CC BY
82
УДК 625.717.02.032.32
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЕДИНЫХ НОРМАТИВОВ РОВНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ
В.П. ФИЛИППОВ
Статья представлена доктором технических наук Далецким С.В.
Изложен подход к нормированию неровностей искусственных аэродромных покрытий, учитывающий воздействие этих неровностей на темп расходования ресурса конструкции самолетов ГА, а также вибрационный комфорт экипажа и пассажиров. Приведены результаты работы, в которой указанный подход был использован в целях разработки нормативов ровности новых и капитально отремонтированных ИВПП.
Ключевые слова: аэродромное покрытие, ровность, нормативы, спектральная плотность неровностей, критерий ровности.
В работе [1] приведены основные результаты исследований, проводившихся с целью нормирования уровня неровностей аэродромных покрытий (УНАП) с учетом его комплексного воздействия на средний магистральный самолет (СМС). При этом учет комплексности означает принятие во внимание трех аспектов подобного все более негативного (по мере роста уровня неровностей) воздействия, а именно, увеличения темпа расходования ресурса конструкции самолета; ухудшения комфортности работы экипажа; возрастания максимальных нагрузок, действующих на самолет при наземных режимах движения (в том числе и до уровня, превышающего допустимый в эксплуатации).
В ходе разработки единых нормативов ровности искусственных аэродромных покрытий для эксплуатируемых аэропортов ГА (ЕНРИАП) наряду с данными, описанными в [1], были также использованы материалы дополнительных расчетно-экспериментальных исследований.
В процессе их выполнения изучались вопросы влияния УНАП в трех указанных выше аспектах на ближний магистральный самолет (БМС). Таким образом, методика исследований БМС была практически аналогична использованной при соответствующем анализе СМС [1]. Подобное методологическое единство позволило в итоге получить вполне сопоставимые данные о разнохарактерном воздействии УНАП на самолеты различных типов и в конечном счете использовать эти результаты как определяющую основу при отработке ЕНРИАП.
Сопоставимость (сходность) указанных данных предопределила и подобную использованную в [1] форму приведенного далее изложения основных результатов рассмотрения влияния УНАП на БМС.
С целью получения исходной информации о подобном влиянии были проведены летные испытания самолета на пяти аэродромах ГА, контрастно отличающихся друг от друга по уровню неровностей. В общей сложности было выполнено 60 пробежек по ИВПП этих аэродромов с
варьированием скорости V [км/ч], центровки X [% САХ] и массы G [т] самолета. Варьирование указанных параметров осуществлялось с учетом плана эксперимента, задаваемого центральным композиционным рототабельным планированием второго порядка [2] для числа незавиcимых факторов п = 5 ^, V, X , с, к, где k и c [мм2 м1-к] - соответственно показатель
степени и коэффициент зависимости спектральной плотности неровностей аэродромного покрытия Б[мм2 м] от их пространственной частоты Б [1/м] : Б = с/ Бк). При этом традиционно параметры с и к рассматривались как обобщенные характеристики уровня неровностей данного
аэродромного покрытия. Диапазон варьирования каждого из факторов G, V, X выбирался по возможности соответствующим имеющему место в реальной эксплуатации машин данного типа, а именно, G - от 42,15 до 53,8 т, V - от 20 до 190 км/ч, X - от 21 до 25 % САХ.
В процессе летных испытаний на самолете регистрировались 34 параметра, характеризующих нагруженность его конструкции, то есть темп расходования ресурса и уровень максимальных силовых факторов, воздействующих на машину. Кроме того, фиксировались виброускорения в 16 точках ее планера как исходная информация об уровне комфорта экипажа, а также 5 параметров движения самолета (скорость, углы крена, тангажа и т.п.).
В результате обработки полученной информации как наиболее существенные, с точки зрения расходования ресурса конструкции самолета и уровня ее максимальной нагруженности при наземных режимах эксплуатации, для дальнейшего анализа были выбраны 15 из 34 упомянутых выше параметров. Далее в качестве иллюстрации приводятся результаты, полученные для 4 из этих 15 силовых факторов, а именно, КУ (нормальная перегрузка в центре масс), М2Б49 (изгибающий момент, действующий в сечении по 49-му шпангоуту фюзеляжа), PYLEV (вертикальная составляющая усилия на левую основную стойку шасси), РХРЯ (горизонтальная составляющая усилия на правую основную стойку шасси).
