Функциональные системы летательных аппаратов. Электрическое или электронное оборудование

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
А.Г. Гарганеев, Л.К. Бурулько,  
В.П. Петрович, А.П. Леонов 
 
 
 
 
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И ЭЛЕКТРОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ  
 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2016 

 

УДК 629.77:621.3(075.8) 
ББК  39.56я73 
Г20 
 
Гарганеев А.Г.  
Г20  
Функциональные системы летательных аппаратов. Электрическое и электронное оборудование : учебное пособие / А.Г. Гарганеев, Л.К. Бурулько, В.П. Петрович, А.П. Леонов ; Томский  
политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2016. – 240 с. 

ISBN 978-5-4387-0705-9 

В пособии изложены вопросы функционирования электрических и электронных систем на летательных аппаратах различного назначения. Рассмотрено 
общее устройство летательных аппаратов, особенности их эксплуатации в атмосфере и космическом пространстве. Изложены принципы управления аэродинамическими и космическими летательными аппаратами. Показаны место, назначение и структурное построение отдельных функциональных систем. Отдельно 
рассмотрены вопросы реализации современной концепции летательных аппаратов с полностью электрифицированным оборудованием. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 13.03.02 
«Электроэнергетика и электротехника» и 24.05.06 «Системы управления летательными аппаратами». 

УДК 629.77:621.3(075.8) 
ББК 39. 56я73 

Рецензенты 

Доктор технических наук, профессор 
заведующий кафедрой электротехники и электроники НГТУ  
С.А. Харитонов  

Доктор технических наук, профессор  
кафедры управления в технических системах СПб ГУАП  
А.А. Ефимов 

Кандидат технических наук 
заместитель главного конструктора АО «НПЦ “Полюс”»  
К.Г. Гордеев 
 
ISBN 978-5-4387-0705-9 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2016 
© Гарганеев А.Г., Бурулько Л.К.,  

Петрович В.П., Леонов А.П., 2016 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................................... 5 

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 7 

ГЛАВА 1. ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ  
КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ .......................................... 9 
1.1. Основные сведения о летательных аппаратах ..................................................... 9 
1.2. Атмосфера и космическое пространство как среды  
функционирования летательных аппаратов....................................................... 17 
1.3. Общее устройство летательных аппаратов ........................................................ 22 
1.4. Режимы и динамика полета летательного аппарата .......................................... 28 

ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  
АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ................................. 45 
2.1. Системы управления полетом аэродинамических ЛА ...................................... 45 
2.1.1. Системы управления самолетов ................................................................... 47 
2.1.2. Системы управления вертолетов .................................................................. 55 
2.2. Системы электроснабжения аэродинамических ЛА ......................................... 57 
2.2.1. Классификация систем электроснабжения ЛА и режимы их работы ....... 57 
2.2.2. Типовые структуры авиационных СЭС ....................................................... 60 
2.2.3. Авиационные генераторы .............................................................................. 65 
2.2.4. Регуляторы напряжения авиационных генераторов ................................... 66 
2.2.5. Системы защиты электроэнергетических установок ЛА ........................... 68 
2.2.6. Статические преобразователи электрической энергии на ЛА ................... 70 
2.2.7. Системы передачи и распределения электрической энергии на ЛА ......... 71 
2.2.8. Резервные источники электрической энергии на ЛА ................................. 78 
2.2.8.1. Кислотные аккумуляторы .................................................................... 79 
2.2.8.2. Щелочные аккумуляторы .................................................................... 82 
2.3. Светотехническое оборудование ЛА .................................................................. 83 
2.4. Системы вооружения ЛА ..................................................................................... 90 
2.5. Системы жизнеобеспечения ЛА .......................................................................... 96 
2.5.1. Особенности систем жизнеобеспечения пассажирских ЛА ...................... 97 
2.5.2. Особенности СЖО маневренных ЛА ........................................................... 98 
2.5.3. Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности..................... 99 
2.5.4. Направления развития систем жизнеобеспечения .................................... 101 

ГЛАВА 3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  
КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ............................................. 104 
3.1. Задачи систем управления полетом КА ........................................................... 104 
3.2. Функциональные схемы систем управления полетом КА.............................. 112 
3.3. Системы ориентации КА ................................................................................... 117 
3.3.1. Общие задачи системы ориентации ........................................................... 117 
3.3.2. Система ориентации и роль исполнительных органов ............................. 120 
3.3.3. Классификация систем ориентации ............................................................ 127 
3.4. Системы электроснабжения КА ........................................................................ 131 
3.4.1. Основные сведения о системах электроснабжения КА ............................ 131 
3.4.2. Первичные источники электроэнергии на КА .......................................... 132 
3.4.2.1. Аккумуляторные батареи для СЭС КА ............................................ 132 

