CC BY
232
УДК 629.735.017.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК САМОЛЕТОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
В.М.РУХЛИНСКИЙ, А.Е.ТЯППО
Исследование особенностей летной эксплуатации самолетов в условиях ливневых осадков и обледенения. Ключевые слова: летная эксплуатация, взлетно-посадочные характеристики, экстремальные условия.
22 мая 2010 года произошла катастрофа с самолетом Боеіп§-787-800. По предварительным данным в условиях сильного ливня пилот не смог правильно рассчитать траекторию посадки, и в результате самолет выкатился за пределы взлетно-посадочной полосы. Погибли 158 человек. На рис. 1 [5] приведена статистика ИАТА.
Выкатывание за пределы ВПП -осадк'и (435 происшествии)
Без бсадври
22%
Дождь 24%
^\! .
Снег МОІфЬМІ снег
4%
Рис. 1
Данная статистика показывает, что особо требуется проводить дополнительные исследования изменений летно-технических характеристик самолетов на взлете и посадке в результате воздействия внешней среды (в частности, ливневых осадков), так как эта область на сегодняшний день мало изучена.
Раньше выдвигалась гипотеза о кинетическом воздействии падающих капель на характеристики самолета, которое рассчитывалось по известной формуле
X = Сх- ^ 5, (1)
2
где плотность воздуха - 1,3 кг/м3; плотность водной среды в капельном состоянии - около 2-10-3 кг/м3.
Неизвеано
50%
Следовательно, вклад в общее лобовое сопротивление пренебрежительно мал. Расчет по величине кинетического воздействия водяных капель на воздушное судно дает ту же величину - около 30-50 кГС - на такой самолет, как Ту-154.
В то же время результаты моделирования показали, что в условиях ливневых осадков интенсивностью 400 мм/ч, при заходе на посадку может происходить ухудшение летных характеристик самолета, эквивалентное сдвигу ветра порядка 5 м/с в слое 30 м. То же самое можно сказать и про набор высоты.
Анализ катастроф, произошедших в условиях ливневых осадков, показывает, что большая их часть произошла в ситуациях, которые возникали в момент ухода воздушного судна на второй круг, во время выравнивания перед приземлением или в момент уборки механизации во время взлета. Все эти ситуации объединяет то, что в этот момент возникают условия, при которых нижняя поверхность крыла подвергается повышенному воздействию ливневых осадков, причем величина осадков, попадающих на нижнюю несущую поверхность, значительно возрастает.
Таким образом, при снижении по глиссаде в условиях ливневых осадков имеет место ухудшение аэродинамических характеристик, которые не несут фатальных последствий. При управлении воздушным судном в этом случае на отклоненных элеронах возникают условия для образования водяной пленки, и, как результат, экипаж ощущает снижение чувствительности воздушного судна на управление. В ситуациях, когда создаются условия для образования водяной пленки на нижней поверхности крыла, происходит резкое ухудшение аэродинамических качеств.
Для лучшего понимания этого вопроса рассмотрим вектор движения дождевых капель при полете воздушного судна со скоростью 270 км/ч (75 м/с).
Рис. 2
где Аа = ат^ -5 = 3,8°.
В случае снижения воздушного судна по глиссаде угол а можно выразить формулой
V - V
Аа = атеі^^кап-------------------------------------------------^, (2)
Vпол
где Укап - скорость падения дождевой капли; Ув - вертикальная скорость снижения воздушного судна по глиссаде; Упол - скорость полета воздушного судна.
Рис. 3
На рис. 2 видно, что для того, чтобы дождевые капли попали на верхнюю поверхность крыла, угол ^а должен быть больше ^ р1 (^а > ^ р1). Фактически же (^ р1 > ^а). Для того чтобы капли дождя попали на нижнюю поверхность, ^а должен быть меньше, чем ^ р2. Фактически, если это и имеет место, то разница между углами а и р2 очень небольшая. Это дает основание говорить о том, что в этом случае (расчеты это подтверждают) количество дождевых капель, падающих на нижнюю поверхность, незначительно, и эти капли не оказывают большого влияния на изменение сил сопротивления, тем более что часть падающей воды испаряется.
