Безопасность полетов, пути ее повышения при заходе на посадку в условиях сдвига ветра Текст научной статьи по специальности «Математика»

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 151

УДК 629.735.07

БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ, ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРИ ЗАХОДЕ НА ПОСАДКУ В УСЛОВИЯХ СДВИГА ВЕТРА

А.Е.ТЯППО

Статья представлена доктором технических наук, профессором Кублановым М.С.

Дается обоснование необходимости индикации на борту воздушного судна, основанной на результатах вычисления параметров сдвига ветра по замеренным компонентам ускорения воздушного судна.

Ключевые слова: воздушное судно, сдвиг ветра, необходимость индикации, замер ускорений.

В настоящее время основной тенденцией развития гражданской авиации, как известно, является повышение безопасности при увеличении объема перевозок. Причем, безопасность необходимо обеспечивать на всех этапах полета. Взлет и посадка являются самыми сложными, а следовательно, наиболее уязвимыми (с точки зрения опасности) этапами полета. Связано это, прежде всего, с большим числом решаемых задач, загруженностью экипажа воздушного судна и дефицитом времени, необходимым для принятия решения. Конечно, нельзя забывать и об опасных метеоявлениях, которыми сейчас, как никогда раньше, богат климат нашей планеты. И вот тут-то, на стыке опасностей погодных явлений и дефицита времени, у экипажа и выявляется то сложное звено, которое надо предотвратить от разрыва. Частично это решается технологией работы экипажа, наставлениями по производству полетов и другими руководящими документами, рекомендациями, которые призваны помочь в решении возникающих задач, так как содержат алгоритмы решения, помогая работать экипажу в условиях дефицита времени. Но, в настоящее время в некоторых из них имеются или нечеткие, или противоречивые указания, на основе которых и создаются алгоритмы, призванные помочь экипажу в сложных ситуациях. В частности, это касается сдвига ветра, порывов ветра, дождя в виде ливневых осадков и расчета самих минимумов при заходе на посадку. Минимумы при заходе на посадку определяются в соответствии со скоростными категориями воздушных судов, высотой препятствий, входящих в зону посадки, а также опытом, квалификацией командира корабля и оснащенностью самолета навигационными системами посадки. Что касается влияния внешних условий, то, к сожалению, они не учитываются при определении минимумов. Хотя зачастую, как раз эти причины приводят к авариям и катастрофам.

Первая проблема связана, прежде всего, с тем, что до сих пор нет соответствующей аппаратуры, которая позволяла бы определять сдвиг ветра и его величину с достаточной точностью. Нет до сих пор и четких научно-обоснованных рекомендаций по изменению минимумов при посадке в зависимости от величины сдвига ветра.

Вторая проблема - вертикальные порывы и их влияние на изменение высоты принятия решения и безопасность захода на посадку.

То, что сдвиг ветра - это опасное явление - не вызывает сомнений. Опасность заключается также в том, что его очень сложно определить. Были потрачены огромные средства во многих странах на прогнозирование и определение этой "невидимой опасности", как иногда называют это явление в зарубежных источниках. В США, к примеру, на исследования по этой тематике только одним ученым А. БифИо были потрачены десятки миллионов долларов. Но в результате только лишь четыре крупных аэропорта были оборудованы системой обнаружения сдвига ветра [1]. К сожалению, ввиду того, что это явление очень подвижно во времени и по месту проявления - надежность в обнаружении его оставляет желать лучшего. К тому же, радиоаппаратура работает в определенных атмосферных условиях, значит, иногда она и вовсе не будет выдавать информацию.

Другие, имеющиеся на сегодняшний день, приборы имеют также свои недостатки и недопустимо большие погрешности в измерениях. В итоге у экипажа нет надежного помощника, способного инструментально и достоверно выявить наличие опасного явления и предупредить о нем. Надежда здесь только на опыт, профессионализм пилота. Но и он зачастую подводит. Увы, об этом говорят печальные факты аварий и катастроф, произошедших по вине этого коварного, "невидимого врага".

