Определение корреляционной зависимости между нормативным коэффициентом сцепления РФ и канадским индексом CRFI Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

2008 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 135

серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов

УДК 629.797.004

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ НОРМАТИВНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ СЦЕПЛЕНИЯ РФ И КАНАДСКИМ ИНДЕКСОМ CRFI

М.М. ПАВЛОВ, Т.И. ЗАХАРОВА, В.Д. ШАРОВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б. В.

В статье приведена методика и результаты экспериментальной оценки зависимости между российским и канадским коэффициентами сцепления.

1. Актуальность задачи

Одной из причин авиационных происшествий на ВПП, в частности выкатываний за её пределы при посадке и прерванном взлете, является недостаточная осведомленность экипажа о состоянии поверхности ВПП вследствие неточной интерпретации полученной информации. При выполнении полетов на зарубежные аэродромы экипажи ВС отечественного производства сталкиваются с необходимостью преобразования информации о состоянии ВПП, получаемой в установленных в том или ином государстве характеристиках, в параметры оценки состояния покрытия, принятые в ГА РФ.

Согласно [1] к таким параметрам относятся:

1. фрикционные свойства покрытий;

2. вид осадков;

3. толщина слоя осадков;

4. доля площади, покрытая загрязнениями.

Именно эти параметры в соответствии с РЛЭ конкретного ВС используются экипажем для расчета взлетно-посадочных характеристик, учитываются при принятии решений и устанавливают различные эксплуатационные ограничения. В то время как для параметров 2-4 имеются общепринятые соответствия между английскими и русскими терминами, при интерпретации информации о фрикционных (тормозных) свойствах поверхности ВПП нередко возникают трудности.

Это в полной мере относится к аэродромам Канады, где предотвращению выкатываний в силу климатических условий приходится уделять особое внимание. Известно, что только на а/д Гандер в 1977-2007 гг. произошло 15 выкатываний, из них 5 с ВС российского производства. Учитывая значительное число посадок наших ВС на канадских аэродромах (за осенне-зимний период 2007-2008 г. только авиакомпания Волга-Днепр совершила их около 150) эта проблема является актуальной.

В Канаде сообщение о состоянии поверхности ВПП (AMSCR) может содержать либо только описательную информацию (RSC - Runway Surface Conditions), либо эту информацию и дополнительно численное выражение для индекса сцепления (CRFI - Canadian Runway Friction Index). При отсутствии CRFI в информации AMSCR его ориентировочное значение может быть получено по таблице, имеющейся в канадских документах, на основании RSC. Но официальных таблиц перевода CRFI в Ксц не существует и авиаперевозчики вынуждены сами их разрабатывать. Примеры двух таких таблиц приведены ниже.

Как видно, подходы к оценке могут существенно различаться.

В целях получения достоверной зависимости CRFI и Ксц в ЛИИ им. М. М. Громова по заказу авиакомпании Волга-Днепр была разработана специальная методика и выполнена НИР [2] с участием специалистов авиакомпании и аэродромной службы аэропорта Гандер, Канада.

Таблица І

СЕШ 0.5 0.45 0.4 0.35 0.30 0.25

К оц. 0.4 0.39-0.36 0.30-0.35 0.29 0.29-0.25 0 25-0.20

U бок. доп. Согласно РЛЭ воздушных судов

Вид ог адков Состояние ВПП Эквивалент СЕШ

БОДА влажная моьжая (дождь) WWW+WVW V 1 <г слой воды до 12мм (ливень) 0.6 - 0.7 0.3 - 0.6 0.28 - 0.3

СНЕГ пятна снега (Very light patches) слежавшийся укатанный снег при t° < -15° £ песком слой снега до 50 мм 0.55 - 0.6 0.4 - 0.5 0.28 - 0.3

ЛЕД лед с песком лед при t° < -10° мокрый снег (слякоть) при t°=0°C 0.4 0.1 - 0.2 <0.1

Таблица 2

К .и кіл л CRFI рэгл рф 'М

Canadian Runway Friction Index opucm Коаффіщ. СІІСПЛСІІИЯ

7 н R

Э<|и|)СК г.юрмпж.

