Avionika. Skrydžio trajektorijos automatinis valdymas

Automatinis valdymas numato visišką daugumos valdymo operacijų automatizavimą, lakūnas atlieka tik bendrąją įrenginių veikimo kontrolę. Automatinio orlaivio valdymo įrenginiai yra brangūs ir sudėtingi, todėl be reikalo jų orlaiviuose nenaudojama. Pagal naudojimo būdą šiuos įrenginius galima suskirstyti į dvi grupes:

įrenginius, padedančius automatizuoti orlaivio aerodinaminių plokštumų valdymą;
įrenginius, padedančius nustatyti nuokrypas nuo pasirinktųjų navigacijos elementų.

Paprasčiausias yra rankinis orlaivio valdymas. Šiuo atveju gali būti naudojamos jėgos pavaros kabinos vairų judesiams stiprinti, o prietaisus stebi ir navigacinius skaičiavimus atlieka lakūnas.

Pradėjus lėktuvams skraidyti didesniais nuotoliais, ilgai trunkantis rankinis valdymas, susidedantis daugiausia iš lėktuvo kampinių padėčių stabilizacijos, lakūnus labai vargino. Buvo pradėti naudoti autopilotai, t. y. automatinės sistemos, stabilizuojančios daugiausia tik lėktuvo kampines padėtis. Netrukus autopilotas ne tik tapo būtina lėktuvo įranga, bet išplėtė savo funkcijas. Atsirado aukščio, greičio ir vertikalaus greičio stabilizacija, automatiškas horizontalusis išlyginimas praradus erdvinę orientaciją, koordinuotas posūkis, vieno skrydžio aukščio keitimas kitu ir kiti programuoti manevrai. Atsirado pavojingai didelių posvyrio, polinkio ir atakos kampų ribojimas, smukos ir pavojingai didelio skrydžio greičio (CAS, M) ribojimas, variklių traukos asimetrijos kompensavimas. Autopilotai, kurie galėjo ne tik stabilizuoti lėktuvo padėtį, bet ir atlikti nesudėtingus manevrus, buvo pradėti vadinti lėktuvo automatinėmis valdymo sistemomis AFCS (angl. Automatic flight control system). Toliau į valdymo sistemą buvo įjungtos ir variklių valdymo svirtys – atsirado traukos automatas, skirtas palaikyti nustatytą skrydžio greitį ar variklio trauką. Lėktuvai jau galėjo skraidyti pagal prietaisus esant blogam matomumui. Daugėjant lėktuvų, reikėjo pradėti planuoti lėktuvų skrydžio trajektorijas ir jų skrendant laikytis. Navigaciniai lakūnų skaičiavimai darėsi vis sudėtingesni.

Tolesnis žingsnis automatizuojant lėktuvų valdymą buvo jo skrydžio trajektorijos valdymas pagal iš anksto sudarytą programą. Programa (skrydžio planas, įkeltas į kompiuterį) yra eilė kelio taškų erdvėje ir juos jungiančių kelio dalių (atkarpų). Programinis skrydžio trajektorijos valdymas padėjo suteikti valdymo sistemai funkcijas, kurias lakūnui sunku atlikti, pavyzdžiui, automatiškas skrydžio aukščio ar kurso keitimas numatytoje maršruto vietoje, automatiškas radijo ryšio ir navigacijos dažnių keitimas numatytoje vietoje, galimybė bet kurioje maršruto vietoje pakeisti planinę trajektoriją skrydžiu į artimiausią aerodromą, kilimas ir tūpimas oro uoste pagal šiam uostui sudarytas schemas SID (angl. Standard instrument departure) ir STAR (angl. Standard arrival) esant geram ir ribotam matomumui bei kt.

