Методология формирования обликовых эксплуатационно-технических характеристик высокоэффективных самолетов нового поколения (стр. 4 )

Рис. 4. Диаграмма распределения рисков выкатывания при посадке самолетов.

При выполнении взлета самолета следует постоянно учитывать возможность отказа двигателя, и при этом экипаж должен быть готов к своевременным действиям в случае такого отказа. Международные авиационные правила предписывают, что в процессе взлета необходимо учитывать минимальную эволютивную скорость разбега , при которой, в случае отказа критически важного для продолжения полета двигателя, возможно управление самолетом для продолжения взлета с использованием одних аэродинамических рулей, обеспечивающее безопасное продолжение взлета.

Не допускается, чтобы длина траектории движения самолета от точки, где произошел отказ двигателя, до точки восстановления его движения параллельно оси ВПП превышала 9 м (30фт) даже на ВПП, покрытой слякотью. По нормативам FAR и PART экипаж в течение 1 сек. при разбеге самолета должен определить, что произошел отказ двигателя и в течение 2 сек. принять меры (применение тормозов, уменьшение тяги двигателя, включение аэродинамических тормозов), что является на грани человеческих возможностей.

При отказе двигателя на взлете не допускается угол крена взлетающего самолета более 50 и в полете – не более 200. Экипаж при скоростях взлета до 300 км/ч изначально попадает в экстремальные условия эксплуатации с самым высоким уровнем риска.

На самолетах нового поколения не должен потенциально возникать разворачивающий момент при отказе двигателя или нескольких двигателей, а также должна быть обеспечена возможность длительного планирования самолета при отказе всех двигателей.

Анализ безопасности полетов показал, что одной из ошибок экипажа является вывод самолетов на режимы сваливания. Самолеты нового поколения должны иметь более совершенную конструкцию, позволяющую совершать маневры со значительно меньшими скоростями сваливания (Vсв.), создавая незначительные риски, компенсируя ошибочные действия экипажа

, (6)

где: - скорость, соответствующая максимальному коэффициенту

подъемной силы ;

n – перегрузка, направленная перпендикулярно траектории полета при , определяемая по формуле

, (7)

где: Y – подъемная сила; m – масса самолета.

, (8)

Нормативами отечественных и западных производителей введены геометрические ограничения, предупреждающие удары фюзеляжа о поверхность ВПП при больших углах атаки на взлете или посадке, которые зависят от длины фюзеляжа. Например, самолет А-320 имеет длину 38 м – зафиксировано 3 случая; А-340 имеет длину 70 м – зафиксировано 14случаев.

Самолеты нового поколения должны иметь длину или форму фюзеляжа, позволяющего снять эти ограничения.

Если взлет прерван, тормоза должны за счет максимальной кинетической энергии торможения принять на себя нагрев и износ на каждом колесе самолета в допустимом диапазоне. В итоге скорость, на которой возможна полная остановка самолета (Vост.), при данной взлетной массе, ограничена максимальным значением скорости, соответствующей максимально допустимой кинетической энергии торможения (Vкин торм max), т. е.

, (9)

ограничена конструкцией шасси самолета, и в первую очередь, его массой. На самолетах Ту-154 установлена тележка шасси с тремя парами колес, на самолетах А-320, В-737-200 – тележка с одной парой колес. В первом случае экономическая эффективность самолета более низкая, однако, шасси способны выдержать более высокие скорости торможения и самолеты могут садиться и взлетать с минимальными рисками на менее приспособленные ВПП.

В работе представлены материалы исследования допустимых дистанций прерванных взлетов, рис. 5.

На этапе набора высоты рассмотрены ограничения для экипажа при пролете препятствий. Представлены вертикальные запасы расстояния между самолетом и каждым препятствием на траектории взлета и набора высоты.

Установлено, что минимальная допустимая высота пролета препятствий с отказавшим двигателем составляет 10,5 м (35 фт) с дальнейшим усложнением ситуации, связанным с изменениями конфигурации, тяги и массы самолета, что может приводить к повышенным рискам производства полетов.

Рис. 5. Нормативная дистанция прерванного взлета

самолетов классической схемы.

Самолеты нового поколения должны иметь большие запасы по пролету препятствий и максимальные градиенты набора высоты эшелонирования.

