Глава 5. Визначення розмірів льотних смуг аеродромів 5.1. Принципи визначення довжини льотних смуг

Довжина льотних смуг (ЛС) встановлюється з умови безпеки зльоту і посадки повітряних суден. Тому довжина льотних смуг залежить головним чином від льотно-технічних характеристик повітряних суден. Важливе значення мають стан атмосфери в районі аеродрому, поздовжній ухил і стан поверхні ЗПС. Визначення довжини льотних смуг проводиться теоретичним і дослідно-теоретичним методами. Теоретичний метод дозволяє визначати довжину ЗПС, застосовуючи закономірність аеродинаміки повітряного судна. При використанні цього методу необхідно знати ряд факторів, що відбиваються на умовах руху повітряного судна в приземному шарі повітря. Достовірність деяких з них обмежена, внаслідок чого точність теоретичного методу не слід переоцінювати.

У практиці проектування аеродромів велике поширення отримав дослідно-теоретичний метод, при якому окремі елементи зльоту і посадки беруть за матеріалами льотних випробувань, які наводяться до стандартних атмосферних умов. Місцеві умови конкретного аеродрому, середня кваліфікація льотного складу враховуються за допомогою ряду поправочних коефіцієнтів.

Розглянемо принципи визначення довжини льотних смуг за цими методами .

Величину зльотно-посадкових дистанцій визначають з умови руху повітряного судна по аеродрому і в повітрі. Рух повітряного судна по аеродрому і в повітрі підкоряється загальним законам аеродинаміки і визначається співвідношенням сил: сили тяжіння літака , підйомної сили , сили тяги , лобового опору повітря , інерційного опору і опору кочення коліс при русі літака по аеродрому.

Візьмемо систему координат, при якій вісь спрямована в напрямку руху літака, а вісь - перпендикулярна до неї (рис. 5.1). Для прямолінійного руху літака по аеродрому необхідно:

а) рівність нулю проекцій на вісь о-у усіх сил, що діють на літак, тобто

де - сума проекцій сил (на вісь ), що діють на літак;

б) рівність проекцій на вісь сил, що діють на літак, інерційному опору літака, тобто

де - сума проекцій сил (на вісь ), що діють на літак.

Рис. 5.1. Схема сил, що діють на літак при русі його по аеродромі.

Після підстановки в основні рівняння рівноваги (5.1) і (5.2) виразів сил, що діють на літак, отримаємо:

Сила тяжіння дорівнює повній зльотній вазі повітряного судна. Підйомна сила виникає від різниці швидкостей обтікання верху і низу рухомого крила зустрічним потоком, в результаті чого повітряний тиск над крилом стає менше, ніж під крилом. Підйомну силу визначають за формулою аеродинаміки

де - щільність повітря; - швидкість руху повітряного судна; - площа крил; - безрозмірний коефіцієнт підйомної сили, що залежить від профілю та обрису крил у плані та кута зустрічі крила з повітряним потоком (кута атаки); величину коефіцієнта визначають експериментально продувкою моделі літака в аеродинамічній трубі.

Лобовий опір повітря руху повітряного судна

де - безрозмірний коефіцієнт лобового опору літака, який визначається експериментально; він дорівнює сумі коефіцієнтів повітряних опорів всіх частин літака, віднесених до площі крила.

Опір коченню коліс повітряного судна з льотної смузі

де - коефіцієнт опору коченню коліс. Інерційні опори відповідно до закону Ньютона залежать від маси повітряного судна та прискорення його руху, тобто

де - маса повітряного судна; - прискорення руху повітряного судна.

Сила тяги залежить від конструкції повітряного судна, двигунів і швидкості руху.

Мінімальну швидкість польоту, при якій повітряне судно тримається в повітрі, можна знайти з першого рівняння рівноваги (5.3), тобто

Звідки або ,

отже,

Відношення називають питомим навантаженням на крило. З формули (5.8) випливає, що чим більше питоме навантаження на крило, тим більша швидкість необхідна для відриву повітряного судна від льотної смуги і польоту.

Рис. 5.2. Етапи траєкторії зльоту літака: І – розбіг; ІІ – розгін з набором висоти; ІІІ – взлітна дистанція.

