Зарождение авиастроения много чего изменило в конструкции самолетов и их управлении. Еще 20-30 лет назад такой прибор, как автопилот, был неизвестен практически никому. За эти годы ситуация в корне изменилась. Большую часть полета управление огромными пассажирскими авиалайнерами осуществляют именно автопилоты. Можно сказать, что пилот активно участвует только на рулении и взлете, после чего передает управление системе. Также нужно вмешательство пилота при посадке судна. Бортовой компьютер самолетов значительно упрощает задачи в управлении и контроле.
Пилоты современных моделей «Эйрбаса» часто шутят, что для управления новыми моделями пассажирских лайнеров достаточно собаки и одного человека. Собака необходима, чтобы кусать пилота, чтобы тот не тянулся к рычагам и кнопкам управления, а человек нужен для того, чтобы кормить пса. Конечно же, это шутка, которая появилась за счет современных систем управления, таких как fly-by-wire, иными словами, это радиодистанционное управление аппаратом. Оно позволяет обеспечить передачу сигналов от самого пилота к механизмам лайнера в виде электрических сигналов. Это значит, что вместо использования старой гидравлики пилоты осуществляют управление, посылая сигналы через компьютер к отдельным механизмам машины.
Что же такое автопилот в широком понимании данного термина? Это программно-аппаратная система, которая имеет возможность вести транспортное средство по заданному маршруту. С каждым годом инноваций становится все больше во многих отраслях транспортного строения. Все же лидирующие позиции занимает воздушный транспорт.
Автопилот самолета создан для стабилизации всех параметров полета судна и ведения по заданному курсу. При этом соблюдается установленная пилотом скорость и высота полета. Перед тем как переводить летательный аппарат на режим автопилота, необходимо создать четкий полет без скольжения или завала машины. После стабилизации самолета по всем плоскостям можно производить включение системы автоматического управления, но при этом необходимо проводить регулярный контроль показателей. Стоит отметить, что и военные самолеты имеют такие системы.
Более сложные в своей конструкции и надежные автопилоты начали устанавливаться на отечественные самолеты с конца 70-х годов.
Краткая история создания автопилота
Первый автопилот в мире был создан еще в далеком 1912 году. Изобретение принадлежит американской компании Sperry Corporation, которая смогла создать систему, удерживающую самолет на заданной траектории, при этом стабилизируя крен. Это было достигнуто за счет связи высотометра и компаса с рулями направления и высоты. Связь была настроена за счет использования блока и гидравлического привода.
На схеме показано, как работает типичный автопилот.
Заранее рассчитанные параметры полета вводятся в компьютеры самолета (1).
После взлета автопилот вступает в действие.
Два дисплея(2)показывают положение самолета, его предполагаемый маршрут и высоту.
Изменение положения маленьких заслонок(3) на наружной поверхности самолета оповещает компьютеры о малейшем изменении в ориентации самолета.
Для определения положения используется глобальная система навигации (ГСН) (4).
Приемник расположен на верхней части корпуса (5).
Компьютеры следят за маршрутом и автоматические производят необходимые изменения посредством сервомеханизмов (6),
которые управляют рулем (7),
рулями высоты (8),
элеронами (9),
закрылками (10)
и настройкой дросселей двигателей (11)
При необходимости пилот может в любой момент отключить автопилот и перейти к ручному управлению (12)
Начиная с 30-х годов 20 века, автопилотами начали оснащать некоторые пассажирские авиалайнеры. Новый виток в развитие автоматических систем управления внесла Вторая мировая война, которая требовала подобных технологий для дальних бомбардировщиков. Впервые полностью автоматический полет через Атлантику, включая посадку и взлет, осуществил самолет C-54, принадлежавший США. Это произошло в 1947 году.
Современный этап развития автоматизированных систем управления самолетами достиг качественно нового уровня. На сегодняшний день лайнеры комплектуются системами ВБСУ или САУ. Система автоматического управления «САУ» осуществляет качественную стабилизацию судна на маршруте и в пространстве. Совокупность агрегатов системы позволяет управлять аппаратом на всех этапах полета. Самые современные разработки позволяют осуществлять полет в так называемом штурвальном режиме, это позволяет максимально облегчить работу пилота, минимизировать его вмешательство. Такие системы самостоятельно стабилизируют самолет от сноса, скольжения или болтанки, могут переходить даже на критические режимы полета, при этом очень часто игнорируя действия пилотов.
Автопилот самолета ведет аппарат по заданному маршруту, при этом используется комплексная информация навигационных приборов собственных и наземных датчиков, которые проводят анализ полета. Данная система проводит управление всеми агрегатами летательного судна. Также работают траекторные системы, которые проводят заход на посадку с высокими показателями точности без каких-либо действий пилотов.
Управляющие устройства в стандартном их виде (рычаги, педали) практически не используются. Высокая степень автоматизации довела управление до подачи электрических импульсов ко всем частям самолетов без применения гидравлики в системе управления. Электромеханические приборы управления позволяют воссоздать более привычные условия пилотам. В кабинах пилотов все чаще устанавливаются боковые рычаги управления по типу «сайдстик».
