CC BY
191
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА 86(4)
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 629.735.015
КЛАССИФИКАЦИЯ ОГРАНИЧЕНИЙ РЕЖИМОВ ПОЛЕТА
С.Ю. СКРИПНИЧЕНКО
По заказу редакционной коллегии
Статья представлена доктором технических наук, профессором Сакачом Р.В.
Предложена классификация ограничений режимов полета воздушного судна, включающая аэродинамические, прочностные, физиологические, геометрические, метеорологические и другие ограничения.
На основании анализа отечественных норм летной годности [1], [2] и норм летной годности ИКАО предлагается следующая классификация (рис. 1) ограничений режимов полета по следующим основным группам: аэродинамические, прочностные, физиологические, геометрические, акустические, метеорологические, ресурсные, работоспособности систем ВС ГА.
Рис. 1. Классификация ограничений режимов полета ВС ГА
К числу аэродинамических относятся те ограничения, которые имеют в своей основе аэродинамическую природу, а именно: по явлениям, возникающим при срыве или отрыве воздушного потока или при изменении характеристик устойчивости и управляемости [3], [4], [5]. При этом аэродинамические ограничения для каждой аэродинамической конфигурации, определяемой, например, положением взлетно-посадочной механизации, режимами работы винтовых двигателей, количественно разные. К этой группе ограничений относятся, в частности, минимально допустимая скорость Ктт доп, максимально допустимое число М нормальной эксплуатации М нэ, предельно допустимая высота крейсерского полета Нпред [3], [4], [5].
При этом минимально допустимую скорость и предельную высоту определяют исходя из условия обеспечения заданного запаса по углу атаки от допустимого угла атаки адоп (запас по
нормируемому порыву ветра) или углу срыва потока ас .
Такой подход принят как в отечественных нормах летной годности [1], [2], так и в нормах летной годности ИКАО. Например, для режимов полета по маршруту минимально допустимая скорость полета в нормальной эксплуатации Vmjn доп должна превышать скорость срыва потока
Vcl с убранной механизацией крыла не менее чем на 30 %:
V ■ >13V1
r min доп — сЬ
а при заходе на посадку
V >13Vn
у з.п — с0’
где Усо - скорость срыва потока с выпущенной механизацией крыла.
В первом и втором случаях коэффициенты подъемной силы при полете по маршруту или при заходе на посадку
C < 0 59C
Уа ~ ’ У a max
В тех случаях, когда самолет не оборудован автоматом тяги или при ограничении его использования этапом захода на посадку, минимально допустимая скорость горизонтального полета может соответствовать границе второго режима, которую устанавливают, исходя из анализа кривых потребных и располагаемых тяг при условии, что в горизонтальном полете Cy < Cy i, т.е. коэффициент подъемной силы горизонтального полета меньше наибольшего
допустимого значения коэффициента подъемной силы в диапазоне изменения чисел М на заданной высоте крейсерского полета. Если влияние сжимаемости воздуха в диапазоне изменения чисел М не проявляется, то Cy 1 может быть равен Cyk - коэффициенту подъемной силы
при максимальном аэродинамическом качестве.
Ограничение по числу M нэ определяется из условия получения необходимого дополнительного запаса по числу М до расчетного предельного числа Mmax max, который устанавливают, исходя из требований к устойчивости, управляемости или прочности самолета.
Для каждой конфигурации самолета устанавливаются прочностные ограничения по максимальной приборной скорости. Так, при крейсерской конфигурации определяется расчетная предельная скорость Vmax max, а для условий нормальной эксплуатации устанавливается так
называемая предельная скорость нормальной эксплуатации Унэ (или Vmax доп ), которая на определенную величину запаса меньше, чем Vmax max (обычно DV = 50 км/ч).
Для СТС важным прочностным ограничением является ограничение по допустимой температуре нагрева конструкции или температуре торможения Тт .
Характерным для ВС ГА является учет физиологических ограничений, к числу которых относятся ограничения по минимально допустимому давлению в пассажирской кабине ркаб > рдоп, по минимально допустимому градиенту изменения давления в пассажирской ка-
dp < (dp) „ бине, по времени — < (—)max, по минимально допустимой величине подаваемого воздуха dt dt
системой кондиционирования в пассажирскую кабину, по минимально (максимально) допустимому наклону пола пассажирской кабины ^пол < ^max(min), максимально допустимому углу крена g < gmax, по величине прироста нормальных перегрузок Dny < Dny или
II max
интегрального воздействия нормальных перегрузок на экипаж и пассажиров при полете в турбулентной атмосфере, по величине воздействия солнечной (космической) радиации при полетах СТС и другие (X ).
