CC BY
27
conquered aircraft designers still remain "in the shadow" of history. Therefore, research is still relevant, according to the facts of who we should still consider the first, and who only repeated and improved the principles of human flight on heavier-than-air vehicles?
Key words: Mozhaisk, the first Russian aircraft, airplanes, history, aircraft construction, glider.
Kuprikov Mikhail Yuryevich, doctor of technical sciences, professor, head of department, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Kuprikov Nikita Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher at the institute, nkuprikov@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Pukhov Andrey Alexandrovich, doctor of technical sciences, director of the project complex, Russia, Moscow, «Civil Aviation Equipment» of the Federal State Budgetary Institution «Scientific Research Center named after N.E. Zhu-kovsky»
УДК 004
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-702-703
МЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА - ИНСТРУМЕНТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СУВЕРЕНИТЕТА ИЗМЕРЕНИЙ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
Н.М. Куприков, М.Ю.Куприков
При проектировании ЛА все расчеты проводятся для условий Международной стандартной атмосферы (МСА), что позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА, проводимых в различных климатических поясах, путем пересчета результатов испытаний на параметры международной стандартной атмосферы, «поместив» все ЛА в одинаковые условия - условия МСА.Исторически материалы для разработки международных стандартов в сфере МСА были разработаны в СССР и легли в основу международных стандартов ISO, которые в свою очередь стали основой документов ICAO 7488/3 Международной организации по гражданской авиации (ICAO) и в последствии стали государственными документами по стандартизации идентичным международным стандартам ISO. Указанные выше работы были проведены в рамках международного технического подкомитета по стандартизации ИСО/ТК 20/ПК 6 «Стандартная атмосфера», образованным в 1980 году в составе международного технического комитета по стандартизации ИСО/ТК 20 «Авиационная и космическая техника» по инициативе СССР. Стандартизация - основа единства измерений. В Российской Федерации создан технический комитет по стандартизации ТК 484 «Стандартная атмосфера». Разработанная модель международной стандартной атмосферы позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА, проводимых в различных климатических поясах, путем пересчета результатов испытаний на параметры международной стандартной атмосферы, «поместив» все ЛА в одинаковые условия - условия МСА. С развитием авиационной и космической техники список параметров атмосферы, подлежащих нормированию и стандартизации, расширяется.
Ключевые слова: самолет, МСА, атмосфера, стандартная, единство измерений, история, летчик, кадры, технологии, материальное обеспечение, метеорология.
1. Актуальность. Физические процессы и явления, происходящие в атмосфере, в их неразрывной связи и взаимодействии с подстилающей земной поверхностью моря и суши требуют изучения [9-10]. На Земном шаре такое многообразие альтернативных зон базирования аэрокосмических аппаратов от Арктики и Антарктики до тропиков и пустынь, что вольно и невольно требуется их структурно-параметрическая декомпозиция для обеспечения единства измерений летно-технических характеристик. Для примера высоты измеряют относительно уровня моря. И, казалось бы, океаны и моря все сообщаются, однако в силу разных природных явлений единство измерений не обеспечивается. Уровень моря в разных регионах разный. Поэтому в России еще с Петровских времен в качестве единого мерила принят Кронштадтский футшток, который закрепляет нулевой уровень Балтийского моря. В других странах приняты свои нулевые уровни моря. Например, во Франции Марсельский футшток, а Амстердамским (На высоте 9 футов 5 дюймов над уровнем моря - Normal null) пользуются все страны северной Европы. Италия использует уровень Евразийской литосферной плиты, а Турция за начало отсчета приняла средний уровень Средиземного моря за период 1936 по 1971 год, измеренный в районе Анталии. Так исторически получилось, что морское дело определило единство измерений высотности.
Метеорология - наука об атмосфере, окружающей земной шар, имеет несколько разделов:
1.Синоптическая Метеорология - учение о погоде и ее предсказании,
2.Динамическая Метеорология - изучает теоретическими методами атмосферные движения и их связи и взаимодействии с термодинамическими процессами в атмосфере,
3.Климатология - изучает климат,
4.Физика верхних слоев атмосферы - изучает состав, строение и процессы на высотах более 100 км.
Опираясь на эти разделы, авиационная метрология изучает условия полета, которые зависят от параметров: давление, температура и влажность воздуха, направление и скорость ветра, облачность, осадки, видимость и атмосферные явления (грозы, ураганы, смерчи, туманы, метели и пыльные бури). Важным фактором в метеорологии является условие базирования (поверхность взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек аэродрома).
Поэтому при проектировании и эксплуатации летательных аппаратов необходимо учитывать и анализировать метеорологическую обстановку. И решая обратную задачу формировать облик самолётов из условия их эксплуатации с учетом естественной и искусственной среды эксплуатации.
702
2. Модель Стандартной атмосферы. Изучение атмосферы и явлений, в ней происходящих, ведется в течении нескольких столетий, но это касается нижних слоев [9-10]. С развитие авиации и ракетостроения изучение приняло системный и всеобъемлющий характер. В настоящее время методы исследования атмосферы делятся на прямы е и косвенные методы. Прямые методы:
метеорологические наблюдения на земле;
зонды (состав воздуха, ветер, давление, температура и влажность на высотах от 0-40км);
самолеты (состав воздуха, ветер, давление, температура и влажность на высотах от 0-28 км);
ракеты (состав и плотность воздуха, давление, температура и солнечный спектр на высотах от 0-400 км);
спутники (состав и плотность воздуха, давление, температура и солнечный спектр на высотах выше 300
км);
Косвенные методы:
Наблюдение за серебристыми (ветер на высотах от 80-90 км) и перламутровыми (ветер и влажность на высотах 22-27 км) облаками;
Аномальное распространение звука (температура, плотность, давление, ветер и влажность на высотах 2227 км);
Следы метеоров (температура, плотность, давление, ветер и влажность на высотах 50-200 км);
Прожекторный метод (плотность и температура на высотах от 10-65 км);
Спектральные исследования ультрафиолетовой радиации (от 20 до 70 км), изучение ночного неба (60-70 км), полярные сияния (от 80-1100 км);
Теоретические исследования (свыше 800 км);
Радиометоды (состав воздуха, температура, электрические свойства на высотах от 80 до 800км).
Естественной внешней средой для современных ЛА является атмосфера Земли (от греч. а^шо - пар и сфера) и околоземное космическое пространство. Атмосферой принято считать область вокруг Земли, в которой газовая (воздушная) среда вращается вместе с Землей как единое целое.
Условная усредненная модель стандартной атмосферы принята международными соглашениями является среднегодовым и среднеширотным состоянием. Зачем? Для ряда инженерных расчетов летно-технических характеристик самолета, в целях их сравнимости (например, при расчете подъёмной силы и лобового сопротивления, для градуировки различных аэронавигационных приборов, в частности высотомеров).
Атмосфера состоит из воздуха, представляющего собой смесь газов. Воздух - среда очень неустойчивая и непостоянная. Изменение основных параметров воздуха (давления, плотности, температуры) по высоте, неодинаковое распределение солнечной радиации на земном шаре, изменяющееся и по времени года, и в течение суток, вертикальные движения воздуха приводят к тому, что в зависимости от высоты над землей, географического места и других факторов весьма различны химический состав воздуха, его электрические характеристики.