3.4.2.2. Электрохимические генераторы ....................................................... 135 
3.4.2.3. Фотоэлектрические преобразователи ............................................... 136 
3.4.2.4. Термоэлектрические преобразователи ............................................. 138 
3.4.2.5. Термоэмиссионные преобразователи ............................................... 140 
3.4.2.6. Тепловые энергетические установки с непрямым  
преобразованием тепловой энергии в электрическую .................. 141 
3.4.3. Первичные системы электроснабжения КА .............................................. 142 
3.4.4. Вторичные системы электроснабжения КА .............................................. 145 
3.5. Информационно-телеметрические системы КА .............................................. 147 
3.6. Использование КА для повышения эффективности  
ведения наземных боевых действий ................................................................. 149 
3.7. Система жизнеобеспечения КА ......................................................................... 152 

ГЛАВА 4. СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ САМОЛЕТА  
С ПОЛНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ ........ 155 
4.1. Основное содержание и история развития концепции самолета  
с полностью электрифицированным оборудованием ..................................... 155 
4.2. Обоснование концепции СПЭО ........................................................................ 160 
4.3. Пути реализации концепции СПЭО ................................................................. 172 
4.3.1. Общий технический анализ ......................................................................... 172 
4.3.2. Перспективные системы электроснабжения ............................................. 176 
4.3.2.1. Общие сведения о системах электроснабжения .............................. 176 
4.3.2.2. Системы генерирования с полупроводниковыми  
преобразователями ............................................................................ 177 
4.3.2.3. Бортовые вторичные источники генерирования электроэнергии ..... 187 
4.3.3. Полупроводниковые элементы и источники вторичного  
электропитания нового поколения для бортовых систем 
электрооборудования ................................................................................... 190 
4.3.3.1. Тенденции развития полупроводниковых элементов для 
авиационно-космического применения .......................................... 190 
4.3.3.2. Источники вторичного электропитания .......................................... 194 
4.3.3.3. Магнитные компоненты .................................................................... 197 
4.3.4. Бортовые информационные системы ......................................................... 198 
4.3.4.1. Общие сведения о развитии архитектур  
бортовых информационных систем ................................................ 198 
4.3.4.2. Распределенная аналоговая архитектура ......................................... 199 
4.3.4.3. Распределенная цифровая архитектура ........................................... 200 
4.3.4.4. Федеративная цифровая архитектура ............................................... 203 
4.3.4.5. Интегрированная модульная архитектура ....................................... 205 
4.3.4.6. Примеры реализации бортовых информационных систем ............ 206 

ГЛАВА 5. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ АВИАКОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ............................... 212 
5.1. Общие свойства полимерных материалов ....................................................... 212 
5.2. Полимеры для авиакосмической отрасли ........................................................ 216 
5.3. Конструкционные пластики .............................................................................. 217 
5.4. Полимерные электроизоляционные материалы .............................................. 221 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................................... 236 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Полет современного летательного аппарата (самолета, вертолета, 
ракеты или космического корабля) немыслим без работы различных автоматических устройств. К ним относятся пилотажно-навигационные 
приборы, измерительные системы, автопилоты, электрические машины, 
регуляторы силовых установок, радиомаяки и радиолокаторы и т. п.  
Эти устройства объединены в единую комплексную автоматическую 
систему и между ними существует тесная целевая связь. 
Основой современных автоматических и автоматизированных,  
в том числе бортовых систем, являются электротехнические и электронные устройства. Именно поэтому для развития авиационно-космических 
систем различного назначения в середине прошлого века в ряде вузов 
СССР была организована подготовка инженеров по специальности 
«Электрооборудование летательных аппаратов». Только в Томском политехническом институте, начиная с 1959 года за 40 лет существования 
специальности в интересах оборонного комплекса страны, а также 
предприятий и учреждений авиационно-космической отрасли промышленности было подготовлено свыше 1000 специалистов. За последние 
десятилетия в технологии конструкционных, полупроводниковых  
и магнитных материалов, а также микропроцессорных и коммуникативных средств, произошли революционные изменения. Этот факт требует 
применений как новых подходов в части проектирования автоматического и электронного оборудования летательных аппаратов, так и в части подготовки специалистов.    
Настоящее пособие является, по сути, введением в специальность  
и предназначено для студентов, обучающихся по бакалаврским и магистерским программам 13.03(04).02 направления «Электроэнергетика  
и электротехника» по профилю «Электрооборудование летательных аппаратов», а также по программе специалитета направления 24.05.06 «Системы управления летательными аппаратами». Однако, учитывая аналогичность предметов, изучаемых студентами других смежных специальностей, 
пособие может быть полезно и для будущих специалистов, готовящихся 
по направлениям 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и 13.05.06 
«Специальные электромеханические системы». 
Пособие состоит из четырех глав. Первая глава посвящена общим 
вопросам устройства и функционирования летательных аппаратов различного назначения. Во второй главе рассмотрены функциональные 
системы аэродинамических летательных аппаратов. Третья глава  