Проблемы автоматического управления самолетами
Конечно же, первоочередной и самой главной проблемой при создании автопилотов является сохранение безопасности полета. В большинстве старых автоматических систем управления пилот имеет возможность в любое время произвести срочное отключение автопилота и перейти на ручное управление. При нарушении или поломке автопилота крайне необходимо отключение системы обычным способом или механическим. В аппарате Ту-134 возможно проведение «отстрела» автопилота установленным пиропатроном. При разработке автопилота тщательно продумываются варианты его отключения в случае поломки без вреда для полета.
Для повышения безопасности автоматика управления работает в многоканальном режиме. Параллельно могут работать сразу четыре системы пилотирования с одинаковыми параметрами и возможностями. Также система проводит постоянный анализ и мониторинг входящих информационных сигналов. Полет осуществляется на основе так называемого метода кворумирования, который состоит из принятия решения по данным большинства систем.
В случае поломки автопилот способен самостоятельно выбрать дальнейший режим управления. Это может быть переключение на другой канал управления или передача управления пилоту. Для проверки работы систем необходимо проводить так называемый предполетный прогон систем. Данный тест состоит из запуска пошаговой программы, которая подает имитацию сигналов полета.
Все же ни одна проверка не позволяет достичь 100%-й гарантии безопасности и работы в полете. Из-за нестандартных ситуаций в воздухе могут возникать дополнительные проблемы с автоматикой управления. Некоторые автопилоты имеют различные программы, которые позволяют наиболее безопасно проводить полет соответствующего авиалайнера.
Все же полет на одном автопилоте без человеческого фактора очень опасен и практически невозможен. Можно сделать один логический вывод, что чем «умнее» самолет и сложнее его конструкция, тем меньше шансов на полет без человеческого вмешательства. Чем больше новых автоматизированных систем используется, тем значительнее возрастают шансы на их отказ в полете. Просчитать все варианты отказа практически невозможно. Именно поэтому навыки пилота останутся востребованными постоянно, поскольку каждый летчик проходит очень большой путь к управлению пассажирскими лайнерами. Соответственно, навыки и быстрое принятие решений остаются более важными, нежели действия компьютерных программ.
Самые современные системы автоматического управления типа fly-by-wire позволили значительно снизить общую массу конструкции самолета. При этом надежность бортовых систем возросла в разы. Оборудование реагирует без промедлений, а также способно исправлять ошибки, вызванные человеческим фактором при управлении. Это говорит о том, что система не позволит пилоту завести машину в опасную для нее и пассажиров на борту ситуацию. Современные самолеты типа Airbus перестали комплектоваться стандартными рычагами и педалями управления, вместо этого устанавливаются джойстики. Все это позволяет пилотам не задумываться над тем, какую команду и как необходимо передать отдельному агрегату. Не нужно продумывать угол отклонения элеронов или закрылок, достаточно наклонить джойстик управления – и компьютер сделает все сам.
Все же, несмотря на всю радужную картину, по вине автопилотов произошло немало крушений и аварий, которые привели к человеческим жертвам. История авиакатастроф по вине автоматических систем управления, к сожалению, очень богата фактами ненадежности таких систем.
По темам постов, которые их больше всего интересуют. Давайте сегодня вместе с вами узнаем и раскроем тему от res_man : "История Автопилота "
Автопилот представляет собой совокупность нескольких устройств, совместная работа которых дает возможность автоматически, без участия человека, управлять движением самолета или ракеты. Создание автопилота составило важную эпоху в истории авиации, так как сделало воздушные полеты гораздо более безопасными. Что же касается ракетной техники, где все полеты осуществляются в беспилотном режиме, то без надежных автоматических систем управления эта техника вообще не могла бы развиваться.
Главная идея автоматического пилотирования заключается в том, что автопилот строго поддерживает правильную ориентацию перемещающегося в пространстве аппарата. Благодаря этому аппарат, во-первых, удерживается в воздухе и не падает, а во-вторых, не сбивается с заданного курса, поскольку от правильной ориентации, прежде всего, и зависит траектория его полета. В свою очередь, ориентация аппарата в пространстве определяется тремя углами. Во-первых, это угол тангажа, то есть угол между продольной осью аппарата и плоскостью земли (или, как говорят, плоскостью горизонта). Отслеживание этого угла позволяет самолету сохранять продольную устойчивость - не «клевать носом», а ракете, совершающей полет по баллистической траектории - точнее поразить цель. Во-вторых, это угол рысканья, то есть угол между продольной осью аппарата и плоскостью полета (так мы назовем плоскость, перпендикулярную плоскости горизонта и проходящую через точку старта и точку цели). Угол рысканья указывает на отклонение аппарата от заданного курса. И, в-третьих, это углом крена, то есть угол, который возникает при повороте корпуса аппарата вокруг его продольной оси.
