Математическое моделирование неоднородного состояния взлетно-посадочных полос при решении задач обеспечения безопасной эксплуатации тяжелых транспортных самолетов

УДК 533.6.05

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОГО СОСТОЯНИЯ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫХ ПОЛОС ПРИ РЕШЕНИИ зАдАЧ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ ТРАНСПОРТНЫХ САМОЛЕТОВ

М.С. КУБЛАНОВ, Н.Б. БЕХТИНА

Предлагается обзор решенных проблем математического моделирования движения тяжелых транспортных самолетов по взлетно-посадочным полосам с неоднородным состоянием поверхности, являющимся следствием разнообразных эксплуатационных условий.

Ключевые слова: проблемы математического моделирования, состояние ВПП, движение по ВПП, эксплуатационные условия.

В последние годы существенно возросли требования к математическому моделированию движения воздушных судов (ВС) по взлетно-посадочным полосам (ВПП). Именно на этом участке происходит большинство авиационных происшествий. Как показывают материалы расследований, одним из важнейших факторов, усложняющих управление самолетом на ВПП, является неоднородность состояния поверхности. К сожалению, до сих пор нет методик и практики оценки этих неоднородностей на конкретной ВПП, поэтому чаще всего при расследовании приходится довольствоваться лишь устными замечаниями участников событий. Но этого мало, так как необходимо еще и оценить влияние этих особенностей на конкретный полет. Таким образом, становится актуальной разработка математических моделей движения самолета по ВПП с учетом неровностей и неоднородностей покрытия.

Основными факторами, описывающими техническое состояние ВПП, которое неизбежно меняется в процессе эксплуатации, являются геометрические неровности поверхности и коэффициент сцепления.

Как известно, величина коэффициента сцепления меняется в течение года, снижаясь в период дождей и в жаркую погоду, когда размягчается покрытие, построенное с применением органических вяжущих веществ. В зимний гололед сцепление пневматической шины с покрытием может настолько снижаться, что требует мероприятий по увеличению сцепления.

При слабом увлажнении или загрязнении мелкие впадины на поверхности покрытия заполняются водой или грязью, что уменьшает возможную глубину вдавливания неровностей в шину и действует как смазка, снижая величину коэффициента сцепления. Чем выше влажность грязевой пленки на покрытии, тем меньше коэффициент сцепления [1 - 3]. По этой же причине коэффициент сцепления не остается постоянным во время дождя: в первый период дождя образующаяся пленка грязи играет роль смазки, уменьшающей коэффициент сцепления. Постепенно эта смазка смывается, и коэффициент сцепления на покрытой слоем воды ВПП снова возрастает.

Весьма опасна неравномерность сцепления колес самолетов, возникающая на мокрых покрытиях из-за наличия луж [3]. При торможении в этом случае колеса, попадая в лужи, испытывают резкие колебания сил сцепления для левой и правой стоек шасси, в силу чего путевая устойчивость и управляемость ВС ухудшаются [2].

Еще более сложными становятся условия движения по ВПП, покрытой слоем снега. В период сильного снегопада аэродромная уборочная техника не в состоянии быстро и качественно очистить поверхность ВПП: остаются участки наледи и даже сугробы. Конечно, прием самолетов в таких условиях обычно прекращается, однако не исключены особые случаи.

Изучением причин повреждений автомобильных дорог и автомобильных покрытий в США занимался американский ученый Г.Р. Седергрен [4]. Согласно полученным им данным, причины многочисленных повреждений дорожных одежд, а также аэродромных покрытий связаны с плохим отводом воды из их оснований. Вода проникает в них сквозь швы, трещины и щели при выпадении или таянии атмосферных осадков (рис. 1, 2). Проникшая вода не только ухудшает строительные свойства материалов и грунтов, но также приводит к пульсациям давления на них, которые возникают под действием переменной колесной нагрузки. Кроме того, механическое действие пневматиков колес самолетов, ветровое воздействие и удары капель воды о поверхность покрытия способствуют большему прониканию атмосферных вод в конструктивные слои. Как указывает Г.Р. Седергрен, при насыщении покрытий атмосферными водами под действием транспортных нагрузок в них происходит повышение напора до такого уров-

ня, при котором вода поднимается на поверхность. Можно наблюдать, как в период дождей при проходе самолетов сквозь разрывы, разгерметезированные швы и крупные сквозные трещины вода фонтанирует.

Рис 1 Участок стоячей воды на ИВПП Рис. 2. Деформации покрытия

Однако присутствие воды в порах материала покрытий, в пустотах между их слоями вместе с динамическими нагрузками, которые образуются во время движения по ним самолетов, способствуют их интенсивному разрушению. По свидетельству Стельмана [5] действие колесных нагрузок на цементобетонное покрытие при переувлажнении приводит к "мощному действию воды" на контакте покрытия и основания. Присутствие свободной воды в покрытии является причиной таких повреждений и деформаций, как выбоины, сквозные трещины (продольные и поперечные), сетка трещин с образованием замкнутого абриса зоны повреждений, местные просадки покрытия (рис. 2).

При строительстве расчет аэродромных покрытий на прочность производится с учетом гидрогеологических условий местности с допущением вероятности увлажнения естественных оснований покрытий. В результате этого нередко строились аэродромные покрытия с большим конструктивным запасом, прочность которых, по мнению проектировщиков, являлась достаточной на все случаи ухудшения условий их работы [1, 3, 6]. Проектные (нормативные) сроки службы аэродромных покрытий устанавливались следующими: для жестких покрытий 20 лет, для нежестких 10 лет, для облегченных 5 лет [6].

