close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Выбор угла наклона посадочной глиссады транспортного самолета..pdf

код для вставкиСкачать
УЧЕНЫЕ
Том XXXVI
ЗАПИСКИ
ЦАГИ
2005
№3—4
УДК 629.735.33.015.077
ВЫБОР УГЛА НАКЛОНА ПОСАДОЧНОЙ ГЛИССАДЫ
ТРАНСПОРТНОГО САМОЛЕТА
В. В. СТРЕЛКОВ, Е. Е. УТКИНА
Обосновывается выбор величины угла наклона глиссады для самолета короткого
взлета и посадки (КВП) из условия обеспечения минимальной длины воздушного участка
посадочной дистанции. Учитывается наличие запаздывания в канале управления перегрузкой
и ограничений по вертикальной скорости приземления и располагаемой нормальной
перегрузке.
Сокращение посадочной дистанции транспортного самолета остается актуальной задачей,
поскольку ее решение позволяет расширить количество существующих аэродромов, пригодных
для транспортной авиации. Длина посадочной дистанции складывается из длины воздушного
участка L в.у и длины пробега L прб :
L=
L в.у + L прб .
п.д
Длина пробега зависит главным образом от посадочной скорости. Использование
высокоразвитой механизации крыла и обдув крыла с отклоненными закрылками струями
двигателей позволяют в 1.8—2 раза уменьшить длину пробега за счет уменьшения в 1.4—1.5
раза скорости захода на посадку при сохранении уровня аэродинамической подъемной силы. Для
самолета
КВП
2
с удельной нагрузкой на крыло G=
S 400 ÷ 500 кГ/м при посадочной скорости Vпос = 160 км/ч
дистанция торможения составляет
Lторм
= 250 ÷ 300 м и дистанция свободного пробега
Lс.п  100м при времени задержки включения тормозов колес шасси tз  3с. Если бы заход на
посадку осуществлялся по стандартной глиссаде с углом наклона θгл ≈ −3 , то длина воздушного
участка посадочной дистанции составила бы около 300 м, а длина полной посадочной дистанции — не менее 700 м.
Классическая схема собственно посадки [1] предусматривает прямолинейное снижение
самолета по глиссаде с высоты H пос = 15 м над входной кромкой ВПП до высоты начала
выравнивания H н.в , выравнивание самолета и затем выдерживание в горизонтальном полете,
которое заканчивается парашютированием до момента касания ВПП. В процессе снижения с
H пос до касания ВПП самолет тормозится от скорости V = Vв.к на уровне входной кромки ВПП
до посадочной скорости V = Vпос . Для сокращения длины воздушного участка посадочной
дистанции на современных транспортных самолетах используется схема посадки без этапа
выдерживания, а на самолетах палубной авиации и некоторых самолетах КВП применяется
посадка с частичным выравниванием. В последнем случае вертикальная скорость в момент
108
касания ВПП близка к скорости снижения самолета по глиссаде. Для большинства транспортных
самолетов необходим этап выравнивания перед приземлением.
Рис. 1. Выравнивание самолета перед касанием ВПП
Координаты точки приземления и нормальная к поверхности ВПП скорость касания зависят
от угла наклона глиссады, скорости захода на посадку, высоты начала выравнивания,
располагаемой перегрузки, угла уклона ВПП. Исследованию возможностей сокращения
посадочной дистанции был посвящен ряд работ, например [2], [3].
Рассмотрим процесс выравнивания самолета перед приземлением. Примем, что скорость
самолета в процессе выравнивания не изменяется V = const, и угол наклона глиссады θгл , угол
уклона ВПП θВПП и угол касания самолетом поверхности ВПП θкас (рис. 1) малы так, что
cos θгл ≈ cos θВПП ≈ cos θкас ≈ 1, sin θгл ≈ θгл , sin θВПП ≈ θВПП , sin θкас ≈ θкас . Примем также, что
угол тангажа самолета в процессе выравнивания остается постоянным. Такое движение может
быть реализовано при непосредственном управлении подъемной силой. При принятых
допущениях движение самолета в вертикальной плоскости описывается следующими
уравнениями:
t
g
θ = θгл +
∆n y dt ,
V
∫
0
t
∫
H = H 0 + V θ dt ,
(1)
0
=
L L0 + Vt ,
где L, H — координаты колес основных стоек шасси относительно точки пересечения глиссады
с поверхностью ВПП (см. рис. 1), ( L0 < 0 ) ; θ — угол наклона траектории.
Нормальная к поверхности ВПП составляющая скорости Vn определяется скоростью захода
на посадку, углами наклона глиссады и уклона ВПП, интегралом от нормальной перегрузки и
не зависит от характера изменения перегрузки по времени:
t
Vn= V θкас= V ( θ − θВПП =
) V ( θгл − θВПП ) + g ∆n y dt.
∫
0
Если допустить, что при заданном управляющем воздействии ∆n y зад =const приращение перегрузки ∆n y (t ) нарастает по апериодическому закону с постоянной времени T,
t

