Повышение эффективности эксплуатации воздушных судов за счет расширения диапазона скоростей полета

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Студенческая наука

№ 124

УДК 629.735.015

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ЗА СЧЕТ РАСШИРЕНИЯ ДИАПАЗОНА СКОРОСТЕЙ ПОЛЕТА

К.О. ЧЕРНИГИН

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Статья подготовлена под руководством доктора технических наук, профессора Ципенко В.Г.

В статье рассматривается возможность расширения диапазона скоростей полета в сторону минимальных скоростей. Обосновывается необходимость расширения диапазона скоростей полета. Рассматриваются исследования NASA, которые тем или иным образом касались обеспечения безопасности полетов на малых скоростях полета*.

Анализ тенденций развития гражданской авиации во всем мире показывает, что основной проблемой, неизменно стоящей в процессе создания и эксплуатации авиационной техники, является проблема постоянного повышения эффективности летной эксплуатации и одновременно с этим обеспечения заданного уровня безопасности полетов воздушных судов (ВС) на различных этапах полета. Повышение эффективности летной эксплуатации требует обеспечения полетов практически в любую погоду, днем и ночью, в самых различных природно-климатических условиях. Для этого совершенствуется авиационная техника, усложняются автоматические устройства, но при этом одновременно усложняется эксплуатация самолётов.

Высокая эффективность ВС и безопасность их полёта диалектически связаны друг с другом и непосредственно зависят от качеств самого ВС и уровня профессиональной подготовки человека, управляющего им.

Полеты самолета разрешены в ограниченной области, называемой диапазоном скоростей и высот горизонтального установившегося полета. Диапазон скоростей и высот полета является одной из важнейших летных характеристик, показывающей возможности данного самолета. Очевидно, что чем выше потолок и чем шире диапазон скоростей, тем большими возможностями обладает самолет. Причем важно, чтобы диапазон скоростей был шире и в сторону максимальных и в сторону минимальных скоростей. Однако следует помнить, что при определенных условиях возможно попадание самолета на критические режимы полета.

Начало срыва потока на крыле определяет верхнюю границу допустимых для эксплуатации углов атаки и соответствующих им коэффициентов подъемной силы, а особенности устойчивости, управляемости и поведения самолета после возникновения срыва - безопасность эксплуатации. Тем самым устанавливается минимальная скорость, при которой самолет устойчив и управляем - скорость сваливания (согласно отечественным АП-25). Все характерные скорости полета, такие как: скорость отрыва, на взлете, скорость набора высоты и скорость снижения устанавливаются относительно скорости сваливания. Вывод самолета на углы атаки, больше допустимых, в процессе взлета может привести к попаданию в область ухудшенных характеристик продольной и поперечной управляемости или к выходу на вторые режимы полета. Полет самолета на предельно высоком эшелоне и смещение центровки назад, наилучшим образом способствующие снижению расхода топлива и повышению экономической эффективности полета, ухудшают продольную устойчивость самолета в горизонтальном полете, облегчая тем самым выход самолета в горизонтальном полете на критический угол атаки. Увеличение полетной массы самолета ведет к увеличению скорости сваливания и входа в штопор, а также к более энергичному характеру штопора.

* NASA Dryden Flight Research Center Fact Sheets, www.nasa.gov.

Однако занижение допустимых углов атаки существенно ограничивает возможности самолёта. Так, по результатам математического моделирования движения самолета Ил-96-300, реализованного в виде программы для ЭВМ в рамках системы САПР «Динамика», были сделаны выводы, которые могут способствовать расширению возможностей ВС:

1) на скоростях 1,2 VS (где VS - скорость сваливания) все характеристики боковой устойчивости и управляемости соответствуют требованиям АП-25, то есть соответствуют государственному уровню безопасности полетов. Выполнение захода на посадку на скорости 1,2 VS снижает посадочную дистанцию на 10-14%, а за счет меньших величин потребной тяги на скоростях 1,2 VS расход топлива снижается на 1,5%;

2) увеличение угла атаки на один градус при отрыве уменьшает длину разбега на 5-7%;

3) выполнение полета на 1-2 эшелона выше предписанных РЛЭ повышает удельную дальность полета на 5-10%.

