Определение параметров эксплуатационных режимов нагружения транспортного самолетаа

Стрижиус Виталий Ефимович

УДК 629.7.07

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО САМОЛЕТА

В.Е. СТРИЖИУС

По заказу редакционной коллегии

Предложена гармонизированная с зарубежной практикой процедура определения основных параметров эксплуатационных режимов нагружения при формировании спектров усталостных нагрузок на агрегаты современного транспортного самолета.

Ключевые слова: типовой полет самолета, спектр усталостных нагрузок, эксплуатационные режимы нагружения.

1. Введение

Одной из основных задач, решаемых при проектировании современных самолетов транспортной категории, является определение эксплуатационных нагрузок на агрегаты планера и шасси в условиях предполагаемой эксплуатации самолета.

Формирование спектров эксплуатационных нагрузок является обязательным этапом работ при выполнении оценок усталостной долговечности и эксплуатационной живучести элементов основной силовой конструкции самолета. Спектры эксплуатационных нагрузок являются также основой для разработки спектров программного нагружения для усталостных испытаний агрегатов и конструктивных элементов самолета.

Важнейшим этапом формирования спектров усталостных нагрузок на агрегаты транспортного самолета является определение параметров типовых полетов самолета и соответствующих им эксплуатационных режимов нагружения. В настоящее время в каждом отечественном самолетостроительном ОКБ эта работа выполняется, как правило, на основе внутренних правил и процедур каждого ОКБ. Какие-либо отраслевые методические рекомендации и процедуры практически отсутствуют.

Как показывает анализ известных зарубежных данных (в частности, данных работы [3]), методическая и процедурная часть выполнения этой работы в зарубежных самолетостроительных фирмах имеет достаточно высокий уровень и имеет определенные отличия от практики отечественных самолетостроительных ОКБ. Следует признать, что содержащиеся в зарубежных процедурах некоторые формы и методические рекомендации могут быть, безусловно, полезными и для отечественных самолетостроительных ОКБ, особенно на ранних этапах разработки самолета в условиях определенного дефицита информации по условиям предполагаемой эксплуатации самолета.

С целью достижения определенного прогресса в рассматриваемой области в настоящей статье предложена гармонизированная с зарубежной практикой процедура определения основных параметров эксплуатационных режимов нагружения при формировании спектров усталостных нагрузок на агрегаты современного транспортного самолета.

2. Типовые полеты самолета и соответствующие им эксплуатационные режимы нагружения

Определение параметров типовых полетов самолета и соответствующих им эксплуатационных режимов нагружения является важнейшим этапом формирования спектров усталостных нагрузок на агрегаты транспортного самолета.

Для определения типовых полетов самолета должно быть выполнено следующее:

1) рассмотрены расчетные условия типовой эксплуатации самолета;

2) определены основные параметры типовых полетов.

Для определения расчетных условий типовой эксплуатации прежде всего должны быть рассмотрены типовые задачи предполагаемой эксплуатации самолета.

В табл. 1 в качестве примера приведены типовые задачи ближнемагистрального (регионального) пассажирского самолета (к классу региональных пассажирских самолетов можно

отнести пассажирские самолеты с максимальным взлетным весом ОШаХ = 38 ^ 50 тс, дальностью полета 2000^4500 км и количеством пассажирских кресел 85^106; к этому классу можно отнести самолеты Ту-334, Ан-148, БшЬгаег 190, 8икЬо1 Биреце! 100).

Таблица 1

Типовые задачи регионального пассажирского самолета (пример)

Ь (типовая протяженность маршрута, морские мили - пш) 250 nm 500 nm 1500 nm

Доля от общего количества полетов 40% 50% 10%

В табл. 2 приведены основные параметры типовых полетов регионального пассажирского самолета (пример).

