Экспериментальный самолет X-29. США

Экспериментальный самолет X-29. США

Содержание:

Публичная демонстрация изделия корпорации Grumman Aerospace Corporation, эксперимен­таль­ного истребителя Х-29, началась в духе времени, в столкновении старого и нового: сначала духовой оркестр сыграл несколько патриотических маршей, а затем его сменила ритмичная электронная музыка с модернистскими световыми эффектами. Это событие состоялось летом 1984 г. в Колвертоне, Лонг-Айленд. Выступивший на открытии выставки вице-президент США Джордж Буш-старший, в прошлом летчик морской авиации, долго и слегка недоуменно разглядывал новый самолет, а затем шутливо заметил:

«Прекрасная модель, но крылья у нее поставлены задом наперед».

Действительно, создавалось впечатление, что Х-29 собран неправильно, «шиворот навыворот». Обычно крылья самолета, располагаясь под углом к корпусу, направлены к хвосту, а у Х-29 они смотрели вперед, что выглядело весьма непривычно. Однако никакой ошибки в конструкции самолета, конечно, не было. Специалисты давно поняли, что такое расположение крыльев аэродинамически более выгодно: оно обеспечивает увеличение подъемной силы, уменьшает сопротивление, устраняет опасность зависания крыльев при крутом взлете и позволяет делать резкие повороты на сверхзвуковых скоростях. Тем не менее до недавнего времени два основных препятствия мешали внедрению в практику направленного вперед крыла у сверхзвуковых самолетов. Во-первых, материалы, используемые для изготовления крыльев обычных самолетов, были либо слишком непрочными, либо слишком тяжелыми, чтобы реализовать конструкцию направленного вперед крыла. И во-вторых, неустойчивость в полете самолета нового типа оказалась слишком значительной для обычных систем автоматического управления.

Первую проблему удалось решить, создав высокопрочный, легкий материал для крыльев. Вторую проблему – управление полетом неустойчивого самолета помогли решить успехи, достигнутые в вычислительной технике. По существу самолет Х-29 был задуман как летающая лаборатория для изучения крыльев нового типа. И примечательна она была не столько своими бортовыми компьютерами, сколько их периферийными устройствами ввода-вывода, которые непрерывно снабжали компьютеры значениями наиболее важных параметров полета и мгновенно передавали соответствующие команды системам управления. Благодаря этому рулевые поверхности могут менять свое положение много раз в секунду, а самолет не разваливается в воздухе на куски.

Быстродействие – одно из ценных свойств любой компьютерной системы, но в некоторых ситуациях практически мгновенное прохождение информации от устройства ввода через процессор к устройствам вывода совершенно необходимо. В подобных случаях говорят, что компьютер работает в реальном масштабе времени. Такой режим работы широко применяется для управления произ­вод­ственными процессами с целью повышения их эффективности. Но, пожалуй, самые высокие требования в этом смысле предъявляются к компьютерным системам реального времени, использу­емым там, где малейшая задержка может привести к катастрофе, например при управ­лении экспериментальным реактивным истребителем, который без помощи компьютера вообще не способен летать.

Сверхзвуковой истребитель X-29, созданием которого занималась корпорация Grumman Aerospace, существенно отличается от прочих: его стреловидные крылья направлены вперед, и у него отсутствуют хвостовые стабилизаторы. Лишь в передней части самолета, перед крыльями, видна пара небольших крыловидных аэродинамических поверхностей, создающих дополнительную подъемную силу. Благодаря такой необычной конструкции X-29 превосходит по маневренности любой традиционный реактивный истребитель. Направленные вперед крылья также снижают лобовое сопротивление, а это означает, что X-29 не нуждается в таком мощном и тяжелом двига­теле, какой был бы необходим для истребителя обычной конструкции, обладающего сравнимыми характеристиками.

Однако за эти преимущества приходится расплачиваться. В полете X-29 ведет себя примерно так же, как стрела, пущенная оперением вперед, т. е. он в высшей степени неустойчив. Возникающие вокруг необычного летательного аппарата воздушные потоки могут с такой силой развернуть его, что он развалится на куски менее чем за пятую долю секунды. Чтобы эффективно противо­дей­ствовать неустойчивости, приходится производить маленькими передними «крыльями» и другими рулевыми поверхностями до 40 коррекций в секунду – это не под силу даже самым опытным пилотам.

Пилот управляет самолетом X-29 с помощью компьютерной системы, работающей в реальном масштабе времени. Имеющие сложнейшее программное обеспечение три цифровых компьютера управляют целой сетью высокочувствительных устройств ввода-вывода. Компьютер практически мгновенно реагирует на изменение условий полета, анализируя показания датчиков и посылая соответствующие команды на рулевые поверхности, что позволяет возвращать истребитель X-29 в режим устойчивости полета, едва он начинает от него отклоняться.

