CC BY
46
2011
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 172
УДК 629.735. 015:681.3
ПРОБЛЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ТРАНСПОРТНЫХ САМОЛЕТОВ ПО СКОРОСТНЫМ РУЛЕЖНЫМ ДОРОЖКАМ
М.С. КУБЛАНОВ, Н.Б. БЕХТИНА
Предлагается обзор проблем математического моделирования движения тяжелых транспортных самолетов по взлетно-посадочным полосам с неоднородным состоянием поверхности, являющимся следствием разнообразных эксплуатационных условий.
Ключевые слова: скоростные рулежные дорожки, математическое моделирование, состояние ВПП.
Общая тенденция развития воздушного транспорта в последние годы складывается так, что с целью повышения эффективности и безопасности полетов приходится учитывать особенности движения воздушного судна (ВС) по реальным покрытиям искусственных взлетно-посадочных полос (ИВПП), которые вместе с остальной инфраструктурой аэродрома призваны повысить скорость движения ВС. Однако реальное состояние покрытия ИВПП и рулежных дорожек (РД) характеризуется не только привычным коэффициентом сцепления резиновых пневматиков с асфальтобетоном в зависимости от метеоусловий, но и профилем (продольным и поперечным), искривленностью геометрии (поворотами) и эксплуатационными неровностями самого покрытия.
Для увеличения пропускной способности ИВПП путем быстрого освобождения ее после посадки ВС устраивают соединительные рулежные дорожки скоростного схода - скоростные рулежные дорожки (СРД), примыкающие к ИВПП под углом 30° - 45° (рис. 1). При проектировании и обосновании схемы расположения РД в плане основное внимание уделяют обеспечению комфортабельных и экономичных условий движения ВС.
Рис. 1. Схема аэродрома
Анализируя рекомендуемую практику ИКАО [1] и отечественные нормы [2, 3] проектирования аэропортов, приходится констатировать, что между ними имеет место некоторое несоответствие, приводящее к различным результатам расчета параметров планировки аэродромов и, в частности, СРД.
Как отечественные, так и зарубежные нормы проектирования СРД основаны на концепции равномерно-замедленного движения с постоянным для всех типов воздушных судов значением замедления:
- вдоль прямолинейного участка движения 1,5/1,52 м/с ;
- вдоль кривой поворота 0/0,76 м/с (в числителе - нормы РФ, в знаменателе - ИКАО).
Однако скачок величины замедления при переходе от прямолинейной к криволинейной
траектории движения противоречит физике явления, что не учитывает существующая расчетная схема рис. 2 [1].
Рис. 2. Схема скоростей на ВПП
Как известно [4], движение ВС по СРД осуществляется на скоростях, при которых разгружающее влияние подъемной силы незначительно, а аэродинамические рули направления недостаточно эффективны, поэтому управление движением осуществляется главным образом с помощью колес управляемой носовой опоры, а в отдельных случаях - подтормаживанием колес главной опоры шасси. При этом под безопасным понимается руление, при котором не происходит съезда ВС с покрытия и обеспечивается прочность его краевой зоны (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная схема СРД
При рулении пилот должен выдерживать направление движения воздушного судна согласно маркировочной линии, нанесенной на оси покрытия рулежной дорожки [1, 2, 5] (рис. 4). На практике руление осуществляется по сложной траектории, близкой к синусоидальной кривой, что объясняется уравнениями динамики, имеющими второй порядок. Отклонение центра тяжести воздушного судна от оси СРД обусловлено возмущающим влиянием порывов ветра, неровностями покрытия, особенностями управления носовой опоры и т.д. При появлении бокового ветра возникает разворачивающий момент, зависящий от угла скольжения. Скорость и характер движения по СРД зависят от состояния покрытия. При сухой поверхности можно ожидать большей скорости руления, чем при мокрой. Это объясняется тем, что продольные и поперечные силы сопротивления движению, определяющие продольную и путевую устойчивость и управляемость ВС, имеют большие значения на сухих покрытиях [6, 7]. Скорость движения, максимальные отклонения воздушного судна от оси руления зависят от
квалификации пилота. Летчики более высокой квалификации, как правило, осуществляют движение по СРД с большей скоростью и с наименьшим отклонением от оси.
Расстояние от порога ИВПП до места примыкания СРД в направлении посадки должно обеспечивать сруливание ВС со скоростью 80 км/ч - 100 км/ч. Это расстояние устанавливают расчетом в зависимости от типа ВС (посадочной скорости и длины пробега) и величины попутного и продольного уклона [2, 3, 5]. На поворотах СРД допускается устройство виражей с уклоном к центру кривизны до 4 % [3].
