Bendradarbiaudami kartu su savo partneriais technologijos.lt skaitytojams pristatome išsamų straipsnių ciklą apie avioniką – aviacijos subtilybes ir įdomybes, apie kurias turbūt nė neįsivaizdavote, turėdami bendrą išprusimą apie lėktuvus, jų sandarą ir valdymo būdus. Galbūt po šio straipsnio ciklo padaugės ir lakūnų mėgėjų!

I. Orlaivių padėties erdvėje nustatymo priemonės     

Orlaivių navigacija yra mokslas apie orlaivių valdymo būdus ir priemones skrendant iš vieno Žemės paviršiaus taško į kitą pagal erdvėje ir laike pasirinktą trajektoriją. Orlaivių navigacija reiškia lakūnų veiksmų visumą nustatant orlaivio vietą erdvėje, skrydį pagal pasirinktąją kelio liniją nurodytame aukštyje naudojant mažiausiai degalų ir saugų atskridimą į paskirties vietą nustatytu laiku. Daugumą šių sudėtingų veiksmų automatiškai ar pusiau automatiškai atlieka įvairaus sudėtingumo skrydžio valdymo sistemos. Skrisdami lakūnai turi atlikti daug kitų veiksmų: nuolat stebėti oro erdvę ir laiku išvengti susidūrimų su kitais orlaiviais, stebėti audros debesis ir nuspręsti, kaip juos apskristi, pranešti skrydžio valdymo tarnyboms apie tarpinių kelio taškų ir skrydžių valdymo regionų ribų praskridimo laiką, perduoti duomenis apie oro sąlygas, pranešti apie orlaivio navigacijos plano pasikeitimus ir perduoti kitus duomenis.

Atskristi į nurodytą vietą galima tik nustačius pradinę orlaivio vietą (vizualiai ar pagal prietaisus). Po to nustatoma skrydžio kryptis, atstumas iki nurodytos vietos, kelio greitis, patikslinamos degalų atsargos ir skaičiuojama, kada orlaivis atskris į nurodytą (paskirties) vietą.

Skrisdami lakūnai atlieka dvi pagrindines operacijas: orlaivio valdymą ir navigaciją. Orlaivio valdymas yra jo padėties ore palaikymas ar keitimas valdant skrydžio greitį ir aerodinamines valdymo plokštumas. Kai orlaivis yra gerai valdomas, lakūnui lengva jo padėtį erdvėje palaikyti stabilią ar ją pakeisti. Tada lakūnas gali nustatyti orlaivio vietą, pasirinkti skrydžio kryptį ir aukštį, susisiekti su skrydžio valdymo tarnybomis radijo ryšio priemonėmis. Tai vadinama orlaivio navigacija.

Orlaivio valdymas ir navigacija gali būti rankiniai, kai lakūnas pats atlieka navigacijos skaičiavimus ir aerodinamines plokštumas pats valdo lynais, ir automatiškas, kai navigacijos skaičiavimus ir aerodinaminių plokštumų valdymą atlieka automatinio valdymo įrenginiai.

1.2. Lėktuvų valdymas ir valdymo parametrai

Pradėjus domėtis aviacija, tuojau kyla klausimas, kaip lėktuvo sparnai ar sraigtasparnio mentės išlaiko sunkų orlaivį ore. Atsakyti į tai galima sužinojus pagrindinius oro srauto aptekėjimo apie šias orlaivio aerodinamines plokštumas dėsnius. Šie dėsniai yra bendri lėktuvams, sraigtasparniams ir kitiems panašiems orlaiviams, todėl toliau šiame poskyryje rašysime tik apie lėktuvus.

Pagal Bernulio dėsnį, dujoms (ar skysčiui) aptekant kūną, pavyzdžiui, sparną, jo paviršiuje slėgis bus mažesnis ten, kur srauto greitis yra didesnis. Sparnas ar kita aerodinaminė plokštuma orientuojama oro sraute taip, kad didesnis aptekėjimo greitis būtų viršuje (1a pav.). Didesnis slėgis iš apačios kelia plokštumą aukštyn, atsiranda visa aerodinaminė jėga R (1b pav.).

