CC BY
93
2008 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 135
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 629.735.015
ФАКТОРЫ РИСКА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛЕТОВ САМОЛЕТОВ КЛАССИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
В.М. РУХЛИНСКИЙ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б.В.
В статье рассмотрен вопрос об увеличении факторов риска при производстве полетов в условиях Российской Федерации, а также разработаны требования по снижению этих рисков для самолетов нового поколения.
Статистическим анализом авиационных происшествий установлено, что более 50% их общего количества приходится на этап захода на посадку и посадку.
Главным оценочным показателем при выполнении посадки является фактическая посадочная дистанция, которая определяет вероятность выкатывания за пределы ВПП, которую можно представить как функционал вида:
16 = { /1 ( ^ ^..^ Хп ) , У2 ( У^ У2 —Ут ) , /з ( ^ ^..^ ) , /4 ( Ч^ Ч2,..., Ч* ) , /5 ( ^ К )} ,
где /1 - функция, зависящая от метеоусловий посадки;
(х1,..., хп) - состояние ВПП (сухая, мокрая, покрытая водой, слякотью и т.д.), попутный фактический приземной ветер, сдвиг ветра;
/2 - функция изменения посадочных характеристик ВС;
(у 1,..., ут) - конфигурация ВС, положение предкрылок, положение закрылок, положение спойлеров;
/3 - функция техники пилотирования;
(z1,...,) - скорость посадки, высота над порогом ВПП, длительность выдерживания самолета над ВПП, значение тяги двигателя на посадке, начало торможения;
/4 - функция технического состояния ВС;
(Ч1,...,Ч*) - состояние тормозов, состояние антиюзовой автоматики, состояние реверса тяги двигателя, состояние наземных спойлеров;
/5 - функция, зависящая от положения ВПП;
(К1,..., к) - отрицательный уклон, положительный уклон, знакопеременный, волнообразный;
высота расположения аэродрома (пониженное атмосферное давление увеличивает путевую скорость).
Величина фактической посадочной дистанции прямо пропорциональна кинетической энергии ВС на пороге ВПП - Еп, которую необходимо погасить. Указанный функционал можно выразить уравнением:
К 1 2
А...... =— т\..,.~. .
нагая 2 ггогоа
На рис. 1 показано распределение энергии торможения на ВПП, покрытой осадками, самолета А-320.
Чем меньше кинетическая энергия ВС на пороге ВПП, тем меньше фактическая посадочная дистанция и тем меньше угроза выкатывания ВС за ее пределы.
Самолеты нового поколения должны обладать меньшей кинетической энергией на пороге ВПП за счет снижения веса конструкции (более высокое весовое совершенство) и за счет более
низкой минимальной допустимой скорости сваливания т, соответствующим самолетам с более высоким аэродинамическим качеством и отсюда минимальной допустимой скоростью над порогом ВПП.
Исходя из этого можно рассчитать ДЕ порога для самолетов нового поколения и самолетов классической схемы.
где ЖёЯ - вес самолета классической схемы;
Щ я - вес самолета аналога нового поколения;
Энергия торможение %
А
о1------1-----1-----і-----1------1-----1-----1-----1------>
1Ш0 2(Ш 3000 4000 Lnoí, я
--- ciH&iKTOJt юіімктйскйй CKéiitu (Б 757, А ЗЭ0)
здаргнл ТЧрМОМЄНН.1 CiJWIRTQt №ІСЙ ІЗрОЦНКіШ(ЧЄС1»Й ЇВМГЕНЮГШ С ІЕ = ЗО У*
íHípriti Щунажи^ісмимія)» ное<?й «эрощоинтосноп кщшюноївп с ¿E = 20%
--- Аэродкналптаесвое їорЗЮЖЧНЛК
--- Мазягшїшіьньт pçrepc
Рис. 1
Vnâ„ - минимально допустимая скорость самолета классической схемы над порогом ВПП;
Viîâ - минимально допустимая скорость самолетов нового поколения.
Из практики Эрбас изменение скорости Vlîn на 10% приводит к увеличению или уменьшению посадочной дистанции ( Lôë ) на 20%, изменение посадочного веса самолета на 20% приводит к изменению его кинетической энергии до 30%
AÂ... = (L............-L .)»30%.
11П \ ôlin.e.n. ôlin.l . П. /
Внедрение самолетов с такими летно-техническими характеристиками является мощным рычагом, снижающим риски выкатывания при посадке.
Состояние ВПП, особенно в сочетании с неблагоприятным боковым ветром, влияет на 75% выкатывания за пределы ВПП.
Если рассмотреть условия эксплуатации на Крайнем Севере, Сибири, то более 80% года климатические условия этих районов предусматривают производство полетов, связанных с повышенными рисками при посадке на ВПП, покрытую осадками.
Детальный анализ фактического состояния аэропортовой сети Российской Федерации с учетом фактора состояния размера ВПП показал, что с 1992 года количество действующих аэ-
ропортов сократилось с 1300 до 300, а из 162 аэродромов федерального значения 63% подвержены повышенным рискам при посадке новых самолетов классической схемы.