Многолетние исследования атмосферы Земли приборами, поднимаемыми на различные высоты с помощью стратостатов, шаров-зондов, самолетов, геофизических ракет и искусственных спутников Земли, позволили установить, что до высот порядка 80 км с достаточной для практических расчетов степенью точности можно принять следующий объемный состав сухого воздуха: азот - 78%, кислород - 21%, углекислый газ и прочие газы - 1%.
Слой атмосферы до высот 80-100 км, в котором химический состав воздуха не изменяется с высотой, называется гомосферой (от греч. homos - равный, одинаковый). Выше, в гетеросфере (от греч. heteras - другой), с ростом высоты химический состав атмосферы изменяется. До высоты 400-600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, однако начиная с высот 110-120 км практически весь кислород находится в атомарном состоянии, появляется также атомарный азот. Далее, до высоты порядка 1600 км, в атмосфере преобладает гелий, а с высот порядка 3000 км и выше - водород. Так постепенно атмосфера Земли переходит в межзвездный газ, состоящий по массе из примерно 76% водорода и 23% гелия. Изменения в химическом составе атмосферы вызваны процессами диссоциации и ионизации, обусловленными действием космической радиации и солнечного излучения.
По электрическим характеристикам в атмосфере выделяют нейтросферу, простирающуюся до высоты порядка 60 км, в которой частицы воздуха практически не имеют электрического заряда (нейтральны), и ионосферу, в которой газы находятся в ионизированном состоянии (содержат свободные электроны и положительно заряженные ионы) и которая простирается до границы магнитосферы 2 Земли (рис. 1), определяемой равенством давления магнитного поля Земли (геомагнитного поля) и динамического давления солнечного ветра 1 (ионизированного газа, вытекающего из Солнца).
Магнитосфера включает внутреннюю замкнутую дипольную область геомагнитного поля 8, действующую как ловушка заряженных космических частиц, и внешнюю область 7, состоящую из магнитных силовых линий, «заметаемых» солнечным ветром с дневной стороны Земли на ночную и образующих на ночной стороне магнитный шлейф Земли 6. Захваченные геомагнитным полем заряженные частицы (протоны, электроны, a-частицы) образуют радиационный пояс Земли. Условно, в зависимости от распределения захваченных частиц по энергиям, радиационный пояс - зону квазизахвата 3 (от лат. quasi - как бы, наподобие) частиц солнечного ветра) - разделяют на внутрен-
ний пояс и внешний пояс. Внутренний пояс 5, начинающийся на высотах 300-1500 км и простирающийся до высоты около 10000 км, в котором преобладают протоны высоких энергий, представляет опасность для экипажей ЛА. Во внешнем поясе 4, простирающемся до высоты около 50000 км, преобладают электроны и протоны малых энергий.
Естественно, что границы, по которым разделяют атмосферу в зависимости от ее химических, электрических, радиационных параметров, являются размытыми; эти параметры так же существенно зависят от времени года, уровня солнечной активности и других факторов, как и основные параметры воздуха в атмосфере.
2.1. Основные параметры и свойства воздуха в атмосфере. Давление характеризует интенсивность силового воздействия окружающей среды в данной точке [6]:
p = ,
где р - давление, Па (1Па=1Н/м2); F - сила, перпендикулярная поверхности элементарной площадки, Н; S - площадь поверхности элементарной площадки, м2.
Плотность характеризует количество массы воздуха, содержащегося в единице объема:
р = т/Ж,
где р - плотность, кг/м3; т - масса воздуха, кг; W - объем, занимаемый воздухом, м3.
Относительная плотность характеризует изменение плотности в зависимости от высоты:
Д= рн /р0 ,
где рн и р0 - соответственно плотность на заданной высоте и на уровне Мирового океана.
Температура характеризует состояние теплового равновесия системы и является мерой кинетической энергии молекул. Абсолютная температура Т (по шкале Кельвина) связана с температурой ? (по шкале Цельсия) соотношением
T = 273+ I .
Шкала Кельвина названа по имени английского физика У. Томсона, получившего за научные заслуги титул барона Кельвина, шкала Цельсия названа по имени шведского физика А. Цельсия.
Известные из элементарной физики законы для идеального газа хорошо описывают свойства воздуха в атмосфере, поэтому мы можем связать параметры воздуха уравнением состояния газа (уравнением Менделеева -Клапейрона):
т
рЖ = тЯТ,
м
где р - давление; W - объем воздуха; т - масса воздуха; М - молярная масса воздуха (масса воздуха, взятого в количестве один моль); R - универсальная газовая постоянная, R и 8,31 Дж/(моль-К); Т - абсолютная температура.
Уравнение состояния газа названо в честь русского химика Д. И. Менделеева и французского физика и инженера Б. Клапейрона.
Газовая постоянная может быть выражена через удельные теплоемкости воздуха:
R = Ср - Су = Су (к - 1),
где Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении (для воздуха Ср и 1000 Дж/(кг-К)); Су - удельная теплоемкость при постоянном объеме (для воздуха Су и 716 Дж/(кг-К)); к - отношение теплоемкостей Ср / Су . Таким образом, для воздуха к и 1,41.
Н апомним, что теплоемкость определяется количеством теплоты, которое нужно подвести к заданному объему воздуха (или отвести от него) для того, чтобы повысить (или понизить) его температуру на 1К.
Сжимаемость характеризует свойство воздуха изменять свой объем и плотность при изменении давления и температуры.
Упругость характеризует свойство воздуха возвращаться в исходное состояние после прекращения действия сил, вызвавших его деформацию. Естественно, что для воздуха такой деформацией может быть только деформация его объема при всестороннем сжатии.
Свойство сжимаемости и упругости воздуха проявляется в том, что всякое возмущение в нем, т. е. местное сжатие (местное повышение давления и плотности воздуха), распространяется в виде очень малых возмущений -колебаний давления и плотности. Эти колебания происходят со звуковыми частотами и распространяются в виде волн со скоростью звука. Таким образом, скорость звука а (скорость распространения звуковой волны в воздухе) характеризует упругость и сжимаемость воздуха.
Скорость движения волны можно определить соотношением
а = йр/йр,
где р - давление в волне; р - плотность распространяющейся волны.
Приближенно процесс распространения звуковой волны может рассматриваться как адиабатический, т. е. такой, при котором распространяющаяся волна не получает теплоты извне и не отдает ее окружающей среде. В этом
случае йр = к Р и скорость звука выразится соотношением а = \кР/ .
с1р р V /р
Определив из уравнения состояния газа давление через плотность и подставив значения параметров воздуха в уравнение для скорости звука, получим
а и 20 4Т,
где а - скорость звука, м/с; Т - температура воздуха, К.
Число М (число Маха, по имени австрийского ученого Э. Маха) -характеристика потока воздуха (газа), равная отношению скорости V воздушного потока (скорости движения тела в воздухе) к скорости звука а в данной точке потока:
М = V, а 704
Вязкость (или внутреннее трение) характеризует свойство воздуха оказывать сопротивление относительному перемещению своих частиц, а также перемещению в воздухе твердого тела. Причина вязкости - взаимодействие молекул при их хаотическом движении.