Естественно, для расширения диапазона скоростей в сторону минимальных скоростей с сохранением необходимого уровня безопасности полетов необходимо проводить конструктивные и эксплуатационные мероприятия. Вот некоторые из них:

1) улучшение аэродинамических характеристик ВС, обеспечивающих высокое аэродинамическое качество и затягивание срыва;

2) применение устройств, обеспечивающих управляемый полет на больших углах атаки;

3) совершенствование системы предупреждения о сваливании;

4) совершенствование системы измерения скорости полета;

5) применение технических систем, осуществляющих автоматическое предупреждение сваливания или вывода из него (имеющие свои исполнительные устройства);

6) снижение влияния на ВС неблагоприятных атмосферных воздействий (сдвига ветра, турбулентности, спутного следа) за счет применения автоматов устойчивости;

7) повышение общего уровня надежности ВС;

8) применение особой техники пилотирования (это также будет способствовать общему повышению уровня безопасности полетов за счет роста квалификации летного состава).

Американское аэрокосмическое агентство (NASA) в разное время проводило испытания, которые косвенно или напрямую касались управляемости и устойчивости при полетах на больших углах атаки, и тем самым могли способствовать расширению диапазона скоростей в сторону минимальных скоростей полета:

1. Программа исследования адаптивного крыла (F-18 Aeroelastic Wing).

В ноябре 2002 года в Летно-исследовательском Центре Dryden (база Эдвардс, Калифорния) начались испытания самолета F-18A с измененным крылом, которое у нас принято называть адаптивным. Традиционные средства механизации, такие как закрылки и предкрылки, здесь являлись активными органами управления.

Рис. 1. Сравнение классического и адаптивного (справа) крыла

Эта программа испытаний проводилась для исследования возможности увеличения и гибкого управления аэродинамическим качеством для перспективных трансзвуковых самолетов, обладающих более высокой экономичностью и полезной нагрузкой. Испытания проводились с 2002 года по 2005 год, было выполнено 86 экспериментов, стоимость проекта - 45 миллионов долларов.

По результатам испытаний было установлено, что управляемость по крену на критических режимах улучшилась на 15-20 % по сравнению с серийным F-18A. Также было подсчитано, что, несмотря на сложность конструкции, крыло для перспективных самолетов может стать легче на 10-20%.

2. Программа исследования глубокого сваливания (Deep Stall Research).

В начале 80-х годов планер Schweizer SGS 1-36 был модифицирован для программы NASA по изучению управляемого глубокого сваливания. Самолет, летавший в Летноисследовательском Центре Dryden, использовался для изучения управляемости в условиях глубокого сваливания при углах атаки более 30 градусов.

Компания Schweizer модифицировала горизонтальное оперение (Т-образная конфигурация) так, чтобы оно могло проворачиваться вокруг своей оси на величину до 70° передней кромкой вниз. В сентябре и октябре 1983 года модифицированный Schweizer SGS 1-36 принимал участие в программе исследования больших углов атаки. Целью программы из 20 полетов была демонстрация возможности пилотируемого, управляемого полета на очень больших углах атаки и совершенствование техники пилотирования, необходимой для входа, маневрирования и выхода из режима пилотирования на очень больших углах атаки, а также характеристики управляемости и устойчивости и информация по балансировке.

Для проведения летных испытаний планер обычно затягивали на высоту 2600 метров над уровнем земли и отцепляли. При отцепке планер замедлялся до скорости, близкой к скорости сваливания. Далее пилот выполнял маневры для выявления характеристик управляемости.

Полетная информация показала, что техника пилотирования планера позволяла пилоту совершить безопасный полет в пределах углов атаки от 30 до 72 градусов.

3. Программа совершенствования систем управления (F-15 Advanced Control Technology for Integrated Vehicles).