Отсюда можно сделать вывод, что когда величина осадков, попадающих на нижнюю поверхность крыла, превысит некую критическую величину, то она, в этом случае, не успеет вся испариться и начнет образовываться водяная пленка, которая и будет оказывать такие крайне неблагоприятные воздействия, как резкое увеличение силы сопротивления и уменьшение подъемной силы.
Для доказательства этой гипотезы были проведены следующие исследования на базе а/к "Белавиа":
1) проведен статистический анализ и выявлены причины резкого увеличения сил сопротивления в случае образования водяной пленки;
2) создана математическая модель расчета значения интенсивности осадков, при которых образуется пленка на нижней поверхности крыла;
3) проверена достоверность разработанной модели реальными условиями эксплуатации.
Расчеты с помощью математической модели позволили определить рост сил сопротивления
и падение подъемной силы при образовании водяной пленки на нижней поверхности крыла. Данные расчетов совпали с данными, полученными при расшифровке "черных ящиков".
Так, например, рассмотрим катастрофу А-310 3 мая 2006 года в Сочи. В момент ухода на второй круг угол атаки был не менее 21°. При данном пространственном положении самолета на его нижнюю поверхность за счет набегающего потока попадет масса водяных капель в 6 с лишним раз больше на единицу поверхности крыла, чем указанная в метеосводке (на единицу поверхности земли). Другими словами, если интенсивность осадков оценивается в 50 мм/ч, то условная интенсивность осадков на поверхность крыла составила более 300 мм/ч. Такая интенсивность (50 мм/ч) встречается довольно часто. По данным [2] подобная интенсивность осадков отмечается в аэропортах Республики Беларусь с частотой более 2-3 раз в год. А 24 июля 2009 г. средняя интенсивность ливневых осадков в г. Минск в течение 1 часа составила 57 мм/ч, в зарядах она была значительно выше. По расшифровке "черных ящиков" при попадании воздушных судов в условия ливневых осадков их скорость падала на 30-40 км/ч в течение 3-х секунд, что позволяет посчитать критическую величину интенсивности осадков. Расчеты показывают, что критическая интенсивность осадков, при которой начинает образовываться водяная пленка, -составляет 300 мм/ч (фактическая - 50 мм/ч). Следует обратить внимание на то, что при заходе на посадку при температуре наружного воздуха до 5°С - фактическая интенсивность осадков, при которой создадутся условия для образования водяной пленки, составляет 10 мм/ч и менее.
Указанные предельные значения интенсивности корректируются поправочными коэффициентами в зависимости от скоростных характеристик воздушного судна, относительной влажности, температуры воздуха и ряда других параметров (например, охлаждения крыла воздушного судна при снижении).
Следует обратить внимание на особенности выполнения полетов на горные аэродромы, когда схемы выхода предусматривают определенные градиенты набора высоты. Но, если все расчеты градиентов набора для различных типов воздушных судов выполнены с учетом сухого крыла, то, очевидно, в случае ливневых осадков значения этих градиентов явно будут отклоняться в сторону уменьшения. Следовательно, в руководства по летной эксплуатации необходимо внести таблицу для пересчета максимальных градиентов набора высоты в случаях, когда воздушное судно оказывается в зоне ливневых осадков.
Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что, если на верхней и нижней поверхностях создать различные коэффициенты вязкости, то, не изменяя профиля крыла, можно увеличить подъемную силу. Или, покрывая веществом с соответствующим коэффициентом вязкости передние кромки крыла и фюзеляжа, добиваться уменьшения сил сопротивления. Правда, следует отметить, что высокие аэродинамические качества крыла птицы обусловлены также и вогнутостью профиля его нижней поверхности, что создает увеличение подъемной силы при взмахах крыла в полете. Можно, пользуясь математической моделью, для любого материала рассчитать наиболее выгодный профиль. Полученные наработки позволяют находить коэффициенты вязкости различных веществ и в полной мере использовать наиболее приемлемые для авиации, объяснить теоретические принципы повышения аэродинамического качества крыла путем создания на крыле небольших углублений в определенных местах. По данным зарубежной печати именно такой способ повышения аэродинамического качества намерен использовать концерн Airbus.
