БОРТОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУШНОГО СУДНА НА ЭТАПЕ ПРОБЕГА ПОСЛЕ ПОСАДКИ
ONBOARD DEVICE TO DETERMINED RUNWAY SURFACE STATE IN RUNNING AFTER LANDING

Изобретение относится к авиационной технике и может быть применено при проектировании бортового навигационного оборудования, например, для предотвращения посадки на скользкую взлетно-посадочную полосу.
При посадке воздушного судна (ВС) длина пробега существенно зависит от состояния поверхности взлетно-посадочной полосы (ВПП), которое оценивается величиной так называемого коэффициента сцепления [Руководство по эксплуатации гражданских аэродромов РФ (РЭГА - РФ-94)]. Нормируемая величина коэффициента сцепления на взлете и посадке различна для разных типов воздушных судов, но, как правило, не ниже 0,3 (для тяжелых ВС, например, для Ан-124-100, - не ниже 0,4).
Способы определения коэффициента сцепления с помощью специальных измерительных устройств либо по описательной характеристике (таблица 1) приведены в [Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов РФ (РЭГА - РФ-94)], и там же указано, что «Замер коэффициента сцепления производится перед заступлением очередной дежурной смены службы движения на дежурство, а также в процессе работы смены по требованию руководителя полетов аэродрома при изменении состояния ВПП».
В любом случае процесс измерения коэффициента сцепления ВПП неизбежно приводит к прерыванию процесса эксплуатации ВПП воздушными судами.
Таблица 1
Оценка состояния покрытия по описательной характеристике
Описательная характеристика состояния поверхности
Нормативный коэффициент сцепления
Сухое цементобетонное или асфальтобетонное покрытие
0,6 и выше
Влажное цементобетонное или асфальтобетонное покрытие
0,4…0,6
Мокрый асфальтобетон
0,3…0,6
Асфальтобетон, местами лужи
0,28…0,40
Уплотненный снег при температуре ниже -15°С
0,3…0,5
Уплотненный снег при температуре выше -14°С
0,2…0,25
Лед при температуре выше -10°С
0,1…0,2
Лед тающий
0,05…0,1
С другой стороны, в классическом дифференциальном уравнении движения ВС по ВПП, приведенном, например, в [Мхитарян A.M. Динамика полета. - М.: Машиностроение, 1971] и [Аэродинамика самолета Ту-154. - М.: Транспорт, 1977. 304 с. Авт.: Т.И.Лигум, С.Ю.Скрипниченко, Л.А.Чульский, А.В.Шишмарев, С.И.Юровский], коэффициент сцепления отсутствует, зато имеет место так называемый коэффициент трения f:
где:
V - скорость движения самолета относительно ВПП (путевая);
t - текущее время;
руд
руд
R=R(α, Р, t°, V, u) или R=R(n, Р, t°, V, u) - суммарная тяга двигателей, зависящая от параметров α/n, Р, t°, V, u по известным законам, заданным предприятием-разработчиком (изготовителем) двигателей;
руд
α - режим работы двигателей, определяемый положением рычагов управления двигателей (РУД);
n - обороты двигателей;
Р - давление наружного воздуха;
t° - температура наружного воздуха;
m - масса самолета;
f - коэффициент трения;
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
Су, Сх - коэффициенты аэродинамических сил, зависящие от аэродинамической конфигурации ВС (положения закрылков, тормозных щитков, интерцепторов или спойлеров и пр.) по известным законам, заданным предприятием-разработчиком (изготовителем) ВС;
ρ=ρ(Р, t°) - плотность воздуха, зависящая от параметров Р, t° по известному закону;
u - продольная составляющая скорости ветра;
S - площадь крыла;
θ - угол наклона ВПП относительно линии горизонта.