скорости изменения атмосферного давления по времени V^ =- —/ 1^аХ , где dp/dH -
Для ВС ГА с негерметичной кабиной, не оборудованной индивидуальными кислородными приборами для пассажиров, требование к минимально допустимому давлению в пассажирской кабине соответствует требованию к предельной эксплуатационной высоте полета, которая равна 3000 м (или 3600 м).
ВС ГА, выполняющие полеты на высотах более 3600 м, оборудованы герметическими пассажирскими кабинами, в которых поддерживается избыточное давление Аризд по сравнению с
атмосферным давлением ратм. Минимально допустимое давление при этом в пассажирской кабине в соответствии с нормами летной годности не должно быть ниже 76 кПа (567 мм. рт. ст.).
Требования, предъявляемые к максимальной скорости изменения кабинного давления (dp/dt )max, устанавливают, исходя из условия способности человеческого организма выравнивать давление в соответствии с давлением окружающей среды.
Для ВС ГА с негерметической и герметической кабиной допустимую вертикальную скорость при установившемся наборе высоты или снижении определяют исходя из допустимой
(dp/dt) dp/dH
производная изменения атмосферного давления по высоте полета для ВС ГА с негерметической кабиной; для самолетов с герметической кабиной - производная изменения давления в кабине на высоте полета, задаваемая системой автоматического регулирования давления в кабине (САРД).
С увеличением высоты полета Н допустимая вертикальная скорость набора высоты возрастает от 2.8 до 4 м/с в диапазоне высот от 0 до 3600 м; при снижении допустимая вертикальная скорость уменьшается от 2,9 до 2,0 м/с в диапазоне высот от 3600 до 0.
Для ВС ГА с герметической пассажирской кабиной, у которых заданное требование к скорости изменения кабинного давления обеспечивается системой автоматического регулирования давления, данное физиологическое требование сводится к ограничению минимального времени снижения:
pкруг — (p + Apro6 ) ,
tmin =---------)------------, где p^^ - давление на высоте круга; pK - атмосферное
(dpdt )max давление на высоте полета.
При этом максимально допустимая вертикальная скорость снижения определяется зависи-H — H
ТТ н.сн круг
мостью Vy ср =-----------—
y ср и
min
Так как САРД имеет широкий допуск на регулирование скорости изменения кабинного давления, то величина dp/dt принимается при определении /mm и Vy ср по нижнему допуску.
Требование к минимально допустимой величине расхода воздуха для системы кондиционирования вместе с отбором воздуха для других систем Q > Qmin может проявляться в ограничении режимов работы двигателей и, следовательно, режимов полета, так как для обеспечения их нормальной работы относительный отбор воздуха не может превышать заданной величины.
Требования к максимальной абсолютной величине угла наклона пола пассажирской кабины состоят в ограничении угла тангажа.
Другими физиологическими требованиями, которые могут оказывать влияние на выбор
режимов и траектории полета, являются ограничение на угол крена g < gmax и ограничение на величину прироста нормальной перегрузки Any min < Any < Any max.
При полете в турбулентной атмосфере допустимый диапазон скорости полета может дополнительно определяться из условия ограничения максимально допустимого турбулентного воздействия нормальных перегрузок на пассажиров, а также обеспечения необходимого запаса до допустимого угла атаки или угла сваливания: Ут ^п £ V £ Ут тах .
Для СТС специфическим физиологическим ограничением является ограничение на высоту его полета, определяемое заданным уровнем космической радиации, которая значительно возрастает на высотах более 11000 м, особенно в период солнечной активности.
К числу метеорологических ограничений относятся ограничения на траекторию полета метеорологическими явлениями, например, грозовым фронтом, боковым или попутным ветром при взлете или посадке, температурными условиями и влажностью на аэродроме взлета или посадки, уровнем турбулентности атмосферы, высотой облачности и другими факторами .
К числу геометрических ограничений относят ограничения по минимально допустимой высоте из условия наземных препятствий, ограничения высот полета Нт|п исходя из существующей
системы эшелонирования Нэш, по длине располагаемой взлетной или посадочной полосы, по ограничению бокового отклонения траектории от трассы, и другие факторы 7/шл .
