CZ20002427A3 - Uspořádání mechanické řídící soustavy letadla a způsob regulování řídící síly mechanické řídící soustavy letadla - Google Patents

Abstract

Řešení se týká uspořádání a způsobu u mechanické řídící soustavy letadla. Řídící plochy (1) letadla mohou být ovládány z pilotního prostoru letadla prostřednictvím řídící soustavy pomocí alespoň jednoho řídícího prvku (3), například řídícího kola, řídícího sloupku nebo páru pedálů, provozně spojených s řídící soustavou. S řídící soustavou je také spojen servomotor (5), společně se snímači. Snímače jsou určené, při ovládání řídícím prvkem (3), ke zjišťování kroutícího momentu uplatňovaného na řídící prvek (3) vyvozovanou silou, dále ke zjišťování úhlu vyvážení řídícího prvku a úhlové rychlosti, při níž se provádí tato činnost. Uspořádání je dále opatřeno řídícím zařízením (9), které na základě podmínek zjištěných snímači, je určeno k řízení servomotoru (5), takže poměr mezi silou vyvozenou na řídící prvek (3) a úhlem vyvážení řídícího prvku zaujímá požadovanou, v podstatě konstantní hodnotu.

Description

Uspořádání* a způsob regulování řídící síly mechanické řídící soustavy letadla

Oblast techniky vynález se týká uspořádání mechanické řídící soustavy letadla, v němž řídící plochy letadla mohou být ovládány z pilotního prostoru letadla prostřednictvím řídící soustavy pomocí alespoň jednoho řídícího prvku, provozně spojeného s řídící soustavou, například pomocí řídícího kola, řídícího sloupku nebo páru pedálů, jak je uvedeno v předvýznakové části nároku 1.

Vynález se dále týká způsobu regulování síly, která k dosažení požadovaného úhlu vyvážení musí být vyvozena na řídící prvek pro ovládání řídících ploch letadla, kde uvedený řídící prvek je provozně spojen s mechanickou řídící soustavou, a obsahuje například řídící kolo, řídící sloupek nebo pár pedálů, jak je uvedeno v předvýznakové části nároku 6.

Dosavadní stav techniky

Vybavení malých a středních letadel mechanickou řídící soustavou, u nichž při ručním ovládání letadla působí jenom svalová síla pilota na řídící plochy prostřednictvím kabelů a řídící soustavy, je již známo. Cílem v tomto případě je konstruování řídících ploch tak, aby aerodynamické a mechanické síly, působící na řídící plochy při letu, nebyly tak velké, že by bylo pro pilota obtížné měnit polohu řídících ploch. Některá obvyklá, známá řešení zahrnují použití různých typů pomocných

- 2 řídicích ploch, tak zvaných klapek, ve spojení s aerodynamickým vyvážením řídících ploch, k dosažení ovladatelné úrovně síly.

S těmito známými řešeními však stále zůstávají spojeny problémy. Může být například obtížné optimalizovat dynamické spojení mezi vyvozeným kroutícím momentem a polohou řídícího sloupku nebo kola, a pro pilota může být zejména obtížné působit na řídící povrchy v kritických situacích, například při náhlé ztrátě stability při poloze vyvážení naklonění letadla, a letadlo v důsledku toho se silně nakloní do jednoho směru, které mohou nastat jako následek silné námrazy.

Podstata vynálezu

Jedním cílem tohoto vynálezu je vytvořit uspořádání shora uvedeného typu, které přináší pilotovi servoasistenci při ručním ovládání letadla. Tohoto cíle se dosáhne uspořádáním s význaky uvedenými v nároku 1.

Dalším cílem tohoto vynálezu je vytvořit způsob shora uvedeného typu, pomocí něhož se dosáhne servoasistence při ručním ovládání letadla. Tohoto cíle se dosáhne způsobem s význaky uvedenými v nároku 6.

Výhodná provedení tohoto uspořádání také obsahují význaky uvedené v pomocných nárocích.

Uspořádání podle vynálezu má řadu výhod:

Pomocí tohoto uspořádání se může dosáhnout lineárního silového gradientu. Požadovaná hodnota může být určena ke statickému silovému gradientu. Požadované hodnoty mohou být určeny k plynulému tlumení a tření řídícího kola. Požadovaná hodnota může být určena k ovlivnění hmotnosti soustavy na řídícím sloupku nebo kolu.