Своевременное исправление крена позволяет самолету сохранять поперечную устойчивость и гасит беспорядочное вращение ракеты. Автоматическое управление аппаратом было бы невозможно, если бы не существовало надежного и простого способа определения этих углов. К счастью, такой способ есть, и он основан на свойстве быстро вращающегося гироскопа сохранять неизменным в пространстве положение своей оси.
Иоганн Боненбергер, немецкий астроном и математик, изобрел гироскоп еще в 1817 году. Фуко, Жан Бернар Леон - французский физик, усовершенствовал гироскоп и дал ему его теперешнее название. Было замечено, что массивное твердое тело цилиндрической формы, вращающееся с большой скоростью вокруг своей оси, способно сохранять неизменное положение в пространстве при отсутствии внешних сил. Кроме того, при механическом воздействии на такое тело возникало явление прецессии гироскопа - вращение вокруг оси прецессии, перпендикулярной моменту внешних сил. Эффект был назван гироскопическим и лег в основу всех инерциальных систем навигации.
Простейшим гироскопом является детский волчок, быстро вращающийся вокруг своей оси. Попробуйте повалить его щелчком, и вы увидите, что это невозможно - волчок лишь отскочит в сторону и будет продолжать вращение.
Однако ось ОА волчка не имеет постоянной ориентации, поскольку ее конец А не закреплен. Гироскопы, применяемые в технике, имеют намного более сложное устройство: ротор (собственно волчок) закрепляется здесь в рамках (кольцах) 1 и 2 так называемого карданова подвеса, что дает возможность оси АВ занять любое положение в пространстве.
Такой гироскоп может совершать три независимых поворота вокруг осей АВ, DE и GK, пересекающихся в центре подвеса О, который остается неподвижным относительно основания.
Главное свойство быстро вращающегося гироскопа, как уже было сказано, состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Например, если эта ось была изначально направлена на какую-то звезду, то при любых перемещениях самого прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду даже тогда, когда ее ориентация относительно земных осей изменится. Впервые это свойство использовал в 1852 году французский физик Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг ее оси. Отсюда и само название «гироскоп», что в переводе с греческого означает «наблюдать вращение».
Гироскопы нашли широкое применение в авиации. В главе, посвященной аэроплану, уже говорилось о том, какой важной проблемой для первых авиаторов было сохранение в полете правильной ориентации самолетов.
Многие конструкторы думали тогда над созданием автоматических стабилизаторов. В 1911 году американский летчик Сперри разработал первый автоматический стабилизатор с массивным гироскопом. Впервые самолет с таким стабилизатором поднялся в воздух в 1914 году. А в начале 20-х годов фирма Сперри создала уже настоящий автопилот.
СПЕ́РРИ (Sperry) Элмер Амброуз (12 октября 1860, Кортленд, штат Нью-Йорк — 16 июня 1930, Бруклин, штат Нью-Йорк), американский изобретатель и промышленник. Наиболее известные его изобретения — гироскопические компасы и стабилизаторы.
В детстве проявлял интерес к технике и электричеству. В возрасте 19 лет занялся усовершенствованием электрических машин и дуговых ламп. В 1880 он основал электрическую компанию «Сперри» для их производства и сделал первые изобретения в этой области. В 1888 основал компанию для производства горных электрических машин. В 1890 Сперри занялся проблемами транспорта, разработал электровоз и электрические моторы для трамваев, основал электрическую железнодорожную компанию. В 1894 разработал электрические автомобили с изобретенной им аккумуляторной батареей.
После 1900 вместе с С. П. Таунсендом основал электрохимическую лабораторию в Вашингтоне. Там они разработали процесс утилизации олова из старых канистр. В это же время основал в Чикаго компанию для производства проводов и плавких предохранителей.
К 1918 он начал производство дуговых прожекторов, дававших в 6 раз более яркий свет по сравнению с существовавшими в то время.
В течение десятилетий Сперри интересовался гироскопами и их практическим использованием. Первым гирокомпас осуществил немецкий изобретатель Х. Аншютс-Кемпф в 1908.Сперри основал компанию гироскопов в Бруклине в 1910, а в 1911 установил свой гирокомпас на американском линейном корабле «Делавер». Позднее он применил гироскопы в приборах для управления торпедами, судами и самолетами.
В начале 1920-х гг. фирма «Сперри» создала первый автопилот, управлявший рулями и следивший за сохранением заданного режима полета. Позднее были созданы автоматические системы управления рулями и двигателями самолета. Такие автопилоты позволили осуществлять полеты без участия летчика и даже управлять летательными аппаратами на расстоянии. Широкое применение системы автоматического управления на основе гироскопов нашли в ракетах.
За свою жизнь Сперри основал 8 производственных компаний и получил более 400 патентов. Основанная им корпорация «Сперри» и сегодня производит компьютеры, средства управления, электрическое и гидравлическое оборудование.
Раньше других с проблемой автоматического управления ракетой столкнулись немецкие конструкторы - создатели первой в истории баллистической ракеты «Фау-2». Автомат стабилизации «Фау-2» состоял из гироскопических приборов «Горизонт» и «Вертикант». «Горизонт» позволял определить плоскость горизонта и угол наклона (угол тангажа) ракеты относительно этой плоскости.