Таблица 2

Основные параметры типовых полетов регионального пассажирского самолета (пример)

Параметры типового полета Дальности полета

L=250 nm L=500 nm L=1500 nm

Взлетный вес самолета, кг 36758 37572 41886

Посадочный вес самолета, кг 35101 35115 35842

Коммерческая нагрузка, кг 8670 8670 9180

Продолжительность полета, ч 0,705 1,274 3,503

В табл. 3 приведены значения основных параметров по этапам (режимам) типового полета регионального самолета на дальность 500 nm (пример из практики отечественного ОКБ). Следует отметить, что эксплуатационные режимы нагружения должны быть рассмотрены для всех типовых полетов самолета.

В отличие от отечественных ОКБ фирма "Boeing" представляет основные параметры эксплуатационных режимов нагружения типовых полетов несколько иначе. В работе [3] приведена специальная форма, с использованием которой фирма "Boeing" рекомендует представлять основные параметры 27-ми эксплуатационных режимов нагружения типового полета пассажирского самолета транспортной категории (табл. 4). Очевидно, что эта форма для конкретного самолета может быть уточнена, сокращена или дополнена новыми эксплуатационными режимами в зависимости от внутренних правил и процедур рассмотрения эксплуатационных режимов нагружения, принятых в каждом самолетостроительном ОКБ. Тем не менее, приведенную форму и представленные в ней эксплуатационные режимы нагружения можно рекомендовать в качестве основы и, в какой-то степени, стандарта для рассмотрения эксплуатационных режимов нагружения типовых полетов пассажирских самолетов транспортной категории.

Таблица 3

Значения основных параметров типового полета регионального пассажирского самолета на дальность 500 nm по этапам полета (пример)

Высота (м) Этап V (KCAS) / Mach Уровень тяги двигателей Вес сам-та (кг) Время (мин.) Расстояние (км) Расход топлива (кг) Тяга двигателей (daN)

0 Запуск двигателей и выруливание 0 Земной малый газ 37572 9 0 102 206

37470 981

0 Взлет и начальный набор высоты 0/0M Нормальный взлетный режим 37470 1.3 5 127 6959

457 250 / 0.21M 37343 4814

457 Набор высоты, 250 KCAS 250/0.21 M Максимальный продолжительный режим 37343 2.2 18.4 174 4339

3048 250 / 0.22M 37169 3639

3048 Ускорение до маршрутной скорости 250 / 0.45M Максимальный продолжительный режим 37169 0.23 2.2 27 3832

3048 280 / 0.51M 37142 3535

3048 Набор высоты на маршруте - постоянная V KCAS 280 280 / 0.51M Нормальный взлетный режим 37142 9.63 117 547 3535

9900 280 / 0.78M 36595 1955

9900 Набор высоты на маршруте - постоянный Mach 0.78 280 / 0.78M Максимальный продолжительный режим 36595 5.16 72 209 1955

11887 240 / 0.78M 36386 1454

11887 Крейсерский полет 240 / 0.78M Крейсерский режим 36386 35406 39.7 547.6 980 1124

11887 Снижение - постоянный Mach 0.78 240 / 0.78M Полетный малый газ 35406 1.93 27.1 12.7 -115

9900 280 / 0.78M 35393 -120

9900 Снижение - постоянная V KCAS 280 280 Полетный малый газ 35393 11.93 133.23 95.75 -120

450 280 35298 -60

450 Торможение до скорости захода на посадку 280 Полетный малый газ 35298 0.34 2.95 2.93 -60

450 250 35295 -40

450 Заход на посадку, посадка 250 Крейсерский режим - Полетный малый газ 35295 4 »30 100 2036

0 130 35195 -40

0 Заруливание 0 Земной малый газ 35195 7 0 79.4 206

35115 981

Примечание: KCAS - индикаторная земная скорость в узлах.

Таблица 4

Эксплуатационные режимы нагружения транспортного самолета в стандартном типовом полете (по данным работы [3])

Этап Режим Высота Скорость Закр. / предкр. Тяга Вес

(1) Стоянка (2) Проверка органов управления 0 0 0 0 0 0 OEW+ RF

Наземный (3) Буксировка назад (4) Буксировка перед вылетом (5) Развороты при рулении (6) Торможения при рулении (7) Руление перед взлетом о о о о о 25 KEAS убраны 0 0 ЗМГ ЗМГ ЗМГ OEW+ PL+ MF+ RF

Взлет (8) Разбег (9) Подъем переднего колеса (10) Отрыв (11) Уборка шасси 0 0 0 1000 й 0,5VROT IJIVROT 1,1VROT взл. пол. НВР

Набор высоты (12) Маневрирование с выпущенной механизацией (13) Уборка механизации (14) Начальный набор высоты (15) Окончание набора высоты 1000 й 1000 й 3000 й '/г кр. высоты 0,9VFE 0,9VFE VREC CLIMB VREC CLIMB взл. пол. пер. пол. убраны убраны МПР OEW+ PL+ MF+ RF-BF

Крейсерский полет (16) Крейсерский полет кр. высота VREC CRUISE убраны КР

Снижение (17) Начальное снижение (18) Окончание снижения / кр. высоты 3000 й VDES CRUISE 250 KEAS убраны ПМГ ПМГ

Заход на посадку (19) Выпуск механизации (20) Заход на посадку с выпущенной механизацией (21) Вращения по крену (22) Маневры рыскания 1000 й VFE пер. пол. пос.пол. пос.пол. пос.пол. КР

Посадка (23) Выпуск шасси (24) Выравнивание перед посадкой (25) Касание (26) Наземный режим после посадки: - посадочный удар - пробег с реверсом тяги - пробег на режиме двигателей «ЗМГ» - заруливание 1000 й 0 0 0 0 0 0 VFE VREF VREF 0,7VreF 0,7VreF 50 KEAS 25 KEAS пос.пол. пос.пол. пос.пол. пос.пол. пос.пол. пос.пол. убраны КР ПМГ ПМГ ПМГ МР ЗМГ ЗМГ OEW+ PL+ RF

Тренировка экипажа (27) Отказ одного двигателя 1000 й VREF взл.пол. НВР MLW, PL=0

Примечания к табл. 4: Высота:

ft - футы (1 фут=0,3048 м);

кр. высота - высота крейсерского полета.

Скорости:

KEAS - индикаторная скорость в узлах (1 KEAS=1,852 км/ч); Vrot - скорость подъема носового колеса;

VFE - максимальная допустимая скорость в полете с отклоненными закрылками и/или предкрылками;

VREC climb - рекомендованная скорость набора высоты;

VREC CRUISE - рекомендованная скорость крейсерского полета;

VDES CRUISE - расчетная скорость крейсерского полета;

VREF - скорость захода на посадку со всеми работающими двигателями.

Положение закрылков/предкрылков:

взл.пол. - взлетное положение;

пер. пол. - переходное положение;

пос.пол. - посадочное положение.

Режимы работы двигателей:

ЗМГ - земной малый газ;

НВР - нормальный взлетный режим;

МПР - максимальный продолжительный режим;

КР - крейсерский режим;

ПМГ - полетный малый газ;

МР - режим максимальной обратной тяги при реверсе (максимального реверса). Веса:

OEW - вес пустого снаряженного самолета;

RF - вес резервного топлива;

PL - вес полезной нагрузки;

MF - вес полетного топлива;

BF - вес выгоревшего топлива;

MLW - максимальный посадочный вес.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Краткое описание эксплуатационных режимов нагружения транспортного самолета на различных этапах полета

Эксплуатационные режимы, используемые фирмой "Boeing" и представленные в табл. 4, несколько отличаются от эксплуатационных режимов, рассматриваемых специалистами отечественных самолетостроительных ОКБ при подготовке спектров усталостных нагрузок на агрегаты планера и шасси транспортных самолетов (табл. 3). Краткое описание «гармонизированных» эксплуатационных режимов с использованием данных отечественных ОКБ и данных, представленных в табл. 4, приведено ниже.