- 3 00 00

Polohová zpětná vazba také poskytuje výhodu, kdy je možné ovlivnit vlastni kmitočet soustavy, takže neni jednoduše určen vnějším zatížením a momentem setrvačnosti této soustavy. Bez polohové zpětné vazby není možné linearizovat jakoukoliv nelineární sílu v této základní mechanické soustavě. Polohová zpětná vazba znamená, že může být dosaženo lineárního vztahu mezi kroutícím momentem vyvozovaným na řídící sloupek nebo kolo a úhlem vyvážení.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude dále blíže osvětlen pomocí příkladů provedení s odkazem na přiložený výkres, kde na obr. 1 je znázorněn zjednodušený obecný diagram soustavy řídící plochy se servoasistencí, podle vynálezu, na obr. 2 je znázorněn zjednodušený popis způsobu řízení soustavy řídící plochy se servoasistencí.

Příklady provedeni vynálezu

V popisu obrázků jsou stejné vztahové značky použity pro stejné nebo podobné díly. Zjednodušený obecný diagram, znázorněný na obr. 1, znázorňuje soustavu křidélek, obsahující na každém křídle křidélko 1, které je spojeno pomocí lanek 2 křidélka 1 s řídícím prvkem 3, například ve formě řídícího kola. Soustava křidélek zahrnuje dva řídící prvky 3, kde jeden z nich je ovládán ručně pilotem 4 při letu. Někde podél lanka 2 křidélka 1 je umístěn servomotor 5, který může být pomocí prvního přepínače 12 buď zapojen (jak je znázorněno), anebo

- 4 • · · ·

alternativně rozpojen.K servomotoru 5 je připojen servobudič 6. U každého řidiciho prvku 3 je uspořádán jak snímač 7 krouticiho momentu, tak úhlový snimač 8, které přivádějí informaci do řídicího zařízení 9, které také přijímá informaci ze snímače 10 úhlové rychlosti na servomotoru 5 (tyto prvky jsou znázorněny jenom pro jeden řídící prvek. Alternativně může být umístěn úhlový snímač 8 na servomotoru 5 a/nebo snímač 10 úhlové rychlosti u řídícího prvku. Z této informace generuje řídící zařízení 9 řídící signál pro požadované řízení servomotoru 5, který je určen k regulování kroutícího momentu, který musí pilot 4 vyvodit na řídící prvek 3 tak, že poměr mezi vyvozeným kroutícím momentem a úhlem vyvážení řídícího prvku zaujímá požadovanou, z velké části konstantní hodnotu, bez ohledu na úhel vyvážení řídícího prvku. Servomotor 5 může potom pracovat společně s kroutícím momentem a proti kroutícímu momentu vyvozovanému pilotem 4. Z obrázku je patrné, že servomotor může být stejný, jako servomotor používaný při letu s automatickým řízením nebo s autopilotem 11, přičemž druhý přepínač 13 umožňuje volbu mezi ručním řízením a řízením s autopilotem.

Na obr. 2 je znázorněn zjednodušený popis způsobu řízení soustavy křidélek se servoasis tencí, podle obr. 1, kde vztahová značka 14 označuje mechanickou soustavu křidélek a vztahová značka 5 označuje servomotor. V tomto obrázku je kroutící moment, který se vyskytuje na řídícím prvku jako důsledek síly vyvozené pilotem, označen písmenem M. Úhlová poloha řídícího kola, která je v podstatě úměrná úhlové poloze řídící plochy, je zde znázorněna signálem zpětné vazby a úhlová rychlost řídícího kola je znázorněna symbolem S_a· J označuje moment setrvačnosti celkové mechanické soustavy 14 křidélek přenášený na řídící kolo. Mechanická soustava 14 křidélek je na obr. 2 znázorněna regulační soustavou druhého

- 5 » 4 4

4 • 444 řádu, s tuhostí pružiny X_YL a tlumením D^, kde tuhost pružiny Kyl a tlumení Py_L se vztahují na kroutící moment hřídele řídící plochy a obě hodnoty odpovídají řídícímu kolu. Úhlové zrychlení řídícího kola je označeno jako