Классификация сдвига ветра по ИКАО лишь сухо констатирует величины сдвига ветра, не касаясь вопроса как их практически определить, если нет такой аппаратуры. Кроме того, вероятно, что воздушные суда с различной энерговооруженностью и скоростными характеристиками будут иметь и разные критические значения сдвигов ветра. Об этом в документе ИКАО ничего не говорится.

Назрела объективная необходимость определять не только наличие сдвига ветра, но и его величину. В этом случае можно будет сравнивать текущее значение сдвига ветра с той максимальной величиной, при которой безопасный заход на посадку невозможен. Это необходимо для того, чтобы начать своевременный уход на второй круг. Было определено, что опасные величины сдвига ветра, при которых необходимо уходить на второй круг, зависят в первую очередь не от массы заходящего на посадку воздушного судна, а от скорости захода на посадку. Влияние посадочной массы на критические значения величины сдвига ветра связано лишь с тем, что при изменении посадочной массы изменяется и свободный запас по мощности у воздушного судна. Так, для категории воздушных судов, скоростные характеристики которых соответствуют категории С (по классификации ИКАО), критические значения отрицательного сдвига ветра - от 1,7 м/с до 2,5 м/с на 30 м высоты (в зависимости от посадочной массы). Для категории воздушных судов А - критические значения отрицательного сдвига ветра - от 2,5 м/с до 3,3 м/с на 30 м высоты, а для категории В - от 2,2 м/с до 2,7 м/с. В соответствии с критериями ИКАО, сильным сдвигом ветра, опасным для посадки воздушных судов всех категорий считается сдвиг ветра 9-12 узлов на 30 м высоты [2].

Аварии, катастрофы, произошедшие по вине "сдвига ветра", дают яркую картину того, что экипажи, как правило, поздно распознают, что заход на посадку происходит в условиях сдвига ветра. Если к этому добавить невозможность определить и вертикальную протяженность этого явления, то становится очевидным, что пилот попадает в очень сложную ситуацию, которая зачастую и заканчивается аварией или катастрофой.

Следовательно, для того, чтобы бороться с этим явлением, надо: оперативно уметь определять наличие сдвига ветра, его величину, длительность воздействия на воздушное судно, знать и оперативно определять критическую величину сдвига ветра, при котором должен быть начат немедленный уход на второй круг.

К сожалению, современные методы определения или прогнозирования по приведенным выше причинам не обладают возможностью предоставления экипажу этой информации. В лучшем случае они определяют наличие сдвига, да и то с ошибкой, ибо это явление очень подвижно как по месту, так и во времени проявления.

Очевидно, чтобы решить эти вопросы, нужно, чтобы аппаратура по определению сдвига ветра была, во-первых, способна замерять сдвиг ветра и его величину, продолжительность воздействия и, во-вторых, была размещена на борту воздушного судна. Кроме этого, необходимо знать критические значения сдвига ветра, опасные для посадки. При этих условиях можно будет говорить о силе этого явления и именно в отношении данного воздушного судна и, соответственно, о степени опасности.

Запатентованные в настоящее время приборы по определению сдвига ветра и устанавливаемые на борту воздушных судов имеют методические ошибки при выявлении этого опасного явления и не способны определять его величину.

Что касается вертикальных порывов ветра, вышеназванные приборы в принципе не способны учитывать эти возмущения атмосферы. Следовательно, для полного учета всех вышепере-

численных внешних воздействий на воздушное судно и для повышения безопасности при посадке необходим прибор, работающий на принципиально новых подходах по выявлению сдвига ветра.

Наиболее вероятный метод, которым можно было бы не только определить сдвиг ветра, но и измерить его величину - это определить ускорение, вызванное именно сдвигом ветра, переводить эти ускорения в эквивалентные величины сдвига ветра и сравнивать их с критическими значениями для данной категории воздушного судна (рассчитанными автором данной статьи). Это позволит при достижении текущими значениями величин сдвига ветра критических вовремя выдавать экипажу команду об уходе на второй круг. Кроме того, появится возможность интегрировать по времени воздействие сдвига ветра на воздушное судно, что позволит учесть потери свободных энергетических мощностей воздушного судна.