Эксплуатационный режим (1): Стоянка

Самолет находится на стоянке без пассажиров и груза, только с резервным запасом топлива. Предполагается, что на стоянке в ц.т. на самолет действует вертикальная перегрузка ny=1,0.

По данным работы [3], в рассматриваемый эксплуатационный режим рекомендуется включать нагрузки, действующие на самолет при буксировке при техническом обслуживании самолета. Очевидно, что при буксировке к буксировочным узлам (фитингам) передней опоры шасси (ПОШ) должен прикладываться определенный спектр нагрузок. Какие-либо воздушные нагрузки к самолету не прикладываются.

В «запас прочности» часто допускается, что при техническом обслуживании самолета выполняется одна буксировка в день.

Эксплуатационный режим (2): Проверка органов управления

Как правило, в рассматриваемый режим включаются все проверки подвижных поверхностей управления самолетом на этапе предполетной подготовки без учета аэродинамических нагрузок. Если подвижная поверхность не имеет гидравлической системы управления, данный режим не рассматривается.

Эксплуатационный режим (3): Буксировка назад

Обычно буксировка назад выполняется, когда самолет находится в статичном положении с нулевой тягой, вертикальная перегрузка пу=1,0.

При буксировке назад к буксировочным узлам (фитингам) ПОШ должны прикладываться нагрузки буксировки.

Обычно принимается, что при буксировке «по прямой» (с нулевым углом переднего колеса) нагрузка буксировки действует параллельно земле на буксировочные фитинги ПОШ и равна примерно 0,07* Gс-mа . Принимается, что за полет к ПОШ должен прикладываться один цикл нагрузки +0,07*Ос-та (буксировка «по прямой вперед») и один цикл -0,07* Gс-mа (буксировка «по прямой назад»).

При буксировке «с поворотом» нагрузка буксировки действует по линии колес ПОШ и принимается равной 50% от нагрузки при буксировке «по прямой».

Обычно принимается, что за каждые 3 полета выполняется одна буксировка назад под углом +20о и одна буксировка назад под углом -20о.

Эксплуатационный режим (4): Буксировка перед вылетом

Буксировка перед вылетом выполняется, когда самолет находится в статичном положении с нулевой тягой, вертикальная перегрузка равна 1,0. Воздушные нагрузки к самолету не прикладываются. При буксировке перед вылетом по линии носового колеса ПОШ к буксировочным узлам (фитингам) ПОШ должен прикладываться определенный спектр нагрузок. Должна быть определена частость (повторяемость) буксировок перед вылетом в расчете на один полет.

Эксплуатационный режим (5): Развороты при рулении

Развороты при рулении выполняются, когда самолет находится в статичном положении при вертикальной перегрузке, равной 1,0. При плавных разворотах применяется управление ПОШ и/или несимметричная тяга двигателей. Инерционные нагрузки в ц.т. самолета и нагрузки на колеса ПОШ и основных опор шасси (ООШ) статически сбалансированы.

Обычно для численной характеристики боковых (поперечных) реакций при разворотах на рассматриваемом режиме вводится понятие коэффициента боковой реакции КБР, равного отношению боковой нагрузки на агрегат (элемент) и вертикальной нагрузки на тот же агрегат (элемент).

Как правило, для определения спектра боковых нагрузок в качестве исходных данных используются кривые интегральной повторяемости приращений боковых нагрузок. Очень часто в качестве приращений боковых нагрузок используют значения КБР.

Эксплуатационный режим (6): Торможения при рулении

Самолет находится в статичном положении, с нулевой тягой двигателей, вертикальная перегрузка равна 1,0. Воздушные нагрузки не прикладываются.

