Призначення і роль електричного обладнання ЛА та короткий огляд його розвитку

У наш час електрична енергія широко застосовується на літальних апаратах: літаках, вертольотах, крилатих ракетах, керованих і некерованих снарядах. Вона виконує різноманітні функції, полегшуючи тим самим роботу екіпажів. Створення сучасних літальних апаратів, що працюють в будь-яких погодних умовах на великих і малих висотах з різними швидкостями, і виконують дуже складні завдання, було б неможливим без широкого використання електричних автоматизованих систем управління. Природно, що повна чи хоча б часткова автоматизація деяких процесів управління літаком, окремими агрегатами та установками значно полегшує роботу екіпажу ЛА, дозволяє йому зосередити свою увагу на виконанні найбільш відповідальних завдань, виключає можливість помилкових операцій при керуванні, збільшує надійність і безпеку польоту.

Автоматизація процесів управління польотом ЛА неможлива без використання електричної енергії. Підвищення швидкості, висоти, дальності і безпеки польоту сучасного літального апарата значною мірою залежить від рівня та якості його електрифікації.

Ефективність літальних апаратів значно збільшується завдяки автоматизації процесів керування літальним апаратом, силовою установкою і його обладнанням, тобто завдяки застосуванню автоматизованих, автоматичних і комплексних систем управління.

Джерелами енергії на літальному апараті можуть бути різні установки: гідравлічні, механічні, пневматичні, хімічні, піротехнічні та електротехнічні.

Якщо на зорі розвитку авіації м'язової енергії льотчика цілком вистачало для виконання всіх операцій, необхідних для забезпечення польоту, то дуже скоро виявилося, що нею однією обійтися не можна. Довелося використовувати інші види енергії і тим більшою мірою, чим швидше росли розміри і технічна оснащеність літаків. На сучасних літаках цілий ряд операцій взагалі не може бути виконаний, якщо використовувати тільки м'язову енергію членів екіпажу.

Питання про застосування того чи іншого виду енергії в кожному конкретному випадку вирішується з урахуванням усіх вимог експлуатації і можливості найбільш раціонального використання того чи іншого виду енергії в цих умовах. Зазвичай в кожному окремому випадку можливе використання тільки деяких з перерахованих видів енергії. Електрична енергія є найбільш універсальним видом, тобто може бути використана в будь-якому випадку. Ця обставина є однією з основних переваг застосування її на літаку, тому що дає можливість зменшити кількість застосованих видів енергії.

Іншими не менш важливими перевагами застосування електричної енергії є:

а) можливість легкої передачі і розподілу її між споживачами, легкої трансформації в інші види енергії;

б) зручність автоматизації окремих операцій;

в) можливість отримання меншої маси елементів системи електропостачання в порівнянні з елементами інших джерел енергії;

д) можливість простоти резервування, що значно підвищує надійність системи.

Вперше у світі ідея широкого використання електричної енергії для літальних апаратів була висловлена видатним російським електротехніком і винахідником
А.Н. Лодигіним, який в 1869 р. спроектував електроліт із застосуванням електричного двигуна для приводу двох повітряних гвинтів. Для забезпечення польотів у нічних умовах А. П. Лодигін передбачав використання електричного освітлення.

Творець першого у світі літака відомий російський винахідник і вчений
А.Ф. Можайський в 1879 р. запропонував використовувати енергію електричної іскри для займання горючої суміші в розробленому ним авіадвигуні. Висока напруга, необхідна для іскрового розряду, здобувалась за допомогою індукційної котушки, що живилася від акумуляторної батареї.

За весь період існування авіації в області електричного запалювання спостерігався величезний прогрес, що забезпечив задоволення безперервно зростаючих вимог до системи електричного запалювання у зв'язку зі збільшенням кількості циліндрів, ступеня стиснення, висотності польотів, переходом до реактивної техніки і т.п. Значну роль у цьому процесі зіграли роботи академіка В.С. Кулебакіна, який вперше створив теорію робочого процесу магнето високої напруги й надалі успішно вирішив окремі питання цієї області.

Вже під час першої світової війни електрична енергія стала використовуватися на літаках для радіозв'язку і тоді ж у міру впровадження в практику нічних польотів з'явилися установки електричного освітлення (спочатку внутрішнього, потім зовнішнього), а до кінця війни і спеціальні посадочні засоби.

Збільшення висоти польотів і польоти в зимовий час викликали необхідність обігріву екіпажу, ряду приладів, а останнім часом і окремих частин літака для запобігання від обмерзання. Нагрівальні елементи у вигляді дротяних опорів розміщувалися в одязі льотчика (рукавички, наколінники).

Згодом на літаках почали встановлювати фари для освітлення зльотно-посадкової смуги. Установка світлового обладнання дозволила здійснити польоти в нічний час. В якості джерел електроенергії почали застосовувати генератори змінного струму потужністю до 200 ВА з приводом від вітряного двигуна, що працює від зустрічного потоку повітря або від валу авіадвигуна через ремінну або ланцюгову передачу. Основними споживачами енергії були радіотелеграфні іскрові установки, для живлення яких був потрібен змінний струм частотою 600–1200 Гц.

