 |
Аэродинамические и динамические особенности надежности работы авиационной системы
|
|
|
|
Ваулин В.И.
Б езопасность полетов определяется как совокупность свойств авиационной системы, обеспечивающих выполнение полетов без авиационных происшествий. Под авиационной системой понимается совокупность воздушных судов, экипажей, сил и средств управления и обеспечения полетов, объединенных структурно и функционально в интересах выполнения полетов. Функционирование всех элементов авиационной системы должно обеспечить ее надежность. Надежность авиационной системы – это свойство, выражающее ее способность функционировать без сбоев и отказов в заданных условиях в течение определенного времени. Структурно авиационная система состоит из элементов: воздушное судно, экипаж (оператор), технические средства управления и обеспечения полетов. В полёте значения параметров системы «экипаж-воздушное судно» постоянно изменяются под действием различных причин. Эта динамика, прежде всего, обусловлена деятельностью лётчика, направленной на выполнение полётного задания и действиям факторов полета, что и обуславливает важность надежного функционирования элемента авиационной системы «экипаж-воздушное судно».
Анализ инцидентов и летных происшествий свидетельствует, что модернизация авиационной техники, широкий спектр задач, выполняемый летчиками государственной авиации, определил появление ряда факторов влияющих на исход полета: аэродинамических и динамических особенностей - балансировки вертолета при различной заправке топлива, экранирующих поверхностей, потоков ветра, подкрутка несущего винта воздушным потоком и тд.; техники пилотирования - методики захода на посадку, смещений по курсу при посадке, резкая работа органами управления и тд.; работы авиационной техники - приемистости двигателей, работа автоматики совместно с несущим винтом и дополнительных устройств ограничения и тд.; психофизиологических - утомляемость и запаздывание реакции летчика на отклонение, подготовленность и способность летчика оценить сложную воздушную обстановку и тд., которые являются причиной попадания летного состава в критические режимы полета вертолета.
|
|
|
ВЕРТОЛЕТОМназывается летательный аппарат, способный к вертикальным взлету и посадке, подъемная сила которого создается одним или несколькими несущими винтами (НВ). Полет вертолета определяется возможностью создания тяги винта, изменение направления тяги которой обеспечивает полет вертолета.
Т = (33,25 h ° N е x м D нв Ö∆)2/ 3
Формула Н.Е.Жуковского показывает зависимость тяги винта от потребной и располагаемой мощности, на которые влияют факторы: высоты полета; температуры наружного воздуха; массы вертолета. Кривые потребной и располагаемой мощностей для горизонтального полета (кривые Н. Е. Жуковского) позволяют отметить, что наименьший запас мощности для выполнения полета имеется на малых скоростях полета. Поэтому на взлете и посадке вертолет может попасть в критические режимы малых скоростей: снижение в режиме "вихревого кольца", неуправляемое вращение, неуправляемое снижение, штопор.
Висение, взлет и посадка являются наиболее сложными режимами полета по условиям пилотирования вертолета, которые характеризуются: задействованием практически всех его рычагов управления (РУ), причем в строго координируемом летчиком порядке их использования; непрерывным (при взлете и посадке) изменением скорости полета, углового положения вертолета относительно земли; стремлением вертолета к разбалансировке, вызванной изменением (вплоть до предельных значений) подводимой к НВ мощности силовой установки; влиянием направления и силы ветра, параметров атмосферы на мощность силовой установки.
