Тема 2.2. Інженерні розрахунки для виконання польотів

Лабораторна робота 2.2. Визначення довжини розбігу літака при зльоті (на прикладі літака Ан-24)

Мета роботи: - набути практичних навичок виконання елементів інженерно-штурманського розрахунку за визначенням потрібної довжини розбігу за заданих умов зльоту і злітної маси літака;

- розробити рекомендації по підвищенню рівня безпеки зльоту.

Основні завдання:

1. Визначити, що задані в роботі умови зльоту (висота аеродрому і температура повітря) дозволяють здійснити нормальний і безпечний розбіг і зліт літака.

2. Визначити фактичну довжину розбігу літака, використовуючи поєднані номограми з врахуванням висоти аеродрому, температури повітря, злітної маси, ухилу ЗПС, і вітру при заданих вихідних даних.

Основні теоретичні відомості

Потрібна довжина розбігу і дистанція зльоту розраховуються, виходячи з реальної довжини зПс, її ухилу, метеообставин, висоти аеродрому зльоту.

Зліт (повна злітна дистанція) Lпз складається з саме зльоту (злітна дистанція) Lзл і початкового набору висоти Lпн [16]:

Lпз = Lзл + Lпн . (2.2.1)

Власне зліт Lзл складається з розбігу Lp і 1-го повітряного етапу зльоту L₁, т.е.:

Lзл = Lp + L₁. (2.2.2)

Довжина розбігу Lр – відстань по горизонталі, яку проходить літак з моменту страгивания на лінії старту до моменту відриву його від ЗПС.

Злітна дистанція Lзл – відстань по горизонталі, яку проходить літак з моменту страгивания на лінії старту до моменту набору висоти 10,7 м (над рівнем зПс в точці відриву) з одночасним досягненням швидкості не менш безпечної швидкості зльоту

V₂ = 1,2Vзв , (2.2.3)

де Vзв – швидкість звалювання.

Повна злітна дистанція Lпз – відстань по горизонталі, яку проходить літак з моменту страгивания на лінії старту до моменту виходу на висоту 400 м (над рівнем ЗПС в точці відриву літака) або до моменту, до якого закінчується перехід від злітної до польотної конфігурації і досягається швидкість польоту, рівна 1,25Vзв при польотній конфігурації.

Повна злітна дистанція складається з розбігу і чотирьох етапів набору висоти:

1-й етап – набір висоти з моменту відриву ВС до висоти 10,7 м;

2-й етап – набір висоти від 10,7 м до висоти, на якій досягається швидкість початкового набору висоти з випущеною механізацією;

3-й етап – набір висоти 120 м з випущеною механізацією крила;

4-й етап – набір висоти від 120 м до Н = 400 м з одночасним збільшенням швидкості польоту і прибиранням механізації.

Набір висоти на всіх етапах характеризується певним градієнтом h_н. Градієнт h_н визначається як тангенс кута нахилу траєкторії набору висоти q_н і виражається у відсотках:

h_н = tg q_н · 100 % = · 100 %. (2.2.4)

Максимальне значення градієнта набору висоти, яке досяжне на даному літаку в даних експлуатаційних умовах, є повним градієнтом – h_пн.

Повний градієнт набору висоти h_пн на третьому етапі має бути не менше 5%, а на четвертому – не менше 3% при всіх працюючих двигунах.

В процесі підготовки до вирулювання на попередньому і виконавчому старті літаку додається злітна конфігурація, всі системи і устаткування готуються для виконання зльоту.

Нормальний зліт – це зліт при нормальній роботі всіх двигунів, систем і агрегатів літака, який виконується з використанням передбаченої РЛЕ техніки пілотування.

Продовжений (завершений) зліт – це зліт, що протікає як нормальний до моменту відмови одного з двигунів в процесі зльоту, після чого зліт продовжується і завершується з одним відмовившим двигуном.

Перерваний зліт – це зліт, що протікає як нормальний, до моменту відмови двигуна, після чого починається припинення зльоту з подальшим гальмуванням літака до повної його зупинки на льотній смузі.

Зліт виконується на злітному або підвищеному режимі роботи двигунів.

Розбіг літака виконується з відхиленим від себе штурвалом. Напрям на розбігу витримується педалями, тобто кермом напряму і поворотом коліс передньої опори.

Досягши швидкості V_R плавним і безперервним взяттям штурвалу на себе літак виводиться на злітний кут атаки і виконується відрив на швидкості на 10…15 км/год. більшою V_R.

Швидкість V_R лише на 10…15 км/ год. менше безпечної швидкості зльоту V₂ = 1,2Vзл, на якої відбувається набір висоти в злітній конфігурації літака при продовженні зльоту з одним відмовившим двигуном.