Вязкость проявляется в том, что при сдвиге соседних слоев воздуха возникает сила F (сила трения), противодействующая сдвигу:
F = ц (V S, ¿у
где ц - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости, Н-с/м2 (Па-с); (IVI¿у - градиент изменения скорости слоя в направлении, перпендикулярном скорости движения воздуха, 1/с; S -
площадь слоя, для которого рассчитывается сила, м2; F - сила, Н.
Пластинка, движущаяся со скоростью V0
Рис. 2. К объяснению понятия вязкости воздуха
Представим себе две пластинки, между которыми находится слой вязкого воздуха (рис. 3.4).
Если одна из пластинок начнет двигаться со скоростью V0, то этой же скоростью будет обладать и слой воздуха, непосредственно прилегающий к пластинке. Каждый следующий слой в результате вязкости (трения между слоями) приобретет меньшую скорость. Слой, прилегающий к неподвижной пластинке, останется неподвижным. В этом случае сила F, которую необходимо приложить к пластинке, чтобы заставить ее двигаться со скоростью V0, определяется как F = /(о/l)S, где JVq/l - градиент изменения скорости слоя.
Коэффициент кинематической вязкости - отношение коэффициента динамической вязкости к плотности среды: у = /р .
2.2. Международная стандартная атмосфера (МСА). Необходимость сравнения результатов летных испытаний ЛА [1-6] в различных условиях привела к созданию математической модели условной атмосферы. В соответствии с этой моделью по высоте атмосфера делится на несколько слоев, внутри которых температура изменяется по определенному закону, довольно близко совпадающему со среднегодовыми значениями на средних широтах в летнее время (рис. 3). Это тропосфера (от греч. tropos - поворот, изменение), стратосфера (от лат. stratum - слой), мезосфера (от греч. mesos - средний, промежуточный), термосфера (от греч. terme - теплота, жар), экзосфера (от греч. exo - вне, наружу).
А Высота, км Плотность, г/м3
Рис. 3. Параметры МСА [6]
Сравнительно тонкие слои атмосферы, толщина которых измеряется десятками и сотнями метров, отделяющие друг от друга основные слои атмосферы, называются соответственно тропопаузой, стратопаузой, мезопау-зой.
Единая для всех государств международная стандартная атмосфера - условная атмосфера, в которой распределение давления по высоте в поле силы тяжести получается при определенных предположениях о распределении температуры по вертикали из барометрической формулы
Рн = p0 ■ exp-Mgh/RT),
где рн - давление на высоте; po - давление на уровне Мирового океана; M - молярная масса газа; g - ускорение свободного падения; R - универсальная газовая постоянная; T - температура; h - постоянная Больцмана (по имени австр. физика Л. Больцмана).
В МСА за начало отсчета высоты принят уровень Мирового океана при следующих нормальных условиях: ускорение свободного падения go=9,807 м/с2; давление po=101325 Па (760 мм рт. ст.); плотность р0=1,2257 кг/м3 ; температура To=288 К (to = 15°C); скорость звука ao = 340 м/с.
Н, км
1 /
1
>(Н) f п рат опа оа-
■\| /
V
La
■9,
•<> It ропопа L 1 /за
О йЗ
nNg.1 К
IJJ Г*
1 1 i1111' i' i' i' i
Температура, °С
Ж
"300*""540 660 760 Давление, мм рт. ст.
Рис. 4. Параметры МСА для малых высот [6]
Подробные таблицы параметров стандартной атмосферы приводятся в литературе. В специальном математическом обеспечении ЭВМ есть стандартные программы, позволяющие рассчитывать параметры МСА.
Параметры МСА (изменение температуры и давления воздуха) для малых высот, на которых летают вертолеты и самолеты, приведены на рис. 4.
Здесь же приведены данные о распределении среднегодовых значений температуры t(H)max и t(H)min. В первом приближении для тропосферы (H = 0^11 км) можно считать
tH = 15 - 6,5H; ан = a0 -
H
рн = Р0 20 ~ H
0,25 20 + H
где tH - температура воздуха на высоте H, °C; ан - скорость звука на высоте H, м/с; а0 - скорость звука на уровне Мирового океана, м/с; pH - плотность воздуха на высоте H, кг/м3; р0 - плотность воздуха на уровне Мирового океана, кг/м3; H - расчетная высота, км.
В стратосфере (до высоты 20 км) в первом приближении
_ H -11
tH = const = -56,5°C; aH = const = 295,1 м/с; pH = pn e 6,318 , где рн - плотность воздуха на высоте 11 км, кг/м3; pH - плотность воздуха на расчетной высоте H, кг/м3; H - расчетная высота, км.
Все расчеты при проектировании ЛА проводятся для условий МСА, что позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА, проводимых в различных климатических поясах, путем пересчета результатов испытаний на параметры международной стандартной атмосферы, «поместив» все ЛА в одинаковые условия - условия МСА.
2.3. Решение проектно-конструкторских задач и неопределенность по параметрам естественной внешней среды. Как уже отмечалось, при проектировании ЛА для выработки правильного решения необходимо моделировать как ЛА, так и внешнюю среду и процессы их взаимодействия. Модель МСА, включенная в общую модель проектирования ЛА, позволяет оценить его ЛТХ в полном диапазоне высот и скоростей, оговоренных ТЗ на проектирование. Однако реальные условия полета могут существенно отличаться от расчетных в силу того, что сложные атмосферные явления до конца не изучены и существует некоторая неопределенность по параметрам естественной внешней среды, в которой функционирует ЛА. Если в процессе проектирования выбирать параметры ЛА с учетом известных проектировщику самых неблагоприятных и исключительно редко встречающихся явлений, которые могут воздействовать на ЛА в процессе функционирования, то проектирование ЛА может окончиться неудачей -ЛА, способный противостоять абсолютно всем неблагоприятным воздействиям внешней среды, может оказаться неспособным к полету. Проектировщик вынужден идти на определенный технический риск для выполнения поставленной перед ним задачи, т. е. проектировать самолет не на экстремальные, а на наиболее вероятные уровни неблагоприятного воздействия.
Тем не менее проектировщик с самого начала должен знать, какой уровень неблагоприятных факторов приведет к катастрофическим последствиям. Естественно, что для снижения степени риска должны быть применены все доступные проектировщику средства.
Рассмотрим некоторые неблагоприятные факторы, влияющие на самолет [1-10].
Ветер. Действительное распределение давления в атмосфере отличается от предполагаемого (постоянного для данной высоты) распределения, принятого в неподвижной атмосфере, описываемой МСА. Различие давления в отдельных точках вызывает движение воздуха _ ветер. Движение атмосферы поддерживается неравномерным ее нагревом солнечным излучением и имеет случайный характер. В тропосфере происходит очень интенсивное вертикальное перемешивание воздуха, с вертикальными скоростями до 15 м/с (в облаках) и до 50 м/с (в грозовом фронте). На высотах 8-10 км, где обычно пролегают трассы полетов пассажирских самолетов, возникают струйные течения, представляющие собой ураганный ветер со скоростями 10-30 м/с. Таким образом, полет проходит в турбулентной (от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный), неспокойной атмосфере.
В стратосфере также происходит интенсивная циркуляция (от лат. огсиЫю - круговращение) воздуха с резкими ветрами, образуются горизонтальные струйные течения со скоростями 50-150 м/с шириной в сотни километров.
