Первый бизнес-джет с ЭДСУ

Фред ДЖОРДЖ, Тетерборо
Falcon 7X компании Dassault стал первым специально построенным бизнес-джетом с системой цифрового управления полетом. Эта технология предназначена для того, чтобы облегчить нагрузку на пилота, обеспечить защиту от выхода за пределы диапазона эксплуатационных режимов полета и дать возможность конструкторам уменьшить аэродинамическое сопротивление и улучшить топливную эффективность.
Конструкция системы воплощает более чем тридцатилетний опыт Dassault в постройке сверхзвуковых истребителей, развивающих скорость около 2M, с системой электродистанционного управления полетом (ЭДСУ). Компания считает, что именно ее опыт конструирования военных самолетов, которого нет у других производителей гражданских машин, позволил ей создать систему ЭДСУ для Falcon 7X.
Например, истребители Mirage 2000 и Rafale в целях увеличения их маневренности сконструированы аэродинамически неустойчивыми. Эти самолеты фактически неспособны летать без помощи своих компьютеров управления полетом, но благодаря ЭДСУ они демонстрируют послушное управление на всех режимах. ЭДСУ также обеспечивает беспроблемное управление, включая ограничение угла атаки и бокового скольжения, удержание вектора путевой скорости и защиту от превышения допустимых нагрузок.
Подобно системам военных самолетов Dassault, цифровая система управления полетом 7X обеспечивает легкость в управлении, включая автоматическое триммирование и удержание вектора путевой скорости, а также защиту от выхода за предельные режимы полета на низких и высоких скоростях.
Для защиты при полете на низкой скорости система не позволит углу атаки превысить 14 градусов в конфигурации с убранной механизацией крыла или 17 градусов с выпущенными предкрылками и закрылками без отдачи команды на пикирование. Относительно полетных режимов на высоких скоростях можно сказать, что хотя Falcon 7X аэродинамически и структурно разработан для скорости 0,97М при приборной воздушной скорости 430 узлов, что было продемонстрировано в ходе испытаний на пикировании; его цифровая система управления полетом не даст самолету лететь быстрее, чем 0,94М и 405 узлов.
Кроме того, максимальный угол тангажа при кабрировании ограничен +35 градусами, а при пикировании — –28 градусами. Нет ограничения максимального угла крена, однако самолет обладает искусственной функцией стабилизации вращения вокруг продольной оси, которая выравнивает крылья при углах крена менее 6 градусов, удерживает угол крена между 6 и 35 градусами и уменьшает угол до 35 градусов при более крутых кренах.
Система обладает функцией увеличения устойчивости в трех плоскостях, облегчающей пилотирование самолета, которая позволила Dassault уменьшить размер хвостового оперения на 20%, сократив таким образом аэродинамическое сопротивление при балансировке триммированием рулей. Диапазон центровок также относительно широк, он варьируется от 19,5 до 38,5% аэродинамического фокуса большинства весовых режимов.
По сравнению с Mirage 2000 или Rafale гражданский Falcon 7X спроектирован все-таки аэродинамически устойчивым, и он не рассчитан на полет со скоростью выше скорости звука. По расчетам компании Dassault, для таких условий достаточно цифровых органов управления полетом со скоростью отклика только в 50 мс, однако компания сконструировала ЭДСУ самолета Falcon 7X с таким же временем отклика, как в системе истребителя Rafale (12,5 мс), поскольку замедление не дает никаких преимуществ.
Dassault для пассажирского Falcon 7X не нужно было использовать примененные на Rafale приводы поверхностей управления со скоростью отклонения 100 градусов в секунду. Поэтому инженеры выбрали более медленные приводы с меньшими требованиями к гидравлической мощности, тем самым сэкономив вес системы управления полетом и гидравлической системы.
Однако у Falcon 7X значительно выше уровень резервирования в ЭДСУ, чем у истребителей Dassault. Система ЭДСУ на Mirage 2000, разработанная еще в 1970-е гг., обладает четырьмя одноканальными аналоговыми компьютерами, которые контролируют поверхности управления. У системы с четырехкратным резервированием есть встроенный контроль каждого компьютера, что позволяет ей исключать один из четырех или один из трех компьютеров, признанный неисправным.
У Rafale есть три одноканальных цифровых компьютера и один двухканальный аналоговый компьютер, которые принимают решения о выдаче команд на определенное положение поверхностей управления, поэтому один компьютер, вызвавший ошибку, может быть исключен. Если нельзя использовать цифровые компьютеры, аналоговый компьютер Rafale обеспечивает ухудшенное управление поверхностями крыла и хвостового оперения, но не переднего горизонтального оперения.