Но с историей гироскопа связано еще одно имя - Билл Лир. Имя этого человека в нашей стране было практически неизвестно, а вот западная пресса писала об Уильяме Пауэлле Лире (таково его полное имя) на протяжении полусотни лет: начиная с двадцатых годов прошлого века и вплоть до его смерти — до 1978 года…
Билл Лир не случайно заслужил такое пристальное внимание прессы, ведь вся его жизнь была пронизана страстью к изобретениям, которые, в отличие от «творений» множества других «технических гениев» всегда работали. Всего он получил более 150 патентов. Его детищем являлись: автомобильное радио и частный реактивный самолет; восьмидорожечный магнитофон и автопилот и многое многое, другое, но… начнем по порядку.
Уильям Лир родился в Ганнибале, штат Миссури, 14 мая 1902 года, и его детство нельзя назвать счастливым. Мать его развелась, когда Билл был еще несмышленым младенцем. Вскоре она снова вышла замуж, и вместе с новым мужем ударилась в религию. Жестокость этих религиозных фанатиков по отношению к своим детям была бы более уместна где-то в Средневековье, чем в начале XX века, и мальчик, не выдержав постоянного давления, ушел в себя.
Тайно от матери Билл запоем читал фантастику и журналы по электронике. В 12 лет он купил свой первый набор инструментов, собрал собственный приемник и выучил азбуку Морзе. В 17 лет терпение Билла лопнуло, он бросил школу, «добавил» себе один год и ушел служить во флот, навсегда расставшись со своими чересчур религиозными родителями.
У Билла, помимо электроники, была еще одна «страсть»: из закомплексованного, забитого матерью ребенка он вырос в настоящего ловеласа и не мог спокойно пропустить ни одну женскую юбку. Это его «увлечение» и дало повод к первому изобретению.
Радио в машине
Лиру не давало покоя желание катать в авто красивых девушек под приятную музыку. Но в то время совместить эти две вещи было практически невозможно. Проблема состояла не только в том, что приемники представляли собой напичканные хрупкими лампами «бабушкины сундуки» красного дерева, занимали все заднее сиденье автомобиля (больше они никуда не влезали), да и по цене были сопоставимы со стоимостью самой машины.
Нет. Первые хитрецы, перетащившие свой «музыкальный ящик» в автомобиль, вдруг обнаружили, что для более-менее сносного приема нужна хорошая антенна. Причем самый компактный вариант автоантенны того времени представлял собой могучую конструкцию, похожую на балконную сушилку для белья и отнюдь не украшал собой лаковые кузова «Роллсов» и «Паккардов». Помимо этого возникали проблемы с настройкой (волна постоянно «уходила»), плюс раздельное питание: приемнику нужна своя батарея, а то и две, а иногда даже три. А еще добавились постоянные помехи от системы зажигания…
Эта проблема дала повод Лиру проявить себя. Он затолкал громоздкий ящик под водительское сиденье, приделав к нему для удобства «салазки» (как и на всех современных магнитолах); что-то помудрил с антенной, после чего она приняла достойный вид; совместил систему питания приемника с автомобильным аккумулятором; разместил ось конденсатора переменной емкости, которым приемник настраивался на нужную частоту, не горизонтально, как делали все до него, а вертикально, после чего настройка почему-то перестала сбиваться и, наконец, с помощью нехитрых приспособлений перенес шкалу и все ручки настройки на щиток приборов.
Билл Лир оформил патент на свое изобретение, а его хороший знакомый, некто Поль Гэлвин, по достоинству оценив новую конструкцию приемника, с успехом начал ее продавать. Так, благодаря изобретению Лира и финансовым усилиям Гэлвина на свет появилась компания «Моторола».
Дух авиации
Получив в 1931 году с «Моторолы» достойный дивиденд, Билл купил себе небольшой биплан и начал осваивать воздушное пространство — летать на самолете было его детской мечтой.
Как-то во время очередного полета, Лир заблудился в облаках и долго не мог отыскать свой аэродром. Это происшествие подвигло его на очередное изобретение — лироскоп — прибор, позволяющий определить местоположение и направление движения. Этот прибор, как и большинство его изобретений, стал промышленным стандартом — более половины всех американских самолетов оснащены изобретением, сделанным Лиром в тридцатых годах прошлого века.
Для выпуска своего лироскопа (то, что мы привыкли называть автопилотом) Билл организовал собственную компанию «Лир Инк». В 1940-х этот прибор уже полностью доминировал на рынке, а за годы войны их было выпущено более чем на 100 миллионов долларов.
Пилоты американских реактивных самолетов использовали исключительно его продукцию. В результате Лир скопил приличное состояние и приобрел в Швейцарии владение огромное ранчо. Он очень часто посещал ранчо и, как-то прогуливаясь по своей территории, случайно наткнулся на полуразобранный швейцарский истребитель. Эта «встреча» дала Биллу Лиру новую идею.