Полет в турбулентной атмосфере определяет колебательный характер траектории (от позднелат. Ьа^ейопш -относящийся к перемещению) - линии, описываемой в пространстве центром масс самолета («колебания центра масс самолета»), - и угловые колебания самолета относительно центра масс («болтанку»). При попадании самолета из нисходящего потока в восходящий, где вертикальная скорость воздуха превышает 20-30 м/с, возможен резкий заброс самолета вверх на 1000-2000 м.
Это приводит к резкому увеличению нагрузок, действующих на конструкцию самолета. В исключительных случаях самолет может разрушиться. Болтанка вызывает в конструкции самолета постоянно действующие знакопеременные нагрузки. При полете самолета в болтанку отдельные элементы конструкции растягиваются, сжимаются, изгибаются. В результате материал конструкции «устает», в элементах конструкции возникают микротрещины, которые растут от полета к полету и в конечном итоге могут привести к так называемому усталостному разрушению конструкции.
Полет в болтанку утомляет пассажиров и экипаж, болтанка мешает точно пилотировать самолет, возникает опасность потери управляемости. Болтанка нарушает спектр потока воздуха, подходящего к воздухозаборникам двигателей, создается угроза самовыключения двигателей.
При разработке компоновки и конструкции самолета необходимо учитывать это явление: предусмотреть различные меры, повышающие усталостную прочность конструкции; создавать безопасно повреждаемые конструкции, в которых разрушение одного или нескольких элементов не ведет к катастрофическим последствиям; обеспечить возможность надежного визуального или инструментального контроля состояния конструкции, позволяющего обнаружить трещины при предполетном осмотре. Однако все эти меры в большинстве случаев ведут к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению эффективности самолета.
Надежное прогнозирование погоды и струйных течений по трассе полета, создание бортовых систем обнаружения турбулентности не только в облачности, но и при ясной погоде позволяют значительно уменьшить вероятность попадания самолета в экстремальные ситуации.
Радикально проблема обеспечения безопасности полета в турбулентной атмосфере может быть решена созданием самолетов, геометрия крыла которых изменяется в полете активной системой управления (АСУ).
По командам от датчиков параметров движения АСУ автоматически отклоняет различные аэродинамические поверхности самолета для перераспределения, уменьшения или увеличения аэродинамических сил, т. е. непосредственно управляет ими с целью ослабления воздействия турбулентности, улучшения аэродинамических и эксплуатационных характеристик самолета и повышения эффективности его конструкции.
Солнечное излучение и радиационные пояса Земли. Атмосфера Земли подвержена постоянному воздействию излучения Солнца и магнитного поля Земли. Солнечное излучение характеризуют качественные и количественные характеристики отдельных областей его спектра: рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной, радиоизлучения.
Воздействие солнечных лучей существенным образом влияет на физико-механические характеристики материалов, из которых изготовлен самолет: растрескиваются лакокрасочные покрытия, защищающие конструкцию от коррозии; теряет упругие свойства резина в различных уплотнениях; ухудшается прозрачность иллюминаторов.
Процессы, происходящие в ионосфере Земли под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, рентгеновского излучения солнечной короны, солнечных корпускулярных потоков и космических лучей, определяют качество радиосвязи. С увеличением высоты полета ЛА возрастает уровень неблагоприятного воздействия этих факторов на экипаж, конструкцию и системы радиоэлектронного оборудования ЛА.
Полет ЛА в пределах радиационных поясов Земли и в космическом пространстве требует специальной радиационной защиты экипажа и элементов оборудования. И поскольку существует некоторая неопределенность по параметрам этих неблагоприятных факторов, случайность в их проявлениях (например, при всплесках солнечной активности, которые недостаточно хорошо прогнозируются), степень риска, на который идет проектировщик, существенно возрастает.
Влажность и химический состав воздуха. В воздухе всегда находится определенное количество водяного пара. Пары воды, осадки в виде дождя и снега содержат частицы солей из водяных брызг с поверхности морей и океанов, растворы солей, кислот и щелочей из продуктов работы промышленных предприятий, которые вызывают коррозию элементов конструкции самолета. В результате коррозии тонкостенные элементы конструкции могут быть значительно повреждены, ослаблены и могут разрушиться под воздействием нагрузки.
Применение в конструкции самолета различных металлов требует специальных эффективных мер защиты от коррозии - нанесения на конструкцию защитных металлических и лакокрасочных пленок. Весьма сложной проблемой является защита от коррозии конструкции гидросамолетов, базирующихся на морских акваториях. Влага, попадая внутрь конструкции самолета на стоянке через открытые двери, люки, может скапливаться в различных местах, вызывая коррозию конструкции «изнутри». Поэтому конструктор должен предусматривать различные мероприятия, препятствующие скоплению влаги внутри конструкции и облегчающие ее удаление из конструкции самолета.
Озон, образующийся в стратосфере под действием ультрафиолетовой солнечной радиации, является очень сильным окислителем, оказывающим неблагоприятное воздействие на металлические и неметаллические конструкционные материалы. При длительных полетах ЛА в стратосфере могут возникнуть проблемы обеспечения безопасности экипажа и пассажиров в кабинах, вентилируемых воздухом непосредственно из окружающей среды, так как озон относится к числу веществ, чрезвычайно токсичных для человеческого организма.
Обледенение. При полете самолета в тропосфере и нижних слоях стратосферы, т. е. в слоях с низкой температурой окружающего воздуха, в условиях повышенной влажности образуется слой льда на поверхности самолета - происходит обледенение. Обледенение - это процесс образования льда на поверхностях агрегатов ЛА. В большинстве случаев обледенение ЛА происходит при полете в атмосфере, содержащей переохлажденные капли воды (т. е. воды в жидкой фазе при отрицательной температуре). При столкновении с лобовыми поверхностями агрегатов ЛА переохлажденные капли воды быстро кристаллизуются, образуя ледяные наросты различной формы и размеров.
Особенно интенсивно образуется лед на передних кромках крыла, оперения, воздухозаборниках двигателей, остеклении кабин. Если не бороться с этим явлением, лед быстро нарастает и на передних кромках крыла и оперения толщина льда может достигать 5-10 см. Отложения льда не только увеличивают массу самолета, но и резко ухудшают обтекание его воздушным потоком, полет становится невозможным.
В условиях обледенения лед образуется на лобовых поверхностях крыльев, рулей высоты и направления, на воздушных винтах, воздухозаборниках, остеклении фонарей, на находящихся в потоке датчиках пилотажно-навигационных приборов и обтекателях антенн.
Статистические данные о частоте случаев обледенения ЛА для различных географических районов Земли показывают, что наибольшая вероятность обледенения существует при полетах в диапазоне температур от 0 до -15°С. Зафиксированы случаи обледенения при температуре воздуха от -50°С и ниже.
Входные устройства и каналы воздухозаборников двигателей ЛА могут подвергаться обледенению и при положительных (до +10°С) температурах. Это объясняется тем, что движущийся в каналах воздухозаборников воздух охлаждается при адиабатическом расширении и влага, находящаяся в нем, конденсируется и замерзает. Известны случаи обледенения сверхзвуковых воздухозаборников.
Рис. 6. иллюстрирует наиболее характерные формы льдообразований (ледяных наростов) на лобовых поверхностях: а - клинообразная; б - желобообразная (корытообразная); в - рогообразная; г - промежуточная.
