Расчет нагрузки самолета на профилированную взлетно-посадочную полосу Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 111

УДК 629.735.015

РАСЧЕТ НАГРУЗКИ САМОЛЕТА НА ПРОФИЛИРОВАННУЮ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНУЮ ПОЛОСУ

М.С. КУБЛАНОВ

Представлены результаты расчетов нагрузки самолета на неровную ВПП при взлете и посадке.

1. Состояние вопроса

Современные взлетно-посадочные полосы (ВПП), имеющие протяженность более километра, строятся не строго горизонтальными. Строительство горизонтальной ВПП необходимых размеров потребовало бы больших капитальных затрат, поскольку реализация земляных работ требует осуществления мероприятий по водоотводу. Таким образом, поверхность большинства ВПП имеет заметные уклоны, сведения о которых помещены в аэродромной документации.

Большинство ВПП имеет сложный профиль, состоящий из нескольких участков с различным уклоном. Частным уклоном называется уклон на участке между двумя соседними изломами профиля. Частный уклон определяется частным от деления разности высот конца и начала рассматриваемого участка на его протяженность, выраженным в процентах. Различают продольные уклоны (в направлении оси ВПП) и поперечные (в перпендикулярном к оси ВПП направлении). Однако в современной аэродромной документации приводятся сведения только о частных продольных уклонах, которые могут быть восходящими или нисходящими относительно направления движения воздушного судна (ВС).

Пилотирование самолета по ВПП на разбеге и пробеге требует учета особенностей профиля. Это необходимо не только при определении потребных взлетных и посадочных дистанций, но и при непосредственном управлении самолетом. Наиболее сложным с этой точки зрения оказывается движение на изломах поверхности ВПП как на трамплинах, так и на встречных уклонах. В этих местах резко изменяется нагрузка колес шасси на ВПП и, как следствие, величины продольной и поперечной сил сцепления. При наличии поперечных возмущений это чревато выкатыванием ВС на боковую полосу безопасности.

Однако и участки ВПП определенного уклона не бывают идеально ровными. На реальных поверхностях ВПП встречаются раскрытые швы бетонных покрытий, вертикальные смещения плит, выбоины и волны. Насколько возрастают и уменьшаются нагрузки на колеса шасси и поверхность ВПП по сравнению со статическими интересует не только специалистов, занимающихся расследованием авиационных происшествий, но и строителей аэродромов.

Последний вопрос возникает и для расчета условий первого касания самолета ВПП. В летной эксплуатации были многочисленные случаи грубых посадок (с большой вертикальной скоростью), приводившие к поломкам шасси и даже к существенной деформации покрытия ВПП.

Таким образом, расчет нагрузки на шасси и ВПП с достаточной степенью адекватности становится актуальной задачей современной гражданской авиации.

Для подобного расчета необходим математический аппарат высокой степени адекватности, который уже зарекомендовал бы себя на примерах решения задач летной эксплуатации. Такой аппарат создан сотрудниками кафедры АКПЛА МГТУ ГА в виде Системы математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА) [1 - 7]. Современная редакция СММ ДП ЛА позволяет производить расчеты движения ВС по профилированной ВПП с учетом динамики шасси.

2. Нагрузка на ВПП при первом касании

Расчет нагрузки, действующей на колеса шасси и на ВПП, при первом касании на посадке был произведен на примере самого тяжелого отечественного пассажирского самолета Ил-96-300, имеющего взлетную массу до 240 т и посадочную до 175 т.

3 основные стойки шасси этого самолета расположены следующим образом: 2 боковые -на расстоянии 5,2 м от оси самолета, задняя центральная позади них на 1,72 м. Таким образом, на одной бетонной плите ВПП помещается не более 2 стоек, а наиболее нагруженной при посадке оказывается задняя центральная, имеющая № 4.