Минимальные высоты эшелонов определяют, исходя из рельефа местности и превышения траектории полета над препятствиями на величину АНпреп, равную 400 ... 600 м, т.е.
Н _____н + АН
п тт _ п преп ' п
К акустическим ограничениям относятся ограничения на уровень шума на местности при взлете или посадке, ограничения на интенсивность звукового удара от СТС при наборе высоты с разгоном и снижении, ограничения шума в пассажирской кабине.
Ограничение по звуковому удару СТС накладывается в виде ограничения уровня его максимальной интенсивности Арзуд или ограничения импульса давления в головной волне. Это
ограничение определяет высоту сверхзвукового крейсерского полета, высоту перехода на сверхзвуковые или дозвуковые режимы при наборе высоты с разгоном или снижении, удаление от аэродрома взлета в зависимости от температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра.
Ограничение уровня шума в пассажирской кабине определяет допустимый режим работы двигателей в длительном полете, а следовательно, и режим полета воздушного судна.
Ограничение работоспособности систем летательного аппарата проявляется в виде ограничения высоты полета Ндоп , например при нарушении в работе систем автоматического регулирования давления в кабине или разгерметизации на скорости Vд0п (числа Мдоп ) полета.
Следует указать и на ресурсные ограничения, которые также могут оказывать влияние на режимы полета. Прежде всего это относится к ограничениям по располагаемому для полета топливу тт или на заданное расписанием время полета ?пол, на суммарную наработку двигателей (планера) по ресурсу Т^ес . и другие аг-.
Таким образом, при исследованиях эффективности полета, включая режимы полета ВС ГА приходится исходить из наличия целой совокупности аэродинамических, прочностных, физиологических, метеорологических, геометрических, акустических, ресурсных ограничений и ограничений работоспособности систем ЛА (особенно в отказных ситуациях), которые сводятся:
- к ограничениям высоты полета
Н Н Н < Н < Н Н Н Н •
п тт , п мтщ , п пре^ ^ пред, мтах , п допг- , п герм;
- ограничению скорости (или числа М полета)
V ■ VTT < V < V V V
у min > у II реж ^ у ^у пред ’ у мmax > у допi
ограничению нормальных перегрузок
n £ n £ n n
ymin доп y У max доп ’ ymin i
T £ T •
J. — J. т 5
ограничению времени этапа полета
t1, ^сн £ t < t2;
- ограничению вертикальной скорости
V £ V £ V •
ymin У ymax 5
- ограничению звукового удара или шума в пассажирской кабине
DPm £ р;
- ограничениям по наклону пола пассажирской кабины
J ■ £ J £ J У ■ £ у £ у •
^min — и — ‘'max > / min — / — / max 5
- ресурсным ограничениям, например ограничения на поставки топлива при эксплуатации на конкретных авиалиниях или в целом по парку ВС ГА:
m v £ m ’
т S — ' '‘зад’
- ограничению на время прибытия в зону аэродрома назначения:
t £ t ’
_ огр’
и другим ограничениям
a, p, k, Xi , J ,hi •
Перед проведением исследований эффективности полета, режимов полета ВС Г А необходимо проводить тщательный анализ всей совокупности ограничений для определения их величин и выбора определяющих из них, которые могут оказать существенное влияние на эффективность полета и его режимы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нормы летной годности самолета транспортной категории: Авиационные правила. Ч.25 / МАК. - М. 2004
2. Единые нормы летной годности гражданских транспортных самолетов стран - членов СЭВ / МВК НЛГ СССР. - М., 1985. - 470 с
3. Скрипниченко С.Ю. Оптимизация режимов полета самолета. (Экономические режимы полета). - М.: Машиностроение, 1975. - 191 с.
4. Скрипниченко С.Ю. Оптимизация режимов полета по экономическим критериям. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 153 с.
5. Скрипниченко С.Ю. Экономичность полета самолетов. - М.: Транспорт, 1982. - 206 с.
THE CLASSIFICATION OF FLIGHT LIMITATIONS
Skripnichenko S.Yu.
The different flight limitations have been classified with regard to aerodynamics, physiology, airworthiness etc.
Сведения об авторе
Скрипниченко Станислав Юрьевич, 1935 г.р., окончил МАИ (1959 г.), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ученый секретарь ГосНИИ ГА, автор более 170 работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика полета, аэродинамика, экономика воздушного транспорта.