Создание «Лир Джет»
К тому времени Лиру стукнуло уже 60 лет. Его компания «Лир Инк» процветала. Казалось бы, что еще человеку надо? Но изобретатель был неутомим. Очередная идея-фикс — постройка частного реактивного самолета — захватила его на столько, что он продал свою фирму и организовал новую, назвав ее «Лир Джет».
Инженеры по аэронавтике говорили, что самолеты «Лир Джет» никогда не полетят. Эксперты аэрокосмической промышленности говорили, что это нелепая идея. Банкиры отказались финансировать проект и предрекали его поражение. Лир рассказывал: «Все банкиры обращались к моим конкурентам с вопросом: "Может ли он сделать реактивный самолет?" А те отвечали: "Он ничего не смыслит в авиации. Он не является аттестованным инженером по аэронавтике. У него не больше десяти миллионов долларов. Наверняка он не сможет этого сделать».
Однако, несмотря на все препятствия, результат оказался потрясающим. Самолет компании «Лир Джет» превзошел все сертификационные параметры Управления Авиации США. Уже через два года после появления на свет фирма Билла Лира стала лидером в своей области и остается ей до сих пор. К примеру, очередной Лир Джет 85, представление которого состоялось 30 октября 2007 года, через тридцать лет после смерти создателя компании, стал первым реактивным самолетом, полностью состоящим из композиционных материалов.
Но, вернемся в 60-е годы. Строя свой первый самолет, Лир пытался наполнить его самыми передовыми техническими новинками, как облегчающими управление, так и создающими комфорт. Одной из таких комфортных новинок считалась музыкальная стереосистема.
Проблема состояла в том, что компактных стереомагнитофонов, способных поместиться в салон самолета, попросту не существовало. И Билл, строя реактивный самолет, попутно решал эту «маленькую» на первый взгляд проблему. И благополучно ее разрешил. Так появился первый восьмидорожечный стереомагнитофон.
В 1950 году Билл Лир получил самую высокую награду авиации — «Коллиер Трофи» за изобретение автопилота. Он удостоился почетной докторской степени в области техники от Университета Мичигана в 1951 году. Пять других университетов удостоили Лира почетных докторских званий, самыми престижными из которых были Нотр-Дам и Карнеги-Меллон. Лир увековечен в Зале Славы Авиации и награжден Медалью Тайлена в 1960 году.
§ 57. Назначение автопилота и его принцип работы.
Назначение. Работа летчика по управлению самолетом при прямолинейном и горизонтальном полете сводится к сохранению курса и постоянного положения продольной и поперечной осей самолета по отношению к горизонту.
С развитием авиации увеличивалось время пребывания самолета в воздухе, удлинялись расстояния, которые самолет пролетал без посадки и, следовательно, без отдыха пилота. Появилась необходимость летать в любой метеорологической обстановке, часто без видимости земных ориентиров и горизонта - ночью или в тумане. Такой полет называется слепым полетом, ведется только по показаниям приборов и требует от летчика большого внимания и напряжения.
Для того чтобы разгрузить летчика от работы по управлению самолетом при горизонтальном и прямолинейном полете, применяют специальные автоматы, называемые автопилотами.
Стабилизация самолета вокруг главных осей устойчивости. Главными осями устойчивости самолета называются три взаимно перпендикулярные оси, пересекающиеся, в центре тяжести самолета: XX - ось поперечной устойчивости; YY - ось курсовой устойчивости; ZZ - ось продольной устойчивости (см. фиг. 1).
Самолет в полете может совершать колебания относительно всех трех осей одновременно.
Для того чтобы самолет летел без поперечных кренов, необходимо иметь механизм, предотвращающий наклоны самолета вокруг оси XX, т. е. обеспечивающий поперечную стабилизацию. Для сохранения неизменной высоты полета и предотвращения снижения или подъема самолета нужна продольная стабилизация, препятствующая вращению самолета вокруг оси ZZ. Наконец, для сохранения прямолинейности полета и неизменного курса самолета нужно иметь курсовую стабилизацию, препятствующую вращению самолета вокруг оси YY.
Нормально автопилот обеспечивает все три стабилизации. Имеются автоматы, которые стабилизируют лишь полет по курсу; они называются автоматами курса .
В качестве чувствительного элемента в большинстве современных автопилотов применяется гироскоп. Чаще всего автопилот имеет два гироскопа: один обеспечивает курсовую стабилизацию, а другой - поперечную и продольную. В описываемом ниже автопилоте АП-42 для автоматического управления использованы авиагоризонт и гирополукомпас, которые через дополнительные агрегаты воздействуют на рули самолета.
Для приведения автопилота в действие необходима энергия, которая берется от того или иного источника питания. В зависимости от рода питания автопилоты можно разделить на пневмогидравлические и электрические.
Описываемый ниже автопилот АП-42 принадлежит к типу пневмогидравлических автопилотов. Чувствительная часть этого автопилота пневматическая, она может работать как на вакууме, так и на давлении и управляет гидравлической силовой системой.