Norint automatiškai skristi pasirinktąja trajektorija, reikia prieš skrydį sudaryti skrydžio programą ir turėti įrenginius, kurie tą programą vykdo. Pasikeitus aplinkybėms skrendant, programa turi būti pakeista. Tai galima atlikti tik naudojant kompiuterinę techniką. Taip buvo sukurtos kokybiškai naujos skrydžio valdymo sistemos. Jų pagrindinė naujovė buvo programuojamas skrydis nuo pat pakilimo iki tūpimo ir daugelio atskirų lėktuvo navigacijos ir valdymo priemonių sujungimas į vieną didelę bendrą sistemą, vadinama lėktuvo skrydžio valdymo sistema FMS (angl. Flight management system). Skrendant FMS turi nustatyti lėktuvo vietą ir padėtį erdvėje, palyginti gautus duomenis su skrydžio programa (navigacijos duomenų baze), išmatuoti esamas nuokrypas ir joms proporcingus signalus siųsti lėktuvo valdymo plokštumoms. Skrydžio valdymo sistemos atlieka visas pagrindines automatinio valdymo funkcijas, atsižvelgiant į oro temperatūrą ir vėją.

FMS gali nustatyti lėktuvo vietą, padėtį erdvėje ir vykdyti skrydžio programą, todėl jai tiekia duomenis įvairios lėktuvo navigacijos priemonės. Svarbiausios iš jų yra inercinės ir radionavigacijos sistemos. Lakūnai lėktuvo valdymą stebi kabinos prietaisuose, kur kartu rodomi į skrydžio programą įkelti (pasirinktieji) ir iš navigacijos priemonių gauti (faktiniai) duomenys. Šiuos duomenis lakūnas gali palyginti ir pats nustatyti esamas nuokrypas. Jei FMS į valdymo sistemą nesiunčia plokštumų valdymo signalų, lakūnas pats gali vietoje jos valdyti lėktuvą. Toks valdymo būdas vadinamas šturvaliniu. Tada plokštumų valdymo signalai gaunami iš kabinos vairų. Kai kuriuose lėktuvuose gali būti FMS, kurios negali automatiškai valdyti lėktuvo plokštumų, o tik nustato trajektorijos ir laiko nuokrypas. Tokios sistemos vadinamos komandinėmis skrydžio sistemomis FDS (angl. Flight director system). Visai išjungus automatinį ar komandinį valdymą, lakūnas gali lėktuvą valdyti rankiniu būdu.

Senesniuose lėktuvuose FDS ir AFCS buvo savarankiški įrenginiai, jie galėjo veikti arba nepriklausomai vienas nuo kito arba kartu (kaip FMS). Naujesniuose orlaiviuose FMS yra vienas įrenginys, tačiau jis gali atlikti žemesnio lygio valdymą, pavyzdžiui, veikti kaip AFCS ar net kaip paprastas autopilotas.

Kaip ir rankiniu būdu, lėktuvo eleronai, aukščio ir krypties vairai automatiškai valdomi nepriklausomai. Visi įrenginiai skirti tik vienos aerodinaminės plokštumos automatiškam valdymui vadinami valdymo kanalu. Dauguma šiuolaikinių FMS turi tris kanalus. Kanalai dažniausiai vadinami tokiu pat pavadinimu, kaip pirminės valdymo plokštumos, kurios tais kanalais valdomos, – aukščio vairo (stabilizatoriaus) kanalas, krypties vairo kanalas, eleronų kanalas. Aukščio vairo kanalas naudojamas polinkiui, skrydžio aukščiui ir greičiui valdyti. Eleronų kanalu valdomas posvyris ir kursas, krypties vairo kanalas skirtas šalinti lėktuvo slydimą. Beveik visuose didesniuose lėktuvuose krypties vairas dar naudojamas kurso krypavimams slopinti. Kai kuriuose lėktuvuose polinkio krypavimai slopinami aukščio vairu, o posvyrio – eleronais. Labai dažnai šie trys kanalai dar vadinami polinkio, posvyrio ir pokrypio kanalais. Svarbus yra ir skrydžio greičio valdymo kanalas – variklių traukos automatas.