Амортизатор каждой из основных стоек при нагрузке 180 тс обжимается полностью, до упора. Это означает, что резкий рост нагрузки до величины более 180 тс приводит к неизбежности удара в стойке, т. е. к аварийной ситуации.

На рис. 1 - 3 показаны результаты вычислительных экспериментов по воспроизведению трех видов возможных посадок самолета Ил-96-300:

- стандартная с массой 175 т ("станд.");

- крайне грубая на грани разрушения самолета с массой 175 т ("г175");

- крайне грубая аварийная посадка сразу после взлета на грани разрушения самолета с массой 220 т ("г220").

время, с

Рис. 1

время, с

----------станд

----------г175

- - - - 'Г220

Рис. 2

время, с

Рис. 3

В табл. 1 приведены предельные значения основных параметров воспроизведенных случаев посадки. Здесь Уукас - вертикальная скорость в момент первого касания задней основной стойкой шасси (м/с), Кушах - максимальное значение нормальной перегрузки, У4шах -максимальное значение нагрузки на заднюю основную стойку (тс, реализуется после касания боковых стоек), Усумшах - максимальное значение нагрузки в сумме на все 4 стойки (тс).

Таблица 1

Предельные значения параметров посадки

Уукас, м/с Кушах У4шах, тс Усумшах, тс

станд -0,63 1,47 77,35 230,4

г175 -3,42 2,64 120,0 360,2

г220 -3,78 2,86 172,1 511,8

Таким образом, даже самая тяжелая посадка самолета Ил-96-300 происходит без удара в стойках шасси с нагрузкой на одну плиту ВПП, не превышающей 350 тс. В относительных величинах вывод можно сформулировать следующим образом: общая максимальная нагрузка на ВПП в условиях нормальной посадки составляет около 1,3 веса самолета, а в условиях грубой посадки - до 2,3 веса самолета.

Расчет нагрузки при первом касании наклонной части ВПП следует изучать отдельно, так как в этом случае важное значение имеет манера пилотирования в зависимости от величины уклона.

3. Нагрузка на ВПП при разбеге на встречных уклонах и на трамплинах

Преодоление встречного уклона или трамплина на разбеге характерно отсутствием торможения и наличием значительной силы тяги двигателей. В обоих случаях после прохождения излома профиля ВПП наблюдаются затухающие колебания самолета на шасси. Различие заключается лишь в фазе первого колебания: на встречном уклоне сначала нагрузка на ВПП возрастает, а на трамплине - убывает.

В вычислительных экспериментах, проведенных с помощью СММ ДП ЛА, воспроизводился разбег самолета Ил-96-300 с максимальной взлетной массой 240 т сначала по горизонтальному участку ВПП, а затем по участку с уклоном. Значения уклона варьировались от ±0,3 % до ±1,5 %, а места положения излома задавались из ряда: 20 м от старта, 100 м, 200 м,

500 м, 1000 м, 1600 м. При таком плане вычислительных экспериментов скорость преодоления излома принимала значения: 29 км/ч, 71 км/ч, 101 км/ч, 157 км/ч, 216 км/ч, 265 км/ч.

Результаты вычислительных экспериментов показаны на рис. 4 - 11 в виде максимальных значений нормальной перегрузки Кушах и отношений максимальных нагрузок на стойки шасси к стояночным (У1шах/У10 - на передней стойке, У2шах/У20 - на основной боковой стойке, У4шах/У40 - на задней основной стойке).