Аналогичным образом из 16 регистрировавшихся виброускорений как наиболее значимое, с точки зрения расходования ресурса конструкции машины и уровня комфорта экипажа, далее рассматривалось вертикальное ускорение а кресла пилота.
Для каждого из выбранных таким образом 16 параметров с использованием методов регрессионного анализа [3, 4] выявлялись статистические зависимости повреждаемости конструкции самолета С под воздействием какого-либо из соответствующих параметров силовой на-груженности (а также зависимость максимальной величины виброускорения атах) за единицу
времени одного режима пробежки БМС, характеризуемого значениями G, V, X , по ИВПП,
продольные неровности поверхности которой в свою очередь характеризуются показателями с и к. Подобные зависимости типа С = ф ^^,X ,с,к) благодаря применению указанных выше
методов позволяют получить оценки С (либо атах) с минимальными средними квадратическими отклонениями (СКО).
Применение указанных методов позволило описать рассматриваемые зависимости соотношениями, которые в общем виде выглядят как
1п А = Ь0 + ЪХО + Ъ2У + Ъ3XT + Ъ4с + Ь5к + Ь6О 2 + Ъ7У2 + Ь8XT 2 +
+ Ъ9с2 + Ъюк2 + ЪиО V + Ъ-12ОXт + ЪиОс + Ъ-l4VX т + Ъ^Ус + (1)
+ Ъ16 Xтc + Ъ17 О к + Ъ18Ук + Ъ19 Xтk + Ъ20 ск, где под величиной А следует понимать либо повреждаемость С Р, вносимую в единицу времени указанного выше режима пробежки в конструкцию планера каким-либо нагружающим параметром Р (под Р в данном случае подразумеваются КУ, М2Б49, PYLEV, РХРЯ), либо значение атах.
Коэффициенты Ь0, Ь; (1 = 1, 2, ... , 20) при факторах О , V , ... , О2, ... , ОУ , ... , ск , а также ряд других указанных далее величин приведены в [5].
Нормированные параметры типа / (здесь Г - это G либо V, либо Xт, либо с, либо к) следует определять как
/ = / - /0 А/ ■
В свою очередь, совокупность указанных факторов (их значений), которые следует одновременно подставлять в соотношение типа (1) с целью получения оценок С, может рассматриваться как полная группа координат вектора и, в связи с этим, охарактеризована соответствующими кубической (НК), октаэдрической (НО) и евклидовой (НЕ) нормами [6]. В [5] приведены границы диапазона варьирования различных норм (например, для кубической нормы - это НКмт и НКмах).
В случае, если все значения независимых факторов, подставляемых одновременно в зависимость типа (1) с целью получения оценок С (либо атах), а также соответствующих норм находятся внутри указанных диапазонов, эта зависимость может рассматриваться в качестве интерполяционной, в противном случае она применима в целях экстраполяции.
Оценка значимости всех 16 выявленных соотношений методами дисперсионного анализа [3] позволила сделать вывод о том, что все эти соотношения адекватно описывают исследуемые закономерности. Точность такого описания в некоторой степени может характеризоваться величиной СКО ^п£р (либо0"1п а^) оценок натурального логарифма повреждаемости СР (либо
атах ), получаемых с помощью соответствующей модели типа (1). При этом ^пСР (^патах) следует рассматривать в качестве стандартной погрешности подобных оценок [7]. Стандартные ошибки ^1п£р (0"1п^) также приведены в [5]. Об относительной доле подобных погрешностей приближенно можно судить, сравнивая их с данными в [5] величинами среднего натурального логарифма повреждаемости 1п С Р (либо среднего натурального логарифма величин атах
1п атах ), оцененными по тем же экспериментальным данным, на основании которых отыскивались соотношения типа (1). По результатам этого сопоставления для выведенных уравнений
погрешности ^пСР (^1патах) составляют 1,6 - 43 % от соответствующих значений 1пСР (1патах). Учитывая наблюдаемые в многочисленных исследованиях существенные (в 10-ки раз) разбросы различных оценок как самой повреждаемости, так и их значений, получаемых при попытках описания закономерностей ее изменения, указанную выше точность выявленных соотношений можно считать вполне приемлемой с точки зрения их практического применения.