В соответствии с нормами летных годностей, при заходе на посадку запас мощности у воздушных судов составляет 20 % - 30 % от значения тяги при заходе на посадку в стандартных условиях. (Необходимо заметить, что эти нормы установлены для максимальной посадочной массы). При меньшей посадочной массе запас по мощности будет, конечно, больше [3].

Имея запас по мощности, воздушное судно при снижении по глиссаде может использовать лишь 10 % мощности, т. к. дальнейшее увеличение по мощности двигателей приведет к выходу их на номинальный режим, а в соответствии с руководящими документами, в этом случае необходимо начать маневр по уходу на второй круг. Если же запас мощности 30 % - заход еще возможен, но при своевременном обнаружении. В таком случае, создав нужную тягу, возможен заход. Если же сдвиг ветра будет определен поздно, требуется запас мощности не только для компенсации условного ускорения, создаваемого сдвигом ветра, но и для уже возникших энергетических потерь авиалайнера (при попадании в отрицательный сдвиг ветра экипаж компенсирует потери скорости путем увеличения режима работы двигателей). Но для решения этой задачи может уже не хватит и оставшейся мощности и тогда единственно правильный выход -это уход на второй круг. Но, если время потеряно, то уход на второй круг даже при 30% запасе по мощности может уже быть запоздалым. Становится понятно, как это важно, вовремя определить наличие сдвига ветра и его величину. Тогда такое опасное явление будет под контролем экипажа, который будет знать вероятность дальнейшего безопасного захода на посадку с учетом вновь изменившейся высоты принятия решения или неизбежности немедленного ухода на второй круг как единственно правильного решения.

Решение задачи по нахождению ускорений, вызванных именно сдвигом ветра, возможно. Ускорение по осям X и У появляются в случаях изменения режима работы двигателей, угла атаки и внешних воздействий. Все ускорения, связанные с этими причинами, имеют свои, строго индивидуальные закономерности. Знание зависимости величины ускорений по оси У от величины ускорений по оси Х в отношении вышеизложенных факторов дает возможность составить алгоритм по нахождению ускорений, вызванных сдвигом ветра и, таким образом, определить величину сдвига ветра. Возникающие центробежные ускорения при эволюциях воздушного судна легко могут быть выделены из суммы всех ускорений, если акселерометры установить в определенных местах воздушного судна с учетом центра давления.

При попадании воздушного судна в такие опасные метеоявления, как сдвиг ветра, вертикальные порывы ветра, прибор, работающий на вышеизложенных принципах, сможет вычислять ускорения, связанные со сдвигом ветра, из общей суммы ускорений по осям X и У, определять по ним величины сдвига ветра, сравнивать их с критическими (опасными), записанными в его памяти и выдавать рекомендации экипажу. При сравнительно длительном воздействии на воздушное судно при заходе на посадку незначительного по величине отрицательного сдвига ветра уменьшается энергетический запас воздушного судна по мощности и, соответственно, увеличиваются величины "просадки" при уходе на второй круг. Это приводит к увеличению минимальной высоты ухода. При заходе по I, II или III категориям прибор позволит внести коррекцию в степень точности выдерживания воздушного судна по курсу и глиссаде. Решение за-

дачи по точности выдерживания курса и глиссады совместно с вновь найденными поправками в минимальную высоту ухода позволит выполнить рекомендации ИКАО [4] по определению высоты принятия решения при воздействии вышеназванных опасных метеоявлений. Так, пункт 3.5.5.5 DOC ИКАО 8168 гласит: "В таблице (потери высоты при уходе на 2-й круг) приведены поправки, используемые специалистами по схемам для вертикального смещения в начале ухода на второй круг. В этих поправках учитывается тип применяемого высотомера и потеря высоты, связанная с характеристиками воздушного судна. Следует признать тот факт, что в таблицу не внесена поправка на любые нестандартные метеорологические условия (например, сдвиг ветра, турбулентность...)". Кроме того, появится возможность учитывать вышеназванные элементы возмущенной атмосферы, вносящие изменение в градиент набора высоты как при уходе на второй круг, так и при вылете воздушного судна из аэропорта (особенно это актуально при выходе и района аэродрома в горной местности).