Величина поперечного уклона и типы поверхностей, образующих вираж, зависят от радиуса закругления рулежной дорожки, типа расчетного самолета и скорости его движения [3].
При движении по летной полосе с переменным продольным профилем резко возрастают сопротивление движению и нагрузки на шасси там, где изменяется направление уклона (рис. 5).
а) б)
I_ I, ', _|
Рис. 5. Эпюры нагрузок на встречном уклоне и трамплине
Неровности ИВПП и СРД изучают для различных целей, связанных с реакцией самолета на эти неровности. Профиль ИВПП и СРД можно рассматривать состоящим из некоторого расчетного профиля и накладывающихся на него вдоль ИВПП и СРД неровностей различного вида. В процессе эксплуатации ИВПП и СРД амплитуды этих неровностей будут изменяться вследствие влияния дефектов изготовления полосы, сильных атмосферных воздействий и нагрузок от самолетов, причем изменение может быть неоднородным по длине покрытия ИВПП и СРД.
Полное описание характеристик ИВПП должно включать также оценку влияния ступенчатых неровностей, в частности уступов между соседними бетонными плитами, и неблагоприятных особенностей поверхности на тех участках, где производился ремонт полосы, или в местах пересечения ИВПП с другой полосой либо с рулежной дорожкой.
При движении по СРД с большим по глубине слоем жидкости скорость глиссирования уменьшается. Расчеты [6, 7] показывают, что величина скорости глиссирования может приближаться к скорости руления, т.е. будет наблюдаться резкое снижение эффективности торможения и, как следствие, снижение уровня безопасности полетов.
Немаловажное значение имеет и достаточно точное определение нагрузок, которые испытывает ВС на реальной поверхности. Нагрузки на ВС при движении по аэродрому можно разделить на три группы: при рулении, при разбеге на взлете и при пробеге после посадки. Эти нагрузки зависят от характеристик неровностей (высота, протяженность, повторяемость) поверхности ВПП и РД, характеристик амортизации шасси, упругости конструкции ВС, скорости движения, режима торможения, условий маневрирования. Сегодня уже недостаточно оценок реальных нагрузок на ВС для назначаемого ресурса элементов, систем или всего срока эксплуатации самолета, полученных по осредненным статистическим данным.
Кроме перечисленных есть еще одна проблема, не получившая пока должного внимания. Речь идет о необходимости достаточно уверенного определения боковых нагрузок на шасси при виражах, потере симметрии или внешних возмущениях.
При проектировании, строительстве и эксплуатации аэропортов, осуществляющих международные авиаперевозки на самолетах различных отечественных и зарубежных типов, актуальным становится учет рекомендаций и стандартов Международной организации гражданской авиации, содержащихся в материалах Приложения 14 к Конвенции ИКАО, переизданного в 1999 г. [1]. Однако в настоящее время существует несоответствие между методиками оценки
движения по ВПП и СРД, рекомендуемыми ИКАО и отечественными нормами [2, 5]. Этот вопрос нуждается в отдельном исследовании, результатом которого должны стать унифицированные и реальные рекомендации и методики расчета СРД.
И в заключение еще одна проблема: отсутствие унифицированного подхода к определению основной характеристики состояния покрытия ВПП. В России согласно [5] коэффициент сцепления Дсц измеряется по установленной методике деселерометром. За рубежом основной характеристикой поведения самолета на полосе принято "качество торможения", характеризуемое коэффициентом дторм [8]. Табл. 1 демонстрирует соответствие этих характеристик.
Таблица 1
Состояние ВПП Сухая Мокрая Обледеневшая
цац (Россия) 0,6 - 0,7 0,4 - 0,5 0,3
тторм (сша) 0,4 0,36 - 0,39 0,05
И здесь простым заимствованием зарубежных нормативов обойтись нельзя. При замерах тторм различными средствами, применяющимися в иностранных аэропортах, получается разброс, представленный в табл. 2.
Таблица 2
Средство измерения Качество торможения
ОООБ МЕБШМ РООЯ
Скидометр >0,6 0,49 - 0,59 <0,49
Мю-метр >0,5 0,4 - 0,49 <0,4
Измеритель трения поверхности >0,6 0,49 - 0,59 <0,49
Скидометр >0,44 0,33 - 0,43 <0,33
Очевидна необходимость проведения специальных исследований для унификации характеристики состояния ВПП. Исследования, проведенные авторами, показали, что коэффициент сцепления тсц более предпочтителен, так как ближе отражает физику явления и может применяться при математическом моделировании.