В [Аэродинамика самолета Ту-154. - М.: Транспорт, 1977. 304 с. Авт.: Т.И.Лигум, С.Ю.Скрипниченко, Л.А.Чульский, А.В.Шишмарев, С.И.Юровский] указывается на прямую зависимость между коэффициентом сцепления ВПП и коэффициентом трения, а также приводятся следующие данные (с.115):
«…с полностью включенными тормозами шасси на сухом бетонном покрытии средний коэффициент трения fcp=0,25-0,28, на влажной полосе fcp=0,18-0,2, а на ВПП, покрытой слоем гладкого твердого льда, коэффициент fcp=0,05».
На фиг.1 представлены результаты решения уравнения (1) в виде зависимостей скорости от времени для реального ВС типа Ил-76ТД-90ВД с посадочной массой, близкой к максимальной, режим двигателей - «Малый газ», при температуре 0°С, т.е. в условиях высокой вероятности льдообразования на поверхности ВПП. Интегрируя полученные зависимости по времени, можно рассчитать длину пробега ВС. Так, длина пробега, начиная со скорости около 200 км/ч, до полной остановки ВС составляет:
для fcp=0,25-613 метров, а для fcp=0,05-2173 метра, т.е. риск выкатывания ВС за пределы ВПП на пробеге при низком коэффициенте трения (коэффициенте сцепления) значительно возрастает.
Решение обратной задачи - определение коэффициента трения по фактической зависимости зарегистрированного бортовыми системами пройденного расстояния от времени, может быть реализовано, например, через известное уравнение изменения кинетической энергии ВС на пробеге (в которое входят те же параметры, что и в уравнение (1)), в режиме реального времени бортовым вычислительным устройством:
где:
n
k
n
k
V, V, l, l - соответственно, скорости и пройденные расстояния для начальной и конечной точек рассматриваемого участка движения.
Таким образом, с учетом того, что работа равнодействующей силы равна сумме работ всех сил, действующих на тело, для продольного движения ВС по ВПП на участке пробега можно записать:
где:
- работа силы тяги;
- работа силы трения;
- работа аэродинамических сил;
- работа силы тяжести,
ΔH - разность высот в конечной и начальной точках участка, cosθ принимается приближенно равным единице ввиду малости угла наклона ВПП.
При этом все входящие в уравнения (1), (2) параметры можно разделить на три группы, объединив их по некоторым общим признакам:
1. Параметры, общие для каждого случая пробега конкретного ВС: g, S, а также законы изменения R, Су, Сх, ρ, введенные в память бортового вычислителя. Сюда же относится корреляционная зависимость между коэффициентом трения и коэффициентом сцепления ВПП, которая может быть получена, например, в результате статистической обработки данных полетной информации.
руд
2. Параметры конкретного пробега, которые могут быть непосредственно измерены бортовыми системами и переданы в вычислитель: положение поверхностей управления (закрылков и пр.), определяющее аэродинамическую конфигурацию ВС, сигнал полного обжатия тормозов колес (тормозных педалей), а также α/n, Р, t°, V. Величина продольной составляющей ветра может быть рассчитана как разность между воздушной скоростью, измеряемой бортовой системой анероидно-мембранных приборов, и путевой скоростью, определяемой по данным от спутниковой навигационной системы. Следовательно, параметр и так же может быть отнесен ко второй группе.
3. Параметры, непосредственно вводимые в бортовой вычислитель экипажем: посадочная масса m, уклон полосы θ (или зависимость уклона от длины ВПП), который является неизменной физической характеристикой каждой конкретной ВПП, а также значение коэффициента сцепления ВПП, полученное от диспетчерской службы.
Таким образом, представляется реальным в процессе пробега получить значение фактического (текущего) коэффициента сцепления ВПП, который, в случае существенного отличия от значения, полученного от диспетчерской службы, может быть передан (также через диспетчерскую службу) на ВС, заходящие на посадку, что особенно актуально в условиях быстро меняющейся погоды и высокой загруженности аэродрома.