Если не предпринимать меры по защите от образования льда, ледяные наросты быстро растут, развиваясь по направлению потока воздуха, что существенно увеличивает полетную массу ЛА.
Рис. 6. Формы льдообразований на лобовых поверхностях [6]
Обледенение несущих поверхностей приводит к искажению формы профиля и резкому ухудшению аэродинамических характеристик. На рис. 5-6 показано, насколько существенно, иногда в 1,5-2 раза, уменьшаются в условиях обледенения значения основных аэродинамических характеристик крыла (аэродинамического качества К, коэффициента подъемной силы CY, критического угла атаки акр) и, как следствие, ЛА в целом. Срыв потока с крыла и сильная турбулизация потока за крылом в условиях обледенения происходят значительно раньше, чем на чистом крыле, что может привести к тряске самолета, нарушению продольной балансировки, потере устойчивости и сваливанию самолета. Лед, сброшенный с крыла набегающим потоком, может поражать хвостовое оперение и лопатки компрессоров двигателей, расположенных в хвостовой части фюзеляжа.
//
_
Рис. 5. Изменение аэродинамических характеристик крыла в условиях обледенения [6]
Обледенение передних кромок рулевых поверхностей может привести к потере управляемости. Обледенение воздушных винтов, начинаясь с передних кромок, захватывает до 20-25% хорды лопасти. На крейсерских режимах концы лопастей не обледеневают из-за благоприятного влияния аэродинамического нагрева. При накоплении значительных масс льда (при толщинах 5 мм и более) под воздействием центробежных сил происходит его сброс, сопровождающийся нарушением балансировки винта, вибрациями силовой установки, создается опасность поражения обшивки фюзеляжа сброшенным льдом.
Обледенение несущих и хвостовых винтов вертолетов имеет некоторые особенности, обусловленные режимами их работы (расположением относительно потока набегающего воздуха), различными диаметрами и, как следствие, существенно различающимися скоростями вращения. Так, несущие винты могут обледеневать не только с передней, а и с задней кромки (при движении лопастей против вектора скорости полета), а сброс льда с хвостовых винтов может поражать не только фюзеляж, но и лопасти несущего винта.
Обледенение входных кромок воздухозаборников силовых установок нарушает течение потока воздуха, увеличивает неравномерность поля скоростей перед компрессором, что может вызвать помпаж (франц. pompage -откачка) - одну из форм автоколебаний, выражающуюся в пульсации подачи воздуха и, как следствие, в вибрации лопаток компрессора и всего двигателя, что может вызвать его разрушение. Сброс льда в каналах воздухозаборников приводит к повреждению лопаток компрессоров.
Обледенение лобовых стекол фонарей может резко ухудшить возможность визуального управления ЛА, а обледенение датчиков приборов систем навигации и управления является причиной их неправильной работы или отказа, что усложняет пилотирование.
Безопасность полетов в условиях возможного обледенения обеспечивают противообледенительные (ан-тиобледенительные) системы (ПОС), защищающие ЛА от обледенения в широком диапазоне погодных условий.
Поэтому в конструкции всех современных самолетов предусмотрены противообледенительные системы, обеспечивающие защиту элементов конструкции от образования льда.
Электрические явления в атмосфере. При полете в результате трения о поверхность самолета воздуха, капель воды, пыли отдельные части самолета «заряжаются» статическим электричеством. Разность электрических потенциалов между отдельными частями самолета может достигать нескольких тысяч вольт. Если не принять специальных мер, возможен электрический разряд между элементами конструкции и, как следствие, пожар на борту самолета. Кроме того, разность потенциалов отдельных частей приводит к электрохимической коррозии, создает помехи в работе пилотажно-навигационного оборудования. Возможно также попадание молнии в самолет на стоянке и в полете. Проектировщик обязан предусмотреть и эти явления и принять соответствующие меры, обеспечивающие надежную работу конструкции и оборудования.
Биосфера. Проектировщику приходится учитывать и взаимодействие самолета с живыми организмами, населяющими нижнюю часть атмосферы. Микробы, бактерии, насекомые могут наносить существенные повреждения деталям и системам самолета, выполненным из неметаллических материалов. Чаще всего эта проблема решается правильным выбором материалов с учетом климатических условий, в которых будет эксплуатироваться самолет.
Однако есть проблема, которая требует специальных конструкторских мероприятий. Эта проблема -встреча летящего самолета с птицей. Ежегодно в мире происходит до двух тысяч столкновений самолета с птицами. При высокой скорости полета столкновение с птицей может быть эквивалентно удару орудийного снаряда. Форма, конструкция каркаса остекления, само остекление кабины экипажа, помимо прочих требований, должны удовлетворять и требованию «птицестойкости», т. е. способности самолета выдержать столкновение с птицей без катастрофических повреждений. Необходимо также обеспечить защиту двигателя самолета от разрушения в случае попадания птицы в воздухозаборник. В зоне аэродрома могут быть предприняты меры, отпугивающие птиц, вне зоны аэродрома вероятность столкновения с птицей достаточно велика. Обычно моделируют «стандартного гуся», клюв которого на вынесенной шее и масса несколько килограмм (1800 грамм) представляют собой кумулятивный снаряд. Условие гласит сохранение целостности и герметичности конструкции или затруднение обзора пилота. Испытывают гладкоствольным 132 миллиметровым орудием, которое запитано от заводской магистрали сжатого воздуха с давлением 7 атмосфер. Стреляют бройлером весом 1,8 кг. Со скоростью 550-650 км/ч. И здесь проектировщик также должен принимать решение в условиях неопределенности: результаты столкновения самолета с ласточкой или орлом будут совершенно различны, но за базовый облик «стандартного гуся» при нят бройлер.
Таким образом, проектировщик должен уметь учитывать множество таких явлений, которые часто очень трудно формализовать (выразить их в виде каких-либо математических зависимостей). Опыт и инженерная интуиция проектировщика, грамотно и тонко проведенный эксперимент позволяют обеспечить надежную работу ЛА в неблагоприятных для него условиях естественной внешней среды.
3. Стандартизация - основа единства измерений. При проектировании ЛА все расчеты проводятся для условий МСА, что позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА, проводимых в различных климатических поясах, путем пересчета результатов испытаний на параметры международной стандартной атмосферы, «поместив» все ЛА в одинаковые условия - условия МСА [4].
Исторически материалы для разработки международных стандартов в сфере МСА были разработаны в СССР и легли в основу международных стандартов ISO, которые в свою очередь стали основой документов ICAO 7488/3 Международной организации по гражданской авиации (ICAO) и в последствии стали государственными документами по стандартизации идентичным международным стандартам ISO.
Указанные выше работы были проведены в рамках международного технического подкомитета по стандартизации ИСО/ТК 20/ПК 6 «Стандартная атмосфера», образованным в 1980 году в составе международного технического комитета по стандартизации ИСО/ТК 20 «Авиационная и космическая техника» по инициативе СССР.
В состав ИСО/ТК 20/ПК 6 в качестве полноправных членов (P-member) входят 7 государств: Великобритания, Индия, Казахстан, Китай, Монголия, Россия, Украина. Наблюдателями (O-member) являются: Австралия, Германия, Иран, Корея, Нидерланды, Польша, Румыния, Словакия, Франция. В настоящее время секретариат ведет Российская Федерация (GOST R).