Slėgių sparno viršuje ir apačioje dydis priklauso nuo skrydžio greičio, oro tankio, sparno profilio formos, jo paviršiaus glotnumo, sparno orientacijos oro sraute (atakos kampo). Šių slėgių skirtumas vadinamas keliamosios jėgos koeficientu C arba atakos kampo koeficientu.

Didinant kampą tarp oro srauto ir plokštumos iki kritinės reikšmės, oro srautas virš plokštumos greitėja ir toliau apgaubia viršutinę plokštumos pusę, todėl aerodinaminė jėga didėja.

Kampas tarp oro srauto ir plokštumos, pavyzdžiui, sparno stygos, vadinamas atakos kampu α (angl. Angle of Attack, Angle of Incidence).

Keičiantis atakos kampui aerodinaminė jėga keičia savo dydį, vietą ir kryptį, ji nėra statmena nei oro srautui, nei sparno stygai. Kai atakos kampai α yra nedideli, patogiau išskaidyti visą aerodinaminę jėgą R į vertikaliąją ir horizontaliąją dedamąsias: faktinę sparno keliamąją jėgą Y, statmeną oro srautui, ir sparno pasipriešinimo jėgą P,sutampančią su oro srautu.

Skrendant tiesiai vienodame aukštyje pastoviu greičiu, keliamoji jėga yra lygi orlaivio sunkio jėgai. Oras priešinasi sparno ir viso orlaivio judėjimui, todėl variklio traukos jėga turi kompensuoti pasipriešinimą P. Lėktuvui aukštėjant, žemėjant, keičiant skrydžio kryptį ar greitį, šių keturių aerodinaminių jėgų balansas keičiasi. Skrisdamas vizualiai ar pagal prietaisus lakūnas turi žinoti, kokios turi būti šios aerodinaminės jėgos. Pavyzdžiui, sumažėjus skrydžio greičiui mažėjanti keliamoji jėga nebekompensuoja sunkio jėgos ir lėktuvas pradeda smukti. Kai žemė arti, lakūnas gali nespėti padidinti greičio (keliamosios jėgos), ir įvyks katastrofa. Esant mažam atakos kampui, keliamoji jėga gali būti mažesnė už sunkio jėgą ir gali prasidėti smuka. Padidinus atakos kampą iki kritinio (maždaug iki 20°), oro srautas pradeda atitrūkti nuo plokštumos, slėgis plokštumos viršuje didėja ir keliamoji jėga pradeda staigiai mažėti. Didinant variklio trauką, didėja skrydžio greitis ir oro pasipriešinimas auga proporcingai greičio kvadratui, todėl gali prasidėti lėktuvo konstrukcijos perkrovos. Pasipriešinimas staigiai pradeda didėti, atakos kampui artėjant prie kritinės reikšmės.

Aerodinaminių jėgų dydis priklauso ne tik nuo skrydžio greičio, bet ir nuo oro tankio (skrydžio aukščio). Kadangi keliamoji jėga ir pasipriešinimas didėja, didėjant atakos kampui, esti tik vienas optimalus atakos kampas, kada keliamosios ir pasipriešinimo jėgų santykis yra didžiausias.

Nuo pakilimo iki nutūpimo lėktuvas skrenda trajektorija (juda trimatėje erdvėje), keisdamas aukštį, skrydžio kryptį ir greitį. Lėktuvo trajektoriją valdo lakūnai arba skrydžio valdymo sistemos. Tai daroma valdymo plokštumomis. Skrendant pasirinktąja trajektorija, galimi du pagrindiniai lėktuvo valdymo būdai. Kol lėktuvas nėra reikiamoje trajektorijos vietoje arba kai jo padėtis erdvėje neatitinka reikalavimų, keičiama lėktuvo aerodinaminių valdymo plokštumų padėtis. Kai lėktuvas pradeda skristi pasirinktąja kryptimi nurodytame aukštyje reikiamu greičiu, valdymo plokštumų padėtys nekeičiamos arba keičiamos nedaug.

