Эдмунд Цихош - Сверхзвуковые самолеты
– управление положением фюзеляжа в воздушном бою, а также большую маневренность, что сокращает время прицеливания и предохраняет самолет от возможного столкновения с атакуемой целью;
– бомбардировку при почти вертикальном пикировании благодаря эффективному управлению сопротивлением за счет поворота всего крыла, что увеличивает точность бомбометания и уменьшает вероятность уничтожения самолета наземными средствами противовоздушной обороны;
– более высокие ускорения при сохранении неизменными характеристик двигательной установки посредством управления сопротивлением самолета, что может обеспечить наивыгоднейшие условия перед началом воздушного боя;
– лучшие условия выруливания, взлета и посадки благодаря использованию боковых сил, горизонтальному положению фюзеляжа (лучшей обзорности, большему удалению вооружения от земли), а также благодаря управлению сопротивлением во время разбега и пробега.
Рис. 1.37. Управление самолетом F-4CCV с использованием боковых сил для изменения положения фюзеляжа без изменения траектории полета (а), для изменения траектории полета без изменения положения фюзеляжа (б) и для обоих изменений одновременно (в).
Из вышесказанного следует, что применение автоматического активного управления может дать многообразные преимущества. Поэтому после решения проблем волнового кризиса и обеспечения самолету классической схемы надлежащей управляемости во всем диапазоне эксплуатационных скоростей были начаты работы по внедрению электродистанционных систем управления. В первую очередь были заменены электрическими некоторые механические тяги (например, управление носовыми щитками в самолете F-104, интерцепторами в «Мираже» F.8, а также внутренними секциями элевонов в «Мираже» III), а затем введены устройства стабилизации и демпфирования в поперечном управлении, искусственно повышающие устойчивость. Проведенные исследования показали, что даже ограниченное применение активного управления приносит значительные преимущества. Например, введение в стратегическом околозвуковом бомбардировщике «Боинг» В-52 противотурбу- лентной системы, приводящей в действие руль высоты и закрылки, повысило усталостный ресурс планера на 35-50% без дорогостоящего усовершенствования самой конструкции. Подобную же задачу выполняют две дополнительные небольшие несущие плоскости, установленные в передней части фюзеляжа самолета В-1, которые включены в электрическую систему активного гашения изгибных колебаний, возникающих при полете в турбулентной атмосфере.
Введение первых систем активного управления относится к началу 70-х годов. Первым шагом в этом направлении была модернизация самолетов классической схемы, в которых механические устройства управления были заменены электродистанционной системой (например, у самолетов F4 и F-8). Следующим шагом было применение дополнительного переднего оперения (горизонтального и вертикального) для создания вертикальных и боковых сил, позволяющих самолету выполнять «скачки» вверх-вниз либо в стороны. Характеристика первого типа реализована в самолете F-4CCV, на котором установлено дополнительное горизонтальное оперение, составляющее 7,5% поверхности основного крыла, а также небольшой дополнительный киль. Подобным образом модернизирован и самолет классической схемы YF-16CCY, в котором использованы только две дополнительные плоскости, работающие как V-образное оперение, выполняющее роль вертикального и горизонтального оперения.
Практическим результатом первого этапа работ над активным управлением было то, что автоматическая электродистанционная система управления предусматривалась в качестве основной уже при проектировании самолетов «Торнадо» (с механической аварийной системой), самолет F-16 проектировался с исключительно электрической цифровой системой без типичной рукоятки управления, а затем аналогичные системы управления были применены в самолетах «Мираж» 2000, F-18 и «Сюпер- Мираж» 4000.
Активное управление охватывает множество различных технических вопросов, часть из которых еще требует дополнительных исследований. Однако уже можно утверждать, что использование активного управления дает наибольший эффект в боевых пилотируемых и беспилотных самолетах.