Враховуючи малу різницю швидкостей (V₂ – V_R), можна зробити висновок, що в процесі підйому передньої опори ПС до відриву набирає швидкість, близьку до V₂, чим і забезпечується безпека відриву.

Тому підйом передньої опори необхідно починати точно на приладовій швидкості V_R.

Після відриву виробляється розбіг ПС з набором висоти, так щоб до набору висоти Н = 10,7 м швидкість була не менше V₂ = 1,2Vс. На висоті не менше 5 м прибирається шасі.

На другому етапі набору L₂ швидкість необхідно збільшити до V₂ +20 км/год. і підтримувати її до висоти початку прибирання механізації крила.

Прибирання механізації крила в процесі розбігу ПС починається досягши висоти не менше 120 м на швидкості V₂ +50 км/ч.

Збільшення швидкості в процесі прибирання механізації крила повинне відбуватися так, щоб до кінця прибирання швидкість була не менш безпечною при польотній конфігурації, тобто V₄ = 1,25Vc. Слід також враховувати максимально допустимі приладові швидкості при випущеній механізації крила, не допускаючи їх перевищення.

При розбігу на ПС діють підіймальна сила –Y і сила лобового опору – X, маса – mg, і тяга – Р, сила реакції ЗПС – (N₁+N₂), яка рівна і протилежна до сили тиску коліс – (mg – Y) і сила тертя F_тр.

Величина сили тертя визначається величиною сили реакції:

N₁ + N₂ = mg – Y

і коефіцієнтом тертя f_тр, який залежить від стану поверхні ЗПС.

розбіг є прямолінійним прискореним рухом. Для створення прискорення необхідно, щоб тяга силової установки була значно більше суми сил лобового опору і сили тертя, тобто:

> ( ). (2.2.5)

При відриву підіймальна сила практично рівна злітній масі ПС, тобто:

. (2.2.6)

З цього виразу швидкість відриву V_відр визначатиметься таким чином:

. (2.2.7)

Як видно з формули, величина швидкості відриву залежить від злітної маси ПС, щільності повітря і Су_відр. При більшій масі, меншій щільності повітря і меншому коефіцієнті Су_відр швидкість відриву велика.

Якщо відома швидкість відриву V_відр і час розбігу t_розб, то середнє прискорення літака буде:

. (2.2.8)

Довжина розбігу в цьому випадку визначається за формулою:

L_р = . (2.2.9)

Середнє прискорення літака j_сер при розгоні залежить від надлишку тяги dР=Р – (Х+f_тр) і маси літака m=G/g і при більшому надлишку тяги і меншій масі літака прискорення більше, оскільки:

. (2.2.10)

Величина довжини розбігу залежить від різних експлуатаційних чинників:

а) щільність повітря. При зменшенні щільності повітря (висока температура, низький тиск, високогірний аеродром) довжина розбігу, збільшується. Це можна пояснити наступним.

По-перше, збільшується дійсна швидкість відриву (приладова швидкість постійна), по-друге, зменшується прискорення літака унаслідок зменшення надлишку тяги dР = Р – (Х+f_тр), викликаного зменшенням тяги, що розташовується.

Сума сил лобового опору і сили тертя (Х + f_тр) практично не змінюється, оскільки при зменшенні щільності на будь-якій дійсній швидкості розбігу лобовий опір і підіймальна сила зменшуються, а сила тертя збільшується унаслідок зменшення підіймальної сили.

б) злітна маса ПС. При збільшенні злітної маси довжина розбігу зростає. По-перше, при зльоті з більшою масою збільшується швидкість відриву, по-друге, значно зменшується прискорення літака j_сер. ПС з більшою масою інертніше. Крім того, на будь-якій швидкості збільшується сила тертя, а на великих швидкостях збільшується ще і опір літака. Внаслідок цього надлишок тяги і прискорення літака зменшуються.

в) механізація крила. При відхиленні закрилків і передкрилків на злеті Су_відр збільшується, а швидкість відриву і довжина розбігу зменшуються. При такому куті відхилення закрилків і передкрилків запас тягу dР і прискорення ПС практично не змінюються, тому що сума сил лобового опору і сили тертя залишається постійною, але значно зменшує довжину розбігу.

г) вітер. При зльоті із зустрічним вітром величина путньої швидкості відриву зменшується на величину швидкості вітру. Зменшення путньої швидкості відриву викликає зменшення довжини розбігу.

д) ухил злітної смуги. При зльоті із смуги, що має кут нахилу q_ЗПС, складова маси літака (mg·sinq_ЗПС,) направлена паралельно площини ЗПС.

