непосредственное управление подъёмной и боковой силами

Рис. 1. Формы продольного и бокового движений самолёта при использовании НУПБС.

непосре́дственное управле́ние подъёмной и боково́й си́лами (НУПБС) — создание подъёмной и боковой сил (см. Аэродинамические силы и моменты) за счёт дополнительных органов управления (интерцептор, киль и др.) без изменения угла атаки α и угла скольжения β или изменение ориентации летательного аппарата без изменения аэродинамических нагрузок (перегрузки n). Например, для изменения скорости V обычного (без системы НУПБС) самолёта без изменения высоты H полёта необходимо изменить угол атаки, изменение курса Ψ летательного аппарата без изменения угла крена γ вызывает его скольжение. НУПБС наряду с традиционными формами движения (см. формы I и II в таблице), обеспечиваемыми созданием управляющих моментов по тангажу, крену и рысканию и регулированием тяги двигателей, позволяет реализовать раздельное (независимое) управление тремя группами фазовых координат (см. формы III—V в таблице и на рис. 1):

угловыми координатами, определяющими ориентацию летательного аппарата относительно земли (углы тангажа Θ и крена, курс) при фиксированных углах ориентации летательного аппарата относительно вектора скорости (углы α и β);

линейными координатами (высота и боковое смещение z) при фиксированных значениях Θ, γ и Ψ;

угловыми координатами Θ, γ и Ψ при заданных законах изменения линейных координат (например, H = const) и неизменном значении перегрузок.

Использование НУПБС расширяет возможности применения летательного аппарата, повышает его эффективность. Две формы движения — III и IV — придают летательному аппарату новые динамические свойства при стабилизации угловых и линейных координат, приближая их к интегрирующему звену (см. Передаточная функция) по регулируемому параметру. За счёт этого существенно упрощается ручное управление летательным аппаратом, повышается точность стабилизации и управления угловыми и линейными координатами. Эти формы движения могут быть полезными лётчику при дозаправке в воздухе, полёте строем, заходе на посадку и при посадке, для точной стабилизации угла тангажа и курса, компенсации сноса самолёта боковым ветром, а также в ряде других более сложных задач, требующих точного управления комбинациями линейных и угловых координат. При построении систем автоматического управления летательного аппарата введение НУПБС в III и IV формах движения облегчает построение контура стабилизации полёта, упрощает решение задачи обеспечения устойчивости замкнутой системы «лётчик — самолёт» (см. Лётчик).

V форма движения обеспечивает изменение угловой ориентации летательного аппарата при неизменной траектории движения. Это свойство летательного аппарата с НУПБС может быть полезным, в частности при решении некоторых задач управления при полётах на малых высотах и во всех случаях, когда при обычном управлении движением летательным аппаратом по траектории возникает нежелательное изменение его угловой ориентации. Прямой эффект от V формы — расширение зон обзора.

Примерами НУПБС являются использование поворотных крыльев на некоторых ракетах, управление общим шагом несущего винта вертолёта.

В качестве органов НУПБС на самолётах для создания подъёмной силы могут использоваться элементы механизации крыла (в первую очередь его задней кромки) совместно с задним или передним горизонтальным оперением (рис. 2, а), а для создания боковой силы — руль направления вместе со специально устанавливаемыми рулевыми поверхностями на передней или центральной части фюзеляжа (рис. 2, б). Для целей НУПБС возможно использование и других способов (совместное и дифференциальное отклонение секций тормозных щитков, интерцепторов, горизонтального оперения и т. д.).

Как правило, органы, используемые для НУПБС, создают при своём отклонении не только аэродинамическую силу (подъёмную или боковую), но и моменты (моменты тангажа, крена и рыскания). Целесообразно с помощью основных органов управления самолёта, создающих моменты тангажа, крена и рыскания, обеспечить возможность в режимах НУПБС полной или частичной компенсации моментов от органов НУПБС.