Розглянемо умови зльоту і посадки повітряного судна.

Зльотом називають прискорений рух повітряного судна від початку розбігу до набору висоти з мінімальним значенням вертикальної складової швидкості підйому.

Зліт сучасних пасажирських реактивних повітряних суден складається з двох етапів: розбігу і розгону з набором висоти (рис.5.2). Розбіг здійснюється по поверхні льотної смуги до досягнення необхідної швидкості відриву , при якій підйомна сила врівноважує вагу злітаючого повітряного судна. Відстань, що пройдена ним по поверхні льотної смуги від початку розбігу до відриву, називають довжиною розбігу. Наприкінці розбігу літак відривається від льотної смуги, переходить до підйому з одночасним розгоном, збільшуючи швидкість і набираючи висоту. Відстань, яку проходить літак від початку розбігу до висоти 10 м над рівнем льотної смуги, називають зльотною дистанцією.

Для гвинтомоторних і турбогвинтових повітряних суден картина зльоту дещо інша, ніж для реактивних повітряних суден. Вони в кінці розбігу відриваються від льотної смуги і переходять на етап витримування поблизу льотної смуги з поступовим незначним збільшенням висоти. На етапі витримання повітряне судно розганяється до швидкості, яка необхідна для набору висоти, і переходить до підйому з набором висоти.

Для визначення величини зльотної дистанції необхідно обчислити довжини розбігу і розгону з набором висоти. Довжину розбігу визначають за рівнянням руху повітряного судна по горизонтальній поверхні льотної смуги:

Підставляючи в це рівняння значення вхідних у нього величин, після ряду перетворень можна отримати формулу для обчислення величини прискорення, що розвивається при розбігу, необхідного для визначення довжини розбігу. Для спрощення пропонується розраховувати дистанцію розбігу виходячи із середньої величини прискорення , що визначається для середніх значень коефіцієнтів і сил для всього шляху розбігу:

де - тяга двигунів при швидкості, що дорівнює нулю; - відносна тяга двигунів (тяговоозброєність повітряного судна); - коефіцієнт, що враховує зміну тяги двигунів залежно від швидкості на дистанції розбігу повітряного судна; - наведений коефіцієнт тертя, що характеризує опір руху повітряного судна з льотної смузі в результаті повітряного опору і опору коченню коліс;

Довжину розбігу з урахуванням середньої величини прискорення визначають за формулою аеродинаміки:

де - швидкість відриву повітряного судна.

Якщо розбіг проходить при наявності вітру та ухилу льотної смуги, довжина розбігу

де - проекція швидкості вітру на напрям руху повітряного судна; - некомпенсований ухил поверхні, льотної смуги на дистанції розбігу; знак мінус приймають при зустрічних вітрі і ухилі, знак плюс - при попутних.

Довжина ділянки розгону з набором висоти наближено визначається за формулою:

де - швидкість взльоту повітряного судна; - середнє прискорення повітряного судна при розгоні, обумовлене аналогічно формулі для розбігу.

Наведені вище формули для розрахунку елементів колії зльоту дозволяють визначити довжину зльотної дистанції:

При заході на посадку повітряне судно виходить на пряму, що збігається з віссю ЗПС. Траєкторію польоту при посадці можна розбити на чотири етапи: планування, вирівнювання, витримування і пробіг (рис. 5.3).

Перший етап польоту при посадці - планування. Планування зі зниженням починається при підході повітряного судна до аеродрому і триває до висоти 15 м. Траєкторія зниження його на етапі планування називається глісадою планування. Потім повітряне судно переходить на другий етап - вирівнювання, тобто на процес плавного виведення від планування до витримування над льотної смугою. Вирівнювання закінчується на висоті близько 1 м, після чого починається перехід до третього етапу посадки - витримуванню, при якому повітряне судно рухається паралельно льотної смузі на висоті приблизно 1 м з поступово сповільненою швидкістю.

Рис. 5.3. Етапи траєкторії польоту літака при посадці: І – планування по глісаді; ІІ – вирівнювання; ІІІ – витримування; IV – пробіг; V – посадкова дистанція.

