Способ определения в лётных испытаниях тормозного момента и энергонагруженности колёс шасси летательного аппарата на пробеге по взлётно-посадочной полосе
METHOD FOR DETERMINING THE BRAKING TORQUE AND ENERGY LOADING OF THE WHEELS OF THE LANDING GEAR OF AN AIRCRAFT IN FLIGHT TESTS ON A RUN ALONG THE RUNWAY

Изобретение относится к испытаниям авиационной техники. Предназначено для оценки в летных испытаниях летательных аппаратов (ЛА) момента сил торможения колес и поглощаемой колесами энергии на послепосадочном пробеге и прерванном взлете.
Указанные характеристики в значительной мере определяют эксплуатационные возможности и безопасность ЛА на этапах взлета и посадки. В особенности это относится к самолетам транспортной категории, к тормозной системе которых предъявляются довольно жесткие требования. От реализуемого тормозного момента зависит дистанция пробега, потребная для остановки ЛА. Располагаемая энергоемкость колес определяет предельно допустимую скорость начала их торможения. Превышение этой скорости на пробеге чревато перегревом колес с потерей эффективности тормозов и выкатыванием за пределы взлетно-посадочной полосы (ВПП).
В известной литературе имеется довольно много публикаций, связанных с анализом влияния тормозного момента и энергонагруженности колес на динамику пробега ЛА по ВПП. Разработаны стандарты динамометрических испытаний по определению фрикционных свойств колес на специализированных стендах. Однако в таких испытаниях довольно сложно имитировать реальные условия эксплуатации. Количество работ, посвященных методам определения тормозного момента и энергонагруженности колес в летных испытаниях, ограничено. В основе существующих методов прямые измерения тормозного момента колес с помощью тензодатчиков, расчеты путем исключения влияния сил аэродинамического сопротивления и тяги двигателей на скорость замедления ЛА в процессе пробега. Общим недостатком этих методов является относительная сложность их реализации и доказательства достоверности полученных результатов.
В настоящем изобретении предлагается способ определения в летных испытаниях тормозного момента колес шасси и их энергонагруженности без использования тензометрии, данных об аэродинамических характеристиках и тяге двигателей. Искомые оценки основаны исключительно на отработанных в практике летных испытаний измерениях.
Среди публикаций по теме настоящего изобретения можно выделить статью «Использование полетной информации при оценке нагрузки фрикционных узлов авиационных тормозов», опубликованной в журнале «Problems of friction and wear», 2019, 2(83). В статье предложен метод определения энергонагруженности колес шасси самолетов транспортной категории по записям средств объективного контроля. Оценка поглощаемой колесами энергии осуществляется путем исключения из полной энергии поступательного движения самолета работы, производимой аэродинамическими силами и тягой двигателей. Приближенные сведения об аэродинамике и тяге двигателей существенно повышают погрешность оценки энергонагруженности колес, что неприемлемо для сертификационной оценки характеристик ЛА в летных испытаниях.
В журнале JATE 6:2 (2017) 2-25 опубликована статья «Моделирование и расчеты скорости начала торможения колес самолетов транспортной категории с максимальным поглощением энергии». В статье разработана нелинейная модель определения характеристик пробега, включая тормозные моменты и энергонагруженность колес. Недостатком модели является необходимость учета полуэмпирических зависимостей и параметров, подтверждение которых в летных испытаниях проблематично. Там же предложена упрощенная модель в предположении о том, что остаточная тяга двигателей, аэродинамическое сопротивление и трение качения из-за их малости взаимно компенсируются, т.е. остановка самолета осуществляется только за счет воздействия тормозного момента колес. Такая модель может быть использована лишь для предварительной оценки фрикционных свойств тормозов.