Методика [3, 4] получения оценок коэффициентов регрессии Ь;, фигурирующих в какой-либо из зависимостей типа (1), обеспечивает практическую некоррелированность этих коэффициентов между собой. Кроме того, по их соотношению можно судить о влиянии того или иного независимого фактора на рассматриваемую повреждаемость конструкции. Подобный анализ коэффициентов показывает, что в большинстве случаев преобладающее влияние на повреждаемость оказывают характеристики неровностей аэродромного покрытия с и к, при этом их возрастание закономерно ведет к увеличению £р ( атах ).
Полученные зависимости типа (1) были использованы для проведения расчетов значений с, при которых для соответствующего сочетания факторов к, G, V, XT не будет превышена величина предельно допустимой повреждаемости конструкции С пред. Р (либо соответствующее значение виброускорения амах Р).
При этом был принят подход к выбору предельно допустимой повреждаемости конструкции самолета при наземных режимах движения, который сводится к оценке средней повреждаемости С рассматриваемой зоны планера в условиях эксплуатации и СКО & с этой повреждаемости. Далее значение £ пред. р для данного элемента оценивается по соотношению
СпредР =С + 2&£ . (2)
Как указано выше, испытания БМС проводились на аэродромах с различными уровнями неровностей покрытий в условиях варьирования параметров веса, скорости и центровки машины в их эксплуатационного диапазонах. Таким образом, эти испытания можно считать в некоторой степени моделированием условий эксплуатации парка самолетов. В связи с этим, для оценки фигурирующих в (2) величин С и &с были использованы полученные в указанных испытаниях данные по повреждаемости рассматривавшихся зон конструкции планера. Согласно описанному выше эти данные представляют собой оценки, определенные по записям соответствующих нагрузок, полученным в процессе 60 пробежек самолета по ИВПП пяти аэродромов Г А.
Найденные на основании указанных материалов для каждого из параметров КУ, MZF49, РУЬБУ, РХРЯ оценки С , & с и С пред. Р представлены в [5]. В свою очередь, предельно допустимая в эксплуатации величина атах Р в соответствии с [8] была принята равной 0,4 §, т.е. 3,92 м/с2.
Далее для каждого показателя к из общего массива значений с, найденных с использованием данного соотношения, отбирались минимальные величины см;п, имея в виду, что при других сочетаниях независимых факторов подобные минимальные характеристики неровностей будут обуславливать повреждаемость заведомо меньшую, чем С пред. Р (либо воздействие виброускорения а, меньшего, чем амах Р). Полученные таким образом для каждого из 16 параметров нагружения минимальные оценки с приведены в табл. 1, где в целях обеспечения большей наглядности дальнейшего анализа эти оценки даны в виде, при котором они увеличены по сравнению с реальными в сто раз. В этой таблице поименованы силовые факторы, рассматриваемые здесь в целях иллюстрирования общих результатов, обозначения же остальных не приводятся, так как это не имеет принципиального значения.
Таблица 1
Расчетные оценки нормативных значений характеристики уровня неровностей аэродромного покрытия с
№№ п/п парам... 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
1 от 189,1 145,5 115,9 94,56 78,48 66,85 58,18 50,19 39,87
2 942,8 963,3 980,7 995,4 1001 1003 1002 1000 996,1
3 228,6 168,6 127,8 95,92 74,9 64,31 39,16 33,18 31,23
4 345 293,9 233,5 218,6 159 158,4 148,8 - -
5 1538 - 62,82 95,66 100,2 83,41 62,12 35,44 -
6 РУЬБУ 536 469,7 408,5 350,9 298,2 247,0 200,3 187,7 111,5
7 572 458,6 351,5 257,5 184,3 137,2 97,58 63,43 36,39
8 340,2 260,1 174,5 132 146 115,1 17,44 - -
9 РХРЯ 319,9 287 178,2 95,49 114,1 91,89 71,3 49,48 27,16
10 403,2 192,9 1,503 11,55 - - - 61,43 12,89
11 516 428 339,1 248 148,2 89,8 53,98 54,59 -
12 MZF49 1167 1240 1316 1396 1479 1564 1651 1740 1830
13 537,4 456,5 372,7 280,5 180,2 241,5 160,7 178,9 41,05
14 606,8 505,7 404,6 305 209 152,9 53,35 13,12 -
15 573 502,6 430,8 356,5 274,8 208,7 153,8 118,4 105,8
16 651,8 599,8 661,3 611,2 569,8 390,2 336,8 282,3 224,7
Из табл. 1 следует, что величины см;п, как правило, одного порядка. В то же время для некоторых параметров нагружения см;п оказываются существенно ниже.
