Stability and Control

14. Управляемость и устойчивость

Продольная устойчивость: в отсутствии хвоста продольная устойчивость BWB достигается балансом аэродинамического фокуса и положения центра тяжести. Для R4X выбрана передняя центровка (~25% МАС) с тем, чтобы статический запас устойчивости был положительным (нос возвращается при отклонении). По расчётам, статический маржин ($SM$) ~5% длины хорды обеспечен - этого достаточно для устойчивости, но мало по сравнению с обычным самолётом (~10-15%). Причина специально оставить небольшой запас - чтобы не требовались большие отклонения рулей при манёврах. Так делают на современных лайнерах (релаксированная устойчивость). Однако, вследствие меньшего запаса, естественная продольная частота у R4X невысока, и возможно наличие слабозатухающей флаттер-образной моды (рыскательно-галопирующей). Чтобы это компенсировать, на помощь приходит система управления: включается система повышения устойчивости по тангажу (PSS - pitch stability system), которая с помощью данных от гироскопов добавляет через элевоны момент, гасящий колебания. Проще говоря, компьютеры играют роль “виртуального горизонтального оперения”. Такая схема отработана на некоторых БПЛА типа X-48[91]. При отказе системы устойчивость останется положительной (т.е. самолёт не станет абсолютно неустойчивым), но демпфирование может быть недостаточным - поэтому без рабочих компьютеров выполнять продолжительный полёт запрещено (это закладывается в процедуру отказов, раздел 22).

Путевая устойчивость: без киля путевая (на курсе) устойчивость тоже уменьшена. Тем не менее, широкий корпус BWB создаёт паразитную путевую устойчивость: при возникновении скольжения одна консоль идёт вперед (обтекается с большим углом атаки с одного борта), что рождает выравнивающий момент. Этот эффект слабый, но не нулевой. Кроме того, небольшие килевые поверхности на законцовках (финлеты) дают свой вклад. В сумме статическая путевая устойчивость имеется, но порядка 50% от классического самолёта. Снова, на помощь приходит цифровой контроллер: реализуется Yaw Damper - демпфер рыскательных колебаний, работающий через дифференциал отклонения сопел. Если почувствуется размахивание по курсу (голландский шаг), система мгновенно даст β -отклонения движков, создавая противодействующий момент рыскания и крена[92][93]. В идеале пилот вообще не почувствует склонности к рысканию - всё будет гаситься в зародыше.

Поперечная устойчивость (крен): как любой высокоплан или бесхвостка, R4X обладает хорошей собственной поперечной устойчивостью: при появлении крена появляется разница подъёмной силы на левом и правом крыле, стремящаяся вернуть крен к нулю (называется диэдральный эффект). У нас законцовки крыла опущены - это фактически отрицательный геометрический V, который уменьшает диэдральный эффект, но не сильно, т.к. сама форма крыла делает свое. В итоге самолёт не будет самопроизвольно заваливаться - он будет стремиться вернуться на ровный крен, хоть и медленно. В продольном канале, кстати, похожее - сам вернётся в установившийся режим.

Микширование органов управления: управление R4X распределяется по многим органам, что требует микширования (смешивания команд). Например, если пилот даёт команду тангаж вверх - система отклонит оба элевона вверх (традиционно) и при необходимости приотклонит носовые двигатели вниз на несколько градусов, чтобы добавить кабрирующий момент (передние двигатели тянут нос вверх, задние - можно чуть вниз для усиления). Так достигается требуемый момент с минимумом отклонения рулей (т.е. без существенной потери подъёма). Если же нужен крεν - система дифференцированно поднимет элевон на одном крыле, опустит на другом, и к тому же может слегка отклонить боковой вектор тяги: например, накрениться вправо можно, уменьшив вертикальную тягу на правых движках и увеличив на левых (или повысив на правых горизонтальную, создав момент)[33][34]. Таких комбинаций много. Пилот же задаёт простые команды - крен, тангаж, рыскание - а Flight Control Computer раскладывает их на сигналы рулей и TVC (по решающему закону, например, метод распределения задач управления с приоритетом). На случай отказа любого элемента (руля или двигателя) контроллер имеет избыточность - оставшиеся органы перераспределят функцию. Алгоритмически, это решается задачей распределённого управления (MIMO), возможно с использованием методики обратной связи по состоянию. В отчёте формулы синтеза не приводятся, но математическая модель составлена (6 степеней свободы, 12 органов управления).