Починаючи з 1925 – 1926 рр. у зв'язку з необхідністю більш суворого контролю за роботою агрегатів силової установки стали застосовуватися електричні методи вимірювання, неелектричних величин за допомогою електричних тахометрів, термометрів, бензіновимірювачів, газоаналізаторів і т.п.

У 1934 р. на літаку «Максим Горький» конструкції А.Н. Туполева вперше був широко застосований трифазний змінний струм.

Збільшення потужності авіадвигунів вимагає спеціальних пристроїв для розкручування колінчастого вала при запуску поршневих двигунів. В якості таких пристроїв почали застосовувати електричні стартери прямої або посередньої дії.

Успіхи в галузі літакобудування і двигунобудування призвели до появи електрифікованих гвинтів змінного кроку, електромеханізмів дистанційного управління окремими органами літака і агрегатами рухової групи, автоматів пікірування, регуляторів температури і т. п.

Переломним етапом у розвитку електрифікації літаків, особливо приводу, стало створення в СРСР у 1939 р. пікіруючого бомбардувальника конструкції
В.М. Петлякова, на якому вперше в історії авіації були широко застосовані дистанційно керовані силові електромеханізми для приводу майже всіх відповідальних органів і агрегатів літака. На цьому літаку були встановлені електромеханізми для приводу шасі, стабілізатора, посадкових щитків; управління радіаторами, тримерами, швидкостями нагнітача та ін.

Сміливий перехід на електричне силове керування вельми відповідальними органами літака повністю себе виправдав під час Великої Вітчизняної війни. Лише через три роки після створення літака В.М. Петлякова аналогічні електромеханізми стали широко впроваджуватися на літаках США, Англії та Німеччини.

З появою реактивних літаків застосування електричної енергії на них ще збільшилось. Були розроблені слідкуючі системи з електроприводами, електричні системи захисту від обмерзання, різноманітна радіотехнічна апаратура і т. д., що використовують електричну енергію. Зростання кількості споживачів електричної енергії на літаку викликало в свою чергу необхідність збільшення потужності джерел електричної енергії. Так, якщо до 1930 р. потужність літакового генератора не перевищувала 200 ВА, то в період 1930 – 1940 рр. вона зросла до 1,5 кВА, у період 1940 - 1950 рр. –до 30 кВА і в даний час – до 200 кВА.

Перші генератори літакового типу працювали на змінному струмі, що було дуже зручно для роботи радіоустановок. Потім довелося перейти на генератори постійного струму, оскільки вони створювали сприятливі умови для роботи електрообладнання нових видів і для спільної роботи їх з акумуляторною батареєю. Рівень напруги бортової мережі спочатку був прийнятий 6 В, що механічно було запозичене з автомобільної практики, але дуже скоро у зв'язку зі збільшенням потужності довелося перейти на
12 В, а потім і на 27 В. Підвищення, напруги бортової мережі дозволило зменшити масу і переріз дротів мережі і спростило їх монтаж на літальних апаратах.

В останні роки у зв'язку з можливістю переведення багатьох споживачів на живлення змінним струмом і необхідністю значного зменшення маси всього комплексу електрообладнання літального апарату багато літаків переведені на систему електропостачання змінним струмом більш високої напруги.

З рейсу літака Ту-104 15 вересня 1956 р. по трасі Москва – Іркутськ почалася експлуатація реактивних літаків, які мали велику швидкість, дальність і висоту польоту. Велика потужність їх електросистем призвела до повної перебудови систем електропостачання (СЕП). Для важких реактивних літаків в якості основного був прийнятий змінний трифазний струм 200/115 В частотою 400 Гц, розроблені нові безконтактні генератори трифазного змінного струму серії ГТ. Нові системи електропостачання були вдосконалені і застосовані на літаках Іл-62М, Ту-154Б, Як-42, а потім і на інших літаках конструкторських бюро О.К. Антонова, С.В. Іллюшина, А.М. Туполева і О.С. Яковлєва.

Великий внесок у теоретичне обґрунтування конструктивних рішень при розробці теорії авіаційного електричного обладнання внесли В.С.Кулебакін, А.І.Бертінов, Д.Е.Брускин, М.М.Красношапка, Н.Т.Коробан, А.Н.Ларіонов, В.Т.Морозовський, В.Д.Ногорській, К.Д.Рунов, І. М.Сіндеєв.

Аналіз тенденцій розвитку систем електропостачання вітчизняних і зарубіжних літаків цивільної авіації свідчить, що встановлена потужність джерел електричної енергії найближчим часом досягне 250 – 300 кВА. В якості первинної системи на основних типах літаків використовується система змінного трифазного струму напругою 200/115 В частотою 400 Гц. Джерелами енергії є безконтактні генератори з обертовими випрямлячами, які доповнені рідинними (олійними) системами охолодження, які працюють за замкнутою схемою.