Встречные уклоны

Разбег

Трамплины

-0.30% -0.50% -1.00% -1.50%

Упут, км/ч

Рис. 4

Упут, км/ч

Рис. 8

--0.3%

--0.5%

--1.00%

--1.50%

-0.30% -0.50% -1.00% 1.50%

Упут, км/ч

Рис. 5

Упут, км/ч

Рис. 9

-0.30% -0.50% -1.00% -1.50%

Е

сч

>-

0.30% -0.50% -1.00% 1.50%

Упут, км/ч

Рис. 6

Упут, км/ч

Рис. 10

-0.30%

--0.50%

--1.00%

--1.50%

Е

>-

0.30% -0.50% -1.00% 1.50%

--0.30%

--0.50%

--1.00%

--1.50%

Упут, км/ч

Упут, км/ч

Рис. 7

Рис. 11

Из полученных результатов видно, что преодоление на разбеге встречного уклона приводит к несколько большему значению максимальной нормальной перегрузки, чем трамплина с тем же углом излома профиля. С ростом угла излома профиля и скорости встречи с изломом максимальная нормальная перегрузка растет. Эти естественные и легко объяснимые результаты можно дополнить следующими замечаниями для разбега по ВПП с реально существующими изломами:

- нормальная перегрузка не превосходит 1,6;

- нагрузка на основные стойки шасси не превосходит 125 % от стояночной;

- нагрузка на переднюю стойку шасси не превосходит 140 % от стояночной.

Отсюда следует вывод: не рекомендуется строить ВПП с большим изломом, расположенным близко к зоне отрыва самолета. Иначе говоря, на участке с большим изломом ВПП надо располагать зону старта.

4. Нагрузка на ВПП при пробеге на встречных уклонах и на трамплинах

На пробеге самолет преодолевает встречный уклон или трамплин в режиме торможения. В этом случае резкие изменения нормальной силы взаимодействия колес шасси с ВПП неизбежно приводят к нарушению монотонности избранного режима управления движением самолета по ВПП. Поэтому так важно знать хотя бы обобщенные характеристики взаимодействия шасси с ВПП.

В вычислительных экспериментах, проведенных с помощью СММ ДП ЛА, воспроизводилась посадка самолета Ил-96-300 с максимальной посадочной массой 175 т сначала на горизонтальный участок ВПП, а затем пробег с некоторого момента проходил по участку с уклоном. Значения уклона варьировались от ±0,3 % до ±1,5 %, а места положения излома задавались из ряда: 740 м от входного торца ВПП, 980 м, 1220 м, 1390 м, 1490 м. При таком плане вычислительных экспериментов скорость преодоления излома принимала значения: 240 км/ч, 200 км/ч, 150 км/ч, 100 км/ч, 56 км/ч.

Результаты вычислительных экспериментов показаны на рис. 12 - 19 в виде максимальных значений нормальной перегрузки Кушах и отношений максимальных нагрузок на стойки шасси к стояночным (У1шах/У10 - на передней стойке, У2шах/У20 - на основной боковой стойке, У4шах/У40 - на задней основной стойке).

Из полученных результатов видно, что преодоление встречного уклона на пробеге в основном приводит к несколько большему значению максимальной нормальной перегрузки, чем трамплина с тем же углом излома профиля, но при большом изломе на большой скорости положение выравнивается. С ростом угла излома профиля и скорости встречи с изломом максимальная нормальная перегрузка растет. Эти естественные и легко объяснимые результаты можно дополнить следующими замечаниями для пробега по ВПП с реально существующими изломами:

- нормальная перегрузка не превосходит 1,65;

- нагрузка на основные стойки шасси не превосходит 150 % от стояночной на встречном уклоне и 140 % - на трамплине, т.е. не более 105 % от максимальной нагрузки при мягкой посадке;

- нагрузка на переднюю стойку шасси может доходить до 340 % от стояночной на встречном уклоне и 375 % - на трамплине, т.е. не более 115 % от максимальной нагрузки при мягкой посадке;

- торможение колесами основных стоек шасси приводит к значительному увеличению ударной нагрузки на переднюю стойку по сравнению с пробегом по гладкой ВПП.

Отсюда следует вывод: не рекомендуется располагать зону посадки самолета близко к области большого излома ВПП.

