Системы управления рулями самолетов

Москва 2009

им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию

в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению

специальности

«
»

«

»

Системы управления движением и навигация

Системы управления

летательными аппаратами

И.С. Шумилов

Системы

управления

рулями самолётов

УДК 629.7.064(075) 
ББК 39.56я73 
        Ш96 

Р е ц е н з е н т ы: 

кафедра «Автоматические системы энергетических установок»  
Самарского государственного аэрокосмического университета  
(заведующий д-р техн. наук, проф., академик РАН В.П. Шорин); 
д-р техн. наук, проф., академик РАН А.М. Матвеенко 

Шумилов И. С. 
Ш96 
     Системы управления рулями самолётов : учеб. пособие / И. С. Шумилов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. – 469, [3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3085-7 

Учебное пособие подготовлено автором на основе опубликованных материалов с учётом 35-летнего опыта работы в авиационной промышленности. 
Рассмотрен круг вопросов, решение которых обосновывает структуру бортовых систем управления рулями самолётов, их параметры, принципы работы и 
конструкцию основных агрегатов и узлов. Приведены требования к системам 
управления рулями современных самолётов. Показана перспектива развития 
систем управления, а также возможные решения по повышению надёжности и 
безопасности воздушных судов.  
Содержание учебного пособия соответствует программе и курсу лекций, 
которые автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
«Системы управления движением и навигация» специальности «Системы 
управления летательными аппаратами», а также дипломированных специалистов и других читателей, интересующихся авиационной техникой. 

На обложке помещены фотографии самолётов и термоплана, в разработке которых автор принимал непосредственное участие. 

УДК 629.7.064(075) 
                                                                                                       ББК 39.56я73 

                                                                                     © Шумилов И. С., 2009 
 
 
 © Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-3085-7 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 

Оглавление 

Введение ..................................................................................................................... 
6 

1. Органы управления полётом самолёта ............................................................ 
9 
Общие положения и определения .................................................................... 
9 
Органы продольного управления .................................................................... 
10 
Органы поперечного управления ..................................................................... 
19 
Органы путевого управления ........................................................................... 
22 
Органы управления, используемые для повышения лётно-тактических  
   характеристик ................................................................................................. 
23 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
24 

2. Системы управления рулями самолётов ......................................................... 
25 
Общие положения и определения .................................................................... 
25 
Структура системы управления современного самолёта .............................. 
35 
Формирование выходной мощности системы управления рулями .............. 
39 
Передача управляющих сигналов .................................................................... 
42 
Автоматизация управления .............................................................................. 
45 
Балансировка самолёта ..................................................................................... 
50 
Отработка сигналов автоматического управления ........................................ 
52 
Внедрение электродистанционной системы управления в систему управ- 
   ления рулями .................................................................................................. 
57 
Рычаги управления и загрузочные устройства ............................................... 
63 
Структура исполнительной части системы управления рулями .................. 
70 
Исполнительная часть системы управления рулями ..................................... 
75 
Особенности системы управления рулями эксплуатируемых магистральных 
   самолётов ........................................................................................................ 
78 
Разнородное резервирование системы управления рулями .......................... 
93 
Концепция полностью электрифицированного самолёта ............................. 
102 
Конструктивные требования к системе управления рулями ......................... 
105 
Надёжность системы управления рулями ....................................................... 
109 
Безопасность полётов ....................................................................................... 
119 
Основные выдержки из Руководства по предотвращению авиационных 
   происшествий ИКАО ..................................................................................... 
124 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
130 

3. Дистанционная механическая система передачи управляющих сигналов ......  
131 
Основные понятия и определения ................................................................... 
131 
Элементы механической проводки управления системы управления 
   рулями ............................................................................................................. 
132 
Механические суммирующие устройства ...................................................... 
138 
Устройства регулирования передачи .............................................................. 
140 
Дополнительные элементы механической проводки управления ................ 
142 
Основные, производные и другие параметры механической проводки 
   управления ...................................................................................................... 
144 
Динамические характеристики механической проводки управления .......... 
156 
Собственные частоты продольных и поперечных колебаний механической 
   проводки управления ..................................................................................... 
165 