Зменшення швидкості викликає зменшення підйомної сили, і, коли підйомна сила стане рівною вазі повітряного судна або трохи менше, воно починає парашутувати - знижуватися до моменту приземлення з торканням колесами об поверхню льотної смуги. Після торкання починається четвертий етап посадки - пробіг, тобто уповільнений прямолінійний рух повітряного судна до повної зупинки. Відстань, що пройдена ним від моменту торкання коліс поверхні льотної смуги до зупинки, називається довжиною пробігу.

У сучасних реактивних повітряних суден траєкторія польоту при посадці може не включати етапу витримування. Після наближення до висоти 15 м наступає етап вирівнювання, а потім приземлення і пробіг. Відстань від початку етапу вирівнювання, при якому висота повітряного судна над рівнем ЗПС дорівнювала 15 м, до кінця пробігу називається посадкової дистанцією. Для визначення посадочної дистанції необхідно обчислити окремі ділянки руху повітряного судна при посадці.

Довжина ділянки планування з висоти

де - кут планування повітряного судна.

Довжина ділянки вирівнювання

де - швидкість на початку вирівнювання; - швидкість в кінці вирівнювання, яка дорівнює швидкості наступного етапу - витримування; - тривалість вирівнювання.

Довжина ділянки витримування

де - швидкість на початку витримування; - посадочна швидкість, тобто швидкість у момент торкання льотної смуги; - величина аеродинамічної якості повітряного судна при кутах атаки на витриманні.

Довжину пробігу повітряного судна визначають виходячи з рівняння руху при пробігу по горизонтальній поверхні льотної смуги:

Підставляючи в це рівняння значення вхідних у нього величин і виконуючи нескладні перетворення, можна визначити величину негативного прискорення при пробігу:

де - посадкова вага повітряного судна, що приймається при розрахунках з урахуванням мінімального запасу палива в баках; - аеродинамічний лобовий опір; - сумарний опір коченню загальмованих і незагальмованих коліс шасі на пробігу.

Довжину пробігу можна визначити за наближеною формулою

де - середньозважений коефіцієнт зчеплення для коліс повітряного судна (для бетонної поверхні коефіцієнт зчеплення змінюється від 0,10 до 0,18).

Довжина пробігу залежить від характеру ухилу льотної смуги. При попутному ухилі смуги довжина пробігу збільшується, а при зустрічному зменшується. При врахуванні ухилу формула для визначення довжини пробігу набуває такого вигляду:

Знак плюс при відноситься до зустрічного ухилу, а знак мінус - до попутного.

Загальна величина посадкової дистанції

Розміри ЗПС і КСБ, що обчислені за викладеною вище методикою, істотно залежать від метеорологічних факторів і місцевих умов.

Температура і тиск повітря, поздовжній профіль, стан поверхні ЗПС для різних місцевих умов змінюються в широких межах. У результаті зльотні і посадкові дистанції повітряних суден також різні.

Тому при визначенні розмірів льотних смуг виходять з стандартних умов. У технічних описах повітряних суден їх зльотні і посадкові дистанції дають щодо цих стандартних умов, що відповідають так званій міжнародній стандартній атмосфері.

Стандартна атмосфера має такі характеристики на рівні моря:

а) щільність ідеально сухого повітря ;

б) температура повітря ;

в) тиск повітря ;

г) закон падіння температури по висоті (до висоти над рівнем моря ) ;

д) спокійний стан повітря - штиль;

е) показники поверхні льотної смуги: поздовжній ухил поверхні льотної смуги дорівнює нулю ( ); суха поверхня цементобетонної ШЗПС.

Стандартні умови прийняті за основу при визначенні довжин ЗПС і КСБ для різних класів аеродромів. Ці довжини є мінімальними для даного класу аеродрому. При визначенні злітно-посадкових дистанцій конкретного аеродрому враховують місцеві умови розташування аеродрому, що називають розрахунковими.

Таким чином, при вирішенні завдань, що пов'язані з визначенням розмірів льотних смуг, розрізняють: мінімальну довжину льотної смуги, що визначає клас аеродрому; довжину льотної смуги, що забезпечує безпеку злітно-посадкових операцій заданого типу літака в стандартних умовах; довжину льотної смуги, що забезпечує безпеку злітно-посадкових операцій заданого типу літака в розрахункових (місцевих) умовах.