По итогам прошедшего в 2020 году голосования среди членов международного технического комитета по стандартизации ИСО/ТК 20 «Авиационная и космическая техника» новым председателем ИСО/ТК 20/ПК 6 избран Кандидат технических наук, доцент Куприков Никита Михайлович, приступивший к своим обязанностям с января 2021 года.
Проведены рабочие переговоры и контакты по вопросу участия Zero2infinity (Spain) в рамках Испанской ассоциации по стандартизации (UNE) в деятельности ИСО/ТК 20/ПК 6. Также в составе Международный технический подкомитет по стандартизации ИСО/ТК 20/ПК 6 «Стандартная атмосфера» действует рабочая группа «Атмосфера с 30 до 120 км» (WG 1 Atmosphere from 30 to 120 km), председателем которой в 2021 переизбран господин Дэвид Рис, представитель Великобритании в ИСО/ТК 20/ПК 6. В настоящее время фонд стандартов ИСО/ТК 20/ПК 6 составляет 8 международных стандартов (показан в Таблице 1).
В 2021 году создан в Российской Федерации создан технический комитет по стандартизации ТК 484 «Стандартная атмосфера» (далее - ТК 484) в целях актуализации и совершенствования показателей стандартной атмосферы, которые будут использованы при расчётах и проектировании авиационной и космической техники, при обработке результатов геофизических и метеорологических наблюдений, а также для приведения результатов испытаний летательных аппаратов, в том числе, беспилотных, к одинаковым условиям. Еще одной важной задачей для нового технического комитета станет разработка инструментов применения новых информационных технологий и инновационных подходов для цифровой трансформации стандартов и сквозной цифровизации научных исследований и разработок в сфере стандартной атмосферы (в том числе, для показателей атмосферы для высот от 0 до 3000 м, от 1 до 25 км, от 30 до 120 км).
Функции по ведению секретариата национального технического комитета возложены на ФГБУ «Российский институт стандартизации» (ранее ФГУП «Стандартинформ)». ТК 484 создан, как зеркальный к подкомитету международного технического комитета по стандартизации ISO/TC 20/SC 6 «Standard atmosphere», секретариат которого ведет Российская Федерация.
Таблица 1
Фонд стандартов ИСО/ТК 20/ПК_
| Номер Наименование и обозначение международного стандарта
1. ISO 2533:1975 Standard Atmosphere
2. ISO 2533:1975/ADD 1:1985 Standard Atmosphere —Addendum 1: Hypsometrical tables
3. ISO 2533:1975/ADD 2:1997 Standard Atmosphere — Addendum 2: Extension to - 5000 m and standard atmosphere as a function of altitude in feet
4. ISO 5878:1982 Reference atmospheres for aerospace use
5. ISO 5878:1982/ADD 1:1983 Reference atmospheres for aerospace use — Addendum 1: Wind supplement
6. ISO 5878:1982/AMD 1:1990 Reference atmospheres for aerospace use — Amendment 1
7. ISO 5878:1982/ADD 2:1983 Reference atmospheres for aerospace use — Addendum 2: Air humidity in the Northern Hemisphere
8. ISO 9662:1994 Aircraft equipment — Environmental and operating conditions for airborne equipment — Humidity, temperature and pressure tests
Разработка новых и поддержание актуальности национальных и международных документов стандартизации в сфере МСА является неотъемлемым элементом национального технологического суверенитета и залогом создания отечественной авиационной и ракетно-космической техники для поддержания глобальной конкурентоспособности Российской Федерации.
Всего установлено 7 документов по стандартизации, относящихся к сфере стандартной атмосферы (3 ГОСТ, 2 ГОСТ Р, 2 ОСТ). Действующих документов национальной системы стандартизации и межгосударственных стандартов в сфере туризма и сопутствующих услуг - 5. Показатели гармонизации проанализированных действующих национальных и межгосударственных стандартов по отношению к международным:
- 40% идентичны актуальным версиям международных стандартов;
- 60% неэквивалентны (при этом содержат информацию об учете основных положений международных стандартов).
Сведения о национальных и межгосударственных стандартах, относящихся к компетенции ТК 484, а также о тех из них, которые разработаны или обновлены за последние 10 лет представлены в Таблице 2. Действующие, разработанные и отмененные национальные и межгосударственные стандарты, относящиеся к сфере стандартной атмосферы.
В период с 24.03.2021 по 25.04.2021 было проведено внутреннее электронное голосование членов ИСО/ТК 20/ПК 6 по вопросу включения в фонд стандартов ИСО/ТК 20/ПК 6 в целях его дальнейшей поддержки (обеспечения актуальности) международного стандарта ISO 2046:1973 Gaseous breathing oxygen supplies for aircraft (Кислород газообразный для системы жизнеобеспечения на борту самолета).
Были приняты следующие резолюции:
1) Подтверждено действие следующих международных стандартов ISO 5878:1982, ISO 2533:1975 и ISO 9662:1994 (Резолюция 44/2021);
2) ИСО/ТК 20/ПК 6 согласовал начало разработки проекта международного стандарта Atmosphere for Ground Level to 30 Km в январе 2022 года (Резолюция 45/2021);
3) ИСО/ТК 20/ПК 6 согласовал начало разработки проекта международного стандарта Atmosphere for Aerospace Use from Ground Level to 120 Km в январе 2022 года (Резолюция 46/2021).
4) ИСО/ТК 20/ПК 6 поддержал деятельность рабочей группы «Атмосфера с 30 до 120 км» (WG 1 Atmosphere from 30 to 120 km), и согласовал кандидатуру господина Дэвид Риса, представителя Великобритании в ИСО/ТК 20/ПК 6, на новых трехлетний период председательства в рабочей группы ((Резолюции 47/2021 и 48/2021).
Таким образом, на 2022 год запланировано начало работ по разработке проектов международных стандартов:
Atmosphere for Ground Level to 30 Km в январе 2022 года (Резолюция 45/2021);
Atmosphere for Aerospace Use from Ground Level to 120 Km (Резолюция 46/2021).
По итогам голосования по техническим программам были внесены изменения в этапы разработки международных стандартов ISO 5878:1982, ISO 2533:1975 и ISO 9662:1994. Они переведены на стадию жизненного цикла 90.93 «Подтверждение действия между-народного стандарта». Таким образом были сняты вопросы относительно текущего статуса данных международных стандартов.
Основой разработки международных стандартов ИСО/ТК 20/ПК 6 могут послужить национальные стандарты ГОСТ Р 53460-2009 «Глобальная справочная атмосфера для высот от 0 до 120 км для аэрокосмической практики. Параметры» и ГОСТ Р 54084-2010 «Модели атмосферы в пограничном слове на высотах от 0 до 3000 м для аэрокосмической практики. Параметры», разработанные совместно ведущими научно-исследовательскими институтами авиационной промышленности: Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-
исследовательский институт стандартизации и унификации» (ФГУП «НИИСУ»), ФАУ «Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н.Е.Жуковского (ФАУ«ЦАГИ») на основе научно-методических разработок Автономной некоммерческой организацией «Научно-информационный центр «АТМОГРАФ».