Однако на практике на многих аэродромах эти сроки службы аэродромных покрытий не достигались. На основании анализа статистических данных о сроках службы покрытий на многочисленных аэродромах бывшего СССР Е.М. Смирнов, В.С. Соколов и И.И. Баловнева [7] получили фактические средневзвешенные периоды межремонтных сроков для разных типов аэродромных покрытий, которые составили: для монолитных железобетонных от 8,2 до 11,6 лет, сборных железобетонных от 6,7 до 7,8 лет, цементоботонных от 6,8 до 8,6 лет, асфальтобетонных от 4,5 до 5,1 года. Конечно, некоторые нормативы следует пересматривать, а практику строительства и поддержания соответствующего уровня кондиции ВПП - строго нормировать. Однако для этого останавливать деятельность гражданской авиации (Г А) не следует.

Все вышеперечисленные явления нуждаются в серьезном научном анализе с целью изучения и выработки рекомендаций по пилотированию ВС на этапах взлета и посадки. Планирование и проведение летного эксперимента в полном объеме не представляется целесообразным; в данном случае неоценима роль математического моделирования.

На кафедре АКПЛА МГТУ ГА создана и успешно используется система математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА) [8]. С ее помощью решено большое количество задач летной эксплуатации ВС ГА. Серьезное развитие СММ ДП ЛА получила в последние 10 лет, когда удалось решить несколько проблем повышения уровня адекватности математического моделирования движения ВС по ВПП [9 - 15]. Среди них следует упомянуть:

- устойчивый метод вычисления вертикальной нагрузки при взаимодействии колес шасси с поверхностью ВПП;

- методы проверки адекватности математических моделей и решения задач идентификации параметров моделей;

- математическая модель горизонтального взаимодействия колес шасси с поверхностью ВПП, отражающая физические особенности процесса;

- математическое моделирование динамики различных видов авиационных шасси;

- математическое моделирование нагрузки самолета на неровную ВПП (уклоны, трещины, ступеньки, "мозаика" участков с различными коэффициентами сцепления).

Это позволило решить ряд практических задач не только для летной эксплуатации ВС ГА [14, 15], но и для эксплуатации аэродромов [13].

ЛИТЕРАТУРА

1. Блохин В.И., Белинский И.А., Ципранович И.В., Билеуш А.И. Аэродромы гражданской авиации. - М.: Воздушный транспорт, 1996.

2. Виноградов А.П. Оценка эксплуатационно-технического состояния цементо-бетонных покрытий аэродромов // Труды ГосНИИ ГА. Аэродромные сооружения, механизация производственных процессов аэропортов. - 1984. - Вып. 237. - С. 11 - 13.

3. Глушков Г.И. и др. Изыскание и проектирование аэродромов: учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1981.

4.Седергрен Г.Р. Дренаж дорожных одежд и аэродромных покрытий / пер. с англ. - М.: Транспорт, 1981.

5. Spellman. Doc L. Faulting of Concrete Pavements Highway Research Record? #407 Highway Research Board, 1972.

6. СНиП 2.05.08-85. Аэродромы / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

7. Смирнов Э.Н., Соколов В. С., Баловнев И.И. Организация планирования и методы ремонта аэродромных покрытий. -М.: Транспорт, 1978.

8. Система математического моделирования динамики полета воздушных судов на базе персональных ЭВМ: Отчет о НИР (промежуточный) / Моск. ин-т инженеров гражд. авиации (МИИГА); Руководитель Ципенко В.Г. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. - № ГР 01910018045; Инв. № 02910024435 - М., 1991.

9. Кубланов М.С. Разработка теории и методов повышения уровня адекватности математических моделей на основе идентификации параметров движения для обеспечения летной эксплуатации самолетов гражданской авиации: дисс. ... д-ра техн. наук. - М., 2000.

10. Бехтина Н.Б. Разработка и обоснование рекомендаций по повышению эффективности и безопасности эксплуатации тяжелых транспортных самолетов на основе универсальной математической модели динамики шасси: дисс. ... канд. техн. наук. - М., 2008.

11. Кубланов М.С. Основы математического моделирования динамики различных видов авиационных шасси // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 97, 2006. - С. 88 - 93.

12. Кубланов М.С. Расчет нагрузки самолета на профилированную взлетно-посадочную полосу // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 111, 2007. - С. 92 - 99.

13. Кубланов М. С., Бехтина Н.Б. Особенности взаимодействия авиационных шасси с взлетно-посадочными полосами // Вопросы строительной механики и надежности машин и конструкций: сб. научных трудов. - М.: МАДИ (ГТУ), 2008. -С. 60 - 71.

14. Бехтина Н.Б. Применение усовершенствованной математической модели работы шасси в системе математического моделирования для расследования инцидента при посадке самолета Ту-154 // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 138, 2009. - С. 183 - 190.

15. Бехтина Н.Б. Решение задач летной эксплуатации самолета Ту-204 в сложных метеоусловиях // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 124, 2008. - С. 179 - 185.

TO THE QUESTION OF MAINTENANCE OF SAFE OPERATION OF HEAVY TRANSPORT PLANES AT NON-UNIFORM HUMIDIFYING OF THE COVERING OF THE RUNWAY

Kublanov M.S., Behtina N.B.

The survey of solved mathematical modelling problems of heavy transport aircraft movement on runway with dissimilar surface condition, consequent of various in-service environment, is offered.

Key words: mathematical modeling problems, runway condition, motion on runway, maintenance conditions.

Сведения об авторах

Кубланов Михаил Семенович, 1945 г.р., окончил МГУ (1968), доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, ведущий научный сотрудник, автор более 100 научных работ, область научных интересов - механика, математические методы моделирования.

Бехтина Наталия Борисовна, окончила МИИ ГА (1982), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование динамики полета летательных аппаратов.