Запасы устойчивости: общие требования - демпфирование колебаний по крену/рысканью ζ > 0.2, период < 5 сек, time-to-damp 2× амплитуды < 5 сек. Для тангажа - апериодическая устойчивость с временем успокоения < 10 сек. Запас статической устойчивости не менее 5% по тангажу, по курсу ~3%. При работе автопилота эти показатели повышаются (активное демпфирование). В процессе проектирования проверено, что при центровке 25% МАС собственные моды имеют частоты: голландский шаг ~0.3 Гц (умерен), короткопериодическая тангажная мода ~0.5 Гц (остается управляемой). После включения цифрового демпфера они поднимаются до ~1 Гц и сильно затухают. Реакция на порывы: кратковременные порывы (вдоль курса или вертикальные) будут вызывать отклонения - у R4X они ожидаются несколько большими, чем у обычного самолёта, из-за большего размаха и площади (т.е. больше воспринимают боковой ветер). Однако система отслеживания траектории быстро их парирует - за 1-2 секунды возврат на прежний курс.

Особые режимы:

Высокие углы атаки: как упомянуто, R4X может летать на AoA выше обычного, но вблизи срыва требует внимательного отношения. Вручную пилот не будет доводить до такого - запрещено. Автоматика же (при включённом envelope protection) не позволит превысить, например, 15° AoA без команды на посадку. Если же пытаемся испытать характеристики сваливания - это только в присутствии экипажа-испытателя и на большой высоте, с парашютной системой спасения, т.к. поведение может быть непредсказуемым. Хотя чисто по расчетам сваливание BWB R4X должно происходить “мягко” (описывалось ранее), всё же практика может отличаться.
Близость к срыву: когда аппарат выходит на режим около сваливания, система управления переходит в режим автооживления потока: даёт команду увеличить тягу и чуть отклоняет сопла вниз (буквально 5°), чтобы добавить подъём. Одновременно оповещает пилотов сигнализацией (аналог срабатывания Stick Shaker). Это даёт экипажу ~5 секунд, чтобы принять меры (обычно - снизить угол атаки). Если реакции нет, автоматика сама плавно опустит нос (отключая AP, но действуя на рули, аналог stick pusher).
Уход на второй круг: как описывалось в разделе 8, это делается с помощью TVC. В этом сценарии самое опасное - “просадка” сразу после добавления тяги (у обычных самолётов, пока двигатели раскрутятся, можно потерять высоту). У нас же - двигатели уже работали на поддув, они раскручены, их достаточно резко повернуть вперёд, и подъём мгновенно увеличится, просадки не будет. Риск - что может получиться рывок вверх. Автоматика поэтому делает это по заданной траектории: лучше небольшая просадка, чем перерегулирование. То есть уход реализуется за ~3 секунды плавным поворотом сопел, а не мгновенным.

Вывод по управляемости: хотя BWB R4X и нестабилен по природе сильнее, чем самолет со стабилизатором, за счёт электронного управления он достигает приемлемых уровней устойчивости. Управляемость, в смысле возможности маневрирования, даже лучше - двигатели дают новые степени свободы. Пилот (или автопилот) может независимо контролировать поступательное движение (скорость, набор/снижение) и угловое (тангаж, крен, курс) - MIMO-контроллер разводит эти воздействия. Например, можно увеличить тангаж не изменяя подъёмную силу крыльев: достаточно отклонить носовые двигатели вниз, создавая кабрирующий момент без изменения CL. Это удобно при, скажем, заходе на посадку, когда нужно выровнять нос, но не вспархнуть вверх. В обычных самолётах это дилемма (приведение носа приводит к увеличению подъёма), а у нас можно частично отработать тягой. Конечно, пилот вручную так не сможет - это делает компьютер. Поэтому фраза “устойчивый, но без участия человека” тут ключевая - необходимо доверять автоматику.