В системе автоматического управления реализация раздельных форм движения по фазовым координатам может быть обеспечена двумя способами: введением жёсткой стабилизации соответствующей группы фазовых координат за счёт глубоких отрицательных обратных связей по этим параметрам движения (например, управление малыми перемещениями по высоте и боковому отклонению можно обеспечить за счёт НУПБС при наличии жёсткой стабилизации курса и углов тангажа и крена — рис. 3, а); организацией на входе в исполнительную часть системы управления функциональных перекрёстных связей между каналами управления, а также обратных перекрёстных связей по параметрам движения данной формы для компенсации аэродинамических взаимовлияний каналов управления и фазовых координат (рис. 3, б). При использовании таких принципов управления с органами НУПБС летательного аппарата в управляемом движении описывается более простыми передаточными функциями, что позволяет упростить некоторые подсистемы системы автоматического управления и, следовательно, повысить их надёжность.

Необходимость использования той или иной формы движения определяется конкретной задачей пилотирования. При изменении этапа полёта и задачи пилотирования производится переключение системы управления с одной формы на другую. Поскольку число возможных форм движения велико, в кабине могут дополнительно устанавливаться специальные рычаги управления.

Требования к эффективности органов НУПБС (см. Эффективность органов управления) зависят от конкретной задачи пилотирования. Так, в задачах типа дозаправки, требующих прецизионного управления при отсутствии жёстких ограничений по времени, необходимые для управления перегрузки не превышают n_у ≈ 0,1. В других задачах точного управления, в особенности при дефиците времени, требуемые перегрузки существенно повышаются (до n_у ≈ 1).

При использовании НУПБС в широком диапазоне режимов полёта необходимы высокая степень автоматизации и применение цифровой вычислительной техники. Организация НУБПС на летательном аппарате оказывает влияние на его облик и может привести к некоторому ухудшению его лётных данных (за счёт увеличения массы конструкции, повышения аэродинамического сопротивления). Это следует учитывать при общей оценке эффективности летательного аппарата.

Исследования НУПБС в СССР и за рубежом начались в конце 60-х гг. Первый практический опыт применения НУПБС (1970) — на самолёте Локхид L-1011 (США) для режима посадки; осуществлялось непосредственное управление подъёмной силой с целью повышения быстродействия по перегрузке в канале управления продольным движением. Исследования по применению НУПБС на манёвренных самолётах проводились в США и ФРГ в 70-х гг. В США были созданы летающие лаборатории по экспериментальной оценке эффективности НУПБС в воздушном бою и при атаке различных целей на базе самолётов Дженерал дайнемикс F-16, Воут F-8 и др. В начале 80-х гг. по программе AFTI (программа исследований по созданию усовершенствованного истребителя) в США был создан и прошёл лётные испытания экспериментальный вариант самолёта AFTI/F-16 с системой НУПБС и цифровой системой управления. В СССР НУПБС было реализовано на летающих лабораториях, созданных на базе самолётов Су-9 и МиГ-23.

По сведениям зарубежной печати авиационные фирмы США и некоторых западноевропейских стран предусматривают применение НУПБС на перспективных военных самолётах (истребителях и истребителях-бомбардировщиках) 1990—2000-х гг.

Л. И. Загайнов.

Таблица. Формы движения, осуществляемые без использования и с использованием систем непосредственного управления подъёмной и боковой силами.

Форма движения	Продольное движение		Боковое движение
	Задача управления	Характерные параметры*	Задача управления	Характерные параметры*
I	Управление скоростью	V≠const nx≠const α = const	Управление креном	γ≠const β≠const
II	Управление тангажом	Θ≠const α≠const ny≠const V≠const	Управление (балансировка) скольжением	β≠const Ψ≠const nz≠const γ = const
III	Управление изолированным тангажом	Θ≠const α = const ny≠const V = const	Управление курсом	Ψ≠const β = const γ = const nz = const
IV	Управление вертикальным перемещением	ny≠const α≠const Θ = const V = const	Управление боковым перемещением	nz≠const β≠const Ψ = const γ = const
V	Управление поворотом фюзеляжа	Θ≠const α≠const ny = const V = const	Управление поворотом фюзеляжа	Ψ = const β = const nz = const γ = const

* Кроме управляемого параметра (указан первым) приведены параметры, которые необходимо изменить или сохранить постоянными при решении поставленной задачи.

Рис. 2. Органы непосредственного управления подъёмной и боковой силами.

Рис. 3. Структурные схемы систем управления ЛА с НУПБС.