Анатомия безотказной системы

Система, поддерживающая X-29 в полете и не дающая ему развалиться в воздухе, состоит из трех идентичных наборов устройств, выполняющих независимо друг от друга все действия по управлению самолетом. Такой тройной запас прочности гарантирует, что никакой случайный сбой не приведет к аварии. «Сердцем» системы служат три цифровых компьютера. Если в одном из них происходит сбой, два других отменяют его ошибочные команды. В маловероятном случае – при выходе из строя еще одного компьютера – в дело вступают три аварийных аналоговых компьютера. Они не обеспечивают оптимального управления, но помогают самолету благополучно добраться до аэродрома.

Каждый цифровой компьютер получает данные от своего набора датчиков. Три компьютера, сравнивая эти данные, выбирают усредненное значение каждого измеряемого параметра и обрабатывают их по программе, содержащей формулы для любой комбинации входных данных. Результирующие команды преобразуются в аналоговые сигналы. Поскольку уровень аналоговых сигналов меняется от компьютера к компьютеру, на устройства, управляющие рулевыми поверх­ностями, поступают усредненные сигналы. Несмотря на всю сложность, компьютерная система истребителя X-29 хорошо прошла все испытания сначала на земле, на тренажере, а затем в полете.

Самолет традиционной конструкции устойчив в полете, потому что подъемная сила, создаваемая крыльями, компенсируется у него направленной вниз силой давления воздуха на хвостовые стабилизаторы.

Поскольку истребитель X-29 не имеет хвостовых стабилизаторов, он легко отклоняется то вверх, то вниз, а маленькие передние крылья, увеличивающие подъемную силу, делают его еще более неустойчивым.

Система управления самолетом X-29 состоит из трех цифровых компьютеров, соединенных с избыточным числом устройств ввода-вывода. Каждый компьютер имеет по два микропроцессора: один контролирует ввод-вывод, включая команды пилота, другой выполняет программу, которая следит за точным и своевременным выходом сигналов-команд.

Сбор данных от сети датчиков

Слежение за скоростью, углом атаки и другими параметрами полета истребителя X-29 осуществ­ляется с помощью датчиков, расположение которых соответствует их функции. Сигналы от сети датчиков поступают в три цифровых и три аналоговых компьютера, расположенных в носовой части самолета. Поскольку датчики регистрируют реальные физические явления, они в большин­стве своем являются аналоговыми приборами, непрерывный выходной сигнал, которых меняется с изменением окружающих условий.

Важное значение имеют приборы, регистрирующие аэродинамические параметры. На носу и по бокам передней части корпуса самолета установлены флюгеры угла атаки, ориентация которых относительно корпуса меняется под влиянием воздушного потока, когда самолет наклоняется вниз или вверх. Рядом с этими приборами расположены трубки Пито, измеряющие давление набегаю­щего потока воздуха; по их показаниям рассчитывается скорость самолета.

В центральной части корпуса под крыльями находятся 9 акселерометров – по 3 на каждое из 3 направлений, которые измеряют ускорение самолета в продольном, поперечном и вертикальном направлениях. За спиной пилота расположены 12 гироскопов – по 6 на каждый из двух измеряемых углов: рыскания и крена.

Еще 6 гироскопов измеряют угол тангажа, т. е. наклона самолета относительно горизонтали – важный в смысле безопасности параметр для полета истребителя X-29. Чтобы избежать малейших искажений при измерении этого параметра, гироскопы размещены в наиболее жесткой части корпуса – перед шасси.

Шесть гироскопов каждого набора находятся в одном и том же корпусе, так что расхождение в их показаниях должно быть минимальным. Корпуса изготовлены с большой точностью, благодаря чему гироскопы имеют одинаковую ориентацию.

Датчики скорости воздушного потока. Трубка Пито измеряет скорость самолета относительно воздуха, сравнивая две величины: статическое давление воздуха на боковые отверстия трубки и динамическое давление набегающего воздушного потока.

Измерение угла атаки. Флюгер угла атаки фиксирует наклон корпуса самолета к направлению полета. Последнее определяется направлением воздушного потока. Как и большинство самолетов, истребитель X-29 обычно «задирает» нос даже при горизонтальном полете.

Измерение ускорения. Акселерометр измеряет темп изменения скорости. По мере увеличения (или уменьшения) скорости самолета откалиброванная масса внутри прибора действует с большей (или меньшей) силой на пружины, ограничивающие ее движение.

Измерение скорости поворотов относительно осей. Быстро вращающийся гироскоп оказывает сопротивление любому воздействию, ведущему к изменению ориентации оси вращения (синие стрелки). Анализируя величины сопротивления, зарегистрированные гироскопами угла рыскания, тангажа и крена, бортовые компьютеры определяют скорость поворотов самолета относительно вертикальной, поперечной и продольной осей.