Так, например, своевременное предупреждение экипажа об ухудшении состояния ВПП позволит принять решение об уходе на запасной аэродром, и тем самым избежать выкатывания ВС за пределы ВПП на пробеге либо избежать повреждения двигателей в случае применения реверса тяги на малых скоростях с целью предотвращения выкатывания.
Кроме того, последовательное получение фактических значений коэффициента сцепления от экипажей ВС, совершающих посадку на конкретный аэродром в условиях быстро меняющейся погоды, вкупе с метеорологическими данными, позволит аэродромным службам с высокой точностью прогнозировать изменение состояния поверхности ВПП без дополнительных мероприятий по измерению коэффициента сцепления аэродромными средствами, т.е. без прерывания процесса приема ВС на посадку.
Из аналогов уровня техники наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков прототипом может быть принято устройство для предотвращения столкновений летательного аппарата (ЛА) при посадке на взлетно-посадочную полосу, содержащее систему определения местоположения воздушного судна (ВС), базу данных, содержащую информацию о взлетно-посадочной полосе (ВПП), блок связи с бортовым оборудованием и ЭВМ, включающую блок вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния (RU 2153195, выданного по заявке №95103976/28 от 20.03.1995, приоритет 22.03.1994 FR 9403343, изобретатели Фэвр Франсуа (FR) и Денуаз Ксавье (FR), заявитель СЕКСТАНТ АВЬОНИК (FR), дата публикации 20.07.2000).
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности выполнения функции оперативного определения фактического коэффициента сцепления ВПП, что в условиях быстро меняющейся погоды и высокой загруженности аэродрома не позволяет информировать экипажи других ВС, заходящих на посадку, о текущем состоянии поверхности ВПП с целью предотвращения посадки на ВПП, коэффициент сцепления которой ниже некоторого порогового значения для данного ВС.
Техническим результатом заявляемого изобретения является реализация функции оперативного определения и индикации фактического коэффициента сцепления ВПП при движении ВС на пробеге после посадки.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что по сравнению с изобретением, принятым за прототип - устройством для предотвращения столкновений летательного аппарата (ЛА) при посадке на взлетно-посадочную полосу, содержащим систему определения местоположения воздушного судна (ВС), базу данных, содержащую информацию о взлетно-посадочной полосе (ВПП), блок связи с бортовым оборудованием и ЭВМ, включающую блок вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния, заявляемое бортовое устройство дополнительно снабжено блоком ввода данных о параметрах воздушного судна на посадке и блоком индикации результатов расчета, при этом в упомянутую ЭВМ дополнительно введен блок расчета коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы (ВПП), причем первый выход системы определения местоположения воздушного судна (ВС) соединен с первым входом блока вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния, выход которого соединен с первым входом блока расчета коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы (ВПП), а второй выход системы определения местоположения воздушного судна (ВС) соединен со вторым входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП, первый выход базы данных соединен со вторым входом блока вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния, а второй выход базы данных соединен с третьим входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП, выход блока связи с бортовым оборудованием соединен с четвертым входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП, а блок ввода данных о параметрах воздушного судна на посадке соединен с пятым входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП, который своим выходом соединен с блоком индикации результатов расчета.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
На фиг.1. изображена зависимость скорости пробега от времени для различных значений коэффициента трения.
На фиг.2 изображена структурная схема предлагаемого устройства.