Оглавление 
4 

Механическая проводка управления, содержащая элементы с сосредото- 
   ченными параметрами ................................................................................... 
170 
Вынужденные и свободные колебания рычагов управления системы 
   управления рулями ......................................................................................... 
174 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
178 

4. Общие вопросы применения гидравлического следящего привода  
    в системах управления рулями самолёта ........................................................ 
179 
Общие положения и определения .................................................................... 
179 
Классификация и принцип действия рулевых приводов и сервоприводов ...... 
182 
Применение гидравлических рулевых приводов в системе управления 
   рулями ............................................................................................................. 
201 
Основные характеристики рулевого привода как элемента системы 
   управления рулями ......................................................................................... 
209 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
227 

5. Особенности схем и конструкций гидромеханических следящих приводов 
    систем управления рулями самолёта ............................................................... 
228 
Общие положения ............................................................................................. 
228 
Особенности гидромеханических приводов, обусловленные их функциями 
   и характеристиками ....................................................................................... 
229 
Конструктивные особенности резервированных гидромеханических  
   рулевых приводов .......................................................................................... 
261 
Конструктивные особенности рулевых приводов, определяемые условиями 
   установки на самолёте ................................................................................... 
279 
Примеры гидромеханических рулевых приводов, находящихся  
   в эксплуатации ................................................................................................ 
294 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
303 

6. Динамические характеристики гидромеханического рулевого привода ....... 
304 
Передаточные функции и частотные характеристики гидромеханического 
   рулевого привода с дроссельным регулированием...................................... 
304 
Устойчивость работы рулевого привода и методы её повышения ............... 
315 
Нелинейные дифференциальные уравнения и структурные схемы рулевого 
   привода ............................................................................................................ 
319 
Общие требования к динамическим характеристикам рулевых приводов ....... 
324 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
327 

7. Собственная частота и демпфирование колебаний рулевой поверхности ....... 
328 
Основные положения и физическая сущность явления флаттера ................ 
328 
Динамическая жёсткость рулевых приводов с механическим управлением .... 
330 
Частота и демпфирование свободных колебаний рулевой поверхности ..... 
343 
Динамическая жёсткость и устойчивость рулевого привода ........................ 
346 
Гидравлические демпферы и их статические характеристики ..................... 
353 
Передаточная функция и частотные характеристики гидравлического 
   демпфера. Расчёт его параметров ................................................................. 
358 
Работа рулевого привода совместно с гидравлическим демпфером .................  
362 
Демпфирование рулевых поверхностей самолёта при включённых  
   гидросистемах ................................................................................................ 
367 
Демпфирование рулевых поверхностей самолёта при отключённых  
   гидросистемах ................................................................................................ 
370 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
374 

Оглавление 
5 

8. Электрогидравлический привод в системах управления рулями  
    самолёта ................................................................................................................. 
376 
Общие положения ............................................................................................. 
376 
Особенности схем и конструкций одноканальных электрогидравлических 
   приводов .......................................................................................................... 
376 
Особенности схем и конструкций многоканальных электрогидравлических  
   сервоприводов ................................................................................................ 
393 
Примеры электрогидравлических сервоприводов, находящихся  
   в эксплуатации ................................................................................................ 
421 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
424 

9. Гидравлические системы самолёта .................................................................. 
425 
Общие положения ............................................................................................. 
425 
Основные конструктивные требования к гидросистемам из нормативной 
   документации ................................................................................................. 
426 
Структурные схемы гидросистем .................................................................... 
428 
Основные агрегаты гидросистем ..................................................................... 
444 
Рабочая жидкость .............................................................................................. 
455 
Чистота рабочей жидкости ............................................................................... 
460 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 
467 

Литература .................................................................................................................. 
468 

Посвящается жене и сыну –  
моему надёжному и слаженному экипажу 

Введение 

Система управления рулями самолёта – одна из основных и важных бор
товых систем, во многом определяющая его эксплуатационные и тактические 
возможности, включая безопасность полёта. Она представляет собой сложный комплекс электронно-вычислительных, электрических, гидравлических 
и механических устройств, в совокупности обеспечивающих необходимые 
характеристики устойчивости и управляемости самолёта, стабилизацию установленных лётчиком режимов полёта, программное автоматическое управление самолётом на всех режимах – от взлёта до посадки. 

Основная задача системы управления рулями самолёта – отклонение руле
вых поверхностей по командным сигналам лётчика, систем автоматического 
управления и других систем, формирующих это отклонение по определённым 
законам. 

Системы управления рулями развивались в несколько этапов, среди ко
торых условно можно выделить четыре этапа, существенно повлиявших на 
структуру систем и открывших большие возможности в создании высокоманёвренных, сверхзвуковых и тяжёлых самолётов.  

Этап I – создание систем управления рулями с обратимыми и необрати
мыми гидравлическими приводами (бустерами) с переходом на безбустерное 
управление при отказе гидропитания. Предшествующие безбустерные системы управления рулями в учебном пособии не рассматриваются. 

Этап II связан с разработкой необратимого бустерного управления без 

перехода на непосредственное ручное управление, позволяющее обеспечить 
лётчику приемлемые характеристики устойчивости и управляемости во всём 
диапазоне режимов полёта независимо от действующих аэродинамических 
шарнирных моментов на рулях, во много раз превышающих физические возможности лётчика. Этап II стал возможен благодаря положительному опыту 
эксплуатации систем управления рулями с обратимыми и необратимыми 
гидравлическими приводами, обеспечив широкое внедрение систем автоматического управления. 

Этап III характеризуется развитием и внедрением резервированных элек
тродистанционных систем управления, работающих совместно с механической дистанционной системой управления с возможностью полной замены 
механической системы на электродистанционную и введением на этой основе 
систем автоматического управления, обеспечивающих многорежимность полёта современного самолёта, включая полёты на малой высоте (до 30...50 м), 

Введение 
7 

полёты в трансзвуковой области и др. Внедрение электродистанционной системы управления позволяет достаточно просто применять активные системы 
управления, к которым относятся следующие системы: искусственной устойчивости самолёта; снижения манёвренных нагрузок на его конструкцию; непосредственного управления подъёмной и боковой силами; ослабления воздействия турбулентности атмосферы; демпфирования упругих колебаний 
конструкции; ограничения предельных режимов полёта и т. д. 

Влияние активных систем управления столь велико, что можно гово
рить о самолёте, конфигурация которого определяется задействованными 
системами автоматического управления. Термин «активные» подчёркивает 
отличие положенных в основу новых методов от прежних, пассивных, методов обеспечения необходимых характеристик. Концепция активного 
управления позволяет реализовать полёты на неустойчивом самолёте, повысить его характеристики манёвренности, комфортные условия для экипажа и пассажиров, повысить ресурс планера, существенно снизить массу 
самолёта и т. д. В связи с изложенным внедрение активных систем управления можно отнести к отдельному IV этапу развития систем управления рулями самолёта. 

В настоящей работе рассмотрены вопросы построения систем управле
ния рулями, их структурные схемы и основные элементы. Большее внимание 
уделено особенностям управления. Структуры систем управления по каналам 
тангажа, крена, курса имеют много общего, так как необратимое бустерное 
управление строится на одних и тех же принципах, поэтому далее рассмотрим общие вопросы построения систем управления рулями самолёта, не выделяя отдельно каждую из систем.  

Автор принимал непосредственное участие в проектировании, изготов
лении, испытании, сертификации и эксплуатации систем управления рулями и гидравлических систем самолётов Ту-134 (первый полёт состоялся 
29.07.1963 г.), Ту-154 (03.10.1968 г.), Ту-154М (1984 г.), Ту-144 (31.12.1968 г.), 
Ту-204 (02.01.1989 г.), Ту-334 (08.02.1999 г.) и ряда других самолётов марки 
«Ту». При создании этих самолётов автор работал под руководством выдающихся авиаконструкторов: А.Н. Туполева, А.А. Туполева, А.А. Архангельского, Г.А. Озерова, А.Р. Бонина, С.М. Егера, Л.М. Роднянского, Л.Л. Селякова, 
Л.А. Лановского и др. Автору посчастливилось участвовать в проектировании, 
научных и экспериментальных исследованиях, промышленном внедрении, сертификации, эксплуатации систем управления рулями и гидравлических систем 
с такими первоклассными специалистами своего дела, как А.П. Ганнушкин, 
В.В. Сулеменков, Г.Ф. Набойщиков, Н.И. Мартынов, Б.И. Любецкий, В.И. Гониодский, В.М. Разумихин, Б.Н. Соколов, В.А. Андреев, Г.И. Тарасов,  
Б.М. Жирнов, Ф.И. Склянский, В.П. Васильев, Б.И. Дровосеков, Н.П. Солотёнков, И.Н. Лобода, А.В. Георгиевский, В.Б. Устюжанин, Е.А. Юрин, В.П. Терновенко, Э.Н. Стрельников, Н.В. Бобков, Л.А. Тарасова, В.А. Швилкин,  
Л.Т. Куликов, А.В. Мещеряков, В.П. Николаев, С.Д. Шумилов, И.И. Зверев, 
А.Г. Полюшков, С.С. Коконин, Ф.Ф. Куприянов, М.П. Селиванов, Б.Г. Турбин, Г.Б. Сосульников, В.А. Пушкин, А.А. Чернышёв, Т.Г. Шумилова,  
В.М. Фомичёв, Ю.П. Яковлев, Г.В. Александров, Ю.А. Борис, В.Я. Бочаров, 
В.Н. Петров, А.М. Матвеенко, Ю.Г. Ишков и др., а также с лётчиками

Введение 
8 

испытателями, такими как А.Д. Калина, Ю.В. Сухов, Э.В. Елян, М.В. Козлов, В.П. Борисов, Б.И. Веремей, И.К. Ведерников, А.И. Талалакин и др. 
Хотя упомянутые специалисты работали на разных предприятиях и должностях (от главного конструктора и заслуженного лётчика-испытателя до 
молодого специалиста), это была единая команда с особой атмосферой (аурой) творчества, позволившей в кратчайшие сроки создать уникальные с 
высоким уровнем характеристик системы управления рулями и гидравлические системы, успешно эксплуатирующиеся на большом парке самолётов и 
в настоящее время. 

Автор выражает благодарность кандидатам технических наук В.И. Го
ниодскому и В.А. Швилкину за предоставленные материалы, полученные при 
совместных разработках. 

В данном учебном пособии в очень малом объёме рассмотрены динами
ческие характеристики гидроприводов и гидравлических систем, аналоговые 
и цифровые электродистанционные системы управления рулями и другие 
вопросы, которые, несомненно, необходимы при создании систем управления 
рулями и гидравлических систем, но изучаются в других дисциплинах. 

1. Органы управления полётом самолёта 

Общие положения и определения 

На современных самолётах для создания управляющих моментов приме
няют в основном органы управления трёх видов: аэродинамические поверхности управления полётом – рули (рис. 1.1), струйные рули и управляемую 
переднюю стойку шасси [5, 6, 28, 47]. 

Рис. 1.1. Органы управления самолёта:  

1 – управляемое носовое горизонтальное оперение; 2 – предкрылок; 3 – поворотная концевая 
консоль крыла; 4 – элевоны или элероны; 5 – элерон-закрылок и флапероны; 6 – элеронинтерцептер; 7 – управляемый стабилизатор с симметричным и асимметричным отклонениями 
правой и левой плоскостей; 8 – управляемая консоль киля; 9 – руль направления; 10 – руль  

высоты; 11 – закрылок  

Для создания управляющей силы (момента) в органах управления, исполь
зующих струйные рули (или отклонение вектора тяги), требуются значительные энергоресурсы. Струйные органы управления (в данной работе не рассматриваются) применяют при малых или нулевых скоростях полёта, а также 
на очень больших высотах. При движении самолёта по поверхности земли эффективным органом является управляемая передняя стойка шасси, с помощью 
которой обеспечиваются управление самолётом на взлётно-посадочной полосе (ВПП) и рулёжка. При отказе управления передней стойки шасси возможно 
использование дифференциального торможения колёс основных стоек. 

Иногда аэродинамические поверхности управления полётом подразде
ляют на основные и вспомогательные в зависимости от выполняемых ими 
функций и критичности к режимам полёта, хотя такое деление достаточно 
условно и необщепринято. Большинство основных поверхностей управления 
работают непрерывно, и только некоторые – на отдельных этапах полёта. Потеря управления основными рулями самолёта приводит к катастрофе, поэтому степень резервирования таких рулей и систем их управления выбирают 
максимальной, даже невзирая на увеличение массы этих систем. 

1. Органы управления полётом самолёта 
10

Вспомогательные поверхности управления (рули) менее критичны с 

точки зрения безопасности полёта и обычно действуют кратковременно 
или только на определённых режимах полёта для изменения аэродинамической конфигурации или полётных характеристик самолёта. К ним можно отнести поверхности управления подъёмной силой – предкрылки и закрылки, увеличивающие несущую способность крыла; поверхности 
управления балансировкой самолёта в полёте – переставные стабилизаторы. В эту же группу входят и различные поверхности аэродинамического 
торможения: тормозные щитки и воздушные тормоза для изменения скорости движения и уменьшения подъёмной силы крыла. Щитки, расположенные над крылом, называют интерцепторами. Крылья с изменяемой 
стреловидностью (сверхзвуковые самолёты F-111, F-14, B-1), составные 
крылья с изломами (F-8) расширяют зоны действия и оперативные возможности самолётов. 

Требования к резервированию подобных поверхностей и их систем 

управления существенно ниже требований, предъявляемых к резервированию основных рулей, хотя этот тезис также достаточно условен и относится 
к отказам пассивного типа, при которых система перестаёт функционировать, не создавая катастрофическую ситуацию. Например, пассивный  
отказ закрылков или предкрылков, их невыпуск при посадке может компенсироваться увеличением посадочной скорости самолёта, что приводит к усложнению условий полёта или к возникновению сложной ситуации по терминологии Норм лётной годности самолётов (НЛГС). Активные отказы 
вспомогательных рулей могут привести к катастрофической ситуации, поэтому резервированию по линии активных отказов вспомогательных рулей 
и систем их управления необходимо уделять особое внимание. 

Далее будут рассмотрены рули и системы их управления в продольном, 

поперечном и путевом каналах управления самолётом.  

Органы продольного управления 

Органы продольного управления могут быть представлены рулями высо
ты (РВ), управляемым и дифференциальными стабилизаторами, передним 
оперением, элевонами, управлением вектором тяги, комбинацией перечисленных органов. 

Самолёты схемы «утка», у которых органом продольного управления яв
ляется переднее горизонтальное оперение (ПГО), имеют эффективность продольного управления, близкую к самолётам нормальной схемы. 

Традиционно элевоны использовались для продольного и поперечного 

управления на самолётах схемы «бесхвостка». Такие органы управления 
расположены по задней кромке крыла (в том числе элероны, флапероны) и 
теряют значительную часть эффективности при полёте со сверхзвуковыми 
скоростями. 

На современных самолётах основной системой управления рулями (СУР) 

является система необратимого бустерного управления (НБУ), которая обеспечивает приемлемый уровень усилий на рычагах управления (РУ) путём