В сложившейся ситуации только внедрение самолетов нового поколения с короткими взлетно-посадочными дистанциями и низкими удельными нагрузками на ВПП позволит вернуть в эксплуатацию аэродромы с минимальными рисками их эксплуатации.
При выполнении взлета следует постоянно учитывать возможность отказа двигателя, и 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, обеспечивающих безопасное продолжение взлета.
Всего - 162 аэродрома:
♦♦♦ 12% - риски максимальны
♦♦♦ 52% - риски с усложнением взлета-посадки
♦ 23% - риски минимальны
♦ 13% - риски близки к нулю
□ Более 3200
□ 3200-2600
□ 2600-1800 □ Менее 1800
Рис. 2. Анализ рисков при посадке на аэродромы федерального значения РФ
Не допускается, чтобы высота траектории движения самолета от точки, где произошел отказ двигателя, до точки восстановления его параллельно оси ВПП движения не превышала более, чем 9 м (30фт) даже на ВПП, покрытой слякотью.
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 сразу поставлен в экстремальные условия эксплуатации с самым высоким уровнем риска.
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, создавая минимальные риски, компенсируя ошибочные действия экипажа.
V > LhpL = min,
щ .я. Г~
Ып
где Ch max - коэффициент подъемной силы;
Vch max - скорость, соответствующая максимальному коэффициенту подъемной силы; n - перегрузка, перпендикулярная траектории полета при Vch max
R
n = —,
G
где R - подъемная сила; G - вес самолета. при n=1 уравнение подъемной силы:
1 2
mg =~PS (V )2 Ch,
где р - плотность воздуха; S - площадь крыла.
Приведены эксплуатационные скорости при взлете:
скорость при отказе двигателя (Víó aa) не может быть ниже (Vy£emm) - минимальная эволю-тивная скорость на земле;
скорость принятия решения (V1) - это максимальная скорость, на которой экипаж может
принять решение о прекращении взлета, и будет уверен, что сможет остановить воздушное судно в пределах ВПП и соответствовать неравенству
V. < V.. ... <V1.
yai e.min i ó .aa 1
По нормативам FAR и JAR экипаж в течение 1 с должен определить, что произошел отказ двигателя и в течение 2 с принять меры (применение тормозов, уменьшение тяги двигателя, включение аэродинамических тормозов), что является на грани человеческих возможностей. Скорость подъема носовой стойки (V¡iañó ) выражается неравенством:
¥.....- > V ^ 1,05V-. .
iia.nó 1 ’ yai e.min
Скоростью отрыва Уотр - является индикаторная земная скорость, на которой самолет оказывается в воздухе, т.е.
Viód ® ioe i . > ..Л....
11 auai i ayrnea aanrni i eao a
Чем меньше вес самолета, тем меньше скорость отрыва, тем больше резерв времени экипажу для принятия решения.
Vióó > 110%^. min при всех работающих двигателях.
Vióó > 105%V.-emm при одном работающем двигателе.
Нормативами отечественных и западных производителей введены геометрические ограничения, предупреждающие удары фюзеляжа о поверхность ВПП при больших углах атаки на взлете или посадке, пропорциональные длине фюзеляжа А-320 (38 м) - 3 сл; А-340 (70 м) - 14сл. Как правило, это наблюдается при взлетах на коротких ВПП или наличии препятствий вблизи ее торца.
Самолеты нового поколения должны иметь меньшую длину 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 при данном взлетном весе, ограничена максимальным значением (Укин торм max), т.е.
V..Aa <V... ,
го. oa0 eei .óio.max’
V-éi óiñmax - ограничена конструкцией воздушного судна и в первую очередь его массой. У
самолетов Ту-154 установлена тележка шасси с тремя парами колес, у самолетов А-320, В-737200 - тележка с одной парой колес. В первом случае экономическая эффективность более низкая, однако, имеют более высокие скорости торможения и могут садиться и взлетать с минимальными рисками на менее приспособленные ВПП. Максимальные допустимые скорости использования пневматиков ограничивают предельные центробежные силы и предельные температуры нагрева
V.-ñ < V-... .
i óñ iiaa. max
На рис. 3 представлена диаграмма скоростей и ограничений Упр реш, Уотр, Уск наб.
В работе представлены материалы исследования допустимых дистанций прерванных взлетов.
На рис. 4 представлена нормативная дистанция прерванного взлета с отказом двигателя.
То есть, чем меньше скорость отрыва, тем меньше риск выкатывания при прерванном взлете и больше запасов по предельным скоростям на взлете.
На этапе набора высоты рассмотрены ограничения для экипажа при пролете препятствий.
Представлены вертикальные запасы расстояния между воздушным судном и каждым препятствием на траектории взлета и набора высоты.
Рис. 3
Рис. 4
На рис. 5 представлены различные требования и параметры состояния ВС классической схемы на четырех участках: 1-й - до уборки шасси; 2-й участок достижения скорости набора высоты с предкрылками и закрылками во взлетной конфигурации (высота не ниже 125 м (400 фт)), 3-й участок - уборка предкрылков и закрылков и разгон до 10 ; и конечный участок
- с убранными шасси и закрылками, набор высоты 1500ф (468,5) и выше.