Lėktuvą, judantį ore, veikia aerodinaminės jėgos. Jų dydis priklauso nuo tokių oro savybių, kaip tankis, klampumas, drėgnumas ir spūdumas. Oro tankis trukdo judėti. Dėl to skiriasi lėktuvų valdymas arti žemės ir aukštai, kur oras išretėjęs.

Kiekvieną lėktuvo ar kito orlaivio dalelę veikia Žemės trauka, visų dalelių sunkio jėgų atstojamoji sutelkta orlaivio masių centre MC (2 pav.). Kiekvieną aerodinaminės plokštumos paviršiaus tašką slegia oro srautas, šių jėgų atstojamoji sutelkta keliamosios jėgos centre. Analogiškai susidaro traukos ir pasipriešinimo jėgų centrai. Kai šių jėgų centrai ir masių centras nesutampa, atsiranda lėktuvą erdvėje sukantys momentai M. Momentus patogu nagrinėti lėktuvo išilginės ašies X, skersinės ašies Y ir vertikaliosios ašies Z atžvilgiu.

Lėktuvui skrendant, jis ne tik juda trimatėje erdvėje, bet dar keičia savo ašių orientaciją Žemės atžvilgiu. Kampas tarp išilginės orlaivio ašies ir horizonto vadinamas polinkiu (3 pav.). Jis yra teigiamas, kai išilginė ašis nukreipta į viršų nuo horizontaliosios plokštumos, ir neigiamas – kai nukreipta žemyn. Polinkio kampu nurodoma orlaivio padėtis horizonto atžvilgiu, o ne jo judėjimo kryptis. Atakos ir polinkio kampai nėra vienodi, nes oro srautas ne visada juda horizontaliai, o sparno styga (linija, jungianti labiausiai nutolusius priekinį ir galinį sparno taškus) nėra lygiagreti išilginei orlaivio ašiai.

Kampas tarp skersinės orlaivio ašies ir horizonto vadinamas posvyriu. Jis yra teigiamas, kai dešinysis sparnas yra žemiau. Posvyris atsiranda orlaiviui pasisukus apie išilginę savo ašį.

Lėktuvo posūkio kampas apie vertikaliąją ašį vadinamas pokrypiu. Valdant lėktuvo padėtį erdvėje, keičiamas greičio vektorius (skrydžio greitis ir kryptis).

Pokrypiu vadinamas orlaivio pasisukimo apie vertikaliąją ašį dydis. Orlaivio kursas yra kampas tarp pasirinktos linijos horizontaliojoje plokštumoje, pavyzdžiui, dienovidinio, ir orlaivio išilginės ašies.

Polinkis, posvyris, pokrypis ir atakos kampas yra pagrindiniai lėktuvo valdymo parametrai. Juos matuoja aviahorizontai, girovertikalės ir inercinės sistemos.

Lėktuvų ir sraigtasparnių valdymas yra daug kuo panašus, bet valdymo įrenginiai skiriasi, todėl toliau sraigtasparnių neminėsime.

Lėktuvai valdomi aerodinaminėmis plokštumomis. Aerodinaminėms jėgoms veikiant plokštumą, lėktuvą veikia atitinkami momentai, jis keičia padėtį erdvėje ir juda reikiama kryptimi. Kai nereikia keisti lėktuvo padėties, valdymo plokštumos statomos į tokią padėtį, kad aerodinaminės jėgos jų neveiktų.

Kad lėktuvas galėtų skristi pastoviu greičiu vienodame aukštyje, turi būti jėgų ir momentų pusiausvyra. Jei lėktuvas savaime palaiko tokią padėtį arba po atsitiktinio trikdžio į ją sugrįžta, jis vadinamas statiškai stabiliu. Didelis lėktuvo statinis stabilumas nėra gerai, nes reikia didesnių momentų (didesnių plokštumų valdymo jėgų) jo padėčiai erdvėje pakeisti.