−
∆n y ( t ) =
∆n y зад 1 − e T



 , то


109

− t 
g

∆n y зад t − T 1 − e T   ,
V



θ = θгл +
1
H= H 0гл+ V θ t + зад
g ∆n y
2
(2)
t


−
T
T t − T  1 − e




t − зад
g ∆n y
2

 .


(3)
В случае, когда t  T , т. е. приращение перегрузки практически достигает своего заданного
значения ∆n y =
∆n y зад задолго до окончания процесса выравнивания, выражения (2), (3)
существенно упрощаются:
θ = θгл +
g
∆n y зад ( t − T ) ,
V
1
H= H 0гл+ V θ t + зад
g ∆n y
2
t − зад
g ∆n y
2
(4)
T (t − T ).
Из (4) следует, что время искривления траектории с θ = θгл до θ = θк в момент касания
ВПП равно
θк − θгл
.
g ∆n y зад
(5)
V2
1
( θк − θгл )( θк + θгл ) + TV θгл + g ∆n y задT 2 .
2 g ∆n y зад
2
(6)
t= T + V
За это время высота изменится до величины:
H к= H 0 +
Чтобы в момент времени t = tк самолет коснулся ВПП, необходимо выполнение условия:
H к = LθВПП = H 0
θВПП
V2
+
( θк − θгл ) θВПП + VT θВПП .
θгл
g ∆n y зад
(7)
Приравнивая выражения (6) и (7) и принимая во внимание, что θ к = θ кас + θ впп , получим
значение минимальной высоты начала выравнивания:
=
H 0н.в H=
θгл
θгл − θВПП
 V2
(θ

ВПП
 g ∆n y зад
(
гл− θ
2
− θ2
)кас
)
+ VT
(θ
ВПП
гл− θ
)−
1
∆n y
gкас
2

T 2 .

(8)
Минимальная дистанция «пролета» — расстояние от точки пересечения глиссады с
поверхностью ВПП до точки приземления (при принятой системе координат Lпр ≈ L) — при
этом составит
=
Lпр
1
θВПП − θгл
 V2

1
( θгл − θкас − θВПП )2 + g ∆n y задT 2  ,

2
 g ∆n y зад

(9)
а длина воздушного участка посадочной дистанции будет определяться выражением:
L=
L=
LН =15 м .
в.у
пр
(10)
Второй случай, когда выражения (2), (3) заметно упрощаются, имеет место при t  T , т. е.
к моменту окончания процесса выравнивания нормальная перегрузка не успевает достичь
110
заданного уровня. Заменяя экспоненту в выражениях (2), (3) ее разложением в ряд Тейлора,
получим следующую систему уравнений относительно неизвестных времени t, высоты начала
выравнивания H н.в и координаты точки приземления L:
g
t2 
;
∆n y зад
2T 
V

LθВПП= H н.в + Vt θгл ; 

H н.в

L
=
+ Vt ;