Это означает, что при выбранном подходе к назначению нормативов С пред. Р (амах Р) ориентация на соответствующее каждому из показателей к минимальное значение см;п приведет к ситуации, когда при движении самолета по аэродромному покрытию многие, а то и большинство элементов конструкции машины будут существенно недогружаться с точки зрения их усталостной прочности и вибрационного состояния, то есть ресурсы либо вибрационная устойчивость этих элементов будут заведомо не использоваться.
Такой подход нельзя признать целесообразным.
По всей видимости более логичным в данном случае следует считать такой выбор нормативных значений с, при котором учитывались бы как вопросы обеспечения безопасности полетов, так и необходимость в большей мере использовать заложенные в конструкцию самолетов запасы усталостной и вибрационной прочности.
При этом следует иметь в виду, что вопросы обеспечения безопасности полетов учитывались кроме того и при выборе использованных в процессе получения оценок см;п значений с пред. Р.
С точки зрения оптимального использования запасов усталостной и вибрационной прочности конструкции самолета очевидны два предельных случая. Первый - это ориентация на минимальные значения факторов см;п, которая обрекает эксплуатацию на неэффективное использование возможностей самолетного парка с точки зрения ресурсов и вибрационной прочности. Второй - допущение ситуации, когда при эксплуатации машин на аэродромном покрытии с приемлемым уровнем неровностей повреждаемость либо вибронагруженность практически всех наиболее важных с точки зрения прочности и виброкомфорта зон конструкции самолета будут превышать (или находиться на уровне) установленные ограничения. Очевидно, что оба эти случая не должны быть реализованы на практике по соображениям эффективности эксплуатации (первый) и обеспечения безопасности полетов (второй).
Следовательно, необходимо найти некоторое промежуточное решение, приемлемое с учетом указанных выше достаточно противоречивых соображений. По-видимому, оно должно состоять в допущении при эксплуатации самолета на аэродромном покрытии с приемлемым уровнем неровностей некоторой ограниченной вероятности невыхода повреждаемостей (либо вибронагруженности) всей совокупности важных с точки зрения прочности и виброкомфорта зон планера за пределы установленных ограничений.
При рассмотрении подобных технических проблем с использованием вероятностных методов наиболее приемлемыми считаются решения, отклонения от которых равновероятны как в ту, так и в другую стороны, то есть вероятность таких отклонений равна 50 %.
При этом подобное решение оказывается "золотой серединой" между рассмотренными выше двумя предельно полярными подходами к нормированию коэффициентов с, в равной мере способствующей удовлетворению требований эффективности технической эксплуатации парка и обеспечения безопасности полетов. Указанный уровень вероятности учитывает в то же время используемый подход к установлению нормативов повреждаемости, выбранных исходя из желания иметь некоторые неиспользуемые запасы усталостной прочности конструкции самолетов, а также ожидаемые условия эксплуатации парка на аэродромах с различными, в том числе и весьма далекими от предельно допустимых, уровнями неровностей покрытий.
Кроме того, устанавливаемый уровень вероятности соответствует аналогичному уровню, обеспечиваемому для оценок , получаемых с использованием соотношений типа (1), выявленных согласно с указанным выше принципом равновероятности и взятых за основу при получении предельных характеристик см;п. Таким образом, идентичность этих уровней вполне логична.