Якщо ПС злітає під уклон, то до тяги силової установки додається складова маси (mg·sinq_ЗПС,). Отже, літак має більше прискорення і меншу довжину розбігу, і навпаки.

е) кут атаки літака. При виконанні зльоту необхідно пам'ятати, що на α_відр (Су_відр) кожній злітній масі відповідає своя приладова швидкість відриву. Якщо пілот забезпечить відрив літака на цій швидкості, то це означає, що відрив стався на розрахунковому куті атаки і довжина розбігу відповідатиме розрахунковою, по номограмі зльоту. Для забезпечення відриву літака на розрахунковій швидкості досить почати підйом передньої опори так само на розрахунковій швидкості V_R.

Вплив максимально допустимої злітної маси

Згідно [16]повний градієнт набору висоти h_пн в разі відмови одного критичного двигуна з цією масою має бути:

- на 1-м етапі набору не менше 0,5%;

- на 2-м – не менше 1,3%;

- на 3-м – не менше 3%;

- на 4-м – не менше 1,7%.

Величина повного градієнта буде забезпечена при балансуванні ПС при польоті без ковзання. Якщо балансування ПС буде з ковзанням, то опір ПС збільшиться, запас тяги dР, кут набору висоти і градієнт набору висоти зменшиться, але на величину не більш, ніж 1%, на 2-м, 3-м і 4-м етапах набору висоти, тобто чистий градієнт набору висоти h_пн на 3-м етапі має бути не менше 2% на V₂ = 1,2 Vс.

Такий метод визначення максимально допустимої маси можна пояснити наступним. Кут набору висоти визначається:

sinq_н = dР/mg = (Р – X – mg·sinq_н)/mg » tgq_н, (2.2.11)

а градієнт h_н = tgq_н ·100%.

Це означає, що градієнт набору характеризує кут набору висоти, причому, для малих кутів набору tgq_н » sinq_н. Величина запасу тяги dР, кута набору і градієнта набору висоти при польоті без ковзання визначається величиною тяги, що розташовується. При збільшенні висоти (зменшенні атмосферного тиску і температури повітря) тяга, що розташовується, і запас тяги зменшуються, отже для збереження кута і градієнта набору (sinq_н і tgq_н ·100%) необхідно зменшити масу (див. формулу (2.2.11)).

Вище було сказано, що швидкість початку підйому коліс передньої опори шасі V_R вибрана так, щоб забезпечити відрив літака на безпечній швидкості за допомогою перевищення швидкості звалювання Vc, причому V_R =1,15Vc. Безпечна швидкість початкового набору висоти в злітній конфігурації ПС при прибраному шасі V₂ = 1,2 Vc.

Розглянемо умови вибору швидкості ухвалення рішення V₁.

По-перше, ця швидкість повинна задовольняти умові

Vmin_ев < V₁ < V_R,

де Vmin_ев – мінімальна еволютивна швидкість.

В разі відмови критичного двигуна на розбігу на швидкості Vmin повинна забезпечуватися можливість лише за допомогою аеродинамічних органів управління (керма напряму) зберігати прямолінійний рух літака.

По-друге, швидкість ухвалення рішення:

V₁ = V_отк1дв + dVdt=3c.

З вираження виходить, що рішення про продовження або припинення зльоту пілот приймає не у момент відмови двигуна, а на декілька більшої швидкості.

Швидкість ухвалення рішення V₁ має бути не більше V_R, оскільки після досягнення V_R починається підйом передньої стійки шасі і через 2...3 с відбувається відрив літака від ЗПС.

Після відриву припиняти зліт забороняється тому, що не гарантується безпека посадки унаслідок великої маси літака і, головним чином, по ускладненню техніки пілотування.

Літак після відриву знаходиться на великих кутах тангажу (атаки) і під дією несиметричної тяги розвертається і крениться у бік бічного двигуна, що відмовив. Пілот відхиленням керма напряму і елеронів парирує розворот, але при зменшенні тяги двигунів для виконання посадки, унаслідок відхиленого керма літак розвертатиметься і кренитиметься у бік працюючого двигуна з одночасним зниженням і збільшенням кутів атаки.

Все це може привести до грубої посадки на одну основну опору на великих кутах атаки і з бічним ударом при злітній масі літака.

Можливо в цьому випадку і звалювання літака. Таким чином, при відмові критичного двигуна після швидкості V_R зліт необхідно продовжувати, а швидкість ухвалення рішення V₁ має бути не більше швидкості V_R,тобто V₁ ≤ V_R. Такі вимоги до вибору швидкості V₁ визначаються технікою пілотування.