Как правило, для определения спектра нагрузок на рассматриваемом режиме в качестве исходных данных используются кривые интегральной повторяемости приращений продольных перегрузок.

Эксплуатационный режим (7): Руление перед взлетом

Самолет находится в статичном положении, тяга двигателей соответствует земному малому газу. Воздушные нагрузки не прикладываются, инерционные нагрузки сбалансированы вертикальными реакциями на каждое колесо шасси. Скорость выруливания для современных транспортных самолетов принимается равной 25 КЕЛБ (табл. 4).

Как правило, для определения спектра нагрузок на рассматриваемом режиме в качестве исходных данных используются кривые интегральной повторяемости приращений вертикальных перегрузок.

При определении нагрузок на данном режиме необходимо учитывать коэффициенты динамичности нагрузок.

Эксплуатационный режим (8): Разбег

Режим включает в себя гонку двигателей и разбег перед взлетом.

При формировании спектра усталостных нагрузок принимается, что при гонке двигателей двигатели развивают максимальную тягу. Это важно, прежде всего, для определения спектра усталостных нагрузок на элементы крепления двигателей. На разбеге двигатели находятся на нормальном взлетном режиме, закрылки и предкрылки - во взлетном положении.

Воздушные и инерционные нагрузки сбалансированы вертикальными реакциями на каждое колесо шасси.

Как правило, для определения спектра нагрузок на рассматриваемом режиме в качестве исходных данных используются кривые интегральной повторяемости приращений вертикальных перегрузок.

При определении нагрузок на данном режиме также необходимо учитывать коэффициенты динамичности нагрузок.

Эксплуатационный режим (9): Подъем переднего колеса

Закрылки и предкрылки находятся во взлетном положении, при определении аэродинамических нагрузок на стабилизатор и рули высоты скорость принимается равной 110% скорости подъема носового колеса (Уяот).

На данном режиме определяются только нагрузки функционирования.

Эксплуатационный режим (10): Отрыв

Закрылки и предкрылки находятся во взлетном положении, скорость принимается равной 110% скорости подъема носового колеса (УяОТ), вертикальная перегрузка пу=1,1.

Инерционные и воздушные нагрузки статически сбалансированы.

Определяются только нагрузки функционирования.

При определении нагрузок на данном режиме необходимо учитывать коэффициенты динамичности нагрузок.

Эксплуатационный режим (11): Уборка шасси

Определяются только нагрузки функционирования на шасси, при этом обычно они принимаются равными 60-70% от максимальных эксплуатационных нагрузок.

Эксплуатационный режим (12): Маневрирование с выпущенной механизацией

Рассматриваются вертикальные нагрузки при симметричных сбалансированных маневрах. Закрылки и предкрылки находятся во взлетном положении, скорость равна максимально разрешенной при выпущенной механизации (УБЕ), высота равна около 1000 футов.

Как правило, для определения спектра нагрузок на рассматриваемом режиме в качестве исходных данных используются кривые интегральной повторяемости приращений вертикальных перегрузок.

Эксплуатационный режим (13): Уборка механизации

Определяются только нагрузки функционирования на предкрылки, закрылки и механические элементы их систем управления. Нагрузки на механические элементы систем управления обычно принимаются равными максимальным эксплуатационным нагрузкам, использованным при проектировании механических систем.

Эксплуатационный режим (14): Начальный набор высоты

Рассматриваются нагрузки от вертикальных и боковых порывов атмосферной турбулентности.

Считается, что самолет находится на высоте 3000 футов, скорость набора соответствует рекомендованной РЛЭ (табл. 4).

Как правило, для определения спектра нагрузок на рассматриваемом режиме в качестве исходных данных используются кривые интегральной повторяемости приращений вертикальных и боковых перегрузок. Подробнее методы определения повторяемости нагрузок, вызванных атмосферной турбулентностью, представлены в работах [1, 2].