Servomotor 5 má zesílení Ke a konstantu elektromotorické síly íi, která je úměrná úhlové rychlosti Pro eliminování účinku protisměrné elektromotorické síly servomotoru a pro kompenzování změn odporu motoru, způsobených například změnami teploty, se normálně používá motor řízený změnou proudu. Soustava křidélek se servoasistencí má také zesílení ř^, ίζ, a ít s uzavřenou smyčkou, kde Ký znázorňuje zesílení signálu M kroutícího momentu, Kl znázorňuje zesílení signálu 5«, zpětné

F vazby a % znázorňuje zesílení signálu úhlové rychlosti. Tyto hodnoty zesílení s uzavřenou smyčkou se vypočítají předem z požadovaných hodnot tuhosti pružiny ly, vlastního kmitočtu g>o a relativního tlumení z celkové soustavy křidélek se servoasistencí, měřené na řídící kolo, kde:

Jfj, Ke + Kyl

Jtf ---------K* Ke + 1

I Ke + K^ ω₀ = V--------J

Kg (K, + Ko ) + Dyl

Z = —--------------2^ (K_LJ^+ Kn) J

- 6 • ti titi·· titi titi ·· titi • ti ti tititi titi·· titi titi ti·· ti titi ti ti ti titi titi · · · titi ti • ti titititi ti··· • titititi titi titi ·· titi

Z těchto rovnic se získají zesílení řý, Kl a íý s uzavřenou smyčkou jako:

J <D₀ ² - Kyl K_L ----------Ks

Kj, 1 foi ^ = - + - —Ke Ks [ke z J G>o “ K% Ks — 23yl K> =-------------------Ks

Řídící signál u k servomotoru je tak popsán rovnicí:

U — Κχ Μ — {Κι, δα, + (¾ + Ke ) <5® + přičemž signál 3«, _txtm bude podrobněji popsán dále.

Aby bylo možno přistoupit k jednoduchému popisu této soustavy, předpokládá se, že mechanická soustava 14 křidélek může být považována za lineární regulační soustavu druhého řádu. Mechanická soustava 14 křidélek je ve skutečnosti značně složitější. Zejména jsou zde značné tření a vůle, které společně s pružností lanek 2 řídících ploch přispívá ke vzniku místních rezonancí s místními kmitočty. Tyto vlastnosti omezují rozsah volného výběru zesílení a s uzavřenou smyčkou, a tedy také dynamických vlastností, což je volný výběr ke, coq a

z.

- Ί 44 4··· • 4 4 4

4 9 9 9 9

4 49 444 • 4 4 4 9

4444 4 99 99 «

Další signály Μ, 8_S a 8_S, které vytvářej! vstupní signály k mechanické soustavě 14 křidélek prostřednictvím servomotoru 5, by měly být filtrovány tak, aby jejich kmitočtový interval a amplituda byly takové, aby platilo přiblíženi mechanické soustavy 14 křidélek lineární regulační soustavě druhého řádu. Aby se toho dosáhlo, byly všechny tyto vstupní signály M, 8_S a 8_S filtrovány s dolní propustí (low-pass). V jednom případě, mezní kmitočet filtru, který filtruje signál 8$ úhlové polohy řídicího kola a signál 8_S úhlové rychlosti řídícího kola, je 50 Hz, zatímco mezní kmitočet filtru, který filtruje signál kroutícího momentu, je 15 Hz. Z důvodů pevnosti se doporučuje filtrovat signál M kroutícího momentu filtrem určeným, při vysokých hodnotách signálu kroutícího momentu, k vytváření výstupního signálu, který se snižuje při zvyšování signálu kroutícího momentu. Také se doporučuje filtrovat signál M kroutícího momentu filtrem s pásmem necitlivosti, v němž signál kroutícího momentu se blíží nule, pro vytvoření prahové hodnoty, která musí být překonána dříve, než se projeví účinek servomotoru 5. Také je výhodné filtrovat signál kroutícího momentu filtrem s fázovým předstihem. V jednom příkladu je amplituda signálu 8_a úhlové rychlosti řídícího kola omezena při velkých úhlových rychlostech omezovačem.