Pagrindinė FMS paskirtis yra lėktuvo trajektorijos valdymas skrydžio metu. Tuo FMS skiriasi nuo autopilotų, kurie tik palaiko (stabilizuoja) nustatytą lėktuvo padėtį. Norit pakeisti skrydžio aukštį ar kursą, lakūnui reikia pačiam atlikti reikalingus skaičiavimus, išjungti autopilotą, pačiam atlikti manevrą ir tik nusistovėjus naujai lėktuvo padėčiai galima vėl įjungti stabilizaciją. FMS visus skaičiavimus ir lėktuvo manevrus atlieka automatiškai.

Traukos automatai automatiškai valdo variklių trauką nuo pat kilimo iki nutūpimo, tuo mažindami lakūnų krūvį. Traukos automatas yra kompiuteriu valdoma elektromechaninė sistema, veikianti kartu su lėktuvų automatine valdymo sistema AFCS ir skrydžio valdymo sistemos FMS kompiuteriu. Traukos automatas AT (angl. Auto-throttle) taip pat susietas su inercine sistema INS ir kitomis sistemomis. Pavyzdžiui, variklių traukai valdyti reikia statinio oro slėgio ir temperatūros signalų. Traukos automato veikimą valdo jo kompiuteris, į jį siunčiami signalai iš kitų sistemų. AT kompiuteris apdoroja gautus signalus ir valdo elektromechaninius degalų tiekimo servomechanizmus. Servomechanizmai lynais valdo variklių svirtis, kiekvienas variklis turi atskirą servomechanizmą. Svirtyse gali būti jų padėties davikliai, kurių signalai yra reikalingi kitoms sistemoms, pavyzdžiui, skrydžio duomenų registracijos aparatūrai.

Didėjant skrydžių greičiams ir lėktuvo plokštumas pradėjus valdyti elektromechaniniais bei hidrauliniais jėgos stiprintuvais, pasiekti patenkinamą lėktuvo valdumą ir stabilumą tapo įmanoma tik FMS sudėtį papildžius naujais automatiniais įrenginiais. Taip atsirado ir pradėjo tobulėti tokios automatinės lėktuvo valdumo ir stabilumo gerinimo sistemos SAS (angl. Stability Augmentation System), kaip automatinis stabilizatoriaus valdymas, lėktuvo stabilizavimas atsižvelgiant į Macho greitį, lėktuvo stabilizavimas esant mažiems greičiams ir didelei variklių traukai, krypavimų slopinimas ir kt. Lėktuvo stabilumui gerinti plačiai naudojami automatiniai krypavimų slopinimo įrenginiai (slopintuvai). Krypavimų slopintuvai įstatomi į lėktuvo pokrypio, polinkio, o kai kada ir į posvyrio kanalus. Krypties vairu didesniuose lėktuvuose kurso krypinėjimai slopinami, kai skrendant dėl oro „duobių“ po sparnais, dėl variklių traukos netolygumo ir dėl kitų veiksnių lėktuvas „krypuoja“ į šalis keliais laipsniais. Lakūnas negali pedalais kompensuoti (ką tuo norima pasakyti?) krypavimų, nes jų per sekundę gali būti keli. Krypavimų slopintuvai automatiškai valdo krypties vairo plokštumą. Kai kuriuose lėktuvuose slopinamas ir polinkio, ir (arba) pokrypio krypavimas, tada tokie pat krypavimų slopintuvai automatiškai valdo aukščio ir (arba) krypties vairų plokštumas.

Pagrindiniai tokių slopintuvų elementai yra giroskopiniai kampinio greičio davikliai su jų signalų stiprintuvais ir eleronų, krypties ar aukščio vairo valdymo mechanizmais. Lėktuvui kryptelėjus į kurią nors pusę, davikliuose atsiranda nuokrypos signalai, proporcingi polinkio, pokrypio ar posvyrio nuokrypos dydžiui ir greičiui. Jie stiprinami ir siunčiami į atitinkamų plokštumų valdymo mechanizmus.

Avionika. Ryšio ir skrydžio duomenų registratoriai

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

Avionika. Orlaivių padėties erdvėje nustatymo priemonės

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