|
|
|
Анализ балансировочных кривых позволяет сделать вывод, что наименьший запас поперечного управления вправо соответствует режимам висения и малых скоростей полета при ветре справа. Минимальный запас путевого управления по правой педали соответствует режиму висения с ветром слева или перемещению влево. При ветре справа (перемещении вправо) направление ветра совпадает с направлением тяги рулевого винта (РВ), при этом на РВ возникает режим вихревого кольца. Когда вертолет становится правым бортом к ветру, то рулевой винт попадает в вихри несущего винта. При перемещении вертолета вправо со скоростью V z = 15…30км/ч требуется большее отклонение правой педали. Уменьшение отклонения правой педали при Т рв = const начинается при скорости перемещения 35 км/ч, т.е. при скорости ветра справа 10 м/с и более. При дальнейшем увеличении V z винт начинает работать на срывных режимах и его тяга снова уменьшается. При уменьшении плотности воздуха требуется больший общий шаг несущего винта и соответственно шаг рулевого винта, то есть запас путевого управления по правой педали уменьшается. Кроме того, запас путевого управления по правой педали ограничивается величиной предельной взлетной массы в соответствующих условиях полета. Поскольку балансировочное положение правой педали возрастает с увеличением взлетного веса, температуры воздуха, высоты площадки висения над уровнем моря, то возможна ситуация, при которой необходимое приращение балансировочного положения правой педали из-за наличия ветра не возможно будет реализовать – педаль встанет на упор. Как свидетельствует летная практика, неучет летчиком данных особенностей приводит к попаданию вертолета в неуправляемое вращение и штопор.
Исследования показывают, что висение вертолета на высотах менее диаметра НВ считается работой вблизи земли. При висении на таких высотах в штиль индуктивный поток от НВ, дойдя до поверхности земли, растекается вдоль нее в стороны от вертолета. Вертолет висит при этом достаточно устойчиво. При висении с ветром или перемещениях с малыми путевыми скоростями у земли формируется так называемый приземный вихрь (Рис.1.), получивший название так же дугообразного, от своей формы при виде на НВ в плане. Данный вихрь формируется в основном за счет мощных концевых вихрей лопастей НВ, поэтому направление вращения потока в приземном вихре такое же, как у концевых вихрей. Дугообразный вихрь имеет высокую интенсивность и индуцирует возле вертолета сильно переменное поле скоростей. Исследования показывают, что на высотах полета менее 1,5 радиуса НВ дугообразный вихрь может оказывать заметное влияние на аэродинамику НВ и РВ вертолета.
|
|
|
Рис.1. Схема взаимовлияния хвостового винта с вихрями от несущего винта на режиме висения при наличии ветра. Образование приземного (дугообразного) вихря.
При уменьшении высоты висения влияние дугообразного вихря на НВ возрастает. При своей пульсации вихрь вызывает постоянное изменение по величине тяги и моментов НВ. Это приводит к тому, что чем ближе к поверхности земли производится висение, тем выше динамическая неустойчивость вертолета, заметнее его стремление изменить высоту, крен, тангаж и особенно место висения. Летчику приходится более внимательно контролировать тенденции вертолета и энергично вмешиваться ручкой управления, рычагом ОШ и педалями в процессе управления для выдерживания режима установившегося висения. Неустойчивость вертолета еще более ярко выражена при порывистом ветре. При ветре справа силой около 7 м/сек рулевой винт попадает в «околоземный» дугообразный вихрь; при ветре больше 10 м/сек и углах ветра 45-:-135 град. и 225-:-290 град. рулевой винт попадает в свободные вихри, сходящие с диска несущего винта; при висении вертолета хвостом к ветру или же при поступательном полете назад при некоторой скорости место расположения «околоземною» вихря совпадает с рулевым винтом. Для полета при наличии ветра на этих режимах требуются несколько повышенные отклонения правой педали, по сравнению с полетом в штиль и своевременные отклонения педалей для парирования возмущении. При полетах, в горах, особенно на площадках расположенных, на крупных склонах особое внимание необходимо обращать на подходы к площадке, т.к. при определенной силе ветра слева-сзади или попутном ветре и момент зависания над площадкой в зоне влияния земли происходит попадание рулевою винта в «околоземной» вихрь, что требует от летчика упреждающего и своевременного парирования тенденции к левому развороту. Энергичное торможение с одновременным увеличением общего шага и попаданием в «около земной» дугообразный вихрь может привести не только к тенденции левого разворота, но и к самому развороту. В зависимости от угла ветра и высоты висения вертолета, положение РВ по отношению к ядру приземного вихря изменяется, при этом аэродинамические характеристики РВ так же могут изменяться. Теоретические исследования показывают, что приземный вихрь может оказать отрицательное влияние на тягу рулевого винта (Т рв). Положение РВ относительно вихря при правом ветре с направлением Y = 45…150 градусов может быть совпадающим по направлению с потоком РВ или ему на встречу. В первом случае Т рв уменьшается из-за уменьшения углов атаки лопастей, а во втором из-за развития срыва потока на лопастях.