посвящена особенностям функционирования и управления космических 
аппаратов. При этом для полноты представления авторы привели сведения о функционировании систем, косвенно связанных с электронным и 
электрическим оборудованием летательных аппаратов, – системах вооружения и системах жизнеобеспечения. Четвертая глава посвящена развитию концепции летательных аппаратов с полностью электрифицированным оборудованием. 
Материал пособия изложен с учетом того, что студенты знакомы  
с базовыми техническими курсами направлений 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 24.05.06 «Системы управления летательными 
аппаратами». 
Введение и глава 4 написаны доктором технических наук, профессором А.Г. Гарганеевым, главы 2, 3 и 4 написаны совместно А.Г. Гарганеевым и кандидатами технических наук, доцентами Л.К. Бурулько, 
В.П. Петровичем, глава 5 написана совместно А.Г. Гарганеевым и кандидатом технических наук, доцентом А.П. Леоновым. 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современные летательные аппараты (ЛА) имеют в своем арсенале 
большое количество агрегатов, машин, приборов, при помощи которых 
осуществляется автоматическое и автоматизированное управление различными органами ЛА: рулевыми поверхностями, шасси, силовой установкой, вооружением, средствами связи и навигации, радиолокации, 
системами жизнеобеспечения экипажа и пассажиров и т. п. Сложность  
и важность решаемых с помощью ЛА военного или гражданского назначения комплекса задач предусматривает автоматизацию бортовых 
систем с высокой степенью живучести, надежности и экономичности 
функционирования. Неуклонный количественный рост парка ЛА требует современных инженерных подходов в части обеспечения экономичности, живучести и безопасности полетов.  
В конце двадцатого века мировой парк пассажирских ЛА насчитывал около 27 000 единиц, причем срок службы большинства из них превысил 15 лет. По прогнозам ведущих зарубежных авиастроительных 
фирм в течение ближайших 20 лет прогнозируется производство и поставка более 16 000 пассажирских и 680 грузовых ЛА. При этом доля 
широкофюзеляжных ЛА с числом мест более 400 возрастет с 1 до 21 %. 
К 2017 году ожидается увеличение парка региональных ЛА с 5200  
до 9000 единиц, а ЛА общего назначения ‒ с 19 000 до 213 000 единиц. 
Количественный рост и расширение сфер применения ЛА требует 
улучшения их технико-экономических характеристик в части [1]:  
1) уменьшения стоимости полета на 25 % в течение ближайших  
10 лет и на 50 % в течение 20 лет; 
2) снижения аварийности в 5 раз в течение ближайших 10 лет  
и в 10 раз в течение 20 лет; 
3) увеличения пропускной способности авиационной системы  
в 3 раза при любых метеоусловиях в течение ближайших 10 лет при сохранении уровня безопасности полетов; 
4) снижения уровня эмиссии ЛА в 3 раза в течение ближайших  
10 лет и в 5 раз в течение 20 лет; 
5) снижения уровня шума двигателей ЛА.  
Перспективы развития военных ЛА связываются с переходом  
на новое поколение боевых ЛА пятого и шестого поколений, превосходящих существующие по следующим показателям: 
1) увеличению боевой живучести на 10 %; 
2) увеличению боевого радиуса действия и боевой нагрузки на 20 %; 