Lėktuvo stabilumas yra svarbus visų trijų ašių atžvilgiu, tačiau lemiamos reikšmės lėktuvo skrydžio stabilumui turi išilginis stabilumas, t. y. stabilumas skersinės ašies atžvilgiu (polinkio stabilumas). Kairioji ir dešinioji lėktuvo pusės yra beveik simetriškos, todėl masės ir keliamosios jėgos centrai nėra daug nutolę nuo išilginės ašies, nėra didelių posvyrio momentų ir jie nedaug keičiasi kintant skrydžio greičiui ir oro tankiui. Kitaip yra su išilginiu stabilumu. Tuščio ir pakrauto orlaivio masių centro vieta keičiasi, keliamosios jėgos centro padėtis priklauso nuo skrydžio greičio, oro tankio, atakos kampo ir kt. Masių centras gali būti ir prieš keliamosios jėgos centrą (sunkesnis priekis) ir už jo (sunkesnis galas). Dėl to atsiranda didelis polinkio momentas. Daugumos lėktuvų uodegoje yra mažesnė už sparnus horizontalioji plokštuma (stabilizatorius), kuri gerina išilginį stabilumą atsverdama polinkio momentą.

Šiuolaikinis lėktuvas turi daug aerodinaminių valdymo plokštumų. Jas galima suskirstyti į pirmines ir antrines. Visuose lėktuvuose yra trys pagrindinės pirminės valdymo plokštumos: eleronai, krypties ir aukščio vairai (4 pav.). Jos yra sparnų, kilio ir stabilizatoriaus tęsinys ir, būdamos neutralios padėties, netrukdo lėktuvo stabilumui. Pirminės plokštumos atlieka pagrindinį lėktuvo valdymą, keičiant jo padėtį erdvėje jo masės centro atžvilgiu.

Kampinės lėktuvo padėtys keičiamos eleronais, krypties vairu ir aukščio vairu (stabilizatoriumi). Visos šios valdymo plokštumos atlieka dvi pagrindines funkcijas – valdo lėktuvą ir stabilizuoja jo padėtį. Valdant plokštumas, valdoma lėktuvo skrydžio trajektorija. Tada plokštumos juda lėčiau, bet didesniu intervalu. Stabilizuojant lėktuvo padėtį trajektorijoje, valdymo plokštumos juda greičiau, bet mažu intervalu.

Eleronai yra įtaisyti išilgai sparnų galinės briaunos, arčiau sparnų galų. Eleronais keičiamas lėktuvo skrydžio kursas: sukant kabinos vairaratį (valdymo vairą, šturvalą), posvyris, eleronai suderintai lenkiasi į priešingas puses. Sparno, kurio eleronas palenktas į viršų, keliamoji jėga sumažėja, kito sparno – padidėja. Veikiant šioms dviems jėgoms, lėktuvas sukasi apie išilginę ašį (daro posvyrį). Bendroji lėktuvo keliamoji jėga tampa nebevertikali, atsiradusi jos horizontalioji dedamoji keičia lėktuvo pokrypį (kursą). Eleronai valdomi rankiniu būdu lynais, kurie eleronus jungia su kabinos vairaračiu. Jei reikia, vairaračio poslinkio jėga stiprinama jėgos pavaromis (hidrauliniais ar elektromechaniniais stiprintuvais). Valdant skrydžio trajektoriją automatiškai, eleronų jėgos pavaras valdo autopilotai ar kitos automatinio valdymo sistemos.

