CC BY
437
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 97
УДК 629.735.33.015.025
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРАЖДАНСКИХ САМОЛЕТОВ В ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЛЕТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Г.Т. АНДРЕЕВ, И. С. ВАСИН Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Рассматриваются вопросы исследований влияния обледенения на аэродинамику дозвукового самолета на основе испытаний моделей самолета в аэродинамических трубах.
Обеспечение безопасности полета, особенно в сложных метеорологических условиях, в том числе в условиях обледенения, является одной из важнейших проблем современной авиации. Образование льда на передних кромках несущих поверхностей может привести к заметным изменениям аэродинамических характеристик и ухудшениям летных свойств самолета. Этой проблеме всегда уделялось повышенное внимание, как в нашей стране, так и за рубежом, учитывая, что большое количество воздушных трасс проходит в местах, где метеорологические условия могут способствовать обледенению самолетов [1 - 5].
Мировая статистика показывает, что число летных происшествий, возникающих из-за опасных воздействий внешней среды, в общем балансе аварийности в авиации весьма значительно. Доля этих происшествий достигает 25% - 30% от общего количества летных происшествий. Во всем мире только в авиации общего назначения ежегодно происходят тяжелые летные происшествия из-за обледенения. Поэтому исследование влияния обледенения на аэродинамические характеристики пассажирских и транспортных самолетов является важной проблемой, связанной с безопасностью и регулярностью полетов.
В процессе летной эксплуатации самолета может встретиться большое многообразие форм обледенения. Безопасный полет и минимальные характеристики должны быть гарантированы при всех известных условиях обледенения в пределах всего объема метеорологической сертификации.
Летные испытания в условиях естественного обледенения являются весьма дорогими и требуют много времени, особенно, если условия естественного обледенения, соответствующие ожидаемым критическим метеорологическим условиям, не всегда легко найти.
Для обеспечения необходимого уровня безопасности полетов самолетов в условиях обледенения необходимо еще на стадии проектирования самолета определить влияние льда, образующегося на несущих поверхностях, на его аэродинамические характеристики и выявить степень ухудшения летно-технических характеристик (ЛТХ) и определить особенности динамики полета. Это позволит заранее разработать требования к противообледенительным системам (ПОС) в ожидаемых условиях эксплуатации и выдать рекомендации по защите агрегатов самолета от обледенения. При этом, чем раньше будет принято обоснованное решение по защите агрегатов от обледенения и типе ПОС, тем проще будет обеспечен требуемый уровень безопасности ЛА при полетах в условиях обледенения и тем меньше в дальнейшем потребуется работ как по доводке конструкции ПОС, так и при летноконструкторских сертификационных испытаниях.
Для всех авиационных фирм, разрабатывающих и производящих самолеты, весьма важным для обеспечения сертификации нового самолета, в том числе в условиях обледенения, является сокращение времени сертификационных испытаний и их стоимости. Хотя некоторые летные испытания в условиях естественного обледенения и могут потребоваться, в последнее время все большее распространение получают методы исследований аэродинамики самолетов с помощью использования типовых форм имитаторов льда как в летных испытаниях самолета, так и при испытаниях аэродинамических моделей самолета в аэродинамических трубах (АДТ) [6, 7]. Использование методов применения типовых форм имитаторов льда - это способ удержать процесс сертификации в пределах установленной продолжительности по времени и приемлемой стоимости.
Использование форм имитаторов льда обеспечивает дополнительные преимущества, заключающиеся в том, что форма льда и размеры хорошо определяются и что испытания с имитаторами льда могут быть легко воспроизведены и при необходимости повторены. Возникает лишь вопрос, какие формы и размеры льда являются реалистичными и в особенности, какие из них создают наиболее критические воздействия на аэродинамические характеристики самолета.
Первый вопрос выходит за рамки нашей статьи. Решение его может быть получено: в летных испытаниях самолетов - лабораторий с натурными отсеками исследуемых агрегатов в условиях естественного обледенения;
при испытаниях моделей самолета или его исследуемых агрегатов в специальных АДТ при условиях, соответствующих естественному обледенению;
при специальных расчетах форм и размеров льда на агрегатах самолета при условиях, соответствующих естественному обледенению.
Остановимся на использовании имитаторов льда при испытаниях в АДТ полных аэродинамических моделей самолетов или их агрегатов. На рис. 1 иллюстрируются средства для демонстрации соответствия, включающие работы и исследуемые изделия в АДТ.
Средства для демонстрации соответствия, включающие работы и исследуемые изделия в аэродинамических трубах.
Исследования в АДТ моделей самолетов с имитаторами льда позволяют:
• на этом этапе проектирования Л.А. оценить влияние различных форм льда, которые определяются в соответствии с FAR/JAR 25.1419;
• выбрать тип противообледенительной системы (ПОС) и дать рекомендацию по рациональной её установке на крыле, Г.О.,
В.О.;
• рассчитать ЛТХ и проверить управляемость самолета на пилотажном стенде;
• сократить программу и повысить безопасность летных испытаний при сертификации самолета в условиях обледенения;
• оценить изменение аэродинамических характеристик самолета со льдом при отказных ситуациях взлетно-посадочной механизации.
Рис. 1.