Встречные уклоны

Пробег

Упут, км/ч

Рис. 12

Упут, км/ч

Рис. 13

Упут, км/ч

Рис. 14

-0.3%

-0.5%

-1.0%

-1.5%

-0.3% -0.5% -1.0% 1.5%

-0.3% -0.5% -1.0% -1.5%

0.3%

-0.5%

-1.0%

1.5%

Упут, км/ч

Рис. 15

Е

Трамплины

Упут, км/ч

Рис. 16

Упут, км/ч

Рис. 17

Упут, км/ч

Рис. 18

Упут, км/ч

Рис. 19

-в—0.30% -в--0.50%

-Ъ--1.00% —х—-1.50%

-в—0.30% -в--0.50%

-Ъ--1.00% —х—-1.50%

-е—0.30% -в--0.50% —Д—-1.00% —х—-1.50%

-в—0.30% -в--0.50% —А—-1.00% —х—-1.50%

5. Нагрузка на ВПП при преодолении уступа

Для оценки ударных нагрузок при преодолении уступа, образованного в результате вертикального смещения соседних плит ВПП относительно друг друга, проведены вычислительные эксперименты с воспроизведением разбега и пробега самолета Ил-96-300, преодолевающего уступ высотой 5 см.

В табл. 2 приведены максимальные значения нормальной перегрузки Кушах и относительных значений нагрузок на стойки шасси: по отношению к стояночным: У1шах/У10 - на передней стойке, У2шах/У20 - на основной боковой стойке, У4шах/У40 - на задней основной стойке; по отношению к нагрузке на той же скорости при гладком разбеге: У1шах/У1 - на передней стойке, У2шах/У2 - на основной боковой стойке, У4шах/У4 - на задней основной стойке.

Таблица 2

Упут Ку У1шах/У10 У1шах/У1 У2шах/У20 У2шах/У2 У4шах/У40 У4шах/У4

52 1.4 1.7 2.4 1.0 1.0 1.0 1.0

102 1.2 1.2 1.8 1.0 1.1 1.0 1.0

150 1.3 1.1 1.9 0.9 1.0 0.9 1.0

200 1.3 1.0 1.9 0.8 1.1 0.9 1.1

250 1.4 0.9 2.1 0.7 1.1 0.8 1.3

По полученным результатам на разбеге можно сделать следующие выводы. Во-первых, в наиболее жестких условиях 5 см уступ преодолевается передней стойкой шасси, на которой располагается лишь одна пара колес (на основных стойках - три), испытывающая на малой скорости наибольшую ударную нагрузку, доходящую до 1,7 от стояночной и до 2,4 от текущей; однако такая нагрузка не создает трудностей в эксплуатации. Во-вторых, нормальная перегрузка и относительная ударная нагрузка на основные стойки шасси не превышают 1,4, что так же не приводит к особенностям эксплуатации.

В табл. 3 приведены аналогичные разбегу значения относительных параметров нормальной нагрузки, а в табл. 4 - для продольной нагрузки, создающей "ломающее" усилие на стойки шасси (здесь в качестве стояночных значений взяты продольные силы непосредственно перед остановкой самолета на тормозах).