Как видно из траектории взлета минимальная допустимая высота пролета препятствий с отказавшим двигателем составляет 10,5 м (35 фт) с дальнейшим усложнением ситуации, связанной с изменениями конфигурации, тяги и веса ВС, что соответствует максимальным рискам производства полетов.
Самолеты нового поколения должны иметь большие запасы по пролету препятствий с исключением изменения конфигурации крыла и максимальные градиенты набора высоты эшелонирования.
Рис. 5
В разделе представлена схема допустимого разворота при взлете на аэродромах, имеющих препятствия. Представлены потери градиента набора высоты при развороте.
Л/ R 1
g% =--------—,
nzG n/D
где R - тяга двигателя; G - вес самолета; n - размах крыльев; D - длина фюзеляжа.
Чем больше вес самолета и длина фюзеляжа, тем ниже градиент набора высоты, и чем больше размах крыльев, тем он выше.
В правилах JAR 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 «эшелонирование» представлена проблема, стоящая перед мировым авиационным сообществом - увеличение пропускной способности воздушного пространства. За десять последних лет по интенсивности самолетовылетов лидирует: регион Северной Америки - 42%, далее Европа - 29%, Азия, Австралия 17%.
За пять лет в Северной Америке произошло 32 столкновения, в Европе - 33, в Азии и Австралии 41.
На рис. 6 по данным Евроконтроля только в 2000 году над государствами - членами Евроконтроля произошло 1200 опасных сближений в воздухе.
Над регионом СНГ и Российской Федерацией не было ни одного столкновения в воздухе.
Уплотнение воздушного пространства усложняет ситуацию для экипажей. 2002 год - над Европой введено сокращенное эшелонирование, над Боденским озером произошла катастрофа Ту-154М и В 757-200 в этом же году.
Будущее развитие гражданской авиации только в создании высотных пассажирских самолетов с высоким аэродинамическим качеством, способных летать на незагруженных эшелонах свыше 12 км, с превышением грозовых облаков и обледенения.
При уменьшении взлетной массы самолетов до 25% по отношению к мировым аналогам и посадочной скорости до 200 км/ч посадочная дистанция сократится до 500 - 600 м и вероятность рисков выкатывания снизится с 10-3 до 10-9, а эффективность международных аэропортов и аэропортов федерального значения увеличится в 4,35 раза (рис. 7).
Далее исследовались риски взлетов и набор высоты при короткой дистанции взлета, крутой траектории набора высоты и наличия гладкого крыла без сложной механизации. Риски также
9 12
снизились до 10 - 10 .
Рис. 6
Эффективность использования аэродромной сети РФ при внедрении самолетов нового поколения
Категории ВС Диапазон классификационных скоростей, км/ч Минимумы захода на посадку Кат. ВС Ср-во посадки Категория захода на посадку
А менее 169
В 169 - 223 60*800 С,и ПСП(ИЛС) 1
С 224 - 260 30*350 С,и ПСП(ИЛС) 2
и 261 - 306 15*200 С,и ПСП(ИЛС) 3
Е 307 - 390
Получим следующий результат: _____1-я категория при С,Р_________I
А 61 . _
^ЕЫКГВ — в — ^ — -±,3 5
я 1-я кат при С,О ■ 1-я кат при А, В □ некатегорир.
А — 1-я категория посадки при категории ВСА,В (самолеты нового поколения).
В — 1-я категория посадки при категории ВС С,Р (классические самолеты).
Эффективность использования аэродромной сети РФ при внедрении самолетов нового поколения увеличится в 4,35 раза.
Рис. 7
ЛИТЕРАТУРА
1. Руководство по управлению безопасностью полетов (РУБП) (Doc. 9859-AN/460). 1-е изд. - ИКАО, 2006.
2. Гузий А.Г., Онуфриенко В.В. Методология активного управления уровнем безопасности предстоящих полетов в авиакомпании // Труды общества независимых расследователей авиационных происшествий. Выпуск 17. - М., 2005. - С. 160 - 168.
3. Морковкин Б.М., Рухлинский В.М. Пропускная способность воздушного пространства и безопасность полетов самолетов нового поколения // Научный Вестник МГТУ Г А, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 74 (8), 2004. - С. 118 - 124.
THE RISKS PROBLEMS WHILE CONDUCTING FLIGHT OPERATIONS OF THE NEW AGE
AIRCRAFTS
Rukhlinsky V.M.
This paper dealt with the increased risks problems while conducting flight operations under the conditions of the Russian Federation.
Requirements to the new age aircraft performances, which reduce these risks, were developed.
Сведения об авторах
Рухлинский Виктор Михайлович, 1946 г.р., окончил Московский авиационный институт (1973), кандидат технических наук, председатель Комиссии по связям с ИКАО, международными и межгосударственными организациями Межгосударственного авиационного комитета, автор более 60 научных работ, область научных интересов - безопасность полетов и поддержание летной годности самолетов ГА.