95 godd > 0,8 BARE AND DRY 0,6 п м.іімє

95 good 0.6 - 0,7 DAMP < 0.01" 0.55

95 good 0,4 - 0,55 Wet concrelc Wet ASPHALT 0,01"- 0,03" 0.45

95 good 0.4 - 0,55 0.4

93 MEDIUM 0,25-0,3 Snow covered 0.3

92 POOR 0,2-0,25 Compacted snow t > -lOrpu. 0.28

93 MEDIUM 0.3

92MIZD/POOR 0.1 - 0,2 cold ice I < -lOi pJt 0,2

94 good 0,4 - 0,5 Compacted snow t < - 15 rpa. 0.4

94 good 0,55 - 0,6 very light snow palehcs 0.4

// - нет данных

2. Сравнительный анализ методов оценки сцепления на ВПП

В соответствии с [1] при отсутствии в аэропорту специальных средств измерения оценку эффективности торможения можно осуществлять по результатам торможений до остановки легкового автомобиля с полностью заблокированными колесами. На основании замеров време-

ни торможения при начальной скорости 40 км/ч рассчитываются значения эффективности торможения и Ксц. Соответствующие расчетные формулы приведены в Приложении 6 к [1].

Оценка эффективности торможения может быть выполнена также с помощью маятникового деселерометра, шкала которого отградуирована в единицах ускорения. При торможении автомобиля фиксируется максимальное отклонение маятника. В этом случае торможение до полной остановки автомобиля не требуется. Произведение полученного таким образом значения ускорения на 0,1 составляет величину нормативного коэффициента сцепления,

Согласно канадскому руководству [3] значения индекса СЯИ трактуются как показания деселерометра, измеряющего замедление автомобиля при его торможении на рассматриваемом участке ВПП с полностью заблокированными колесами. В отличие от [1] скорость начала торможения составляет 50 км/ч. Деселерометр калибруется в диапазоне от 0 до 1.

В соответствии с [4] автомобиль, вес которого должен составлять 1000-2000кг, должен быть оборудован тормозной системой, обеспечивающей блокирование всех колес при энергичном торможении. Колеса должны быть однотипными с износом пневматиков не более 75%. Давление в пневматиках должно соответствовать спецификации производителя или техническому паспорту.

Таким образом, технология измерения СЯИ практически соответствует рекомендациям [1] по определению Ксц с использованием маятникового деселерометра. Незначительные отличия заключаются лишь в скорости начала торможения автомобиля.

3. Методика выполнения экспериментов

Все замеры по определению корреляционной зависимости были выполнены в а/п Гандер 11-14 марта 2008 г. представителем авиакомпании Волга-Днепр и сотрудниками аэродромной службы аэропорта на автомобиле, оборудованном деселерометром ТББ МкЗ. Дополнительно автомобиль был оборудован маятниковым деселерометром, специально изготовленным в ЛИИ для решения поставленной задачи.

Используемая методика условно может быть названа методом имитации загрязненной полосы. Суть его заключается в использовании торможения колес автомобиля с различной степенью интенсивности. Слабое торможение колес - небольшим обжатием педали - соответствует скользкой ВПП, покрытой, например, льдом. Полное обжатие тормозной педали - в «пол» с юзом колес на сухой ВПП соответствует отсутствию осадков.

Перед началом режимов торможения на ВПП выбирался рабочий участок с сухой поверхностью. Как показала практика исследований, в этом случае обеспечиваются наиболее устойчивые результаты. На выбранных рабочих участках производились торможения автомобиля до полной его остановки. При этом тормозная педаль фиксировалась в различных положениях.

Условно положения тормозной педали были разбиты на 5 равнораспределенных позиций -от минимального торможения, соответствующего скользкой ВПП, до торможения с заблокированными колесами, соответствующего сухой ВПП:

Метод имитации загрязненной ВПП.