Krypties (posūkio) vairu kartu su kiliu palaikomas lėktuvo pokrypio (kurso) stabilumas. Valdant krypties vairą, palaikomas arba nedaug keičiamas lėktuvo pokrypis. Valdoma pedalais arba automatiškai, pasukant krypties vairą į kairę ar į dešinę. Atsiradusi aerodinaminė jėga suka lėktuvo uodegą į kairę ar į dešinę ir lėktuvo „nosis“ sukasi. Norint daugiau keisti pokrypį (keisti kursą), naudojami eleronai. Dar krypties vairas naudojamas kompensuojant slydimą, lėktuvui darant posūkį, tada jo ir eleronų valdymas būna suderintas. Krypties vairas valdomas rankiniu būdu lynais, kurie krypties vairą jungia su kabinos pedalais, jei reikia, pedalų poslinkio jėga stiprinama jėgos pavaromis. Valdant skrydžio trajektoriją automatiškai, krypties vairo jėgos pavarą valdo autopilotai ar kitos automatinio valdymo sistemos. Dėl oro srauto nevienodumo, variklių traukos netolygumo ir kitų veiksnių atsiranda lėktuvo krypavimai (virpėjimai) kelių laipsnių intervale, todėl didesniuose lėktuvuose krypties vairo valdymo schemoje būna automatiškai veikiantys krypavimų slopintuvai. 

Aukščio vairu, traukiant vairalazdę į save ar stumiant nuo savęs, keičiamas lėktuvo polinkis. Taip  palaikomas reikiamas lėktuvo skrydžio aukštis ir greitis (greitis mažinamas didinant polinkį). Šiuo vairu keičiamas skrydžio aukštis kylant ir leidžiantis. Traukiant vairalazdę į save, aukščio vairo galinė briauna kyla. Oro srautas pradeda spausti aukščio vairą žemyn, dėl to lėktuvo uodegos keliamoji jėga mažėja. Kadangi sparnų keliamoji jėga nekinta, „pasunkėjus“ uodegai, lėktuvas pradeda suktis apie skersinę ašį ir jo polinkis didėja (jo „nosis“ kyla aukštyn). Stumiant vairalazdę nuo savęs, aukščio vairas lenkiamas žemyn, vairo plokštumos keliamoji jėga didėja, uodega kyla ir lėktuvo polinkis mažėja. Aukščio vairas valdomas taip pat, kaip ir kitos pirminės valdymo plokštumos.

Antrinės aerodinaminės valdymo plokštumos (5 pav.) yra priešsparniai, užsparniai, stabilizatorius, oro ir žemės aptakai, povairiai. Jos pirmiausia skirtos padėti valdyti lėktuvą pirminėmis plokštumomis, jomis gerinamas lėktuvo stabilumas ar valdumas atitinkamais skrydžio momentais.

Antrinės plokštumos gerina ir kitas lėktuvo charakteristikas, pavyzdžiui, priešsparniais ir užsparniais didinant sparno keliamąją jėgą sumažėja kilimo ir tūpimo greitis, dėl to trumpėja riedėjimo kelias taku.

Oro aptakai yra nedidelės aerodinaminės plokštumos ant sparno viršaus. Juos pakeliant, didinamas posvyrio momentas, lenkiantis sparną žemyn, Oro aptakai veikia kartu su eleronais, todėl eleronai gali būti mažesni, jiems valdyti reikia mažesnės jėgos.

Stabilizatorius yra horizontali aerodinaminė plokštuma lėktuvo uodegoje. Jis gerina išilginį lėktuvo stabilumą, kai dėl degalų eikvojimo keičiasi centruotė, vežami skirtingo svorio kroviniai ar kai skrendant labai keičiasi lėktuvą veikiančios aerodinaminės jėgos. Lengvieji lėktuvai turi nevaldomą stabilizatorių, kurio galinėje dalyje yra aukščio vairas, arba turi tik aukščio vairą. Pastaruoju atveju aukščio vairas atlieka ir stabilizatoriaus funkciją. Didesniųjų lėktuvų stabilizatorius valdomas (perstatomas) automatiškai, jis veikia kartu su aukščio vairu: daugiau palenkus aukščio vairą nuo neutraliosios padėties, automatiškai prasideda stabilizatoriaus perstatymas, kol aukščio vairas vėl grįžta į aptakią padėtį stabilizatoriaus atžvilgiu. Dėl to aukščio vairas gali būti mažesnis, jam valdyti reikia mažesnės jėgos ir jis niekada neatsilenkia iki kraštinės padėties (visada lieka eigos atsarga).