Таблица 2
Действующие, разработанные и отмененные национальные и межгосударственные стандарты, __относящиеся сфере стандартной атмосферы__
№ Обозначение стандарта ГОСТ/ГОСТ Р Наименование стандарта ГОСТ/ГОСТ Р Обозначение стандарта ИСО Наименование стандарта ИСО Статус гармонизации
1. ГОСТ 24631-81 (действующий) Атмосферы справочные. Параметры ISO 5878:1982 Reference atmospheres for aerospace use Неэквивалентен
2. ГОСТ 26352-84 (действующий) Модель влажности воздуха в северном полушарии ISO 5878:1982/Add 2:1983 Reference atmospheres for aerospace use — Addendum 2: Air humidity in the Northern Hemisphere Идентичен
3. ГОСТ 4401-81 (действующий) Атмосфера стандартная. Параметры ISO 2533:1975 Standard Atmosphere Идентичен
4. ГОСТ Р 54084-2010 (действующий) Модели атмосферы в пограничном слое на высотах от 0 до 3000 м для аэрокосмической практики. Параметры ISO 2533:1975 ISO 5878:1982 Standard Atmosphere Reference atmosphere supplements Неэквивалентен Информация об учете основных положений
5. ГОСТ Р 53460-2009 (действующий) Глобальная справочная атмосфера для высот от 0 до 120 км для аэрокосмической практики. Параметры ISO 5878:1982 ISO 5878:1982/Add 1:1983 ISO/TR 14618:1996 Reference atmospheres for aerospace use Reference atmospheres for aerospace use — Addendum 1: Wind supplement Global model of the middle atmosphere at the altitude 30-120 km") Неэквивалентен Информация об учете основных положений
6. ОСТ 1 00133-84 (недействующий) Модель атмосферы для оценки летной годности ЛА Отсутствует идентичный стандарт ИСО
7. ОСТ 1 00276-88 (недействующий) Примечание: документ ДСП Модель атмосферы северного полушария для статистической оценки характеристик ЛА и бортового оборудования Отсутствует идентичный стандарт ИСО
ГОСТ Р 54084-2010 «Модели атмосферы в пограничном слове на высотах от 0 до 3000 м для аэрокосмической практики. Параметры» устанавливает закономерности высотного распределения термодинамических параметров атмосферы (температуры, давления, плотности) и направление и скорость ветра в пограничном слое атмосферы (далее ПСА) для высот от 0 до 3000 м над поверхностью земли по широтным и меридиональным разрезам территории Российской Федерации. Модели, приведенные в этом стандарте, адекватно описывают основные закономерности и особенности пространственных и сезонных распределений параметров атмосферы в ПСА. Они служат в качестве базового источника информации для авиационной и космической практики, а также для унификации моделей атмосферы и числовых значений ПСА, используемых для проектирования, испытаний, летной навигации и эксплуатации авиационной и космической техники и оборудования, а также для контроля глобального состояния и массопереноса в атмосфере. Семейство моделей вертикальных профилей для высотного диапазона от 0 до 3000 м региональных и сезонных значений температуры, давления, плотности, влажности и характеристик ветра: скалярной, зональной и меридиональной скоростей ветра и среднего модуля и направления результирующего ветра, а также их изменчивости в терминах среднеквадратических отклонений построены для узлов координатной сетки с фиксированным шагом 5° по широте и переменными шагами 10°—20° по долготе и представляют средние значения ПСА для прямоугольных секторов территории России, стран СНГ и Балтии с размерами 5° широты х 10°—20° долготы. Модели параметров атмосферы в ПСА для высот от 0 до 3000 м построены с учетом их высотной и пространственной (широтной и долготной) и сезонной изменчивости и определяют в табличной форме вертикальные профили средних по секторам и сезонам значений температуры, давления, плотности, влажности, скорости скалярного, зонального, меридионального и результирующего ветра, а также их среднеквадратических отклонений для 9 уровней высоты (10, 100, 300, 600, 1000, 1500, 2000, 2500 и 3000 м) над поверхностью земли. При этом выбор высотных уровней представления ПСА с переменным шагом по высоте дает максимально информативное и статистически достоверное представление о высотной изменчивости ПСА в диапазоне от 0 до 3000 м.
Таким образом, можно сделать вывод, что модели, разработанные и представленные в Стандарте, помимо использования в авиации, могут оказаться полезными в строительной индустрии при расчетах ветровых нагрузок на высотные здания и сооружения, в энергетике для определения ветровых нагрузок на линии электропередач и градирни большой высоты и при определении эффективности ветроэнергетических установок, в экологии для мониторинга и моделирования переноса загрязнений в атмосфере.
Модели данного стандарта найдут полезное применение при:
- моделировании атмосферных условий на всех этапах взлета и посадки авиационной и воздухоплавательной техники, и при планировании стартов космических аппаратов и приземления космических аппаратов;
- проектировании аэродинамической компоновки, двигательных установок, оборудования, средств связи и навигации, механизмов управления легкомоторной авиационной и воздухоплавательной техники;
- испытаниях и сертификации малой авиации, дирижаблей и воздушных шаров, легких беспилотных аппаратов, дельтапланов, парапланов, экранопланов, судов на воздушной подушке, и пр.;
- выборе оптимальных траекторий и высот полетов вышеназванных летательных аппаратов;
- расчетах ветровых нагрузок на высотные здания и сооружения; оценки эффективности ветроэнергетических установок;
- разработке региональных систем экологического мониторинга состояния и временной изменчивости и переноса загрязнений в атмосфере с учетом атмосферной устойчивости и характеристик ветра
Таким образом, стандарт ГОСТ Р 54084 может являться прообразом международного стандарта пограничного слоя атмосферы ИСО. Разработка такого стандарта актуально в связи с важностью содержащихся в нем данных для решения проблем безопасности авиационных и космических полетов на этапах взлета-посадки.
Одним из важнейших направлений стандартизации ИСО/ТК 20/ПК 6 является разработка стандартов, нормирующих глобальные пространственно-временные распределения термодинамических параметров (давления, температуры, плотности, влажности, химического и физического состава), а также скорости и направления ветра в атмосфере, их изменчивость и долговременную (вековую) эволюцию.
Очередными важными для практики шагами в этом направлении явились модели годовой (по средним сезонным значениям) и долготной изменчивости атмосферных параметров, развитые в национальных российских стандартах ГОСТ 53460 «Глобальная справочная атмосфера для высот от 0 до 120 км для аэрокосмической практики» и ГОСТ 54084 «Пространственно-временные распределения параметров пограничного слоя атмосферы над территорией России и стран СНГ для высот 0 - 3000 м для аэрокосмической практики».
Стандарт ГОСТ 54084 может являться прообразом международного стандарта пограничного слоя атмосферы ИСО. Разработка такого стандарта актуально в связи с важностью содержащихся в нем данных для решения проблем безопасности авиационных и космических полетов на этапах взлета-посадки.
При актуализации стандарта ГОСТ 53460, а также при разработке проектов ПК 6, планируется дальнейшая детализация моделей распределения параметров атмосферы на высотах до 25 - 30 км по долготе ввиду их статистической значимости и обеспеченности постоянно накапливаемыми аэрологическими данными.
В равной степени учет долготных и сезонных различий актуален и для стратосферы и средней атмосферы на высотах до 80 км и выше. Их моделирование в настоящее и последующее время должно базироваться на данных спутникового зондирования атмосферы.