Ход педали

Позиция 1 2 3 4 5

Состояние ВПП Лед Изморозь, Укатанный Мокрая Сухая

(условно) иней снег

Для каждой позиции выполнено от 10 до 20 зачетных измерений, в зависимости от их стабильности, общее количество выполненных полных торможений на сухой ВПП - более 100, зачетных измерений - 72.

В экспериментах фиксировались:

- индекс сцепления поверхности ВПП CRFI;

- показания маятникового деселерометра;

- время с момента начала торможения до полной остановки автомобиля.

На заснеженной ВПП измерения выполнялись при полном торможении колес, но также до полной остановки автомобиля, общее количество измерений на заснеженной ВПП - 46.

Для повышения надежности измерений в экспериментах время торможения автомобиля фиксировалось двумя секундомерами: водителем и оператором.

На момент выполнения замеров фиксировались также текущие параметры атмосферных условий - давление, температура, влажность, направление и скорость ветра. Отмечалось время (местное) начала и окончания очередной серии измерений.

По результатам измерений были оформлены протоколы, все они приведены в [2], в которых дана краткая характеристика поверхности рабочего участка ВПП, указано наличие, вид и толщина атмосферных осадков. Дана качественная оценка состава покрытия. Указано распределение осадков по площади рабочего участка поверхности в процентах. Протоколы заверены ответственными лицами аэропорта и авиакомпании «Волга-Днепр».

В ходе экспериментов осуществлялась фотосъемка поверхности аэродромного покрытия.

4. Маятниковый деселерометр

В экспериментах, как было сказано выше, использован специально изготовленный в ЛИИ маятниковый деселерометр. По принципу действия и устройству он аналогичен деселерометру 1155М, применяемому в соответствии с [1] на отечественных аэродромах.

Шкала деселерометра размечена в градусах таким образом, что вертикальное положение маятника соответствует 0 градусов, горизонтальное - 90 град.

С помощью мобильной наземной лаборатории (МНЛ), созданной в ЛИИ для решения задач оценки взлетно-посадочных характеристик и фрикционных свойств на покрытых осадками ВПП, была получена градуировочная зависимость нормативного коэффициента сцепления от угла отклонения маятника. Полученная зависимость показана на рис. 1

и,аии 0,800

І

5 0,700 ё §

о 0,600 н х ш

| 0,500 •&

■&

о 0,400

>х

3

£ о,зоо

х

15

|. 0,200 о X

0,100 0,000

0 10 20 30 40 50 60

Угол отклонения маятника, град

Рис. 1. Градуировочная зависимость Ксц от угла отклонения маятникового деселерометра

В ходе этих экспериментов была также получена зависимость нормативного коэффициента сцепления от эффективности торможения автомобиля в единицах g (рис. 2).

0,90

о,ео

к

| 0,70

ш С с

аз

£ 0,60

Н X

а»

§ 0,50 х ■в $

о 0.40 и -'5

3

И 0,30

I-

(С 2

О 0,20 0,10

0,00

0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70

Эффективность торможения

ед. g

Рис. 2. Корреляционная зависимость Ксц от эффективности торможения

1. Результаты обработки экспериментальных данных

В соответствии с принятой методикой, значения Ксц, соответствующие измеренным СКР1, рассчитывались по двум массивам данных:

- по записям отклонения маятникового деселерометра - с использование градуировочной зависимости на рис. 1;

- по расчетным значениям эффективности торможения - с использованием корреляционной зависимости на рис. 2.

Фрагмент результатов обработки данных из [2] представлен в табл. 3.