θгл

θк =θгл +
из которой следует:
t=
2Vt
θк − θгл
;
g ∆n y
H н.в =−Vt θгл =−V θгл 2Vt
θк − θгл
;
g ∆n y
(11)
L ≈ 0;
Однако, как видно из выражений (11), принятое условие t < T при времени запаздывания
в канале нормальной перегрузки (T ∼ 1—2 с) и располагаемых значениях нормальной перегрузки
( ∆n y ~ 0.2—0.3) выполняется при θк ≈ θгл , т. е. при посадке практически без выравнивания.
Поэтому выражения (11), полученные в предположении t < T , не представляют практического
интереса для анализа процесса выравнивания транспортного самолета.
Проанализируем более подробно выражения (8) — (10). Запаздывание в канале нормальной
перегрузки приводит к увеличению максимальной высоты начала выравнивания, однако, не
оказывает значительного влияния на минимальную длину дистанции «пролета». Этот вывод
подтверждается расчетами, выполненными по исходным уравнениям движения (1) — (3), (рис.
2). Влияние времени срабатывания по перегрузке на длину посадочной дистанции может
проявляться только через его влияние на пилотажные характеристики самолета и, следовательно,
на точность пилотирования, которая определяет размер зоны приземления.
Для оценки влияния угла наклона глиссады, а также других параметров, входящих в
выражения (8) — (10), целесообразно воспользоваться еще более простыми выражениями,
(ступенчатое приращение нормальной
полученными из (8) — (10) при условии T = 0
Рис. 2. Влияние запаздывания в канале управления нормальной перегрузкой на процесс выравнивания самолета:
V = 160 км/ч, θгл= −6°, Vy кас = 0
111
перегрузки). Тогда
2
V 2 ( θВПП − θгл ) − θкас
=
H н.в
θгл ;
2 g ∆n y
θгл − θВПП
2
V 2 ( θгл − θкас − θВПП )
=
−
θгл ;
2 g ∆n y
θгл − θВПП
(12)
2
Lпр
2
( θгл − θк )2
(13)
H
V
−
− пос ,
Lв.у =
2 g ∆n y θгл − θВПП
θгл
где θк = θкас + θВПП — угол наклона траектории в момент касания самолетом поверхности ВПП.
Очевидно, что расширение диапазона допустимых нормальных к поверхности ВПП
скоростей приземления и увеличение располагаемой перегрузки приводит к уменьшению
минимальной высоты начала выравнивания, сокращению минимальной дистанции «пролета» и
длины воздушного участка посадочной дистанции. Результаты расчетов минимальной дистанции
«пролета» и минимальной высоты начала выравнивания в зависимости от заданной нормальной к
поверхности ВПП составляющей скорости приземления и располагаемого приращения
( )
перегрузки удобно представлять на плоскости H н.в Lпр (рис. 3).
Дистанция «пролета» Lпр — монотонно возрастающая функция угла наклона глиссады,
в то время как длина воздушного участка посадочной дистанции Lв.у , которая непосредственно
определяет требуемую длину посадочной полосы, достигает своего минимума при некотором
0 и θВПП =
0, то
угле наклона глиссады θ∗гл . Если θк =
θ∗гл =
−
1
2 g ∆n y H пос .
V
С увеличением используемых для выравнивания приращений нормальной перегрузки и
уменьшением V минимум функции L в.у ( θгл ) смещается в сторону больших углов наклона
глиссады. Например, при V = 160 км/ч, H пос = 15 м и ∆n y =
0.2 оптимальный по условию
минимума длины посадочной дистанции угол наклона глиссады составляет θ∗гл = −7 ÷ −12°, а
Рис. 3. Влияние угла наклона глиссады на длину дистанции «пролета» Lпр и
минимальную высоту начала выравнивания Hн.в (V = 160 км/ч, θВПП = 0)
112
соответствующая
длина
воздушного
участка
посадочной дистанции Lв.у ≈ 150 м при допустимой
вертикальной скорости приземления Vn кас = 1 — 2 м/с
(рис. 4).
Анализ выражения для θ∗гл показывает, что
увеличение
крутизны
посадочной
глиссады,
предпочтительное для уменьшения шума двигателей
на местности, снижения уязвимости самолета в
условиях применения противником наземных
средств поражения и сокращения требуемой длины
ВПП, сдерживается только уровнем располагаемых
перегрузок.
Однако
ограничение
величины θгл связано не только и, возможно, не столько
с располагаемыми приращениями нормальной
перегрузки,
сколько
с
условиями
силовой Рис. 4. Влияние угла наклона глиссады на длину
воздушного участка посадочной дистанции Lв.у
балансировки самолета на глиссаде.
(Vз.п = 160 км/ч, Hпос = 15 м)
Во-первых, существует чисто аэродинамическая
задача обеспечения низкого аэродинамического
качества самолета с работающими двигателями, необходимого для балансировки самолета на
крутой глиссаде:
K=
Σ
c yΣ
cxΣ
≈−
1
,
θгл
где c yΣ , cxΣ — коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления с учетом работающих
двигателей.
Для захода на посадку по глиссаде с углом наклона θгл ≈ −12 ° самолет с работающими
двигателями должен бы иметь
=
K Σ c yΣ cxΣ ≈ 5 при уровне коэффициента подъемной силы
c yΣ  3 ÷ 3.5. У современных самолетов КВП традиционной аэродинамической компоновки
K Σ ≈ 10 ÷ 13, что обеспечивает возможность захода на посадку по глиссаде не круче, чем
θгл ≈ −5 ÷ −7°.
Во-вторых, при заданном посадочном угле атаки α з.п , определяемом из соображений
