Электродистанционная система управления

Исторически появление ЭДСУ было связано с ростом лётно-технических характеристик летательных аппаратов и сопутствующих этому росту технических проблем.

Долгое время система управления самолётов была чисто механической. Усилия от штурвала и педалей передавались к рулям посредством тросовой проводки, проложенной на шкивах внутри конструкции планера, при этом рулевые машины автопилота включались параллельно в проводку управления. В дальнейшем тросовая проводка была заменена трубчатыми тягами, как выдерживающая большие усилия и менее подверженная деформациям. С ростом высот и скоростей появились гидроусилители, помогающие пилоту, так как человеческих сил для привода механизмов самолёта стало уже просто не хватать. В дальнейшем рост ЛТХ самолётов потребовал установки необратимых гидроусилителей, которые полностью брали на себя нагрузки от рулей, а для имитации привычных лётчику усилий потребовалось устанавливать на самолёты сложную систему имитации — пружинные загружатели и механизмы эффекта триммирования, причём управление силовыми бустерами уже осуществлялось по дифференциальной системе — трубчатые тяги от штурвала/педалей передавали перемещения не напрямую, а через двухплечевые (дифференциальные) качалки. Одно плечо такой качалки было подключено на управление от лётчика, а второе плечо — от рулевой машины (агрегата) автопилота, и результатирующее перемещение приходило на силовой бустер и, соответственно, управляющую поверхность самолёта. Такое управление с постоянной коррекцией от автоматики было вызвано необходимостью широкой автоматизации процесса пилотирования.

Подобные технические решения к 60—70-м годам 20-го века получили достаточно широкое распространение. Однако, такая система управления при множестве положительных качеств также имела массу недостатков, в частности, она была сложной, громоздкой и тяжёлой. Гораздо перспективнее было бы отказаться от механических тяг и части промежуточных электро- и гидравлических агрегатов, заменив это электропроводкой. Однако осуществить такую замену мешало то, что имевшаяся тогда электроника не была достаточно надёжной.

И только с развитием радиоэлектроники каналы электродистанционного управления стали постепенно внедряться. В советской авиации на серийном самолёте-бомбардировщике Ту-22М (1971 год) впервые в отечественной практике был применён электродистанционный канал по крену — четырёхканальная система дистанционного управления интерцепторами ДУИ-2М. Так как на предшественнике Ту-22 применялась механическая проводка с гидроусилителями, самолёт имел огромное количество проблем, связанных с устойчивостью и управляемостью, а из-за нагрева тяг при сверхзвуковом полёте возникало самопроизвольное перемещение штурвала, порою достигавшее запредельных величин. Установка электродистанционной системы с интерцепторами полностью решила данную проблему, позволила легко автоматизировать управление по крену и конструктивно освободила заднюю часть крыла под высокоэффективные закрылки.

Система ДУИ-2М построена по принципу: снятие сигнала угла поворота штурвала производится блоком синусно-косинусных трансформаторов СКТ, после чего сдвиг фаз относительно опорного фазирования сети 36 вольт 400 герц преобразуется в пропорциональный двухполярный сигнал постоянного тока плюс-минус 25 вольт, где ноль напряжения соответствует нулевому положения штурвала. Постоянное напряжение относительно опорной точки усиливается интегральными усилителями постоянного тока и далее поступает на усилители мощности на мощных биполярных транзисторах, которые управляют четырёхканальными электрогидравлическими рулевыми агрегатами РА-57. Агрегаты являются промежуточными механизмами управления силовыми рулевыми гидроприводами РП-64. Система выполнена с четырёхкратным электронным резервированием и дополнительным автоматическим резервным каналом по крену в канале тангажа (отдельный рулевой агрегат на стабилизаторе в режиме «ножниц»). Технически система состоит из 4-х усилительно-коммутационных блоков (легкосъёмные блоки кассетного исполнения с двусторонним печатным монтажом микросборок), блока встроенного контроля, датчика штурвала, ручки управления тормозом (интерцепторы на Ту-22М одновременно являются воздушными тормозами), двух рулевых приводов и пульта управления (коммутации) каналами рулевых приводов.

При разработке высокоманёвренного самолёта Су-27 (1981 год) было решено, что самолёт будет статически неустойчивым при дозвуковых скоростях. При исследованиях по данной теме выяснилось, что классическая дифференциальная система управления с управлением от лётчика и коррекцией от САУ не обладает должным быстродействием и точностью, поэтому для Су-27 разработали электродистанционный канал по тангажу — систему СДУ-10. Система, помимо дистанционного управления стабилизатором, решает задачи устойчивости и управляемости по всем трём осям. В канале тангажа она выполнена 4-х канальной, курса и крена — трёхканальной.

Стратегический ракетоносец Ту-160 (первый полёт в 1981 году) оборудован полностью дистанционной (по всем каналам управления) автоматической бортовой системой управления с четырёхкратным резервированием.

Первым серийным американским самолётом с аналоговой ЭДСУ стал A-5 «Виджилент» (начало эксплуатации 1961 год).