Далее в работе представлена схема допустимого разворота при взлете на аэродромах, имеющих препятствия. Представлены потери градиента набора высоты при развороте γ в процентах

, (10)

где: R – тяга двигателя; m – масса самолета; lкр – размах крыльев; Lф – длина фюзеляжа; nz – перегрузка.

В правилах PART и FAR вводится ограничение - «взлетный конус», представляющее собой область, окружающую траекторию взлета, в пределах которой должен обеспечиваться пролет всех препятствий, проектируемых на заданную линию пути.

В разделе работы – «эшелонирование» представлена проблема, стоящая перед мировым авиационным сообществом, – увеличение пропускной способности воздушного пространства. За десять последних лет по интенсивности самолето-вылетов лидируют: регион Северной Америки – 42%; Европа – 29%; Азия, Австралия – 17%.

За пять лет в Северной Америке произошло 32 столкновения, в Европе – 33, в Азии и Австралии – 41. По данным Евроконтроля только в 2000 году над государствами – членами Евроконтроля произошло 1200 опасных сближений в воздухе.

Уплотнение воздушного пространства усложняет ситуацию для экипажей. В 2002 году над Европой введено сокращенное эшелонирование, и в том же году над Боденским озером произошла катастрофа Ту-154М и В 757-200.

Европейским сообществом и США разработана дорогостоящая система обеспечения безопасности полетов SESAR и NextGen для полетов самолетов классической схемы, однако, будущее развитие гражданской авиации только за созданием высотных пассажирских самолетов нового поколения с высоким аэродинамическим качеством, способных летать на незагруженных эшелонах свыше 12 км, исключающих полеты в грозовых облаках и зонах обледенения.

В разделе «влияние экстремальных внешних условий на сохранение летной годности самолетов» даны характеристики функционирования системы «оператор – внешняя среда – самолет».

Наиболее существенное воздействие на данную систему оказывает сочетание низких температур, высокой влажности и больших скоростей воздушных масс.

По результатам анализа реальных условий эксплуатации самолетов в зонах Крайнего Севера и Арктики проведена количественная оценка степени влияния климатических факторов на надежность оборудования самолетов, низкий уровень которой создает дополнительные трудности для авиационного персонала.

В результате исследования установлено, что ряд систем, агрегатов и оборудования неустойчивы к нормальному функционированию при экстремальных внешних воздействиях. Для оценки влияния этих условий в работе предложен численный критерий устойчивости самолета и его систем (Kуст.)

, (11)

где: - количество отказов при эксплуатации самолета в нормальных условиях воздействия внешней среды, при этом нормальными условиями считаются летние месяцы;

- количество отказов при эксплуатации в экстремальных условиях; - налет в нормальных условиях;

- налет в экстремальных условиях;

m – рассматриваемый период времени.

Физический смысл данного критерия заключается в оценке фактической работоспособности самолета в нормальных и экстремальных условиях. На основании отличительных признаков, характеризующих реальные условия эксплуатации и принятого критерия, предложены рекомендации по формированию обликовых характеристик новых типов самолетов и управлению их надежностью с учетом степени ее влияния на безопасность полетов и эффективность эксплуатации с учетом будущего рассматриваемого региона эксплуатации.

Одной из серьезных рассматриваемых в работе проблем повышения безопасности полетов является предупреждение повреждения двигателей из-за попадания посторонних предметов, особенно при взлете. По статистике каждый второй двигатель снят досрочно по этой причине. В Российской Федерации степень износа некоторых искусственных ВПП достигает 80%, при этом риски повреждения двигателей значительно возросли. В настоящее время отсутствуют самолеты, имеющие полную защиту двигателей от попадания в них посторонних предметов. Особенно этому подвержены самолеты, имеющие двигатели с большой степенью двухконтурности. Требуется создание новых конструкций самолетов, исключающих попадание в двигатели посторонних предметов.

В Главе 3 представлена методология формирования облика создаваемых перспективных высокоэффективных самолетов гражданской авиации, позволяющая перевести авиационно-транспортную систему гражданской авиации на качественно новый уровень функционирования.

Методология включает в себя модели, методы и научно-практические рекомендации.