Servomotor 5 pracuje více méně lineárně. Maximálního kroutícího momentu se dosáhne, když je úhlová rychlost nula a kroutící moment klesá lineárně se stoupajícími otáčkami.

Křidélka 1 na většině letadel s čistě mechanickými řídícími soustavami mají tak zvané vyvažovači klapky, jejichž poloha se nastavuje pomocí tak zvaných vyvažovačích zdvihátek.

Normálně se používá vyvažovači soustava jenom na jednom křídle, například na levém křídle, zatímco vyvažovači soustava na

- 8 ·· 9999 99 99 • 9 9 9 9 9 « · 9 9 9 9 druhém křídle vytváří rezervní soustavu. Vyvažovači soustava působí tak, že při vyvažování působí vyvažovači sdvihátko na úhel vyvažovači klapky, a křidélko 1 se vykývne o určitý úhel. U mechanické soustavy to znamená, že bude nastavena nulová poloha řídicího kola, to je vyvažovači poloha, kterou zaujímá řídící kolo, když má kroutící moment, vyvozovaný pilotem 4, nulovou hodnotu.

Při vyvažování mohou nastat problémy u soustavy se servoasistencí, jestliže se neprovede žádná kompenzace pro novou nulovou polohu. Tento problém se může odstranit použitím termínu úhlového nastavení odpovídajícímu vyvážené nulové poloze řídícího kola, k signálu zpětné vazby úhlu řídícího kola. Termín úhlového nastavení může být vytvořen ze signálů z polohy snímačů, umístěných na vyvažovačích zdvihátkách. Musí být však vytvořena tolerance, vzhledem ke skutečnosti, že účinnost vyvažovači klapky je větší při jejím pohybu dolů z neutrální polohy do vysokého tlaku pod křídlem, než při jejím pohybu nahoru do nízkého tlaku na horní straně křídla. Jestliže je snímač polohy vyvažovacího zdvihátka uspořádán tak, že signál z tohoto snímače je pozitivní při pohybu vyvažovači klapky dolů, a je negativní při pohybu vyvažovači klapky nahoru, musí být i pro tento případ vytvořena tolerance. Také musí být vytvořena tolerance v závislosti na tom, zda se použije řádná vyvažovači soustava, rezervní vyvažovači soustava nebo jejich kombinace.

Pro odborníky v tomto oboru bude zřejmé, že tento vynález není omezen pouze na shora popsaná provedení, ale spíše sám nabízí různé modifikace v rámci vynálezecké myšlenky, definované v následujících nárocích. Může být například provedeno takové uspořádání, že je použit servo autopilot umístěný v řídící soustavě a/nebo, že poměr mezi silou

4« 4444

44 • 4 4 4 4 4

44 444

4 4 4 4

4444 4 44 *4 vyvozenou na řídicí prvek a úhlem vyvážení řídícího prvku se zvyšuje při zvyšování rychlosti letadla, a naopak, proto, aby pilot získal přirozený pocit rychlosti na řídících površích. Tato soustava se dále může samozřejmě použít u výškových kormidel a směrových kormidel.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ

   NÁROKY

   1. Uspořádání mechanické řídící soustavy letadla, v němž řídící plochy (1) letadla mohou být ovládány z pilotního prostoru letadla prostřednictvím řídící soustavy pomocí alespoň jednoho řídícího prvku (3) , například řídícího kola, řídícího sloupku nebo páru pedálů, provozně spojených s řídící soustavou, vyznačující se tím, že s řídící soustavou je také spojen servomotor (5) , společně se snímači, určenými při ovládání řídícím prvkem (3) ke zjišťování kroutícího momentu uplatňovaného na řídící prvek (3) vyvozovanou silou, dále ke zjišťování úhlu vyvážení řídícího prvku a okamžité úhlové rychlosti řídícího prvku, přičemž uspořádání je dále opatřeno řídícím zařízením (9) , které na základě podmínek zjištěných snímači, je určeno k řízení servomotoru (5), takže poměr mezi silou vyvozenou na řídící prvek (3) a úhlem vyvážení řídícího prvku zaujímá požadovanou, v podstatě konstatní hodnotu.
2. 2. Uspořádání podle nároku 1, vyznačující se tím, že servomotorem (5) je servomotor, umístěný v řídící soustavě a normálně určený k interaktivnímu spojení s automatickým řízením (11) .
3. 3. Uspořádání podle nároku 1 nebo 2, kde řídící plochy (1) dále obsahují vyvažovači klapky pro vyvažování naklánění a vyvažovači zdvihátka působící na ně, dále snímače spojené s těmito vyvažovacími zdvihátky, určené ke zjišťování jejich polohy, vyznačuj ící zařízení je určeno k úpravě se t í m, že řídící vyvažovači polohy z poloh zjištěných ostatními snímači, přičemž řídící prvek (3) je,