Чувствительный элемент автопилота - гироскоп - управляет рулями самолета с помощью особого пневматического устройства, воздействующего через золотники на гидравлическую рулевую машинку.
Устройство и работа всех трех стабилизации основаны на одном и том же принципе, поэтому дальнейшее изложение ведется применительно к одной из стабилизации - курсовой.
Фиг. 355. Простейший автомат курса.
Простейший автомат курса. Рулевая машинка автомата курса (фиг. 355,а) представляет собой цилиндр, в котором может перемещаться поршень. Шток поршня при помощи троса связан с рулем самолета. Пространства внутри цилиндра по обе сгороны поршня сообщаются через распределительный золотник с масляной магистралью, в которой при помощи помпы поддерживается определенное давление. При перемещении распределительного золотника масло давит на одну из сторон поршня рулевой машинки и перемещает руль самолета в ту или другую сторону в зависимости от положения распределительного золотника.
Распределительный золотник жестко связан с пневматическим реле, выполненным в виде коробки с расположенной внутри нее эластичной мембраной. Правая и левая половины пневматического реле не соединяются друг с другом, но имеют самостоятельные выводы в виде двух трубок.
Если в одну из камер пневматического реле подать воздух под некоторым давлением, то эластичная мембрана переместит распределительный золотник и масло поступит в одну из половин цилиндра рулевой машинки. Перемещаясь внутри цилиндра, поршень переложит руль поворота самолета. Подавая давление в другую камеру пневматического реле, можно отклонить руль самолета в другую сторону.
Подача воздуха в правую или левую часть пневматического реле производится при помощи специального устройства, которое состоит из подводящего воздух коллектора с соплами и заслонки (см. фиг. 355, б). Воздух поступает к коллектору от помпы под постоянным давлением через трубку А. Внутри коллектора поток воздуха разветвляется на две части.
В прорезях коллектора может перемещаться дугообразная заслонка. Нормально заслонка устанавливается так, чтобы при нейтральном положении руля поворота сопла коллектора перекрывались поровну и примерно наполовину.
Если заслонка переместится относительно коллектора, то одно из сопел окажется перекрытым на большую величину, и в соответствующую камеру пневматического реле поступит меньшее давление. В результате движения мембраны распределительный золотник перепустит масло в соответствующую половину цилиндра рулевой машинки, которая переложит руль самолета.
Заслонка жестко скреплена с рамой, в которой находится гироскоп (ГПК), следовательно, эта заслонка будет так же устойчива в пространстве, как и ось гироскопа (см. фиг. 355, в).
Коллектор неподвижен по отношению к корпусу прибора, а следовательно, к самолету, и при отклонении самолета от курса, в результате срабатывания пневматического реле и золотников, руль поворота самолета будет перекладываться в нужном направлении.
Описанная схема является простейшим вариантом курсовой стабилизации летящего самолета и обладает весьма существенным недостатком.
Фиг. 356. Работа простейшего автомата курса.
На фиг. 356 изображен самолет, снабженный такой курсовой стабилизацией. Этот самолет летит по заданному курсу. Заслонка, связанная с гироскопом, отсекает одинаковое количество воздуха, выходящего из сопел коллектора. Мембрана пневматического реле, сцентрованный распределительный золотник, поршень рулевой машинки и руль поворота в этом случае находятся в нейтральном положении (см. фиг. 356, а).
Если самолет отклонится от первоначального курса, например вправо на некоторый угол (см. фиг. 356, б), то коллектор отклонится вместе с самолетом, а заслонка, связанная с гироскопом, сохранит свое положение в пространстве и, следовательно, изменит свое положение по отношению к коллектору. Давление воздуха будет больше в передней камере пневматического реле, и мембрана, прогнувшись, передвинет масляный золотник, который откроет доступ маслу в правую часть цилиндра рулевой машинки. Поршень рулевой машинки передвинется и отклонит руль поворота влево (см. фиг. 356, в).
Так как шток рулевой машинки и связанный с ним руль поворота заняли свое крайнее левое положение, то самолет будет разворачиваться влево с максимальном скоростью. В тот момент, когда самолет вновь выйдет на заданный курс, чувствительная часть (заслонка с гироскопом и коллектор), пневматическое реле и золотник вновь займут нейтральное положение. Но шток рулевой машинки так же, как и руль поворота, останутся в своём крайнем левом положении. Следовательно, самолет будет продолжать разворачиваться влево (фиг. 356, г).
После того как самолет займет положение левее нужного курса (см. фиг. 356, д), заслонка, связанная с гироскопом, перераспределит давление воздуха, поступающего в пневматическое реле. Мембрана прогнется вправо и передвинет золотник вправо. Руль поворота самолета пойдет обратно к нейтральному положению и, перейдя через него, переложится на правую сторону. Самолет будет разворачиваться вправо, перейдет через курс и т. д.
Процесс возвращения самолета к заданному первоначальному курсу будет повторяться полностью.