Целью данной многолетней программы являлось исследование возможности повышения эффективности и маневренности перспективных гражданских и военных самолетов. Летающей лабораторией являлся модернизированный самолет F-15 ACTIVE. Программа состояла из нескольких этапов:

3.1. Исследование управляемого вектора тяги.

После поступления в NASA, самолет был оборудован соплами, позволяющими отклонять вектор тяги на величину до 20° от продольной оси. С использованием этой системы пилоты-испытатели достигали углов атаки 30°.

3.2. Исследование системы стабилизации работы двигателей (HISTEC).

Целью данного эксперимента, проведенного в Исследовательском Центре Льюиса (NASA), было исследование работы вычислительной системы, которая могла оценивать турбулентность потока на входе в двигатель для предотвращения помпажа двигателя на больших углах атаки. Система управляла режимом работы двигателей в зависимости от равномерности потока на входе в двигатель.

3.3. Исследование системы управления с реконфигурацией (Intelligent Flight Control System).

Это исследование, начавшееся в 1999 году, проводится для разработки программного и аппаратного обеспечения, которое позволяет системе управления адаптироваться к условиям эксплуатации, таким как отказ органов управления или боевое повреждение, с помощью перераспределения функций на оставшиеся органы управления. Такая система может позволить существенно повысить уровень безопасности полетов, а также расширить возможности самолетов.

4. Применение отклоняемых поверхностей, эффективных на больших углах атаки (F-18 HARV).

Летно-исследовательский Центр Dryden использовал модифицированный самолет F-18 Hornet для летных испытаний, длившихся с апреля 1987 года по сентябрь 1996 года. Самолет выполнил 385 полетов, в которых демонстрировал устойчивый полет на углах атаки до 70°, используя отклоняемый вектор тяги и носовые гребни, которые, отклоняясь и взаимодействуя с вихрями, возникающими на больших углах атаки, могли создавать боковые силы.

Рис. 2. Носовые гребни на самолете F-18 Hornet

5. Совершенствование системы предупреждения о сваливании.

В начале 80-х годов в NASA проводились испытания системы предупреждения о сваливании. В NASA спроектировали и построили систему предупреждения, которая отображала пилоту как текущую скорость полета, так и скорость сваливания. Также устанавливалась звуковая сигнализация о приближении к сваливанию с помощью речевого информатора.

6. Программа исследования возможности управления самолетом только с помощью тяги (РСА).

Данная программа появилась в связи с 10 катастрофами за 20-летний период, унесшими более 1 200 жизней. Причиной всех этих катастроф являлась потеря управления самолетом с помощью аэродинамических органов управления. В NASA решили разработать систему, которая позволяла бы посадить самолет с отказавшей системой управления, используя только рычаги управления двигателями.

Рис. 3. У правление самолетом при помощи тяги двигателей

Концепция этой системы следующая: для управления по тангажу система симметрично уменьшает или увеличивает тягу двигателей. Для разворота вправо автопилот (для снижения нагрузки на экипаж) увеличивает тягу левой группы двигателей и уменьшает тягу правой.

В августе 1995 года пилот NASA смог произвести первую в мире посадку на широкофюзеляжном лайнере MD-11, используя только управление тягой двигателей.

Исследование приведенных выше систем и установка их на серийные самолеты требует колоссальных средств. Обеспечение безопасности полетов - очень дорогое занятие, и там, где она ценится дешево - не умеют считать деньги, так как все исторические события имеют поразительное свойство повторяться.

AIRCRAFT OPERATION EFFICIENCY INCREASING BECAUSE OF FLIGHT

SPEED RANGE EXPANSION

Chernigin K.O.

The possibility of flight speed range expansion is provided in this article. The necessity of speed range expansion is substantiated. NASA researches which concern to the flight safety at the high angles of attack are provided.

Сведения об авторе

Чернигин Константин Олегович, 1986 г.р., магистрант 5 курса механического факультета МГТУ ГА, область научных интересов - безопасность полетов ВС.