Таким образом, решение проблемы повышения безопасности эксплуатации ВС на аэродромах, где и происходит наибольшее количество авиационных происшествий, нуждается в комплексной постановке задачи исследования поведения ВС на ИВПП и СРД [4]. Такая постановка возможна только на базе широкого применения математического моделирования, как наиболее безопасного и универсального средства исследований.
Разработанная на кафедре АКПЛА МГТУ ГА система математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА) [8 - 13] открывает широкие возможности для такого рода исследований и позволяет решать с достаточной степенью адекватности все вышеперечисленные задачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Аэродромы. Приложение 14 к Конвенции ИКАО. - Т. 1. ИКАО, 1999.
2. Руководство по проектированию аэродромов. Рулежные дорожки, перроны и площадки ожидания. ИКАО, 1991. - Ч. 2.
3. Глушков Г.И., Бабков В.Ф., Городецкий М.И., Смирнов А.С. Изыскание и проектирование аэродромов: учебник для вузов / под ред. Г.И. Глушкова. - М.: Транспорт, 1981.
4. Котик М.Г., Павлов А.В., Пашковский И.М., Сардановский Ю.С., Щитаев Н.Г. Летные испытания самолетов. - М.: Машиностроение, 1965.
5. Руководство по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации. - М.: Воздушный транспорт, 1996.
6. Белинский И. А., Смородов Ю.А., Соколов В.С. Зимнее содержание аэродромов. - М.: Транспорт, 1982.
7. Часовников В.Г. Исследование глиссирования колес самолетов на мокрых аэродромных покрытиях: дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1972.
8. Круглякова О.В., Ципенко В.Г. Сравнение отечественной и зарубежных концепций назначения ограничений по боковому ветру на ВПП, покрытых атмосферными осадками // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2000. - № 33. С. 51 - 52.
9. Кубланов М.С. Разработка теории и методов повышения уровня адекватности математических моделей на основе идентификации параметров движения для обеспечения летной эксплуатации самолетов гражданской авиации: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2000.
10. Разработка общих рекомендаций по летной эксплуатации самолета Ил-96-300 в ожидаемых условиях эксплуатации и режимах, выходящих за ожидаемые условия эксплуатации на этапах взлета, захода на посадку и посадки: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель Ципенко В.Г. Ответственный исполнитель Кубланов М.С. № ГР 01930010176; Инв. 02940003177. - М.: МИИГА, 1993.
11. Бехтина Н.Б. Разработка и обоснование рекомендаций по повышению эффективности и безопасности эксплуатации тяжелых транспортных самолетов на основе универсальной математической модели динамики шасси: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2008.
12. Бехтина Н.Б., Кубланов М.С., Степушин А.П. Некоторые задачи математического моделирования движения по взлетно-посадочным полосам тяжелых транспортных самолетов // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 151 (1). - С. 99 - 104.
13. Кубланов М.С., Бехтина Н.Б. Особенности взаимодействия авиационных шасси с взлетно-посадочными полосами // Вопросы строительной механики и надежности машин и конструкций: сб. науч. тр. - МАДИ. - 2008. -С. 60 - 71.
14. Кубланов М.С., Бехтина Н.Б. Математическое моделирование неоднородного состояния взлетно-посадочных полос при решении задач обеспечения безопасной эксплуатации тяжелых транспортных самолетов // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - №154 (4). - С. 152 - 154.
SPECIAL FEATURES OF THE MATHEMATICAL SIMULATION OF THE MOTION OF HEAVY TRANSPORT PLANES ALONG THE HIGH-SPEED TAXIWAYS
Kublanov M.S., Behtina N.B.
The survey of solved mathematical modeling problems of heavy transport aircraft movement on runway with dissimilar surface condition, consequent of various in-service environment, is offered.
Key words: high-speed taxiways, mathematical modeling problems, runway condition, motion on runway, maintenance conditions.
Сведения об авторах
Кубланов Михаил Семенович, 1945 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1968), доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, ведущий научный сотрудник, автор более 100 научных работ, область научных интересов -механика, математические методы моделирования.
Бехтина Наталия Борисовна, окончила МИИ ГА (1982), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование динамики полета летательных аппаратов.