В связи с вышеизложенным по совокупностям значений см;п, приведенных в соответствующих колонках табл. 1, получены согласно [9] оценки медианы отраженных этими совокупностями законов распределения см;п. Найденные таким образом нормативные значения сдоп даны во второй сверху строке табл. 2.
Таблица 2
Нормативы ровности эксплуатирующихся аэродромных покрытий
к 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Я
сдоп 5,37 4,57 3,52 2,53 1,8 1,53 0,98 0,62 0,41 2
сдоп 5,14 4,35 3,6 2,84 2,32 1,79 1,41 1,04 0,66 2
сдоп 0,44 0,4 0,36 0,32 0,29 0,25 0,22 0,19 0,16 5
Таким образом, с учетом практики реальной эксплуатации БМС приведенные в табл. 2 нормативы ровности позволят обеспечить более эффективное использование заложенных в конструкцию самолетов ГА запасов усталостной прочности, а также надлежащие уровни вибрационного комфорта и безопасности полетов.
Обобщение приведенных результатов исследования влияния УНАП в указанных выше аспектах на БМС, а также соответствующих описанных в [1] материалов, касающихся СМС, позволило представить ЕНРИАП в виде табл. 2. При этом третья строка этой таблицы по существу воспроизводит информацию табл. 3 работы [1], а четвертая содержит вполне приемлемые для ГА зарубежные [10] нормативы ровности аэродромного покрытия (НРАП), которым оно должно удовлетворять после завершения его строительства или капитального ремонта (реконструкции). Таким образом, в третьей строке табл. 2 даны НРАП, на котором могут эксплуатироваться средние магистральные и более тяжелые самолеты, а во второй - НРАП, на котором самолеты этого типа не эксплуатируются.
Дальнейшее обобщение данных табл. 2 имело своим результатом введение понятия критерия ровности R покрытия ВПП, суть которого дана в [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Аверина С.Ю., Алакоз А.В., Караев К.З., Филиппов В.П. Нормирование уровня неровностей аэродромных покрытий с учетом его комплексного воздействия на средний магистральный самолет / Труды ГосНИИ ГА, 1993. - Вып. 304.
2. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. - М.: Наука, 1965.
3. Пугачев В.С. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Наука, 1979.
4. Филиппов В.П. Разработка и оптимизация статистической модели регистрации перегрузки при приземлении самолета Л-410УВП бортовым самописцем / Труды ГосНИИ ГА, 1985. - Вып. 233.
5. Аверина С.Ю., Алакоз А.В., Виноградов А.П., Галкин Б.Т., Караев К.З., Филиппов В.П. Особенности разработки и обоснования единых нормативов ровности поверхности искусственных покрытий эксплуатирующихся ВПП / Труды ГосНИИ ГА, 1994. - Вып. 306.
6. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Вычислительные методы. - М.: Наука, 1976.
7. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. - М.: Мир, 1985.
8. Morris G.J., Hall A.W. Recent studies of runway roughness. - NASA SP-83, May 1965, p.p. 1-7.
9. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. - М.: Мир, 1969.
10. Нагружение самолета при наземных режимах эксплуатации. ЦАГИ. "Обзоры. Переводы. Рефераты". - Вып. 559. - 1980.
MOTIVATION AND THE DEVELOPMENT OF COMMON STANDART OF EVENNESS TO ARTIFICIAL SURFACES COVERING OF RUNWAYS
Filippov V.P.
The method of creation of acceptable norms for the runway roughness characteristics is described. This method takes into account the influence of runway roughness characteristics to transport plane resource and vibration comfort of the crew and passengers. The results of application of this method are given. Norms, created with such manner, must be used for as new runways as for such runways after the hard overhaul.
Key words: runway surface, roughness, norms, spectral density of runway roughness, roughness criteria.
Сведения об авторе
Филиппов Валентин Павлович, 1950 г.р., окончил МАТИ (1972), доцент, кандидат технических наук, начальник отдела исследований динамики полета, систем управления и прочности Авиационного сертификационного центра ГосНИИ ГА, автор 39 научных работ, область научных интересов - нагру-женность, прочность конструкций самолетов и ее поддержание в условиях эксплуатации.