На фиг. 356, е изображен путь самолета, управляемого подобным стабилизатором курса; самолет совершает незатухающие колебания около заданного курса. Следует отметить, что в описанной схеме руль поворота самолета перекладывается на свой максимальный угол независимо от величины угла отклонения самолета от курса.
Описанная выше система непригодна для стабилизации полета самолета, так как она будет «разбалтывать» самолет вокруг заданного курса, или, как говорят, самолет будет рыскать по курсу.
Пропорциональное регулирование и обратная связь. В нормальном полете летчик решает сам, в какую сторону нужно переложить руль, чтобы привести самолет к курсу. На основании опыта, знания своей машины и режима полета он определяет, на какой угол следует отклонить руль и сколько времени нужно держать его в отклоненном положении. Например, если самолет сбился с курса влево, то летчик нажимает на правую педаль управления рулем поворота соответственно имеющемуся отклонению, но не задерживает нажима до возвращения самолета на нужный курс, а несколько раньше отпускает правую педаль или даже слегка сдерживает слишком быстрый поворот самолета вокруг вертикальной оси, нажимая на левую педаль руля поворота. В противном случае самолет по инерции может сбиться направо и пойти по извилистому пути, рыская по курсу.
Следовательно, для работы автопилота требуется такое устройство, которое позволило бы ограничить величину перекладывания рулей в зависимости от отклонения самолета от курса, а затем прекращало бы свое действие и пи делало рабочий ход в обратную сторону. Подобное устройство выполнено в автопилоте в виде обратной связи от поршня рулевой машинки к подвижному коллектору.
При рассмотрении схемы работы автоматического пилота без обратной связи (см. выше) видно, что коллектор с соплами повторяет все движения самолета по отношению к заслонке, жестко связанной со стабилизированным в пространстве гироскопом.
В схеме автопилота с обратной связью заслонка также жестко связана с гироскопом, а коллектор при помощи обратной связи перемещается на величину, пропорциональную величине перекладывания руля самолета. В автопилоте АП-42 обратная связь выполнена в виде троса, связывающего шток рулевой машинки с коллектором.
Фиг. 357. Работа автомата курса с обратной связью.
Работа автомата курса с обратной связью. На фиг. 357, а изображен летящий по заданному курсу самолет, снабженный курсовой стабилизацией с обратной связью. Воздух поступает из коллектора в пневматическое реле равными струями. Мембрана пневматического реле, распределительный золотник и поршень рулевой машинки занимают нейтральное положение. Руль поворота самолета также расположен нейтрально, т. е. в плоскости симметрии самолета.
Если под действием внешних сил самолет отклонится вправо (см. фиг. 357, б), то заслонка останется в прежнем положении, а коллектор с соплами повернется относительно заслонки. Мембрана пневматического реле прогнется влево, переместит распределительный золотник и откроет доступ маслу в правую часть рулевой машинки. Поршень, перемещаясь в цилиндре рулевой машинки, переложит руль поворота влево и одновременно через трос и ролик обратной связи повернет коллектор в нейтральное положение (относительно заслонки).
В следующий момент (см. фиг. 357, в) пневматическое реле и распределительный золотник будут приведены в нейтральное положение. Рулевая машинка отклонила руль поворота самолета на угол β, пропорциональный углу отклонения самолета α. Самолет поворачивается влево.
Коллектор, поворачиваясь вместе с самолетом, выходит из нейтрального положения (относительно заслонки) и создает перепад давления в пневматическом реле, прогибая мембрану в сторону, противоположную первоначальному прогибу (см. фиг. 357, г). Золотник переложится в обратную сторону, и масло поступит в левую полость цилиндра рулевой машинки, возвращая поршень в нейтральное положение. Руль поворота также пойдет к своему нейтральному положению, а коллектор получит через обратную связь новое дополнительное перемещение, стремящееся вернуть его в нейтральное положение (относительно заслонки).
В результате самолет возвратится на курс в тот момент, когда заслонки, пневматическое реле, золотник, рулевая машинка и руль поворота будут занимать нейтральное положение (см. фиг. 357, д).
Из последовательного рассмотрения всех этапов траектории полета видно, что самолет, снабженный автопилотом с обратной связью, при отклонении от заданного курса будет совершать затухающие колебания (см. фиг. 357, е). Углы отклонения рулей будут пропорциональны углам отклонения самолета от курса.
Такой автопилот будет вполне пригоден для стабилизации полета самолета, несмотря на некоторые весьма существенные недостатки, к числу которых нужно отнести то, что он не учитывает инерции самолета.
Современные автопилоты учитывают не только угол отклонения от заданного направления, но и скорость этого отклонения и даже ускорение, испытываемое самолетом при отклонении от курса. При применении автопилота, работающего по современной схеме, отклонения от курса значительно уменьшаются, и самолет почти точно выдерживает прямую линию заданного курса.
Автопилот – это устройство или программно-аппаратный комплекс, который может вести вверенное ему транспортное средство по заданной траектории. История автопилота началась с поддержания определённого курса полёта, но со временем развитие технологии позволило сделать самолёты, которые могут сами садиться и взлетать, поезда, которые ездят без участия машиниста, и робоавтомобили, которые уже скоро могут стать обычным делом на дорогах общего пользования.