Современные нормы летной годности самолетов транспортной категории требуют подтверждения взлетно-посадочных характеристик и характеристик тормозной системы в летных испытаниях. В рекомендательном циркуляре АС №25-07С от 16.10.2012 г. даны рекомендации по выполнению взлетно-посадочных режимов с торможением колес. Предложены методы определения тормозного момента по результатам прямых измерений, по давлению в тормозах или измерениям угловых ускорений вращения колес. Эти методы достаточно информативны для оценки функционирования тормозной системы. Однако, как показала практика, они предполагают сравнительно сложную обработку экспериментальных данных при достаточно низкой корреляции результатов с изменениями параметров продольного движения самолета. Рекомендации по количественной оценке энергонагруженности тормозных колес в циркуляре отсутствуют, хотя требования к подтверждению энергоемкости колес предъявляются.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности летных испытаний и достоверности результатов оценки тормозного момента, энергонагруженности колес шасси для определения максимальной скорости начала торможения колес и дистанций пробега, обеспечивающих безопасную эксплуатацию ЛА на этапах взлета и посадки, в том числе в условиях максимальной кинетической энергии ЛА и предельно изношенных тормозных элементов колес.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе определения в летных испытаниях тормозного момента и энергонагруженности колес шасси летательного аппарата на пробеге по взлетно-посадочной полосе, включающем определение массы ЛА, атмосферных условий, направления и скорости ветра, состояния поверхности ВПП, измерение при пробеге ЛА по ВПП путевой скорости, продольной составляющей перегрузки, обжатия амортизаторов опор шасси, оборотов колес, отклонений тормозных педалей и аэродинамических средств торможения, положения рычагов управления двигателями, определение по обжатиям шасси нормального нагружения тормозных колес, динамического радиуса колес по данным обжатия опор и угловой скорости вращения колес, выполнение режимов пробега ЛА по ВПП с торможением колес шасси на прерванном взлете и посадке, отличающемся тем, что дополнительно выполняются вспомогательные режимы: режимы пробега на прерванном взлете и посадке без использования торможения колес до установившейся скорости движения в той же конфигурации ЛА при использовании средств аэродинамического торможения и режимов работы двигателей, как и на пробеге с торможением колес, пробежки на минимальном режиме работы двигателей с момента страгивания до установившейся скорости ЛА, прокатки ЛА с выключенными двигателями с помощью буксировщика с использованием динамометрической тяги для определения коэффициента трения качения; формируются зависимости продольной перегрузки от путевой скорости ЛА, определяется доля продольной составляющей перегрузки, обусловленная торможением колес, как разность значений продольной перегрузки на пробеге с торможением колес и вспомогательных режимах пробега без торможения колес; рассчитывается тормозной момент, равный произведению силы тяжести ЛА на абсолютную величину доли продольной перегрузки, обусловленной торможением колес, и динамический радиус колеса, определяется сила трения колес суммированием трения качения с тормозным моментом колес, деленным на динамический радиус колеса, рассчитывается мощность силы трения тормозных колес, в зависимости от путевой скорости ЛА, путем интегрирования по путевой скорости отношения мощности к абсолютному значению продольного ускорения ЛА на пробеге с торможением колес определяется суммарная энергонагруженность тормозных колес, определяется энергонагруженность одного колеса делением суммарной энергонагруженности на общее количество тормозных колес.
Таким образом, описанный способ определения тормозного момента и энергонагруженности колес шасси на взлетно-посадочных режимах основан исключительно на отработанных и зарекомендовавших в практике летных испытаний измерениях. Установка специальных средств измерения, включая тензоаппаратуру, и сведения об аэродинамических характеристиках и тяге двигателей, в отличие от прототипа, не требуются. Определение тормозного момента через параметры движения ЛА обеспечивает высокую степень его корреляции с изменением скорости движения ЛА и дистанций пробега. Реализация в летных испытаниях вспомогательных режимов не вызывает каких-либо затруднений и дополнительных затрат в связи с возможностью их выполнения в комплексе с другими полетами. Достоверность оценки искомых характеристик нагруженности колес обеспечивается лишь точностью измеряемых в ходе испытаний параметров.