Разом з цим швидкість V₁ вибирається такій, аби при відмові одного двигуна на розбігу гарантувалася безпека, як при припиненні зльоту, так і при його продовженні.

При припиненні зльоту до V₁ літак повинен зупинитися в кінці дистанції перерваного зльоту, що розташовується.

При продовженні зльоту на V₁ відрив літака повинен статися з ЗПС на розрахунковій швидкості V_відр і до кінця дистанції розбігу, що розташовується, ЗПС літак повинен пролетіти 0,5 L₁, а до кінця дистанції (продовженого) зльоту, що розташовується, набрати висоту 10,7 м і досягти швидкості V₂.

Враховуючи це, при відмові одного двигуна на розбігу до швидкості V₁ включно зліт припиняти, а на більшій швидкості обов'язково продовжувати.

Порядок виконання роботи

Як методичні рекомендації по виконанню даної роботи наводиться приклад розрахунку довжини розбігу літака Ан-24.

Вихідні дані:

- злітна маса літака - ……………m_зл = 20000 кг;

- режим роботи двигунів - …………… злітний;

- закрилки -……….……………відхилені на 15⁰;

- кут атаки при відриві …………………… 9,4⁰;

- висота аеродрому, ………………H_аер = 1000 м;

- покриття ЗПС - . ……………….сухий бетон;

- температура повітря, …………t = плюс 35 ⁰С;

- ухил ЗПС - …………… ………….1,5% вгору;

- вітер - …………… ………… зустрічний 8 м/с.

Рішення: Для визначення довжини розбігу літака за заданих умов звернемося до РЛЕ літака, де це питання рекомендується розглядати, використовуючи відповідні номограми. При цьому треба визначитися чи передбачається використовувати уприскування води у вхідні пристрої двигунів з метою підвищення їх потужності оскільки при цьому використовуються різні номограми.

Передбачимо, що вода в системі уприскування відсутня і, отже, зліт здійснюється на злітному режимі двигунів без уприскування води, а, отже, на зниженій потужності.

При цьому розбіг літака з наведеними вище вихідними даними із зниженою потужністю двигунів, що працюють на злітному режимі, буде більше подовженим, ніж розбіг при роботі двигунів на злітному режимі з уприскуванням води.

Спочатку визначимо, що дані умови зльоту (висота аеродрому і температура повітря) дозволяють здійснити нормальний розбіг і зліт літака.

З цією метою скористаємося номограмою (рис. 2.2.1).

По ординаті знаходимо задану висоту аеродрому (1000 м), вибираємо криву, відповідну температурі повітря плюс 35 ⁰С і з точки пересічення опускаємося вниз і на осі абсцис знаходимо максимальну злітну масу літака. В даному випадку вона складає 20500 кг, злітна маса в нашому прикладі складає 20000 кг, тобто фактична маса менше максимальною - розрахунковою.

Визначимо фактичну довжину розбігу літака, використовуючи поєднані номограми (рис. 2.2.2 або 2.2.3) з врахуванням висоти аеродрому, температури повітря, злітної маси літака, ухилу ЗПС, і вітру.

Використовуючи приведений «ключ» визначимо для вихідних значень розрахункову довжину розбігу, яка складе 850 м.

Для придбання навиків визначення розрахункової довжини розбігу літака, при різній злітній масі і умовах зльоту, пропонується кожному студентові виробити елементарні інженерні розрахунки з використанням вище розглянутій методики. При цьому прийняти:

- двигуни – …………… ………працюють на злітному режимі;

- закрилки – …………… ………………………випущені на 15⁰;

- ЗПС – …………… …………… ………сухе бетонне покриття;

- уприскування води в двигуни – …………… ………. відсутнє.

Варіант завдання (табл. 2.2.1) визначається викладачем. Після закінчення розрахунку, необхідно зробити висновок і оформити звіт.

Оформлення результатів роботи

Звіт повинен містити:

- вихідні дані відповідно до варіанту завдання;

- потрібні розрахунки і пояснюючі графіки і таблиці;

- виводи по забезпеченню безпечного зльоту літака.

Запитання для самоперевірки

1. Назвіть і охарактеризуйте поняття «Повна злітна дистанція».

2. Довжина розбігу літака і його етапи.

3. Поясніть поняття «Продовжений (завершений) зліт».

4. Поясніть поняття «Перерваний зліт».

5. Поясніть яка залежність довжини розбігу ПС від щільності повітря, ухилу ЗПС, швидкості вітру і злітної маси літака.

6. Поясніть поняття «Швидкість ухвалення рішення».