   - 11 φφ φφφφ φφφφ φφ φφ φφ φφ φφφ φφφ· φ φ φφφ φ φ φ · φ φφ φ φ φφ φ φφ φφ φφ φφ vzhledem k vyvažování naklánění, vytvořen k zaujetí střední polohy neovlivněného řídícího prvku (3) , který nepřijal žádné zesílení ze servomotoru (5).
4. 4. Uspořádání podle nároků laž3, vyznačující se t í m, že řídící zařízení obsahuje filtrační prostředky, určené, na základě podmínek zjištěných snímači, k odfiltrování místních rezonancí v mechanické řídící soustavě.
5. 5. Uspořádání podle nároků 1 až 4, které dále obsahuje snímače rychlosti určené ke zjišťování rychlosti letadla, vyznačující se tím, že řídící zařízení je, na základě zjištěné rychlosti, určeno ke zvýšení poměru mezi silou vyvozovanou na řídící prvek (3) a úhlem vyvážení řídícího prvku, při zvyšování rychlosti, a naopak.
6. 6. Způsob regulování síly, která k dosažení požadovaného úhlu vyvážení musí být vyvozena na řídící prvek (3) pro ovládání řídících ploch (1) letadla, kde uvedený řídící prvek (3) je provozně spojen s mechanickou řídící soustavou, a obsahuje například řídící kolo, řídící sloupek nebo pár pedálů, vyznačující se tím, že při ovládání řídícího prvku (3) se zjišťuje kroutící moment uplatňovaný na řídící prvek (3) pomocí vyvozované síly, společně se zjišťováním úhlu vyvážení a okamžité úhlové rychlosti řídícího prvku, přičemž servomotor (5) , spojený s řídící soustavou, na základě zjištěných podmínek, je vytvořen k řízení servomotoru (5) , takže se dosáhne v podstatě konstantního poměru mezi silou vyvozenou na řídící prvek (3) a úhlem vyvážení řídícího prvku.

   • · ««fcfc fcfc fcfc fcfc fcfc • fc · fcfcfc ···· • · fc fcfcfcfc · fcfc fc • · fcfc fcfc fcfcfc fcfc « • · fcfcfcfc fcfcfcfc fcfcfc·· fcfc fcfc fcfc fcfc

   - 12
7. 7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že servomotor, umístěný v řídící soustavě a normálně určený k interaktivnímu spojení s automatickým řízením (11) , se používá jako servomotor (5) , který je vytvořen k zesílení vstupního signálu k řídící soustavě.
8. 8. Způsob podle nároku 6 nebo 7, kde řídící plochy (1) dále obsahují vyvažovači klapky pro vyvažování naklánění a vyvažovači zdvihátka působící na ně, přičemž se zjišťuje poloha těchto vyvažovačích zdvihátek, vyznačující se tím, že se upravuje vyvažovači poloha, kterou má zaujmout řídící zařízení vzhledem k vyvažování naklánění, na základě zjištěných poloh, jako střední poloha neovlivněného řídícího prvku (3) , na který nebylo vyvozeno servomotorem (5) žádné zesílení vstupního signálu k řídící soustavě.
9. 9. Způsob podle nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že se používají filtrační prostředky, na základě zjištěných podmínek, k odfiltrování místních rezonancí v mechanické řídící soustavě.
10. 10. Způsob podle nároků 6 až 9, jímž se také zjišťuje rychlost letadla, vyznačující se tím, že se na základě zjištěné rychlosti zvyšuje poměr mezi silou vyvozovanou na řídící prvek (3) a úhlem vyvážení řídícího prvku, při zjištění zvýšení rychlosti, a naopak.