безопасности полета, увеличение крутизны посадочной глиссады приводит к уменьшению
балансировочного угла тангажа:
ϑбал = α з.п + θгл − ϕкр ,
где ϕкр — угол установки крыла.
Во избежание приземления на переднюю стойку шасси и необходимости значительной
перебалансировки самолета по тангажу на этапе выравнивания представляется
нецелесообразным на заключительном этапе снижения по глиссаде совершать полет с большим
отрицательным углом тангажа. Зарубежные самолеты КВП, рассчитанные на посадку
практически без этапа выравнивания, балансируются на глиссаде с углом тангажа, близким к
посадочному ϑбал ~ 0 . Угол наклона посадочной глиссады для них оценивается величиной
(
)
θгл ~ − α з.п − ϕкр , что при α з.п ~ 9 ÷ 10° и ϕкр ≈ 3° составляет θгл ≈ −6 ÷ −7°.
И наконец, в-третьих, уменьшение скорости захода на посадку и увеличение крутизны
посадочной глиссады с целью сокращения длины посадочной дистанции приводят к
существенному изменению собственных характеристик устойчивости и управляемости самолета,
113
Рис. 5. Влияние угла наклона глиссады на длину воздушного участка Lв.у и
минимальную высоту начала выравнивания Hн.в (V = 160 км/ч, θВПП = 0)
Рис. 6. Влияние угла наклона глиссады на продолжительность процесса выравнивания
и дистанцию «пролета» (V = 160 км/ч, θВПП = 0)
сбалансированного на крутой глиссаде, по сравнению со случаем захода на посадку по
стандартной глиссаде.
На рис. 3 показано влияние угла наклона глиссады на длину дистанции «пролета» и
минимальную высоту начала выравнивания. При одинаковой располагаемой перегрузке и
нормальной к поверхности ВПП скорости приземления Vn заход на посадку по более крутой
глиссаде требует начала выравнивания на бó льшей высоте и приводит к увеличению дистанции
«пролета». Однако переход к более крутой посадочной глиссаде при прочих равных условиях
позволяет заметно сократить длину воздушного участка посадочной дистанции. Например, в
случае захода на посадку по глиссаде с углом наклона θгл =−6° при Vn = −1.5 м/с и
располагаемых приращениях нормальной перегрузки 0.1 < ∆n y < 0.3 выигрыш в длине
воздушного участка посадочной дистанции составляет ∼80—120 м по сравнению с заходом на
посадку по глиссаде θгл =
−3.5° (рис. 5). При рассматриваемых углах наклона посадочной
глиссады θгл ≤ 10° и скорости захода на посадку V = 160 км/ч увеличение максимального
располагаемого приращения нормальной перегрузки свыше ∆n y = 0.2 ÷ 0.3 нецелесообразно, так
как не оказывает существенного влияния на сокращение длины дистанции «пролета».
Время полета с минимальной высоты начала выравнивания до касания ВПП определяется
в соответствии с выражением (5). Выравнивание с более крутой глиссады так же, как и
выравнивание при посадке на полосу с уклоном, противоположным направлению захода на
114
Рис. 7. Влияние угла уклона ВПП на минимальную высоту начала выравнивания и дистанцию
«пролета» (V = 160 км/ч, θгл = 3.5°)
Рис. 8. Траектории выравнивания самолета при наличии отклонений от номинальной глиссады
в момент начала выравнивания
посадку, требует бó льшего времени при одинаковых располагаемых приращениях перегрузки и
допустимых максимальных нормальных к поверхности ВПП скоростях приземления (рис. 6).
Быстро протекающий процесс выравнивания с минимальной высоты начала выравнивания
занимает без учета времени запаздывания в канале перегрузки около одной секунды при
θгл =
−3.5° и около двух секунд при θгл =−6° ( Vn = −1.5 м/с, 0.1 < ∆n y < 0.2, θВПП =
0 ).
Минимальная высота начала выравнивания и координаты точки приземления существенно
зависят от угла уклона ВПП. Из выражений (12), (13) видно, что если θВПП = θгл − θкас , то
необходимость в выравнивании отсутствует; точка приземления совпадает с точкой пересечения
глиссадой поверхности ВПП. Для посадки с заданной нормальной к поверхности ВПП
составляющей посадочной скорости на полосу с углом, совпадающим с направлением захода на
посадку, требуются меньшие перегрузки, чем при посадке на ВПП со встречным уклоном. При
заданных располагаемой перегрузке и ограничении скорости приземления увеличение угла
встречного уклона полосы приводит к увеличению минимальной высоты начала выравнивания и
дистанции «пролета» (рис. 7).
Оценим величину зоны приземления в зависимости от отклонений самолета по высоте ∆H
и дальности ∆L в момент начала выравнивания, задавшись следующей моделью процесса
выравнивания: при снижении самолета по глиссаде на заданной минимальной высоте H 0 ,
которой соответствует дальность L ≈ H 0глθ , создается заданная перегрузка ∆n y зад , затем с
момента достижения определенной скорости снижения и до касания ВПП выдерживается
115
вертикальная скорость (рис. 8). Очевидно, что размер зоны приземления при такой постановке
задачи составит:
Lз.пр ≈ 2∆L +
(
)
2∆H − Lпр + 2∆L θВПП
θкас
.