Основной целью использования имитаторов льда на аэродинамических моделях при испытаниях в АДТ является определение влияния обледенения на аэродинамические характеристики, на ЛТХ, на характеристики устойчивости и управляемости самолетов как можно на более ранних стадиях их разработок и до проведения сертификационных летно-конструкторских испытаний. Испытания моделей самолетов в АДТ с имитаторами льда позволяют оценить влияние различных форм льда, которые определяются в соответствии с FAR/JAR 25.1419.
Эти испытания позволяют обеспечить Разработчика информацией, где и как применять в конструкции крыла, стабилизатора, киля и воздухозаборников двигателей систему защиты от обледенения. Испытания в АДТ позволяют выявить наихудшую форму обледенения и наибольшую степень его влияния, сократить программу и повысить безопасность летных испытаний при сертификации самолета в условиях обледенения.
Предусматриваются комплексные исследования как по оценке влияния форм и размеров льда, так и по влиянию сброса льда с незащищенных поверхностей самолета на аэродинамику самолета.
Исследования в АДТ на моделях с имитаторами льда и последующий анализ экспериментальных результатов могут проводиться, как часть сертификационных испытаний, одним из следующих методов:
на крупномасштабных моделях-макетах самолетов с имитаторами льда, выполненных в масштабе М = 1 : (2 ^ 3) в натурной аэродинамической трубе типа Т-101 ЦАГИ;
на моделях натурных частей самолетов (натурное хвостовое оперение, натурный отсек крыла, натурная силовая установка) в натурной аэродинамической трубе типа Т-101 ЦАГИ;
на моделях частей самолетов (хвостовое оперение, полукрыло с механизацией) в аэродинамической трубе типа Т-102, Т-103 ЦАГИ;
на малых исполнительных моделях самолетов в АДТ ЦАГИ с закрытой рабочей частью при повышенном давлении (при повышенных числах Re до (3 ^ 5)-10б);
инженерный анализ результатов и последующее моделирование.
Объем программ испытаний моделей в АДТ должен учитывать особенности конструкции каждого самолета. На основе таких испытаний в АДТ аэродинамических моделей самолета с имитаторами льда решаются вопросы о проведении летно-конструкторских сертификационных испытаний самолета с имитаторами льда и о необходимости проведения летных испытаний самолета в условиях естественного обледенения.
На рис. 2 иллюстрируются методы для установления соответствия АП-25, FAR/JAR 25.21 и место исследований аэродинамических моделей самолетов с имитаторами льда в АДТ.
Методы определения соответствия (МОС).
Соответствие с АП - 25, РА^АК 25.21 должно быть продемонстрировано одним или несколькими методами, которые согласованы с сертификационными органами.
Рис. 2
На основе такого комплекса работ можно сделать обоснованные выводы о возможной безопасной летной эксплуатации самолета с ПОС или без ПОС на элементах самолета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маховер З.М., Наровлянский Г.Я., Солонин С.В. Метеорологические условия на международных воздушных трассах. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1973.
2. Трунов О.К. Обледенение самолетов и средства борьбы с ним. - М.: Машиностроение, 1965.
3. Лебедев Н.В. Борьба с обледенением самолетов. - М. - Ленинград.: Гос. Издат. Оборон. Пром. НКАП СССР, 1939.
4. Тенишев Р.Х., Строганов Б. А., Савин В.С. и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1967.
5. Мещерякова Т.П. Проектирование систем защиты самолетов и вертолетов. - М.: Машиностроение, 1977.
6. Микеладзе В.Г., Андреев Г.Т., Мельничук Ю.П. Исследования влияния и имитаторов наземного обледенения на аэродинамические характеристики натурного полукрыла самолета Як-40 в АДТ Т-101 ЦАГИ // Моск. обл., пос. Володарского.: XII школа - семинар "Аэродинамика летательных аппаратов" НИО-2 ЦАГИ. - М., 2001.
7. Андреев Г.Т., Кощеев А.Б. и др. Предложения по проведению сертификации гражданских самолетов в условиях обледенения на основе анализа результатов трубных и летных испытаний самолетов семейства "Ту-204" с имитаторами льда // Моск. обл., пос. Володарского.: XVI школа - семинар "Аэродинамика летательных аппаратов" НИО-2 ЦАГИ. - М., 2005.
INVESTIGATION OF ICING INFLUENCE ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF CIVIL
AEROPLANES TO PROVIDE FLIGHT SAFETY
Andreev G. T., Vasin I. S.
The problem of icing influence investigation on the characteristics of subsonic aeroplane on a basis aerodynamic tests tunnels of the aeroplane models are considered.
Сведения об авторах
Андреев Геннадий Тимофеевич, 1944 г.р., окончил МАИ (1967), начальник сектора НИО-2 ЦАГИ, кандидат технических наук, автор более 50 научных работ, область научных интересов - аэродинамика поверхностей управления летательных аппаратов, аэродинамика летательных аппаратов в условиях обледенения.
Васин Игорь Сергеевич, 1938 г.р., окончил МАТИ (1961), ведущий аэродинамик ОКБ АК им. С.В. Ильюшина, кандидат технических наук, автор более 80 научных работ, область научных интересов -аэродинамика дозвуковых самолетов, аэродинамическое проектирование, безопасность летной эксплуатации.