Еще одно применение прибора может быть связано с совместным использованием его с системой предупреждения о близости земли (GPWS). Обязательное оснащение воздушных судов данной системой по настоятельному требованию ИКАО [5] приносит неплохую прибыль заводам-изготовителям. Что касается его актуальности, то хотелось бы заметить, что статистика авиакатастроф, связанных со столкновением с землей, свидетельствует о том, что в среднем от момента срабатывания системы (GPWS) до столкновения проходит порядка 12 с. Время же, необходимое для принятия решения о наборе высоты и появления положительной вертикальной скорости, как правило, более 20 с. Связано это с тем, что в случае срабатывания этой сигнализации, выработка решения идет при обработке большего количества информации, чем на высоте принятия решения, где командир корабля решает лишь одну задачу: посадочное положение имеет воздушное судно или нет. В зависимости от того, какое положение имеет воздушное судно, принимается решение о посадке или уходе на второй круг. Но, тем не менее, в каких-то отдельных случаях прибор может предотвратить катастрофу, и поэтому игнорировать его установку нельзя. Конечно, этот антагонизм между временем срабатывания системы GPWS и временем реакции пилота можно разрешить, установив автомат или полуавтомат в системе прибор GPWS - автопилот с автоматической программой набора высоты. Но тут возникает ряд моментов: набор всегда сопряжен с пересечением высот, возможно занятых другими воздушными судами и при заходе на посадку, зачастую, особенно в горных районах, имеют место кратковременные срабатывания системы GPWS.

Решить эту задачу с использованием полуавтомата можно, если совместить эту систему еще с одной, например, с прибором, определяющим не только наличие сдвига ветра, но и опасные величины сдвига ветра. В этом случае при срабатывании обоих систем - GPWS и системы, определяющей опасный сдвиг ветра, будет выдаваться команда на автопилот для автоматического набора высоты.

В соответствии с требованиями ИКАО, декларированными в "Руководстве по управлению безопасностью полетов" DOC 9859 [6], необходим всеобъемлющий подход при:

1) выявлении опасных факторов;

2) оценке степени их серьезности;

3) определении стратегии уменьшения риска.

Это возможно только на научной основе. Моделирование захода на посадку в условиях сдвига ветра, проведенное автором статьи, доказывает, что при установленных нормами годности стандартах воздушных судов в части, касающейся энергетических возможностей при заходе на посадку опасные ситуации, связанные со сдвигом ветра, способные привести к катастрофе, возникают при меньших сдвигах ветра, чем указаны в документах ИКАО [2]. Кроме того, критические величины сдвига ветра, как показали расчеты, не являются едиными для всех воздушных судов, а зависят от категории и посадочного веса.

Уменьшить опасность сдвига ветра возможно, если не только определять его наличие, но и величину. Автор показывает возможный вариант разрешения этой проблемы с помощью при-

бора, устанавливаемого на воздушное судно и работающего на основе замера ускорений по осям X и Y. В этом случае определенные текущие значения величины сдвига ветра можно будет сравнивать с теоретически рассчитанными опасными величинами. Если текущие значения по величине приблизятся к критическим, экипажу будет выдаваться команда об уходе на второй круг. Интегрирование текущих значений по времени позволят вносить коррекцию в высоту принятия решения. При совместной работе с системой GPWS появится возможность повысить безопасность полетов в особых ситуациях.

Таким образом, борьба со сдвигом ветра - это не только стратегия пилотирования, которую выдвигают на первый план американские авиакомпании, а это в первую очередь оперативное определение сдвига ветра, его величины, и ее автоматическое сравнение с энергетическими возможностями каждого конкретного воздушного судна. При решении этой задачи должна быстро выдаваться команда экипажу об уходе на второй круг немедленно, либо информация об изменении высоты принятии решения, как это требует документ ИКАО ДОС 8168.

Решить эти задачи, выполнить рекомендации ИКАО станет возможным, если устанавливать на воздушных судах приборы, способные определять величину сдвига ветра.

Прибор, зарегистрированный автором статьи патентом [7], предназначен для определения величины сдвига ветра и устанавливается на борту воздушного судна, решая тем самым поставленные выше задачи в соответствии с временным и пространственным положением воздушного судна. Принцип его работы основан на замере ускорений акселерометрами по осям X и Y и вычислении ускорений, связанных именно со сдвигом ветра. Решение задачи по определению величины сдвига ветра идет в блоке вычисления по алгоритму, основанному на решении системы уравнений с несколькими неизвестными. Полученные значения ускорений, связанные со сдвигом ветра, переводятся в текущие величины. Затем текущие величины сдвига ветра поступают в блок сравнения, где непрерывно сравниваются с критическими значениями. При достижении ими критических величин выдается команда на табло, сообщающая экипажу информацию об уходе на второй круг. Имеющийся в приборе блок интегрирования позволяет учитывать воздействие сдвига ветра на воздушное судно во времени, что дает возможность определять изменения свободных энергетических мощностей воздушного судна. Экипаж (или автомат тяги в автоматическом режиме) парирует воздействие сдвига ветра изменением режима работы двигателей. Уменьшение запаса по мощности при отрицательном сдвиге ветра приводит к увеличению "просадки" воздушного судна при уходе на второй круг и, соответственно, к увеличению высоты принятия решения. Блок коррекции DA/H (высоты принятия решения) пересчитывает эту высоту и выдает новые значения на табло. Блок учета посадочной массы воздушного судна позволяет точнее учитывать запас по мощности.

Установка данного прибора позволит решить вопрос о выявлении такого замаскированного и опасного явления, как сдвиг ветра, определить его величину, оценить степень опасности при попадании воздушного судна в условия возмущенной атмосферы. При необходимости в соответствии с требованиями ИКАО выдается информация об изменении высоты принятия решения, об уменьшении градиента набора высоты или рекомендация об уходе на второй круг. При работе совместно с уже используемыми системами предупреждения о близости земли (GPWS) -появится возможность снять некоторые имеющиеся проблемы взаимодействия человека-оператора с системой GPWS, что, безусловно, повысит уровень безопасности полетов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Информация Интернет.

2. ИКАО. Сдвиг ветра // Циркуляр 186-АК/122. 2001.

3. Лигум Т.И., Скрипниченко С.Ю. и др. Аэродинамика самолета Ту-154 / под ред. Т.И. Лигума - М.: Транспорт, 1977.

4. ИКАО. Аэронавигационное обеспечение полетов // DOC 8168. 2008. - Т. 1, 2.

5. Международный воздушный транспорт. Самолеты. Приложение 6 к Чикагской конвенции ИКАО.

6. ИКАО. Руководство по обеспечению безопасности // DOC 9859. 2008.

7. Патент № 3444 Республики Беларусь. Полезная модель: устройство для определения сдвига ветра / А.Е. Тяппо - Приоритет (22) 2006.08.11, зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей 2006. 12.15.

SAFETY OF FLIGTS, WAYS OF ITS RAISING ON FINAL APPROACH IN WIND SHEAR CONDITIONS

Tyappo A.

There is given a substantiation of indispensability of indication aboard aircraft, based on calculation of wind shear characteristics by measured aircraft acceleration components.

Сведения об авторе

Тяппо Александр Евгеньевич, 1956 г.р., окончил ОЛАГА (1981), старший преподаватель Минского государственного высшего авиационного колледжа, область научных интересов - летная эксплуатация и ее особенности при сдвиге ветра.