Пилотирование неустойчивого самолета

Садясь в кабину самолета X-29, пилот попадает в привычную обстановку: ножные педали для управления углом рыскания, джойстик для управления наклоном и креном, приборная панель с множеством сигнальных лампочек и циферблатов. На первый взгляд кабина X-29 мало отличается от кабины обычного реактивного истребителя F-5, и это неудивительно: кабина X-29 скопирована с F-5.

Однако за внешним сходством скрываются важные различия. Подобно гироскопам и другим устрой­ствам системы управления самолетом, многое из того, что мы видим в кабине пилота истребителя X-29, уже давно применялось в обычных самолетах с механическим управлением. Однако в новом самолете вся эта техника приспособлена к особым требованиям, предъявляемым электронной системой управления.

В обычном истребителе джойстик и педали, которыми манипулирует пилот, имеют прямую механи­ческую связь с гидравлическими устройствами, управляющими положением внешних рулевых поверхностей – руля направления и элеронов. В истребителе X-29 рычаги управления являются лишь вводными устройствами компьютера – они не связаны непосредственно с рулевыми поверх­ностями самолета. Наклоняя джойстик или нажимая на педали, пилот лишь посылает сигналы, поступающие на вход компьютера. Для расчета управления рулевыми поверхностями компьютеры наряду с этими данными учитывают информацию, поступающую от других устройств.

Панель неисправностей. Особое место на приборной панели занимает панель оповещения о неисправностях, которая усеяна индикаторами, сигнализирующими о неисправностях системы ввода-вывода самолета. На панели имеются также кнопки для отключения вышедшего из строя оборудования. При серьезном повреждении аппаратуры пилот может принимать меры к немедленному возвращению на базу, в то время как запасная аварийная система поддерживает устойчивость самолета.

Управление углами тангажа и крена. Пользуясь джойстиком, пилот может наклонять самолет вверх-вниз (изменять угол тангажа) или в сторону. Однако это не прямое управление: с помощью специальных преобразователей движения ручки управления переводятся в аналоговые сигналы, которые затем превращаются в цифровые и поступают на вход компьютера. Чтобы создать у пилота иллюзию обычного механического управления, используются специальные грузы, демпферы и пружины.

Повороты вправо-влево. Пользуясь двумя ножными педалями, пилот поворачивает самолет вправо-влево (меняет угол рыскания). Движения педалей (как и джойстика) преобразуются в электрические сигналы, поступающие на вход компьютера, тогда как у пилота создается ощущение механической обратной связи. Благодаря системе демпферов и пружин пилот должен прикладывать к педалям усилие порядка 18-22 кг.

Пулеметные очереди управляющих команд

Сорок раз в секунду компьютеры истребителя X-29, принимая информацию, производят вычисле­ния и отдают команды. В результате этих электронных процессов осуществляется механи­ческое действие аэродинамических поверхностей самолета: рулей направления и высоты в хвостовой части, элеронов на задней кромке крыльев и маленьких передних крыльев за кабиной пилота.

Рулевые поверхности приводятся в движение специальными устройствами (активаторами), состоя­щими из гидравлических цилиндров с поршнями, работа которых регулируется управляющими клапанами. Активатор каждой рулевой поверхности имеет три управляющих клапана и двойной гидравлический поршень. Управляющий клапан, получая сигналы от трех цифровых компьютеров, проверяет, чтобы все они были идентичными, после чего изменяет давление жидкости в цилиндре.

Каждая из подвижных поверхностей играет свою роль в управлении истребителем X-29. Например, маленькие передние крылья увеличивают подъемную силу и вместе с рулями высоты в хвостовой части определяют наклон самолета, или угол тангажа. Комбинированные элероны, выполняющие функции и обычных элеронов и закрылков, управляют углом крена и создают дополнительную подъемную силу. Они используются также для уменьшения кривизны крыла, когда самолет дости­гает сверхзвуковых скоростей.

Анатомия гидравлических «мускулов». Управляющие клапаны активатора регулируют давление жидкости в цилиндре, воздействуя таким образом на рулевые поверхности. Подчиняясь аналоговым сигналам компьютеров, клапаны увеличивают или уменьшают давление на двойной поршень. В свою очередь поршень, перемещаясь, изменяет положение соответствующей поверхности.

Подвижные поверхности, обеспечивающие устойчивость X-29 в полете. Управляющие поверхности истребителя X-29 состоят из обычного руля направления, поворачивающего самолет вправо-влево, рулей высоты, отклоняющихся вверх-вниз на 30 градусов, двойных комбинированных элеронов, изменяющих кривизну направленных вперед крыльев, и маленьких передних крыльев, поворачивающихся на 30 градусов вверх и на 60 градусов вниз, изменяя тем самым угол тангажа и подъемную силу.

источник: http://chernykh.net/content/view/99/154/