Исходя из приведенных данных, можно предположить, что уходы на второй круг в условиях ливневых осадков связаны с повышенными рисками, возникающими из-за ухудшения аэродинамики самолета. Поэтому, если риск посадки значительно превышает риск ухода, то методика ухода должна быть абсолютно другая: более плавная уборка закрылков, ускорение и лишь затем постепенный перевод воздушного судна в набор высоты.
Кроме того, коэффициент вязкости, как было сказано выше, зависит от материала покрытия. Возможно, это была одна из причин трагедии CRJ-100 компании "Белавиа" в аэропорту Звартноц 14.02.2008 г. Самолет прилетел из Минска. В аэропорту из-за охлажденного топлива в баках в существовавших погодных условиях (повышенная влажность, температура наружного воздуха - около нуля градусов Цельсия) создались благоприятные условия для наземного обледенения, возник слой тонкого "льда на переохлаждённом крыле", который могли и не заметить, в итоге повлиявший на аэродинамику самолета. Следует добавить, что даже если обледенение на переохлажденном крыле замечено и производится обработка противооблединительной жидкостью, то, к сожалению, существующие технологии обработки не предполагают обработку нижней поверхности крыла. Но именно нижняя поверхность крыла вносит основной вклад в уменьшение подъемной силы из-за изменения коэффициента вязкости. Неравномерное обледенение крыльев (наветренная и подветренная стороны на стоянке) привело к первоначальному отклонению воздушного судна на разбеге при взлете. Расчетной скорости после отрыва было недостаточно для создания необходимой подъемной силы, что, возможно, и привело к трагедии (подъемная сила на обледенелом крыле из-за изменения коэффициента вязкости меньше, чем подъемная сила на сухом крыле на одной и той же скорости).
К этому необходимо добавить, что при увеличении коэффициента вязкости уменьшение подъемной силы, в основном, происходит за счет нижней поверхности крыла, и чем тоньше профиль крыла, тем больше это влияние. Вот почему сравнительно тонкий профиль CRJ-100 приводит к последствиям, которые, возможно, не были бы столь трагическими, окажись в данных условиях воздушное судно с более толстым профилем крыла.
Статистический анализ метеоусловий показывает, что авиационные происшествия, связанные с ливневыми осадками и обледенением - далеко не редкое явление. В летнее время чаще присутствуют ливневые осадки, а в переходный период чаще случается обледенение [3].
Если рассмотреть степень опасности от указанных опасных метеоявлений, опираясь на статистические данные, то можно сделать вывод о серьезных предпосылках перехода особой ситуации в катастрофическую в данных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аэродинамика самолета Ту-154 / Т.И. Лигум, С.Ю. Скрипниченко, Л.А. Чульский и др. / под ред. Т.И. Лигум. - М.: Транспорт, 1977.
2. Валькович Т.В. Мезомасштабная структура атмосферных фронтов: дисс. ... канд. геогр. наук. - Минск, 1993.
3. Рухлинский В.М. Влияние опасных метеоусловий Крайнего Севера на деятельность экипажей. "Совершенствование деятельности экипажей и безопасность полетов в гражданской авиации". - Л.: ОЛА ГА, 1981.
4. Филатов Г.А. и др. Безопасность полетов в возмущенной атмосфере. - М.: Транспорт, 1992.
5. Report on the Design and Analysis of a Runway Excursions Database, for FSF / SMSpecialties, Oregon, 2009, 93p.
AIRCRAFT LANDING IN STORM RAINFALL CONDITIONS
Rukhlinskiy V.M., Tyappo A.E.
Study of the peculiarities of flight operations in storm rainfall and icing conditions.
Key words: flighty operation, landing characteristics, extreme conditions.
Сведения об авторах
Рухлинский Виктор Михайлович, 1946 г.р., окончил МАИ им. Орджоникидзе (1973), доктор технических наук, председатель Комиссии по связям с ИКАО, международными и межгосударственными организациями Межгосударственного авиационного комитета, автор более 70 научных работ, область научных интересов - безопасность полетов, эксплуатационно-технические характеристики гражданской авиационной техники и поддержание летной годности самолетов ГА.
Тяппо Александр Евгеньевич, 1956 г.р., окончил ОЛАГА (1981), старший преподаватель в Минском государственном высшем авиационном колледже, автор 5 научных работ, область научных интересов - безопасность полетов, летная эксплуатация.