∆H 
При θВПП =
0 имеем Lз.пр ≈ 2  ∆L +
 , т. е. разброс точек приземления в первом
θкас 

приближении не зависит от угла наклона глиссады, а определяется, в основном, допустимой
вертикальной скоростью приземления.
Таким образом, показано, что одним из эффективных путей сокращения длины посадочной
дистанции самолета при достигнутом уровне подъемной силы и соответствующей скорости
захода на посадку является увеличение угла наклона посадочной глиссады. При скорости захода
на посадку Vз.п ≈ 160 км/ч и допустимой вертикальной скорости касания ВПП V y кас ≈ −1.5 ÷ −2
м/с
оптимальный
угол
наклона
глиссады
оценивается
величиной
θгл opt = −8 ÷ −12°.
Теоретический выигрыш в длине воздушного участка посадочной дистанции составляет около
50% по сравнению со случаем захода на посадку по стандартной глиссаде. Для самолета
традиционной компоновки максимальный угол наклона посадочной глиссады ограничен
условиями силовой балансировки самолета и оценивается величиной θгл max = −5 ÷ −7°. При этом
выигрыш в длине воздушного участка посадочной дистанции незначительно уступает
теоретически возможному при оптимальном угле наклона глиссады.
ЛИТЕРАТУРА
1. К о т и к М. Г. Динамика взлета и посадки самолетов. — М.: Машиностроение. —
1984.
2. Ф е д о р о в Л. П., Ч е р н а в с к и х Ю. Н.
Исследование возможностей
уменьшения посадочной дистанции самолетов // ТВФ. — 1979, № 4 (491).
3. И р о д о в Р. Д., М е д в е ж н и к о в а Л. А. Расчет взлетной и посадочной
дистанций самолета с высокой тяговооруженностью и эффективными средствами
торможения
//
ТВФ. — 1988, № 8 — 9 (576 — 577).
_________________
Рукопись поступила 9/VI 2003 г.
116
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
21
Размер файла
510 Кб
Теги
посадочного, угла, выбор, pdf, самолет, наклона, транспортной, глиссаде
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа