CC BY
108
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 629.735.015:681.3
ПРИМЕНЕНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОТЫ ШАССИ В СИСТЕМЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАССЛЕДОВАНИЯ ИНЦИДЕНТА ПРИ
ПОСАДКЕ САМОЛЕТА ТУ-154
Н.Б. БЕХТИНА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Кублановым М.С.
При помощи усовершенствованной математической модели анализируются обстоятельства посадки самолета Ту-154Б-2 ЯЛ-85477 в а/п Томск 26 декабря 1996 года.
Анализ развития событий в данном инциденте проведен по данным бортовых самописцев и официального Заключения по исследованию посадки самолета Ту-154Б-2 ЯЛ-85477 в а/п Томск 26 декабря 1996 года.
В качестве метода анализа данного инцидента выбран эвристический метод идентификации параметров математической модели (ММ), разработанный в [1]. В качестве инструмента исследования применена Система математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА), разработанная сотрудниками кафедры АКПЛА МГТУ ГА, с усовершенствованной [2, 3] математической моделью работы шасси. ММ посадки самолета Ту-154Б-2 была достаточно подробно исследована на адекватность ранее [4], поэтому будем считать, что влияние основных эксплуатационных факторов воспроизводится в СММ ДП ЛА с удовлетворительной степенью адекватности.
Описание событий приведем по Заключению, выдержки из которого представлены ниже.
Обстоятельства инцидента. 26 декабря 1996 года ВС Ту-154Б-2 ЯЛ-85477 Хабаровского ОАО при выполнении рейса 3837 "Хабаровск - Новосибирск" по метеоусловиям а/п Толма-чево (Новосибирск) произвел вынужденную посадку в а/п Томск при метеоусловиях ниже минимума аэродрома (установленная минимальная видимость аэродрома Томск - 900 м, фактическая при посадке - 700 м).
После посадки при послеполетном осмотре было обнаружено повреждение хвостовика правого внутреннего закрылка, а также то, что ниша правой стойки шасси забита снегом...
Данные о самолете. Посадочная масса 69575 кг, центровка (по расчету экипажа) 23,3 % САХ, остаток топлива 4 т.
Состояние ВПП: коэффициент сцепления:
- по данным замеров за 39 мин до посадки - 0,4 - 0,4 - 0,4, ВПП заснежена;
- по данным замеров через 1 час 06 мин 2 час 21 мин после посадки - 0,35 в зоне 5 м 7 м от оси ВПП, на остальной части - 0,32; ВПП заснежена, слой снега 3 см, на ВПП в
~3 м от обочин валы убранного свежевыпавшего снега, высотой 32 см 62 см...
Заход на посадку в а/п Томск осуществлялся по крутой (с углом наклона 2° 55') глиссаде в директорном режиме по КГС в сложных метеоусловиях: сильного снегопада при видимости 700 м (что менее допустимой для аэродрома Томск - 900 м) при попутно-боковом (справа) ветре силой 15 м/с, который практически без изменения направления уменьшался до ~3 м/с к высоте ~50 м и ниже оставался постоянным, т.е. при сдвиге ветра по величине близкого к предельно-допустимому (3,7 м/с на 30 м высоты при допустимом не более 4 м/с на 30 м высоты).
На начальном участке предпосадочного снижения экипаж выдерживал приборную скорость ~275 км/ч, что превышало рекомендованную РЛЭ для фактической посадочной массы
и условий захода (250 + 15) км/ч на ~10 км/ч. В условиях сдвига ветра в приземном слое это способствовало увеличению приборной скорости до ~285 км/ч к моменту начала выравнивания и в последующем явилось фактором приземления с опережением на переднюю стойку и развитию "козла" с двумя повторными приземлениями.
Приземление произошло левее оси ВПП на —9 м второе приземление произошло на удалении ~375 м также с опережением на переднюю стойку и последующему отделению... второе приземление произошло левее оси ВПП на —10,7 м.
Третье приземление произошло на удалении —650 м с рекомендованной РЛЭ приборной скоростью (240 км/ч) с углом тангажа —4° на основные стойки шасси. В дальнейшем экипаж (с отклонением руля высоты до упора на кабрирование) удерживал переднюю стойку от опускания, продолжая пробег на основных стойках шасси. Плавное опускание передней стойки произошло на удалении —900 м через —4,5 с после третьего приземления...
Максимальное уклонение самолета влево составило —11,5 м по центру масс (—17,3 м по левой стойке шасси), т.е. левая стойка не входила в зону снежного вала у левой обочины ВПП. Третье приземление произошло левее оси ВПП —9,5 м.
На удалении —1120 м при боковом уклонении вправо —8 м по центру масс экипаж отклонением руля высоты на пикирование прижал переднюю стойку и выключил реверс тяги двигателей на удалении —1200 м и приборной скорости —140 км/ч боковое уклонение достигает —12,5 м по центру масс, т.е. правая основная стойка входит в снежный вал, высотой —60 см Максимальное боковое уклонение самолета вправо составило —14 м по центру масс (—19,8 м по правой стойке), т.е. правая стойка вошла в снежный вал на —1,8 м, но не выходила за границы ВПП. На удалении —1300 м боковое уклонение уменьшилось до —12,5 м, т.е. правая стойка вышла из снежного вала.
Указанные в Заключении исходные данные инцидента были в полном объеме воспроизведены в СММ ДП ЛА. Однако этих данных оказалось не достаточно для того, чтобы получить в расчетах такое же сложное приземление и то же положение самолета на ВПП, что описано в Заключении по результатам анализа инцидента.
Недостающие начальные условия, которые предусмотрены в СММ ДП ЛА и не могли в данном конкретном вычислительном эксперименте (ВЭ) быть обнулены, были собраны в результате скрупулезного анализа расшифровки данных бортового самописца. К таковым следует отнести, прежде всего: ориентацию оси самолета относительно оси ВПП (магнитный курс самолета: МКс-та = 197,727°), угол крена (у = 2,421°), отклонение руля высоты (8в = -3,919°), отклонение руля направления (8н = 2,404°), отклонение элеронов (8э = 1,011°), приборная скорость (Упр = 279 км/ч), угол отклонения стабилизатора (8ст = -5,4°), угол отклонения закрылков (8з = 45°), угол отклонения предкрылков (8пр = 18,5°).
Следует заметить, что результаты ВЭ показали существенную зависимость траектории движения самолета от второго знака всех без исключения перечисленных значений начальных условий. Это означает вполне определенный вывод: поведение самолета на ВПП, т.е. безопасность посадки определяется теми полетными значениями основных параметров движения, которые обеспечены экипажем к моменту касания.
Начальные значения остальных параметров движения, таких как: угол тангажа (Ф), угол рыскания (у), угол атаки (а), определялись в СММ ДП ЛА с помощью уникальной программы расчета начальной сбалансированной точки траектории. Эта процедура необходима вместо использования соответствующих записей полета потому, что в результате незарегистрированного внешнего воздействия и погрешностей регистрации данные записей этих параметров неизбежно будут нарушать известные уравнения динамики полета и расчет станет невозможным.
Кроме начальных условий посадки в ВЭ реализовывалось то управление самолетом по времени, которое зафиксировано в расшифрованных записях данных бортовых самописцев:
режим работы двигателей, угол отклонения руля высоты, угол отклонения руля направления, угол отклонения элеронов, момент выпуска тормозных интерцепторов: средних 45° и внутренних 50°.
Сложность воспроизведения всей посадки определялась тем отмеченным в Заключении фактом, что приземление произошло при неустановившемся режиме полета, а данные записей основных параметров приводятся с интервалом не менее 0,125 с. Однако в рассматриваемом случае удалось заметить, что такие величины, как Ю и Юу в районе выбранной по времени начальной точки полета имели значения, весьма близкие к 0. Это позволило резко сузить поле возможных вариантов расчета в ВЭ и для осуществления всех основных особенностей воспроизводимой посадки варьировать лишь: начальную высоту, которая в итоге была принята Н = 4,3 м, угловую скорость тангажа, которая была принята Ю = 1,0°/с, магнитный курс скорости полета самолета (нерегистрируемый), который в итоге оказался МКпути = 202,95° (сравните с МКВПп = 203°).
В результате ВЭ удалось воспроизвести процесс посадки и пробега самолета до скорости Упр = 95 км/ч (скорости выключения реверса) со всеми основными отмеченными особенностями поведения на ВПП: три касания, первые два касания с опережением передней стойки, после третьего касания попытка удержать переднюю стойку от опускания, боковые отклонения от оси ВПП вправо и влево, попадание в снежный вал на краю ВПП, выход к оси ВПП к концу рассматриваемого участка пробега.
Результаты ВЭ (сплошная линия) приведены на рис. 1 - 11 в виде сравнения с данными бортовых самописцев (дискретные ромбики). Законы отклонения рулей высоты, направления и элеронов, показанные на рис. 4, 7, 11, в ВЭ воспроизводились в точности по записям полета, поэтому там показана одна единственная линия. Боковое отклонение, показанное на рис. 8, сравнивалось с данными, зафиксированными в Заключении по анализу места происшествия, поэтому "экспериментальных" точек там так мало.