Несколько позже ЭДСУ появились и на пассажирских самолётах (впервые — на Airbus A320 и Ту-204). Большинство современных пассажирских и военных самолётов оснащены полностью дистанционной, по всем каналам, системой управления, а сейчас уже вместо обработки аналоговых сигналов применяется цифровой.

В отличие от механических и бустерных систем управления, где воздействия от органов управления в кабине к управляющим поверхностям (элеронам, рулю высоты и т. д.) или силовым приводам передаются посредством механической проводки, включающей в себя тяги, качалки, тросы, шкивы и т. д., в ЭДСУ эти воздействия передаются с помощью электрических сигналов.

Механические перемещения рычагов управления в кабине самолёта с помощью установленных на них датчиков преобразуются в аналоговые или цифровые электрические сигналы, которые по электропроводке поступают в вычислитель (-и) системы управления. Одновременно туда же поступают сигналы от датчиков угловых скоростей, перегрузок, углов атаки и скольжения, вычислителя системы воздушных сигналов и целого ряда других устройств. Вычислитель ЭДСУ в соответствии с заложенными в него алгоритмами управления преобразует эти сигналы в управляющие электросигналы приводов органов управления. При этом он также выполняет функции ограничителя предельных режимов полёта: не допускает превышения установленных ограничений по перегрузке, углу атаки и другим параметрам. Таким образом значительно снижается вероятность попадания самолёта в нежелательные режимы полета: сваливание, штопор и т. д.

Для большинства важнейших систем самолёта ключевыми факторами обеспечения безопасности полёта являются надёжность их функционирования. Это имеет самое непосредственное отношение к ЭДСУ. На борту самолёта имеется несколько (обычно, четыре или более) параллельно работающих каналов управления с вычислителями, с их собственными датчиками, преобразователями и электропроводкой. Система контроля сравнивает сигналы каналов между собой в нескольких ключевых точках и способна «проигнорировать мнение» вычислителя, который выдает неверные данные, определяемые как превышение допустимого порога погрешности (такой контроль, основанный на сравнительном анализе сигналов каналов, называется «кворумирование», а схема сравнительного анализа — «кворум-элементом»). Помимо контроля сигналов каналов управления часто применяется многоуровневый дополнительный контроль сигналов на соответствие параметрам, вплоть до проверки качества электропитания, поступающего в ЭДСУ (и которое также дублируется). В результате вероятность полного отказа ЭДСУ пассажирских самолётов составляет менее ${\displaystyle 10^{-9}}$, а военных — менее ${\displaystyle 10^{-7}}$ на 1 час полёта, то есть такой отказ практически невозможен при полной исправности всех элементов электроснабжения воздушного судна.

В то же время, несмотря на очень высокую надёжность элементов и многократное дублирование, стопроцентной гарантии надёжности системы в целом добиться невозможно, поэтому дублируются не только каналы управления, но и режимы управления, позволяющие в случае отказа переходить на упрощённый режим пилотирования (Direct mode). Система проектируется именно с расчётом на многочисленные отказы, причём основной проблемой разработчиков является задача предусмотреть все теоретически возможные варианты развития событий.

Преимущества

• Исключается механическая проводка управления, что позволяет добиться лучших массогабаритных показателей и в некоторой степени упрощает техническое обслуживание.
• Появляется возможность использовать в управлении очень сложные алгоритмы, физически невозможные для человека, и, например, управлять аэродинамически неустойчивыми самолётами (на гражданских самолётах это повышает экономичность, на военных — манёвренность).
• Система умнее и быстрее, полностью контролирует действия лётчика и не позволяет выйти на опасные режимы — присутствует многоуровневая «защита от дурака».
• Система может парировать (противодействовать) каким либо аэродинамическим возмущениям таким как боковой ветер, турбулентность и т.д.

Недостатки

• Трудность обеспечения достаточной надёжности ЭДСУ, поэтому для повышения помехозащищенности в 2020-х годах планируется перейти на массовое внедрение технологии Fly-by-Light (управление летательными аппаратами на основе оптоволоконной передачи команд).
• Система требует очень высокой квалификации наземного персонала.
• В некоторых вариантах исполнения ЭДСУ, примененных на самолётах фирмы Airbus, а также Сухой Суперджет 100 командные рычаги различных членов экипажа никак не связаны между собой, отсутствует приоритет команд и выполняется усреднённая величина отклонения РУС. В результате, в стрессовой обстановке аварийной ситуации рули самолёта выполняют среднее арифметическое перемещение РУС нередко хаотичных команд, что приводит к трагическим последствиям (Авиакатастрофа над Атлантическим океаном 1 июня 2009 года). В то же время на всех остальных самолётах, при наличии ЭДСУ, имеется связь между командными рычагами обоих лётчиков: жесткая механическая на Боингах 777 и 787, Embraer E-Jet , Ту-204, Ту-160 и Бе-200, электронная на МС-21, позволяющая исключить подобные опасные ситуации.

• Автопилот
• Автоматическая бортовая система управления
• Авиационный электропривод
• Drive-by-Wire
• Сервопривод
• Сервомотор
• Система траекторного управления