Таблица 3

Упут Ку У1шах/У10 У1шах/У1 У2шах/У20 У2шах/У2 У4шах/У40 У4шах/У4

56 1.5 1.7 1.8 1.1 1.1 2.0 2.0

100 1.3 1.6 1.8 1.3 1.3 1.1 1.1

150 1.8 1.4 1.4 1.8 1.9 2.8 3.0

200 1.5 1.6 1.6 1.7 2.0 1.8 2.0

240 1.5 1.5 4.5 1.8 1.7 1.7 1.3

Таблица 4

Упут Х1шах/Х10 Х1шах/Х1 Х2шах/Х20 Х2шах/Х2 Х4шах/Х40 Х4шах/Х4

56 44.3 44.3 1.0 1.1 3.2 3.7

100 42.7 42.7 0.8 1.1 0.8 1.1

150 1.3 1.3 0.7 1.1 3.3 5.4

200 1.3 1.3 0.6 1.1 0.6 1.1

240 1.2 1.75 0.3 1.3 0.3 1.3

По полученным результатам преодоления уступа на пробеге можно сделать следующие выводы. Во-первых, нормальная перегрузка достигает значения 1,8, что требует внимания в эксплуатации. Во-вторых, ударная нормальная нагрузка на основные стойки шасси достигает значения 2,8 от стояночной, что, хотя и не грозит ударом в амортизаторах, но опять же требует внимания в эксплуатации; для передней стойки шасси ударная нормальная нагрузка не создает особенностей в эксплуатации. В-третьих, обычно ненагружаемая передняя стойка шасси подвергается при встрече с уступом продольной ударной нагрузке, сравнимой с нормальной стояночной, а основные стойки - с трехкратной нормальной стояночной, т.е. испытывают значительные усилия "на излом". В-четвертых, продольная нагрузка на пневматики

передней стойки достигает половины нормальной эксплуатационной, а на основных тормозных стойках - доходит до двухкратной. Безопасная эксплуатация тяжелых транспортных самолетов на таких ВПП невозможна.

Дополнительные оценки показали, что допустимым является уступ, не превосходящий 3 см, при котором наибольшие нормальные нагрузки на стойки такие же, как при мягкой стандартной посадке, а продольные лишь в 1,5 раза больше чем в конце торможения.

6. Вывод

Проведенные исследования показали, что наибольшие ударные нагрузки при эксплуатации самолета Ил-96-300 на ВПП с изломами испытывает передняя стойка шасси во время посадки. И, хотя эти нагрузки не приводят к ударам в амортизаторах, на аэродромах посадки следует уделять особое внимание оценке состояния пневматиков передней стойки.

Безопасная эксплуатация самолета Ил-96-300 возможна на ВПП с уступом не более 3 см и с необходимостью контроля состояния пневматиков всех стоек шасси после посадки.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Разработка общих рекомендаций по летной эксплуатации самолета Ил-96-300 в ожидаемых условиях эксплуатации и режимах, выходящих за ожидаемые условия эксплуатации, на этапах взлета, захода на посадку и посадки: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель Ципенко В.Г. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. № ГР 01930010176; Инв. № 02940003177 - М.: МГТУ ГА, 1993.

3. Разработка предложений и рекомендаций по летной эксплуатации самолета Ил-96-300 в условиях низкого коэффициента сцепления ВПП и повышенной скорости боковой составляющей ветра: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель Ципенко В.Г. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. № ГР 01200112466; Инв. № 02200109336 - М.: МГТУ ГА, 2001.

4. Кубланов М.С. Устойчивый алгоритм моделирования работы шасси // Обеспечение безопасности полетов при эксплуатации гражданских воздушных судов. - М.: МИИГА, 1991. С. 54 - 59.

5. Kublanov M.S., Tsypenko V.G. Mathematical modelization system for aircraft flight dynamics simulation // International Aerospace Congress: Proceedings. - Moscow, 1994. - Volume 2. - P. 92 - 93.

6. Кубланов М.С. Математическое моделирование аварии Ил-76 в Иркутске 26.07.99 // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность 2000. - № 23. - С. 21 - 27.

7. Кубланов М.С., Бехтина Н.Б. Факторы, определяющие взаимодействие авиационного шасси с взлетнопосадочной полосой // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность. 2005. № 81. С. 80 - 86.

THE ESTIMATION OF AIRCRAFT LOADING ON PROFILED RUNWAY

^blanov М.S.

The estimation results of aircraft loading on uneven runway at take-off and landing are presented.

Сведения об авторе

Кубланов Михаил Семенович, 1945 г.р., окончил МГУ (1968), ведущий научный сотрудник, доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор более 90 научных работ, область научных интересов - механика, математические методы моделирования.