3) увеличению разгонных характеристик и маневренности на 20 %; 
4) увеличению аэродинамического качества на 25 %; 
5) уменьшению на 20 % эксплуатационных расходов. 
Важным направлением развития военной авиации является разработка беспилотных ЛА (БПЛА), которые способны использоваться как 
разведчики, штурмовики, бомбардировщики и истребители.  
Также для вооруженных сил требуются сверхтяжелые военнотранспортные ЛА со взлетной массой 460…500 т и дальностью около 
20 000 км, способные десантировать грузы с высоты 9 км на необорудованные площадки с точностью до 10 м, что упростит снабжение войск 
на удаленных театрах военных действий. Сверхтяжелый транспортный 
ЛА может использоваться также для размещения на нем боевых и разведывательных БПЛА и доставки их к районам боевых действий, а также 
как летающая платформа для размещения лазерного или электромагнитного оружия. Достижение этих показателей связано с разработкой новых 
концепций построения функциональных систем ЛА, взаимодействующих 
в реальном масштабе времени под управлением быстродействующих 
бортовых компьютеров. Одной из новых концепций в развитии авиации в настоящее время является концепция самолета с полностью 
электрифицированным оборудованием («полностью электрический 
самолет»). Для реализации этой концепции необходимо решение комплекса научно-технических и технологических задач специалистами 
различного профиля. 
 
 
 

ГЛАВА 1. ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ КАК ОБЪЕКТ 
АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ  

1.1. Основные сведения о летательных аппаратах 

Летательный аппарат (ЛА)  устройство для полетов в атмосфере 
или космическом пространстве.  
Различают: 
 ЛА легче воздуха; 
 ЛА тяжелее воздуха;   
 космические ЛА.  
К ЛА легче воздуха относятся аэростаты и дирижабли (рис. 1.1, 
1.2). В аэростате и дирижабле используется подъемная сила заключенного в герметичную оболочку газа, плотность которого меньше плотности воздуха. В качестве подъемного газа могут использоваться нагретый 
воздух, светильный газ, водород или гелий. 

 

Рис. 1.1. Дирижабль Аu-30 
Рис. 1.2. Органы управления  
в кабине дирижабля 

В последние годы интерес к ЛА легче воздуха существенно возрос. 
Это связано с появлением новых технологий, позволивших, в частности, 
создать более прочные синтетические оболочки. 
Дирижабли предназначены для выполнения полетов в течение продолжительного времени, в том числе на малой высоте и с малой скоростью. Основные сферы применения  это патрулирование, специальный 
контроль линий электропередач и трубопроводов, фото- и видеосъемка, 
спасательные операции, контроль воздушного пространства в интересах 
противовоздушной и противоракетной обороны, а также элитный  
туризм. В конструкции дирижаблей реализованы основные концепции 
современного дирижаблестроения: возможность взлета и посадки как 

вертикально, так и с укороченным разбегом (пробегом), полет без расходования подъемного газа, управление вектором тяги воздушного винта в вертикальной плоскости, применение современных материалов  
и бортового оборудования. Пилотажно-навигационное оборудование 
этого аппарата позволяет выполнять длительные полеты в любое время 
суток, в максимально комфортных условиях для работы экипажа 
(см. рис. 1.2). Уникальная система автоматического пилотирования с высокой точностью обеспечивает прохождение по заранее заданным маршрутам. Большой запас топлива и экономичная силовая установка делают 
возможными перелеты рекордной дальности. Благодаря возможности 
применения таких методов пилотирования, как «разнотяг» двигателей, реверс и изменение вектора тяги в широком диапазоне, обеспечена высочайшая степень управляемости аппарата на малых скоростях.  
ЛА тяжелее воздуха – это аппарат, подъемная сила которого  
в полете создается за счет аэродинамических сил. К их числу относятся 
самолеты, вертолеты и планеры.  
Планер представляет собой безмоторный ЛА (рис. 1.3), который 
держится в воздухе благодаря уравновешиванию действующей вниз силы тяжести подъемной силой, создаваемой восходящими потоками 
воздуха. Различают два режима полета планеров: планирование (скольжение) и парение. Планирование – это установившийся полет со снижением, который можно уподобить скатыванию санок или тележки на колесах вниз по склону. Парение – это использование подъемной силы, 
создаваемой воздушными потоками и поддерживающей ЛА в воздухе. 

 
Рис. 1.3. Планер 

Вертолет – это винтокрылый ЛА, у которого подъемная сила создается вращающимися винтами. В настоящее время распространены две