Ключевым вопросом моделирования вертикальных профилей атмосферных параметров во всем диапазоне высот от 0 до 120 км является слой атмосферы на высотах от 25 до 30 - 40 км, методическая и информационная сложность которого связана с наличием данных измерений разного типа и разной инструментальной точности (аэрологических и спутниковых).
С развитием авиационной и космической техники список параметров атмосферы, подлежащих нормированию и стандартизации, расширяется. Так, непреходящую актуальность имеют неохваченные стандартами ИСО параметры облачности (в первую очередь - нижней), а также оптические и электромагнитные характеристики атмосферы.
Актуальными в связи с проблемами экологии является содержание, распространение и распределение в атмосфере вредных выбросов индустриальной деятельности человека, в первую очередь энергетики и транспорта, в том числе авиационного, а также вредных выбросов природного происхождения (вулканической деятельности, лесных пожаров и пр.).
Нарастание специальной информации по линии международной стандартизации атмосферы ИСО/ТК 20/ПК 6 и всей деятельности ИСО/ТК 20 и развитие международных связей и кооперации в области авиации и космонавтики обуславливает необходимость актуализации и унификации терминологии и разработки специализированных стандартов-словарей.
Неизбежное нарастание объемов информации, содержащихся в национальных и международных стандартах атмосферы ИСО, требует новых информационных технологий и технических средств для обеспечения их эффективного использования. В связи с этим в настоящее время на повестке дня ПК 6 весьма остро стоит задача разработки компьютерных версий системы стандартов ИСО, обеспечивающих автоматизированный поиск и выдачу необходимой пользователю информации в удобном для него формате.
Глобальная эталонная атмосфера для эшелона (высот) в диапазоне 0-25 км для использования воздушного пространства (Global reference atmosphere for altitude 0 - 25 km for aerospace use)
Модель атмосферы в пограничном слое в диапазоне высот от0 до 3000м для операций в воздушном пространстве (Model of atmosphere in the boundary layer at altitudes from 0 to 3000 m for aerospace practices)
Глобальная эталонная атмосфера для высот в диапазоне 30-120км для использования воздушного пространства (Global reference atmosphere for altitude 30 - 120 km for aerospace use).
Таким образом, учитывая уникальный опыт России в области стандартизации в части стандартной атмосферы и готовность членов подкомитета ИСО/ТК 20/ПК 6 к сотрудничеству, с целью повышения эффективности работы ИСО/ТК 20/ПК 6 «Стандартная атмосфера» представляется целесообразным привлечение российских экспертов и экспертные организации в области стандартной атмосферы для участия в работе подкомитета и активизацию предложений по разработке и пересмотре стандартов по инициативе Российской Федерации.
Выводы:
1. Стандартизация - основа единства измерений. В Российской Федерации создан технический комитет по стандартизации ТК 484 «Стандартная атмосфера».
2. Разработанная модель международной стандартной атмосферы позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА, проводимых в различных климатических поясах, путем пересчета результатов испытаний на параметры международной стандартной атмосферы, «поместив» все ЛА в одинаковые условия -условия МСА.
3. С развитием авиационной и космической техники список параметров атмосферы, подлежащих нормированию и стандартизации, расширяется.
Список литературы
1.Avedian A.B., Kuprikov M.YU., Markin L.V. The layout of aircraft. Moscow: MAI Press. 2012. 294 p.
2. Аэрогидромеханика: Учебник для студентов высших технических учебных заведений/Ю.А.Рыжов и др. М.: Машиностроение. 1993. 608 с.
3. Бойцов Б.В., Борисов В.Д., Киселев Н.М., Подколзин В.Г. Жизненный цикл и реализация летательного аппарата. М.: Изд-во МАИ. 2005. 520 с.
4. Бойцов Б.В., Куприков М.Ю. Компетентностная модель объектно-ориентированного аэрокосмического образования. Компетентность. 2012. № 9-10 (100-101). С. 20-26.
5. Dolgov O.S., Kuprikov M.YU. Momento-inertial factor in the formation of the shape of the aircraft. Moscow: MAI-PRINT Publishing House, 2008. 180 p.
6. Егер С.М., Матвеенко А.М., Шаталов И.А. Основы авиационной техники. М.: Изд-во МАИ. 1999. 576 с.
7. Егер С.М., Мишин В.Ф., Лисейцев Н.К., Бадягин А.А., Ротин В.Е., Склянский Ф.И., Кондрашов Н.А., Киселев В.А., Фомин Н.А. Проектирование самолетов. М.: Машиностроение. 1983. 616 с.
8. Егер С.М., Лисейцев Н.К., Самойлович О.С. Основы автоматизированного проектирования самолетов. М.: Машиностроение. 1986. 232 p.
9. Кравченко И.В. Летчику о метеорологии. М.: Военное издательство МО СССР 1962. 313 p.
10. Рабкин И.Г. Безопасность полета. М.: Военное издательство МО СССР 1962. 136 с.
11. Roskam, J.; Airplane Desing, 1-8 Bahnd, 1980-1990, Kanzas.
12. Torenbeek, E.; Synthesis of Subsonic Airplane Design. Delft Universitz Press; 1982.
13. Филлипс Э. Совместная работа экспертов всего мира над повышением летной безопасности. // Общероссийский научно-технический журнал «Авиатранспортное обозрение». №36, 2001. С. 43-46.
Куприков Никита Михайлович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, nkuprikov@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Куприков Михаил Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
INTERNATIONAL STANDARD ATMOSPHERE - A TOOL FOR TECHNOLOGICAL MEASUREMENT SOVEREIGNTY
IN THE AEROSPACE INDUSTRY
N.M. Kuprikov, M.Yu. Kuprikov
When designing an aircraft, all calculations are carried out_ for the conditions of the International Standard Atmosphere (ISA), which allows you to compare the results of calculations and_ flight tests of several aircraft conducted in different climatic zones by recalculating the test results _ for the parameters of the international standard atmosphere, "placing" all aircraft in the same conditions - the conditions of the ISA. Historically, the materials _ for the development of international standards in the_ field of ISAs were developed in the USSR and_ formed the basis of ISO international standards, which in turn became the basis of ICAO documents 7488/3 of the International Civil Aviation Organization (ICAO) and subsequently became state documents on standardization identical to ISO international standards. The above works were carried out within the framework of the international technical subcommittee for standardization ISO/TC 20/PC 6 "Standard Atmosphere", formed in 1980 as part of the International technical committee _ for standardization ISO/TC 20 "Aviation and Space Technology" on the initiative of the USSR. Standardization is the basis of the unity of measurements. The Technical Committee for standardization TC 484 "Standard Atmosphere" has been established in the Russian Federation. The developed model of the international standard atmosphere makes it possible to compare the results of calculations and flight tests of several aircraft conducted in different climatic zones by recalculating the test results _ for the parameters of the international standard atmosphere, "placing" all aircraft in the same conditions - the conditions of the ISA. With the development of aviation and space technology, the list of atmospheric parameters subject to standardization and standardization is expanding.
Key words: aircraft, ISA, atmosphere, standard, unity of measurements, history, pilot, personnel, technology, material support, meteorology.
Kuprikov Nikita Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, nkuprikov@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Kuprikov Mikhail Yuryevich, doctor of technical sciences, professor, head of department, Russia, Saint Petersburg, Moscow Aviation Institute (National Research University)