Сравнение результатов ВЭ с данными бортовых самописцев в случае рядовых рейсовых полетов (не специально организованных летных испытаний) нельзя проводить с точки зрения оценки адекватности. Особенно ярко это проявляется в рассматриваемом случае посадки в сложных метеоусловиях: попадание в сдвиг ветра при плохой видимости и приземление на заснеженную ВПП. Речь может идти лишь об анализе качественного характера изменения параметров движения и выявлении возможных причин именно такого характера для профилактики подобных инцидентов.
Рис. 1 свидетельствует о том, что скоростной режим посадки воспроизведен в ВЭ правильно.
Вертикальная перегрузка пу в ВЭ (рис. 2) качественно верно отражает действительность, небольшой сдвиг колебаний по фазе может свидетельствовать лишь о неточном воспроизведении самих моментов последовательных касаний самолета ВПП. Здесь следует упомянуть о сложном рельефе самой ВПП в а/п Томск. Значения перегрузки хорошо совпадают с записями полета, а пик в ВЭ соответствует моменту отрыва передней стойки от ВПП после второго касания с "козлением".
Что касается тангажа Ф, то на рис. 3 приведены смещенные на условную постоянную величину значения данных записей полета, так как установка уровня отсчета данной величины осуществляется экипажем из кабины вручную. С качественной точки зрения смещение по времени отдельных колебаний угла тангажа вполне объяснимо влиянием реального профиля ВПП и некоторым запаздыванием процесса.
Значительные колебания пу и Ф с четко выраженными тремя пиками указывают на три последовательных касания самолета ВПП с двумя отрывами, а существенные амплитуды Ф безусловно могут свидетельствовать о "козлении" самолета, когда пилот теряет контроль над
руль высоты тангаж перегрузка верт. приборная скорость
вращением по тангажу. Таким образом, об условиях грубой посадки могут свидетельствовать не абсолютные значения угла тангажа, а именно большая амплитуда его колебаний.
время
Рис. 1
время
Рис. 2
врем я
Рис. 3
время
боковое отклонение руль направления перегрузка попереч. рыскание
Рис. 5
0.
0.
0.
-0.
-0.
-0.
Рис. 6
Рис. 7
дальность
время
время
время
время
Рис. 9
врем я
Рис. 10
врем я
Рис. 11
В канале рыскания у (рис. 5) наблюдается значительное рассогласование записей полета и результатов ВЭ. К сожалению, объяснение этого рассогласования выходит за рамки анализа самой полетной ситуации, так как к записи рыскания возникают вопросы. Во-первых, для участка траектории с тремя жесткими касаниями ВПП (до 85 с) в условиях разбалансированного самолета под действием бокового ветра весьма странно выглядит практически постоянное значение угла рыскания. Во-вторых, зарегистрированное значение у соответствует ситуации полета перед приземлением с отклонением носом по ветру. Такое движение можно удержать только с помощью значительного отклонения руля направления (на рис. 7 не наблюдается). В-третьих, при зарегистрированном у жесткое касание неизбежно должно привести к возникновению значительной поперечной перегрузки из-за появления разворачивающего момента на стойках шасси (не отмечается в записи п на рис. 6). Поэтому воспроизведение в ВЭ начальной точки с зарегистрированным значением у = 5,273° приводит к вполне физически объяснимому изменению рыскания и поперечной перегрузки, показанно-
му на рис. 5 и 6 - с интенсивным разворотом самолета на ветер за счет флюгерной устойчивости и взаимодействия стоек шасси с ВПП.
Результаты этого анализа могут свидетельствовать о том, что "козление" при посадке является следствием разбалансировки самолета главным образом в продольном канале управления. По-видимому пилот не успел на последних 30 м - 50 м высоты сбалансировать самолет после выхода из зоны сдвига ветра.
Влияние же разбалансировки в канале рыскания перед посадкой может сказываться лишь на характере бокового движения по ВПП. В ВЭ проводились расчеты для достаточно широкого диапазона возможных значений начальных условий: вплоть до у = -5,273° (противоположного знака) и Юу = ± 1,5°/с. Во всех этих условиях "козление" присутствовало, а боковое отклонение на начальном участке траектории имело качественно один и тот же характер изменения (но не числовые значения).
Из всех параметров поперечного канала самую существенную роль в обеспечении безопасной посадки играет угол пути самолета - угол между вектором путевой скорости и осью ВПП. Как показал ВЭ, изменения этого угла на величину 0,5° приводят к качественному изменению поведения самолета на ВПП при пробеге и к неизбежности выкатывания на боковую полосу безопасности (БПБ). С этой точки зрения осуществленная экипажем самолета Ту-154Б-2 ЯЛ-85477 посадка в а/п Томск 26 декабря 1996 года в сложных метеоусловиях может оцениваться как отличная, ибо он допустил отклонение вектора скорости от оси ВПП лишь на 0,05°, чем и предотвратил аварию.