Кадр из фильма «Аэроплан»
Летательные аппараты
Первая разработка в области автоматизации управления самолётом была сделана в США в 1912 году компанией Sperry Corporation. Автопилот помогал автоматически удерживать курс полёта и стабилизировать крен. Гидравлический привод с блоком, получающий сигналы от гирокопаса и высотомера, был связан с рулями высоты и управления. Устройство назвали «гироскопическим стабилизирующим аппаратом», его впервые установили на самолёт Curtiss C-2 и показали на выставке во Франции 18 июня 1914 года.В рамках демонстрации во время полёта оба пилота вылезли на крылья самолёта, чтобы показать способность летательного аппарата и продолжать полёт без ручного управления.
В СССР к теме автопилотов проявлялся большой интерес, о чём говорит издание «Основы теории автоматического пилотирования и автопилоты. Сборник статей». В книгу вошли переведённые статьи «Общая теория автоматического регулирования», «Автопилот Сименса для самолетов», «Гиропилот Сперри» и другие, описаны принципы автоматического пилотирования и конструкции автопилотов. Ознакомиться с книгой можно на одном известном ресурсе, который уже второй месяц пытаются заблокировать на территории России.
Применение автопилота необходимо не только для того, чтобы снизить нагрузку на живого человека во время управления, но и для управления торпедами и ракетами, когда пилота внутри них нет и не может быть (исключение есть - тип японских торпед под названием кайтэн , которыми управляли смертники).
В 1947 году американский военно-транспортный самолёт Douglas C-54 Skymaster, построенный на базе пассажирского DC-4, перелетел через Атлантический океан под управлением автопилота. И взлёт, и посадка были осуществлены в автоматическом режиме.
Douglas C-54
Смысл автопилота состоит в том, чтобы система поддерживала правильную ориентацию аппарата. В случае с самолётом ориентация в пространстве определяется тремя углами. Это угол тангажа - угол между продольной осью летательного аппарата и горизонтальной плоскостью, угол рыскания - угол поворота корпуса в горизонтальной плоскости, и угол крена - он возникает при повороте самолёта вокруг продольной оси.
Для сохранения ориентации необходимо её определить, и в этом помог гироскоп. Американский лётчик Элмер Сперри использовал его, чтобы сначала просто стабилизировать самолёт, а затем и создать автопилот в начале 1920-х годов. Если первый автопилот мог сохранять заданный режим полёта, то последующие системы управляли рулями и двигателями самолёта и могли не только летать без участия лётчика, но и взлетать и садиться.
Тангаж, рыскание и крен
Отличный пример раннего автопилота - немецкая баллистическая ракета дальнего действия «Фау-2», которую в конце Второй мировой войны принял на вооружение Вермахт. Ракета взлетала вертикально, после чего в действие вступала автономная гироскопическая система управления.
Но чрезмерное увлечение автопилотом привело к тому, что пилоты гражданской авиации в США стали допускать ошибки при ручном управлении. Они , и в результате исследований показывают неудовлетворительные результаты проверки лётных навыков. Это приводит к человеческим жертвам. Похожая проблема с автоматикой есть у офицеров военных кораблей флота США, они применяют GPS, но мало кто из курсантов умеет обращаться с секстантом.
И, конечно, существует огромное количество и дронов других типов, которые способны работать как под управлением оператора-пилота, так и самостоятельно и .
Рельсовый транспорт
В 1967 году в столице Великобритании открыли линию Лондон Виктория. Это была первая линия, на которой поезда управлялись с помощью системы Automatic Train Operation. После этого технологию ATO развивают, чтобы поезда могли ездить абсолютно без участия живых водителей в кабине или сотрудников на борту.
Королева Елизавета в поезде на линии Лондон Виктория, 1969 год
Разделяют четыре уровня «развитости» автоматизированных систем для рельсового транспорта. Одна из самых простых систем - это ATO в лондонской подземке, а самая сложная - в метро Копенгагена , где поезда движутся постоянно без водителей, сами открывают и закрывают двери, оперативно реагируют в экстренных случаях на, например, людей на рельсах. Кабины машиниста нет вовсе, и пассажиры наблюдают за движением через лобовое стекло. В центре управления работают всего пять операторов в смену, которые могут вмешаться в работу в экстренной ситуации, но по большей части контролируют работоспособность систем. Автоматика позволила перейти на круглосуточный режим работы, и метрополитен закрывается на одну ночь шесть раз в год для проведения капитального ремонта.
В декабре 2014 года Google представила . До этого компания показывала макет с неработающими фарами. В Google уверены, что робомобили .
Кроме Google над беспилотными автомобилями работает ряд крупных автопроизводителей. Например администрация шведского Гётеборга сотню беспилотных автомобилей к 2017 году на сумму 56,3 миллиона евро. в стране планируют запустить власти Японии. продажи беспилотных авто к 2020 году. Прототипы уже есть у Audi и Toyota, Tesla уже , а Ford