Таблица 3

Результаты обработки измерений на сухой ВПП в а/п Гандер

Дата Серия № СІ^І Отклонения маятника Эффективность торможения Нормативный коэффициент сцепления

измерений п/п ед. д град ед. д по маятниковому деселерометру по эффективности торможения

11.03.08 1 1 2 3 4 5 6 8 9 0,43 0,43 0,69 0,52 0,49 0,52 0,75 0,88 21.5 25.5 31.5 37.5 27.5 29.5 34.5 48.5 0,324 0,326 0,389 0,407 0,423 0,429 0,429 0,603 0,49 0,55 0,62 0,68 0,57 0,60 0,65 0,78 А СС 0,45 0,45 0,55 0,57 0,59 0,60 0,60 0,79 П «й

В табл. 3 не вошли данные с небольшими отклонениями маятника (менее 6 градусов) ввиду значительного роста относительной погрешности. Отклонения маятника представлены с поправкой на установку деселерометра. Она соответствует отклонению маятника от «0» в равновесном положении на неподвижном автомобиле.

Из двух значений времени торможения по секундомерам водителя и оператора выбиралось наименьшее с поправкой 0,2 с на время включения и выключения секундомера.

В отдельную таблицу, были сведены оценки сцепления на заснеженной ВПП. Толщина слоя снега достигала 40...70 мм. Из табл. 4 следует, что значения Ксц лежат в пределах разброса значений CR.FI, измеренных в рассматриваемых условиях.

Результаты оценки сцепления на заснеженной ВПП

Таблица 4

Таблица №4

Серия измер. № Результаты измерений Нормативный коэффициент сцепления

Дата, время Состояние аэродр. покрытия CRFI Эффект. торм. Отклон. маятн.

град

13.03.08

7. 8.32... 8.58 На рабочем участке - свежевыпавший снег глубиной 40...50 мм. Снег рыхлый. Не рассыпается. Поверхность на 80...95% покрыта снегом. 0,21...0,2 8 -0,21 ~7 -0,26

8. 9.01...9.21 Глубина снежного покрова возросла до 50...70 мм. Поверхность практически пол- 0,20...0,2 4 -0,18 -4 -0,20

В [2] приведены для сравнения графики изменения параметров движения МНЛ при исследованиях Ксц, выполненных ранее в тех же примерно условиях. Значения Ксц по этим записям практически совпадают с результатами экспериментов в а/п Г андер для аналогичных состояний поверхности ВПП, что подтверждает достоверность полученных значений Ксц.

Полученная с помощью программного пакета 81я1181:1са-7 корреляционная зависимость CR.FI от Ксц по данным маятникового деселерометра приведена на рис. 3. Графики на основе расчета эффективности торможения имеют похожий характер.

Корреляционная матрица всех результатов экспериментов имеет вид:

Здесь Кр - это коэффициент Ксц по данным измерений с помощью маятникового деселерометра; х - коэффициент Ксц по расчету эффективности торможения.

На рис. 4 представлены результаты обработки всех данных, полученных обоими способами. Ниже приведены результаты регрессионного анализа в программном пакете 8іа1І8І;іса.-7.

Dependent: CRFI

Multiple R = ,93284655 R?= ,87020269

of cases: 144 adjusted R?= ,86928862

Standard error of estimate: ,059291427

Intercept: -,000160460 Std.Error: ,0153397 t( 142) = -,0105

No.

F = 952,0134 df = 1,142

p = 0,000000

p = ,9917

^ц beta=, 933

Scatterplot (Gander.sta 3^72с) CRFI = -0,0014+0,9985*x; 0,95 Conf.Int.

Kp:CRFI: г2 = 0,8561; г = 0,9252; p = 00,0000; у = -0,0014 + 0,9985*х

Рис. 3. Зависимость CRFI и Ксц по измерениям с помощью механического деселерометра

Scatterplot (081^61^! 2^44с) CRFI = -0,0002+1 *х; 0,95 Conf.Int.

K:CRFI: г2 = 0,8702; г = 0,9328; р = 00,0000; у = -0,0002 + 1*х

Рис. 4. Зависимость CRFI и Ксц по результатам обработки всех данных экспериментов

Наблюдается высоко значимая корреляционная зависимость CRFI от Ксц с коэффициентом корреляции г1= 0,933. Коэффициент детерминации г2 = 0,8693 показывает, что основная доля общего разброса (относительно выборочного среднего зависимой переменной) объясняется построенной регрессией. Малая стандартная ошибка оценки 0,0593 говорит о незначительном рассеянии наблюдаемых значений относительно регрессионной прямой рассеяния.

