштићен је утицај електромагнетних таласа. У питању је само замена каблова и принципа преноса сигнала, остали принципи електричних команди лета остају исти.

Алтернатива за хидросистем

После елиминације дугачких полуга механичког система команди лета, са преносом електричног сигнала од пилота, чине се напори да се по аналогији елиминишу и хидро цеви са уљем. Разматра се враћање примене електро енергије, за покретање крмила, уместо садашње хидрауличке. У условима електричних команди лета измењени су услови и добија предност електрична енергија за напајање покретача, са којима би се лако

управљало са новим принципима. Очекују се предности у смањењу масе, повећању поузданости управљања са авионом и повољнији услови за интеграцију осталих система. Одсуство хидраулике у великој мери ће смањити и трошкове одржавања. Такав нови систем је примењен на авиону F-35, а и резервни је на Аирбус А380.

Види још

Ултралаки авион Крило

Напомене

1. ̂ Код авиона са крозвучним и надзвучним брзинама, обавезно се цела површина отклања (закреће), има и ретких решења да се отклања и вертикална. Код тих решења и на крозвучним и надзвучним брзинама, обавезан је погон командних површина са хидро–покретачем.[2]

2. ̂ Било је веома озбиљних покушаја решавања овог проблема погона крмила и са електричним покретачима. Због практичних проблема је напуштена та технологија и ако је било неколико примена и у серијској производњи. У последње време, у склопу електричних команди лета, поново се истражују та решења, у циљу елиминације дугачких водова хидросистема и велике масе хидроуља.