Jei nebūtų stabilizatoriaus, didelio lėktuvo aukščio vairą tektų daryti didelį ir jam valdyti reikėtų galingų jėgos pavarų. Stabilizatoriui valdyti galingų jėgos pavarų nereikia. Jis ne lenkiamas, kaip aukščio vairas, o perstatomas rankiniu būdu arba automatiškai. Stabilizatoriaus judėjimo intervalas yra maždaug 15–19 laipsnių.

Atsižvelgiant į visų valdymo plokštumų padėtį ir variklio trauką, susidaro sparno ir uodegos plokštumų jėgų momentai. Jie palaiko lėktuvą reikiamoje padėtyje erdvėje arba ją keičia, sukdami lėktuvą apie jo išilginę, skersinę ar vertikaliąją ašis. Lėktuvų valdymo sistema yra įrenginių ir prietaisų visuma, skirta stabilizuoti lėktuvo padėtį erdvėje arba ją keisti rankiniu būdu ar automatiškai. Valdant lėktuvą, palaikomas ar keičiamas (valdomas) jo polinkis, posvyris ir pokrypis, sparno keliamoji jėga ir lėktuvo greitis. Valdant reikia atsižvelgti į tai, kad lėktuvas turi šešis laisvės judėjimo erdvėje laipsnius. Jis gali judėti trijų koordinačių ašių kryptimis ir apie jas suktis.

Aerodinaminių plokštumų jėgos pavarų valdymas lynais – gana sudėtingas, jiems reikia geros techninės priežiūros. Yra lėktuvų su elektriniu jėgos pavarų valdymu (angl. Fly by Wire). Vietoje lynų pavaras valdo kabinos vairuose įtaisytų padėties daviklių signalai.

Lėktuvo padėtį erdvėje nurodo jo polinkio, posvyrio ir pokrypio (kurso) kampai, o padėtį oro srauto atžvilgiu – atakos ir slydimo kampai. Keičiant lėktuvo padėtį erdvėje ir variklio trauką, kinta navigacijos elementai: skrydžio aukštis, greitis, kursas, nuonaša ir kt. Padėtį erdvėje ir navigacijos elementus matuoja avionikos įrenginiai ir prietaisai. Žinodamas navigacijos ir valdymo elementus, lakūnas pats valdo skrydžio trajektoriją, arba avionikos įrenginių signalai naudojami automatiškam valdymui. Didesniuose lėktuvuose yra daug įrenginių ir prietaisų, rodančių lėktuvo valdymui ir navigacijai reikalingą informaciją. Tai aviahorizontai, girovertikalės, aukščiamačiai, skrydžio greičių matuokliai, atakos kampo ir perkrovų matuokliai, slydimo matuokliai, lėktuvo valdymo plokštumų padėčių rodikliai ir kt. Tačiau vien tokių prietaisų negana, nuolatinis jų stebėjimas vargina lakūnus. Valdant lėktuvą, kyla daug netikėtų situacijų, lakūnai turi suspėti į jas reaguoti. Antrinės aerodinaminės plokštumos gerina lėktuvo charakteristikas, bet lėktuvo valdymas yra dar patikimesnis, greitesnis ir lengvesnis, naudojant automatinius skrydžio trajektorijos ir variklių valdymo įrenginius.

Straipsnis parengtas įgyvendinant Europos socialinio fondo bei Švietimo ir mokslo ministerijos remiamą projektą „Mokslininkų vietinio ir tarptautinio bendradarbiavimo skatinimas bei kompetencijų ugdymas“.

Išsamesnė informacija apie šį projektą - čia: http://is.mokslasplius.lt/apie-projekta/

Pasidalinkite su draugais

Aut. teisės: Aviacijos pasaulis

Komentarai (0)