Сущность изобретения
Бортовое устройство для определения характеристик состояния поверхности взлетно-посадочной полосы при движении воздушного судна на этапе пробега после посадки содержит систему определения местоположения воздушного судна 1 (фиг.2), базу данных 2 (фиг.2), содержащую информацию о взлетно-посадочной полосе, блок связи с бортовым оборудованием 3 (фиг.2) и ЭВМ, включающую блок вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния 4 (фиг.2), блок расчета коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы (ВПП) 5 (фиг.2). Бортовое устройство снабжено блоком ввода данных о параметрах воздушного судна на посадке 6 (фиг.2) и блоком индикации результатов расчета 7 (фиг.2), предназначенный для отображения значений рассчитанного коэффициента сцепления в распределении по участкам длины ВПП. Первый выход системы определения местоположения воздушного судна (ВС) 1 (фиг.2) соединен с первым входом блока вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния 4 (фиг.2), выход которого соединен с первым входом блока расчета коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы (ВПП) 5 (фиг.2), а второй выход системы определения местоположения воздушного судна (ВС) 1 (фиг.2) соединен со вторым входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП 5 (фиг.2), первый выход базы данных 2 (фиг.2) соединен со вторым входом блока вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния 4 (фиг.2), а второй выход базы данных 2 (фиг.2) соединен с третьим входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП1 5 (фиг.2), выход блока связи с бортовым оборудованием 3 (фиг.2) соединен с четвертым входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП1 5 (фиг.2), а блок ввода данных о параметрах воздушного судна на посадке 6 (фиг.2) соединен с пятым входом блока расчета коэффициента сцепления ВПП1 5 (фиг.2), который своим выходом соединен с блоком индикации результатов расчета 7 (фиг.2).
Устройство работает следующим образом
В блок вычисления текущих путевой скорости и пройденного расстояния 4 поступают данные от системы определения местоположения ВС 1, данные от блока связи с бортовым оборудованием 3 (сигнал обжатия шасси) и данные из базы данных 2 (фиг.2). В процессе вычисления производится идентификация взлетно-посадочной полосы и расчет текущего пройденного расстояния в масштабе реального времени, результаты которого, а также текущие географические координаты ВС от системы 1 передаются в блок расчета коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы ВПП 5. В этот же блок 5 загружаются данные о посадочных параметрах ВС из блока ввода данных о параметрах воздушного судна на посадке 6. При поступлении в блок расчета коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы ВПП 5 сигнала максимального обжатия тормозов колес (тормозных педалей) от блока связи с бортовым оборудованием 3 формируется точка начала расчета текущего (фактического) коэффициента сцепления. Расчет может быть реализован, например, посредством решения уравнения изменения кинетической энергии ВС (3).
В процессе расчета определяется значение текущей кинетической энергии ВС (левая часть уравнения (3)), затем из величины фактического изменения текущей кинетической энергии ВС вычитается сумма работ аэродинамических сил, силы тяги и силы тяжести (при наличии уклона ВПП), причем величина этих сил определяется по законам изменения, заложенным в ЭВМ блок расчета коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы ВПП 5, а также по данным об аэродинамической конфигурации ВС, режиме работы двигателей и атмосферным условиям, получаемым от блока связи с бортовым оборудованием 3. Далее, из полученного результата, которым является сумма величин работ силы трения и подъемной силы, умноженной на коэффициент трения, рассчитывается величина коэффициента трения и затем по корреляционной зависимости между коэффициентом трения и коэффициентом сцепления ВПП, которая может быть получена, например, в результате статистической обработки данных полетной информации, определяется непосредственно коэффициент сцепления.
Далее, на основании значений текущих географических координат, полученных из системы 1 и характеристик ВПП, полученных из базы данных 2, производится сопоставление полученных значений коэффициента сцепления с участками длины ВПП и результаты передаются на блок индикации результатов расчета 7 для отображения.
В результате расчета, в случае, если полученное значение коэффициента сцепления существенно отличается от значения, переданного экипажу диспетчерской службой аэродрома, преимущественно в худшую сторону, экипаж сообщает об этом диспетчеру для предупреждения экипажей других ВС, осуществляющих в данный момент заход на посадку, с целью принятия своевременного решения об уходе на запасной аэродром, что позволит избежать выкатывания ВС за пределы ВПП на пробеге либо избежать повреждения двигателей в случае применения реверса тяги на малых скоростях с целью предотвращения выкатывания при посадке на ВПП с низким коэффициентом сцепления.