ВЭ показали, что при различных начальных значениях у и Юу боковое отклонение на начальном участке траектории сохраняет один и тот же качественный характер изменения. Однако после третьего касания и опускания передней стойки шасси, при скорости Упр < 200 км/ч, когда передняя стойка активно включается в управление, характер траектории меняется в зависимости от указанных параметров кардинальным образом. При детальном изучении этого факта было обнаружено, что на скользкой заснеженной ВПП при углах увода передних управляемых колес, достигающих 9,5°, эффективность управления ими невысока. Если при этом самолет находится в несбалансированном состоянии, то его устойчивость в поперечном канале оказывается недостаточной для невыкатывания на БПБ.
Основываясь на теории связи продольного и поперечного коэффициентов сцепления [2, 3], была предпринята попытка повысить поперечную устойчивость и одновременно развернуть ось самолета в нужном направлении применением торможения одной стойкой шасси. Поэтому в ВЭ была проверена гипотеза о применении кратковременного, в течение 1 с, торможения правой стойкой. Прямых сведений об этом способе пилотирования в материалах к Заключению нет, однако не видно другого способа развернуть самолет на 91 с вправо и изменить знак перегрузки к 92 с. Гипотеза подтвердилась, и характер изменения Упр, у и п2 существенно приблизился к зарегистрированному в полете.
Однако одного кратковременного разворота самолета влево на скользкой ВПП недостаточно для гашения быстро растущего бокового отклонения от оси ВПП вправо (на 90 с расчетные значения Ъ = 7,8 м, У2 = 3 м/с). Так как в реальности самолет наткнулся на вал снега у края ВПП, в ВЭ было воспроизведено резкое увеличение сопротивления движению попавшей в него стойки шасси самолета. Это привело к резкому уменьшению боковой скорости, появлению вращения самолета вправо и уменьшению связанного с этим угла увода передних управляемых колес, хотя значительную продольную скорость практически не изменило. В результате всего этого самолет выкатился из снежного вала обратно на относительно чистую ВПП уже на скорости менее 140 км/ч через 130 м.
Из рис. 9 и 10 видно, что количественно и качественно изменение угла крена у и угловой скорости крена Ю по времени в полете и в ВЭ имеют сходство: основные пики кривых имеют одинаковые знаки и сопоставимые значения. Однако есть значительное рассогласование
по фазе. Его можно объяснить лишь возможным присутствием в реальном полете перед приземлением существенно ненулевого значения Юх.
Подытоживая проведенный анализ, можно сделать следующий вывод для практического использования в летной эксплуатации. Разбалансировка самолета при заходе на посадку в канале тангажа приводит к опасности грубой посадки, в том числе с "козлением". В канале рыскания разбалансировка усложняет контроль за поведением самолета на ВПП - в этом канале нельзя допускать заметных отклонений вектора скорости от оси ВПП, приводящих к неизбежности выкатывания на БПБ. Потеря балансировки в канале крена грозит опасностью касания земли крылом или появления боковой скорости, т. е. разбалансировки в канале рыскания. Поэтому на предпосадочном снижении необходимо в максимально возможной степени обеспечить установившееся движение самолета с направлением скорости полета строго по оси ВПП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кубланов М.С. Разработка теории и методов повышения уровня адекватности математических моделей на основе идентификации параметров движения для обеспечения летной эксплуатации самолетов гражданской авиации: Дисс. д-ра техн. наук. - М., 2000.
2. Бехтина Н.Б. Комплексная методика определения коэффициента сцепления колес шасси с взлетнопосадочной полосой для математического моделирования // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 81, 2005.
3. Бехтина Н.Б. Математическая модель бокового коэффициента сцепления колеса пневматика шасси при движении ЛА по ВПП // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 97, 2006.
4. Идентификация математической модели взлета и посадки самолета Ту-154М по данным РЛЭ: Отчет о НИР (промежуточный) / МГТУ ГА; Руководитель В.Г. Ципенко- М., 2002. - 82 с.: ил. - Ответственный исполнитель М.С. Кубланов.
APPLICATION OF IMPROVED MATHEMATICAL MODEL OF GEAR WORK IN MATHEMATICAL MODELING SYSTEM FOR ACCIDENT INVESTIGATION AT TU-154 LANDING
Behtina N.B.
Circumstances of Tu-154B-2 RA-85477 landing at APT Tomsk 26 December 1996 are analyzing using improved mathematical model.
Сведения об авторе
Бехтина Наталия Борисовна, окончила МИИ ГА (1982), старший преподаватель кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор 18 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование динамики полета летательных аппаратов.