Способ реализуется следующим образом.
Для определения тормозного момента и энергонагруженности колес шасси летательный аппарат оборудуется системой бортовых измерений для регистрации путевой скорости ЛА, продольной составляющей перегрузки, обжатия амортизаторов опор шасси, оборотов колес, отклонений тормозных педалей и аэродинамических средств торможения, положения рычагов управления двигателями. Фиксируется масса ЛА, его конфигурация, атмосферные условия, направление и скорость ветра, состояние поверхности ВПП.
Выполняется пробег с торможением колес после посадки ЛА либо на прерванном взлете. Указанные режимы пробега выполняются также без торможения колес (вспомогательные режимы) до скорости руления или минимально допустимой с учетом располагаемой дистанции ВПП. Выполняются пробежки на минимальном режиме работы двигателей с момента страгивания до установившейся скорости ЛА.
По результатам выполненных режимов определяются зависимости от путевой скорости продольной составляющей перегрузки на пробеге с торможением колес и без торможения колес на вспомогательных режимах. В случае отличий массы самолета и атмосферных условий при выполнении режимов зависимость продольной перегрузки на вспомогательных режимах приводится к условиям пробега ЛА с торможением колес (Ведров B.C., Тайц М.А. «Летные испытания самолетов», Государственное издательство оборонной промышленности, Москва, 1951). Определяется доля составляющей перегрузки на пробеге с торможением колес в зависимости от путевой скорости как разность указанных выше перегрузок.
По записям обжатия амортизаторов опор шасси определяется суммарная нормальная нагрузка на тормозные колеса и динамический радиус колес. Для этих целей могут быть использованы данные, полученные по прокаткам ЛА с различной массой. Динамический радиус колес может быть уточнен по записи угловой скорости вращения колес и путевой скорости ЛА на режимах разбега Л А и пробега без торможения колес.
Определяется тормозной момент, как произведение силы тяжести ЛА на абсолютную величину доли продольной перегрузки, обусловленной торможением колес, и динамический радиус колес. Определяется сила трения колес суммированием трения качения, равного произведению коэффициента трения качения на нормальную нагрузку колес, с тормозным моментом, деленным на динамический радиус колес. Коэффициент трения качения определяется по результатам прокатки ЛА с выключенными двигателями при буксировке с использованием динамометрической тяги.
Рассчитывается мощность силы трения тормозных колес в зависимости от путевой скорости ЛА. Путем численного интегрирования по путевой скорости отношения мощности к абсолютному значению продольного ускорения ЛА на пробеге с торможением колес определяется суммарная энергонагруженность тормозных колес. Энергонагруженность одного тормозного колеса определяется делением суммарной энергонагруженности на общее количество тормозных колес.
Пример реализации
На фиг. 1 показаны зависимости продольной составляющей перегрузки самолета от путевой скорости с использованием интенсивного торможения колес (кривая 1), без использования торможения колес (кривая 2) и доля продольной перегрузки (кривая 3), создаваемой торможением колес.
Фиг. 2 иллюстрирует зависимость тормозного момента колес, приходящегося на единицу массы самолета, от путевой скорости на пробеге. Такая форма зависимости пригодна для сравнительного анализа характеристик тормозов.
Зависимость энергонагруженности тормозных колес от путевой скорости начала торможения показана на фиг. 3. Для удобства анализа энергонагруженность колес дана относительно полной кинетической энергии самолета. Из графика видно, что на скорости 300 км/ч на долю энергии, поглощаемой тормозами, приходится чуть менее 85% полной энергии самолета; на скоростях менее 70 км/ч остановка самолета на ВПП обеспечивается исключительно торможением колес. Более того, заметная доля энергии тормозов приходится на преодоление остаточной прямой тяги двигателей.
Таким образом, предлагаемый в настоящем изобретении способ работоспособен и обеспечивает достижение технического результата.