Адекватность модели оценивается с помощью анализа остатков, график которых представлен на рис. 5, а гистограмма распределения - на рис. 6.

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

73

e -0,05 d С l s-0,10

-0,15

-0,20

0,1

Predicted vs. Residual Scores Dependent variable: CRFI

о о о О о о

О О О о с о с о о о ю ° < о с о о

О о о о о о ООО о

О о оос ООО ОО )о о о о о о о *Т5“ -* о ОО оо

о о о о о о о

о о о о о

о

0,2 0,3

0,4 0,5 0,6

Predicted Values

0,7

0,8 0,9

Рис. 5. График наблюдаемых переменных остатков

Histogram (Gander_ocraTKM.sta 1v*144c) остатки = 144*0,0207*normal(x; -5,2917E-10; 0,0591)

остатки: N = 144; Mean = -5,2917E-10; StdDv = 0,0591; Max = 0,1501; Min = -0,1599

Рис. 6. Г истограмма распределения переменных остатков

Из графиков видно, что распределение остатков близко к нормальному при нулевом среднем и стандартном отклонении 0,059, что подтверждает адекватность модели.

Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что значения канадского индекса сцепления CRFI соответствуют нормативному коэффициенту сцепления покрытия ВПП Ксц, принятому в РФ.

В целях практической реализации результатов данной работы в авиакомпании Волга-Днепр внесены соответствующие изменения в Руководство по производству полетов авиакомпании и даны указания летному и техническому составу по их применению.

Авиакомпания проинформировала о результатах работы авиационные власти России, Межгосударственный авиационный комитет и Министерство транспорта Канады.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство по эксплуатации гражданских аэродромов РФ (РЭГА РФ-94). - М.: ВТ, 1995.

2. ФГУП «ЛИИ им. М. М. Громова». Научно-технический отчет о НИР «Определение корреляционной зависимости между нормативным коэффициентом сцепления на ВПП и канадским индексом CRFI» по договору № 011/992/549 ВДА-08 с ООО «Авиакомпания Волга-Днепр», г. Жуковский, 2008.

3. MK-3 Electronic Decelerometer. Operator’s Manual.. N2000 Rev G. Prepared by TES Instruments Suite 303 1 Stafford Rd., East Ottawa, Ontario K2H 1B9. July 2005.

4. Airport Winter Maintenance Manual, TP 659. Transport Canada, 2003,

ASSESMENT OF CORRELATION BETWEEN STANDART BRAKING COEFFICIENT BEING IN USU IN RUSSIAN FEDERATION AND CANADIAN RUNWAY FRICTION INDEX (CRFI)

Pavlov M. M., Zakharova T. I., Sharov V. D.

Method of experimental assessment of correspondence between braking coefficients (indexes) used in Russian Federation and in some other countries is proposed. The results of application of proposed method to determination of correlation between Standard Russian Braking Coefficient and CRFI are presented.

Сведения об авторах

Павлов Михаил Михайлович, 1955 г.р., окончил МФТИ (1978), кандидат технических наук, начальник сектора ЛИИ им. М.М.Громова, автор более 10 научных работ, область научных интересов -взлетно-посадочные характеристики, сертификация.

Захарова Татьяна Ивановна, окончила МАИ (1977), ведущий инженер ЛИИ им. М.М. Громова, автор 2 научных работ, область научных интересов - обработка результатов летных испытаний, сертификация.

Шаров Валерий Дмитриевич, 1955 г.р., окончил Академию ГА (1977), кандидат технических наук, ведущий методист департамента предотвращения авиационных происшествий ГрК Волга-Днепр, автор более 20 научных работ, область научных интересов - безопасность полетов, аэронавигация.