5. Эволюция конструкции планера
Совершенно очевидно, что каждый новый самолет должен в целом превосходить своих предшественников, т.е. должен отвечать более высоким требованиям. Опыт показывает, что одним из способов удовлетворения все возрастающих требований, предъявляемых к вновь проектируемым самолетам, является снижение массы планера. Это выполняется на основании таких конструктивных и силовых схем, которые обеспечивают требуемую прочность и жесткость при минимальной собственной массе с использованием более легких и прочных материалов (в обоснованных случаях-жаропрочных), а также посредством улучшения технологии самолетостроения. Анализ характеристик самолета показывает, что улучшения некоторых из них можно достичь лишь ценой ухудшения других. В конкретных случаях отдают приоритет характеристикам, более важным для данного типа самолета, что позволяет согласовать противоречивые требования.
Однако при проектировании любого самолета нельзя избежать противоречия, вытекающего из необходимости обеспечить, с одной стороны, как можно меньшие аэродинамическое сопротивление и массу конструкции, а с другой-требуемые прочность и жесткость. Увеличение прочности и жесткости, например, путем увеличения габаритов приводит к возрастанию сопротивления, а путем усиления конструкции-к возрастанию массы. Уменьшение сопротивления, достигнутое благодаря уменьшению толщины крыла либо увеличению его стреловидности, приводит к росту механических нагрузок, а значит, требует увеличения массы конструкции и т.д.
В процессе разработки и изготовления планера всегда в первую очередь выполняются требования аэродинамики, а затем требования прочности, технологичности конструкции, удобства обслуживания и т. п.
В этих условиях оптимальное определение размеров конструкции заключается в компромиссном согласовании возможностей уменьшения массы конструкции (благодаря применению лучших технических решений и материалов) и необходимости увеличения массы (для выполнения тех или иных повышенных требований).
Планер, как и любые другие конструкции, может выполнять свою роль, если он обладает наряду с прочим соответствующей прочностью и жесткостью. Это означает, что отдельные элементы и узлы планера должны выдерживать нагрузки, возникающие при эксплуатации (критерий прочности), а их деформации (изгибы, углы скручивания, коробление обшивки) не должны превышать допустимых значений (критерий жесткости). Под воздействием эксплуатационных нагрузок не должны появляться остаточные деформации, увеличивающиеся с течением времени (ползучесть), поскольку это может вызвать изменение формы самолета, исключающее возможность его дальнейшей эксплуатации.
Требования к прочности планера зависят от нагрузок, действующих на самолет и его отдельные узлы во всем периоде эксплуатации. Одну и ту же прочность какого-либо узла планера, например крыла, можно обеспечить, используя различные конструктивные решения, материалы, технологии производства. От этих факторов зависит масса планера и, следовательно, всего самолета. Известно, что конструкции требуемой прочности и одинакового назначения могут существенно различаться между собой по массе. Масса же их зависит от оптимальности принятой конструктивно-прочностной схемы, от соответствующего выбора материала и форм поперечного сечения отдельных элементов, а также их взаимного положения, от используемых соединений, технологии исполнения, числа необходимых вырезов и множества других
конструктивно-технологических факторов. Прогресс в области материаловедения привел к созданию и применению новых материалов, а также новой технологии изготовления и соединения частей планера, что позволило не только существенно уменьшить собственную массу самолета, но и увеличить ресурс работы планера.
Новые требования к планеру возникли при достижении и превышении самолетом скорости звука (они связаны с аэродинамическими и тепловыми нагрузками, сопутствующими сверхзвуковым скоростям); эти требования привели к разработке многослойных и моноблочных конструкций и технологическому освоению таких новых конструкционных материалов, как сплавы титана и бериллия, а также так называемые композиционные материалы (композиты).
Авиационные конструкции-это тонкостенные (оболочечные) конструкции, обшивки которых относительно тонки, в связи с чем требуется увеличение их жесткости при помощи дополнительных продольных и поперечных элементов. Классическую конструкцию, повсеместно используемую в дозвуковой авиации, характеризует огромное количество (исчисляемое тысячами) деталей различных габаритов и форм, соединяемых с помощью винтов, болтов и заклепок (которых насчитываются сотни тысяч или миллионы). Изготовление такой конструкции требует больших затрат труда и времени и одновременно связано со снижением прочности из-за большого количества соединений и отверстий. Применение клееных конструкций лишь частично разрешило проблему соединений, поскольку по мере развития сверхзвуковой авиации требования выросли настолько, что многослойные конструкции стали вытесняться моноблочными.