|
|
|
Опыт летной деятельности позволяет отметить особенность современного периода эксплуатации вертолетов, который связан с множеством модификаций летательных аппаратов, конструктивных доработок и увеличением мощности силовой установки; улучшение приемистости двигателей; наличие автоматической системы управления и практически неизменными геометрическими характеристиками несущих частей вертолета - эти особенности авиационной техники влияют на летные возможности вертолета, а в сочетании с психофизиологическими возможностями летчика создают условия попадания в критические режимы полета.
Анализ аварий и катастроф показывает, что до 70% всех летных происшествий приходится на посадку, причем происходит это на исправном вертолете по причине "перетяжеления" несущего винта. Вертолет теряет обороты НВ и РB и самопроизвольно снижается с вращением влево. Летчик не учитывает переходности (динамичности) процесса. Если при заходе на посадку летчик допустил высокое выравнивание или позднее гашение скорости, то для исправления траектории он уменьшает общий шаг НВ и берет РУ "на себя", в результате этих действий происходит рост оборотов НВ и уход двигателей на пониженный режим работы, так как энергия набегающего воздушного потока подкручивает винт, создавая условия для авторотации. Насос регулятор дает команду на слив топлива, что увеличивает приемистость двигателей за счет действия ранних факторов. Это может привести к потере оборотов НВ и самопроизвольному снижению или вращению вертолета.
|
|
|
Сила тяги РВ пропорциональна квадрату частоты вращения РВ или НВ, так как оба винта жестко связаны между собой хвостовой трансмиссией. При росте величин G, N подв, Н, t ос - " const " в соотношении увеличивается, и балансировочный угол рулевого винта j рв увеличивается (растет потребное балансировочное отклонение вперед правой педали). При уменьшении ω нв потребное для уравновешивания вертолета увеличение угла установки лопастей РВ подчиняется кубической зависимости и балансировочный φ рв резко возрастает. Поэтому при выполнении полета с малой путевой скоростью нельзя допускать уменьшение частоты вращения НВ, чтобы не исчерпать запас путевого управления и не попасть в режим неуправляемого вращения. Ошибки летчика в методике захода на посадку, исправления ошибок по курсу при заходе на посадку, резкая и некоординированная работа летчика органами управления являются предпосылкой к попаданию в критические режимы полета.
Анализ мощностных характеристик двигателей вертолетов Ми-8Т, Ми-8МТ и Ми-24 позволяет увидеть, что их приемистость составляет (3-10 сек.) и обеспечивает изменение режима их работы, но требует увеличения тяги РВ для уравновешивания момента реактивного НВ. Данные особенности даже технически накладывают ограничения, так как перекладка педалей ограничивается 3 сек по прочности работой устройства (СПУУ-52) а, учитывая психофизиологические возможности реакции летчика на отклонение 1-2сек в управлении вертолетом, создают условия запаздывания действий летчика от 5-15сек, и создают условия попадания вертолета в критические режимы полета. Таким образом, повышение мощностных характеристик летательных аппаратов, которые значительно расширяют эксплуатационные возможности вертолета, но требуют от летчика более строгой техники пилотирования и знания данных особенностей эксплуатации.
Таким образом, изучение теории и летной практики позволил систематизировать опасные факторы и условия полета, приводящие к попаданию вертолета в критические режимы. Опасные факторы:
- излишнее по величине, но резкое по темпу отклонение РЦШ (ручка циклического шага) в положение «от себя» для переводе вертолета на разгон, приводящие к просадке, вынуждающей летчика увеличивать общий шаг НВ, что при дефиците мощности ведет к падению оборотов НВ, нехватке запаса путевого управление и вращению вертолета влево;
- не учет летчиком направления и скорости ветра;
- неграмотное исправление ошибки в расчете на посадку с перелетом (сброс общего шага НВ и интенсивное гашение скорости с последующим энергичным увеличение общего шага НВ, приводящим к его «затяжелению», падению оборотов, нехватке хода правой педали и возникновению неуправляемого левого разворота или вращения вертолета);
- неграмотное исправление расчета на посадку с недолетом увеличением общего шага НВ и отклонением РЦШ в положение «от себя», что приводит к «затяжелению» НВ, самопроизвольному снижению и появлению тенденции к неуправляемому развороту вертолета влево или самопроизвольному вращению;
- подход к площадке на малой скорости в горизонтальном полете - «подтягивание»;
- позднее решение об уходе на повторный заход, при ошибках в расчете на посадку;
- продольная раскачка вертолета на посадочной прямой, обуславливаемая стремлением летчика выдержать расчетную глиссаду и устранить отклонения от нее движениями РЦШ;
- запоздалое или недостаточное отклонение правой педали в процессе гашения скорости (с увеличением общего шага НВ) перед зависанием или при зависании;
- подход к точке зависания с большими углами тангажа (значительно превышающим посадочный) и одновременным увеличением общего шага НВ;
- резкая, некоординированная работа педалями для выдерживания направления при заходе на посадку и гашении скорости с изменением положения рычага «шаг-газ»;
- несвоевременное парирование допущенного превышения угловой скорости разворота вертолета на висении в условиях ветра;
- выполнение энергичного поворота на задний курс с недопустимо большим углом крена в процессе разгона скорости или захода на посадку на скоростях осевой работы несущего винта;
- взлет и заход на посадку со скольжением, требующим дополнительного отклонения педалей для сохранения направления.
Условия полета:
- предельная взлетная масса вертолета;
- большая барометрическая высота площадки взлета (высокогорные площадки);
- высокие температуры окружающего воздуха;
- малый запас (или отсутствие запаса) мощности силовой установки;
- пониженная частота вращения НВ;
- порывистый или изменчивый по направлению ветер в приземном слое;
- отвлечение внимания, растерянность экипажа, непонимание существа возникшего усложнения условий полета на взлете или посадке;
- неучет влияния рельефа местности на сохранение аэродинамического эффекта «воздушной подушки» при взлете и посадке с неподготовленных и незнакомых площадок;
- наличие орографических особенностей площадки взлета и посадки (затенение площадки густым лесным массивом, возвышенностями местности), присутствие зданий и сооружений, способных вызвать завихрение и турбулизацию ветрового потока или изменение его направления и силы;
- включение противообледенительной системы (ПОС) и (или) пылезащитного устройства (ПЗУ);
- износ деталей газовоздушных трактов двигателей и лопастей НВ в процессе эксплуатации;
- снятие усилий с РЦШ нажатием триммера после ее перемещения на значительную величину на этапах взлета и захода на посадку, что способствует появлению рывка в сторону отклонения РЦШ, разбалансировке вертолета по углам крена и тангажа, что может привести к поспешности в действиях летчика при возникновении возможных отклонений.
Анализ теории и летной практики, инцидентов и происшествий позволяют сделать вывод, что основными направлениями работы по обеспечению безопасности полетов и надежной работе авиационной системы являются:поддержание или повышение профессионализма авиационного персонала; своевременное выявление опасных факторов и условий, действующих на авиационную систему. Опыт работы кафедры аэродинамики и динамики полета, позволяют сделать вывод, что эффективными средствами повышения надежности авиационной системы являются: научное обеспечение и сопровождение летной деятельности, в ходе которого будут выявляться новые опасные факторы полета; осуществление мониторинга состояния безопасности полетов; повышение профессионального уровня летного состава в ходе проведения сборов, семинаров; участие преподавателей и летчиков в подготовке и соревнованиях по вертолетному спорту.
|
|
|