У Falcon 7X есть три основных двухканальных компьютера управления полетом (MFCC), которые обеспечивают нормальный, альтернативный и прямой законы управления полетом. У него также имеются три одноканальных вторичных компьютера управления полетом (SFCC), которые обеспечивают прямой закон управления полетом. Только один из шести MFCC или SFCC необходим для того, чтобы пилотировать самолет. Все шесть компьютеров выдают команды на определенное положение поверхностей управления полетом на четыре исполнительных узла управления и контроля (ACMU), которые фактически являются инспекторами гарантий качества сигнала системы электродистанционного управления. ACMU также получают обратную связь от электрогидравлических исполнительных механизмов поверхностей управления, обеспечивая их движение в соответствии с командами.
Эта архитектура обеспечивает критический уровень избыточности 10^–9, требуемый для систем управления полетом. Однако компания Dassault также установила резервный аналоговый компьютер, который обеспечивает управление тангажом за счет триммирования и управление креном с помощью интерцепторов через педали руля. Это дает возможность экипажу управлять самолетом во время перезагрузки MFCC и SFCC в случае сбоя всех шести компьютеров, фактически достигая вероятности отказа 10^–10. Dassault утверждает, что этот уровень избыточности выше, чем тот, который достигается с помощью обычных гидромеханических органов управления.
Однако что все это значит для пилота?
В начале марта компания Dassault Falcon Jet пригласила Aviation Week в свою американскую штаб-квартиру в аэропорту Тетерборо (Нью-Джерси), чтобы пилотировать Falcon 7X и оценить его цифровую систему управления полетом и прочие новые технологии. Я занял левое сиденье демонстрационного образца самолета Falcon Jet компании Dassault с серийным номером 48, в правое кресло сел пилот-испытатель Кен Дромголд.
Базовый эксплуатационный вес самолета составлял 16653 кг. С двумя пассажирами, дополнительным багажом и 4,5 т топлива стояночный вес составил 21772 кг, что соответствовало только 68,5% максимального взлетного веса. При выпуске предкрылков и закрылков в в положение 2 скорости для взлета составляли 100 узлов для V1, 106 узлов для отрыва, 113 узлов для V2, 133 узла для убирания предкрылков и закрылков и 167 узлов для набора высоты на маршруте с одним неработающим двигателем. Расчетная длина разбега составила 610 м.
После запуска трех двигателей порядок действий перед рулежкой включал в себя встроенную самопроверку системы управления полетом с включенными парковочными тормозами, похожую на проверку у Rafale. Также проводились проверки управляющих органов ЭДСУ, электрических цепей, резервного гидравлического насоса, электронного автомата защиты сети, противообледенительной системы и воздушных тормозов. Вспомогательная силовая установка выключается перед рулежкой, поскольку ее использование не одобрено для эксплуатации в полете.
При нашем сравнительно небольшом весе для начала рулежки потребовалась небольшая тяга. Управление носовым колесом Falcon 7X, подобное такому же самолетов Mirage 2000 и Rafale, производится с помощью педалей руля направления. Это первый Falcon без штурвальчика управления носовым колесом. Отзывчивость электрической системы управления рулежкой обратно пропорциональна скорости, и для маневрирования в ограниченном пространстве угол отклонения колеса составляет до 60 градусов. Углеродные тормоза электрической системы управления торможением субъективно показались нам более чувствительными, чем тормоза других моделей Falcon, на которых мы летали.
Получив разрешение на взлет на ВПП-1 в Тетерборо, мы выжали рычаги управления тягой. С тягой более 8600 кг легкогруженый самолет быстро разогнался. Усилие для отрыва переднего колеса было приятно слабым, даже слабее, чем на самолете Falcon с обычными органами управления полетом. Для полного отклонения бокового джойстика управления необходимо тяговое усилие всего лишь в 7 кг. Управляющий отзыв геометрически пропорционален движению джойстика, что обеспечивает небольшие прецизионные корректировки. По сравнению с Airbus джойстик Falcon 7X требует меньших усилий, но менее свободно движется по сравнению с джойстиком Rafale.
Главное при пилотировании самолета с ЭДСУ с джойстиком — отпустить его, когда не требуются изменения высоты. Так же как и в случае Rafale, указатель положения воздушного судна является основной точкой отсчета для управления самолетом. Мы установили угол тангажа таким образом, чтобы указатель положения следовал директорным стрелкам пилотажного командного прибора, и отдали команду "Убрать механизацию крыла" при 133 узлах, чтобы Дромголд убрал предкрылки и закрылки. Мы легли на курс в 40 градусов в соответствии со схемой аэродрома, затем выставили высоту, чтобы поместить указатель положения на линию горизонта и выровнять самолет на высоте 600 м.
Функции автоматического триммирования и стабилизации ЭДСУ самолета Falcon 7X поддерживали вектор путевой скорости на линии горизонта, для чего не требовалось воздействие джойстика. Система электродистанционного управления обладает обычным вспомогательным контуром автопилота, и пилоты, скорее, вносят коррективы в его задатчик, а не воздействуют на управляющие аэродинамические поверхности напрямую. Командный пилотажный прибор обеспечивает функции самолетовождения высокого уровня и посылает команды в систему ЭДСУ. Благодаря этому нет необходимости в обычном автопилоте.
В ходе набора высоты до эшелона FL450 Дромголд продемонстрировал суммирование усилий, прилагаемых к управлению самолетом с левого и правого кресла. Если оба пилота манипулируют джойстиками одновременно, каждая ручка вибрирует, звучит предупреждающий сигнал о двойном управлении, а усилия алгебраически складываются в компьютерах управления полетом. В случае недееспособности одного пилота другой пилот может нажать кнопку приоритета, чтобы отключить другой джойстик.
Достигнув эшелона FL450, мы начали наклонять нос самолета, чтобы превысить максимальную эксплуатационную скорость 0,90M. Мы поддерживали максимальную непрерывную тягу и продолжали выжимать джойстик. При 0,938M и джойстике, упертом в передний ограничитель, защита режима высокой скорости системы ЭДСУ начала уменьшать угол тангажа, для того чтобы не дать самолету лететь еще быстрее.
Позже мы попробовали противоположную ситуацию, замедлив самолет в горизонтальном полете с выключенным двигателем и попытавшись вызвать сваливание. Как и на предыдущих моделях, внешние предкрылки автоматически выдвинулись при достижении больших углов атаки, чтобы увеличить управление креном. Однако в отличие от самолетов Falcon с гидромеханическими органами управления, было невозможно тянуть ручку управления на себя до тех пор, пока самолет не достигнет аэродинамического сваливания. Кроме того, если бы были выпущены воздушные тормоза, они бы автоматически убрались при высоком угле атаки.
Защита режима низкой скорости Falcon 7X опустила нос самолета при угле атаки 14 градусов, что примерно на 1,5 градуса меньше угла атаки, при котором достигается максимальная подъемная сила в конфигурации с убранной механизацией крыла. Система позволяет достичь угла атаки до 17 градусов с выпущенными предкрылками и закрылками, но он тоже меньше, чем угол атаки сваливания.
Крутые повороты были особенно легки. Для поворота требуется легкое нажатие на джойстик, чтобы удерживать самолет на угле крена 45 градусов, благодаря системе искусственной стабилизации с максимальным углом крена в 35 градусов. Однако поддерживая указатель положения самолета на линии горизонта, мы могли сохранять высоту почти неизменной при полете на 250 узлах.
Затем мы проследовали в международный аэропорт Стюарт (Нойбург, Нью-Йорк), с тем чтобы приземлиться на взлетно-посадочную полосу 27 с помощью системы посадки по приборам и одного знака визуальной посадки. Мы решили использовать положение 2 предкрылков/закрылков для приземления, что было взлетной конфигурацией, а не полностью выпущенные закрылки, поскольку мы не хотели менять конфигурацию в момент приземления с уходом на второй круг. Мы установили 126 узлов в качестве расчетной скорости на основании этой конфигурации и посадочный вес 20230 кг. Расчетная длина пробега составила 705 м.
Легкие усилия на джойстике Falcon 7X обеспечили легкий заход на посадку на центральную линию взлетно-посадочной полосы. Шасси с продольным рычагом подвески и длинным ходом обеспечило мягкую посадку. При касании поверхности земли автоматическая функция вращательной коррекции руля высоты, опущенного вниз, отключила функцию выдерживания высоты ЭДСУ. Результатом является естественное чувство устойчивости скорости, благодаря которому самолет легко пилотировать.
Вернувшись в Тетерборо, мы приземлились на взлетно-посадочную полосу 6 с весом 18600 кг, используя предкрылки и полностью выпущенные закрылки. Расчетная скорость составила 115 узлов, а длина пробега 695 м. Касание земли также было мягким, но колесные тормоза были немного чувствительными. Реверс на центральном двигателе обеспечивает некоторое замедление, однако не так эффективен, как на других самолетах с реверсами на всех двигателях.
Каковы наши выводы? Модель Falcon 7X — самая лучшая летающая модель Falcon, произведенная до настоящего времени Dassault. Без сомнения, это достигается благодаря цифровой системе управления полетом, которая базируется на ЭДСУ сверхзвуковых самолетов Mirage 2000 и Rafale. Она обеспечивает заявленное уменьшение нагрузки на пилота, больший комфорт для пассажиров и увеличенную безопасность полета.