РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ САМОЛЕТА ЯК-152 НА РЕЖИМАХ СВАЛИВАНИЯ И ШТОПОРА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.072

ГРНТИ 78.21.45.33

РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ САМОЛЕТА ЯК-152 НА РЕЖИМАХ СВАЛИВАНИЯ И ШТОПОРА

С.В. ЛЕВИЦКИЙ, доктор технических наук, профессор

ПАО «Научно-производственная корпорация «Иркут» (г. Москва)

Д.В. МОРОШКИН

ПАО «Научно-производственная корпорация «Иркут» (г. Москва)

В.А. ПОДОБЕДОВ, доктор технических наук, профессор

ПАО «Научно-производственная корпорация «Иркут» (г. Москва)

В статье представлены результаты натурных (летных) экспериментов по оценке характеристик устойчивости и управляемости самолета для первоначальной летной подготовки Як-152 на режимах сваливания и штопора. Проанализировано поведение самолета при сваливании из-за потери скорости в прямолинейном горизонтальном полете, при энергичном маневрировании в режиме вираж-спираль. Продемонстрирована способность самолета самостоятельно уменьшать угол атаки и, как следствие, выходить из сваливания без активного вмешательства летчика. Доказано, что Як-152 полностью отвечает требованиям нормативных документов, в части обеспечения безопасности полета и простоты пилотирования учебно-тренировочного самолета.

Ключевые слова: учебно-тренировочный самолет, сваливание, штопор, угол атаки, ручка управления самолетом, петля Нестерова.

results of THE YAK-152 AIRCRAFT MoVEMENT DYNAMICs FIELD

observation in stall and spin modes

S.V. LEVITSKIY, Doctor of Technical sciences, Professor

PJSC «Scientific and Production Corporation «Irkut» (Moscow)

D.V. MOROSHKIN

PJSC «Scientific and Production Corporation «Irkut» (Moscow)

V.A. PODOBEDOV, Doctor of Technical sciences, Professor

PJSC «Scientific and Production Corporation «Irkut» (Moscow)

The article presents the results of full-scale (flight) experiments to assess the stability and controllability characteristics of the aircraft for the initial flight training of the Yak-152 in stall and spin modes. The behavior of the aircraft during stall due to loss of speed in straight-line horizontal flight, during vigorous maneuvering in the turn-spiral mode, is analyzed. The ability of the aircraft to independently reduce the angle of attack and, as a result, get out of the stall without the active intervention of the pilot is demonstrated. It is proved that the Yak-152 fully meets the requirements of regulatory documents, in terms of ensuring flight safety and ease of piloting a training aircraft.

Keywords: training aircraft, stall, spin, angle of attack, aircraft control handle, Nesterov loop.

Введение. В начале 2000-х годов в России появилась новая концепция перспективной системы подготовки летчиков и штурманов военной авиации, которая должна соответствовать кардинальным изменениям, произошедшим в системе подготовки кадров, учесть иностранный опыт в этой сфере и значительно сократить расходы [1].

ы g

и

Концепцией предусматривалось в интересах осуществления своевременного реформирования системы летной подготовки провести комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью создания перспективных учебно-тренировочных комплексов (УТК):

- УТК первоначальной подготовки;

- УТК повышенной подготовки.

В рамках данной концепции был создан и принят на вооружение первый в мире учебно-боевой самолет повышенной летной подготовки нового поколения Як-130, который пришел на смену МиГ-21УБ и МиГ-23УБ, используемых в Советском Союзе на завершающем этапе подготовки летчиков-истребителей.

На смену самолету первоначальной и основной (базовой) подготовки Л-39 разработан и завершает летные испытания новый учебно-тренировочный самолет (УТС) с винтомоторной силовой установкой Як-152 (рисунок 1).

Актуальность. Цель разработки УТК первоначальной подготовки предполагает проведение профессионального отбора, профессиональной ориентации и первоначальной летной подготовки будущих летчиков ВВС. При этом требования технического задания (ТЗ) к самолету первоначальной подготовки значительно расширены и включают часть задач основной подготовки, а именно возможность обеспечения решения днем и ночью в простых и сложных метеоусловиях следующих задач:

- обучение техники пилотирования при полете по кругу и в зону на простой, сложный и высший пилотаж ( пУ = — 6... + 8);

утах

- обучение выполнению штопора;

- обучение основам навигации;

- обучение техники пилотирования по приборам при заходе на посадку с использованием посадочных систем;

- обучение технике пилотирования в паре;

- обучение действиям в особых случаях.

Рисунок 1 - Учебно-тренировочный самолет первоначальной подготовки Як-152

Согласно курсу учебно-летной подготовки на учебном легкомоторном самолете предполагается выполнение первоначальной подготовки в объеме 45 летных часов и совершенствования летной подготовки (основная подготовка) в объеме 70 летных часов.

Помимо безусловного выполнения требований ТЗ к летно-техническим характеристикам самолета перед создателями Як-152 стояли задачи сделать УТС максимально безопасным и надежным, максимально упростить переучивание курсантов на УБС Як-130. Исходя из этого, информационно-управляющее поле кабины летчика представлено двумя многофункциональными индикаторами (МФИ), информация на которых формируется интегрированным бортовым комплексом оборудования ИБКО-152.

Данный комплекс обеспечивает:

- автоматизированное тестирование самолетных систем перед полетом;

- представление информации о параметрах полета и их ограничениях, решение пилотажно-навигационных задач;

- информационно-интеллектуальную поддержку и сигнализацию экипажу о режимах работы и состоянии бортового оборудования, о приближении к эксплуатационным ограничениям и предельно-допустимым значениям параметров полета;

- выдачу экипажу более 60-ти речевых сообщений о возникновении особых ситуаций в полете;

- загрузку, хранение и обновление 2D электронных карт, 3D моделей рельефа, аэронавигационной информации, геомагнитной информации, пользовательской базы навигационных точек и планов полетов;

- автоматический встроенный контроль работоспособности бортового оборудования самолета и двигателя;

- формирование и выдачу в бортовую систему регистрации информации о параметрах полета, состоянии бортового оборудования и переговорах экипажа.

На рисунке 2 представлены типовые кадры МФИ, информирующие экипаж о параметрах полета (рисунок 2а), навигационной обстановке (рисунок 2б), работоспособности систем самолета (рисунки 2в, 2г) и транслирующие сообщения об отказах и угрозах.

Таким образом, созданы необходимые условия для своевременного привлечения внимания летчика к техническим и полетным факторам, представляющим угрозу безопасности полета.

Для повышения надежности и экономичности, снижения пожароопасности и возможности использования средств аэродромно-технического обслуживания, эксплуатируемых в частях ВВС, в качестве силовой установки на Як-152 установлен дизельный двигатель, работающий на авиационном керосине. Двигатель RED A03-102 представляет собой современный 12-ти цилиндровый двигатель с воспламенением от сжатия с общей магистралью прямого впрыска, управляемый автономной цифровой электронной системой управления. Отличительной оригинальной особенностью RED A03-102 является то, что он состоит из двух независимых 6-ти цилиндровых блоков с автономной системой подачи топлива, системой охлаждения и турбонаддувом.

Таким образом, при отказе одного контура подачи топлива или системы охлаждения шесть цилиндров двигателя продолжат давать мощность, позволяющую безопасно завершить полет на ближайшем аэродроме.

Як-152 является одним из немногих самолетов подобного класса, оборудованных системой спасения экипажа в составе двух катапультных кресел. Данная система обеспечивает безопасное покидание самолета в аварийной ситуации во всем эксплуатационном диапазоне скоростей на высоте более 7 м в нормальном и на высоте более 35 м в перевернутом полете. Спинки кресел отклонены от вертикали на 25°, что способствует повышению переносимости летчиками нормальной перегрузки.

Повышенный уровень безопасности полётов является необходимым условием эффективности УТС. Применительно к современным маневренным самолетам необходимый уровень безопасности полетов достигается за счёт использования комплексной системы управления с функцией автоматического выдерживания ограничений и безопасного возвращения в эксплуатационную область параметров полета после случайного или умышленного выхода за её пределы.

(а)

(б)

(в)

(г)

(а) - пилотажный кадр, (б) - навигационный кадр, (в) - кадр с информацией о работоспособности силовой установки, (г) - кадр с информацией по взлетно-посадочным устройствам и топливной системе

Рисунок 2 - Типовые кадры многофункциональных индикаторов

Як-152 имеет механическую систему управления прямого действия, что исключает применение автоматических систем улучшения устойчивости и управляемости. Безопасность полета обеспечивается оптимизацией аэродинамической компоновки и характеристик управляемости самолета.

Одним из ключевых факторов безопасности любого самолета, а учебно-тренировочного в особенности, являются его пилотажные характеристики на больших углах атаки. С выходом на большие углы атаки происходят значительные изменения характеристик устойчивости и управляемости, вызванные возникновением и развитием срывных зон обтекания, приводящих в итоге к сваливанию.

Сваливание - это явление, возникающее на больших углах атаки и характеризующееся самопроизвольным движением самолета с угловой скоростью относительно любой оси, не прекращающееся без уменьшения угла атаки. Потенциальная опасность последствий сваливания определяется его видом. Наиболее опасными являются сваливание на крыло, сваливание по спирали и сваливание с кабрированием [2, 3].

Данные виды сваливания происходят на углах атаки меньше критического (асв < а ) и

определяют величину предельного угла атаки (а д=асе), относительно которого

устанавливаются эксплуатационные ограничения самолета. Опасность данных видов сваливания связана, прежде всего, с быстрым переходом самолета в штопор и высокой вероятностью ошибочных действий летчика при попытке выйти из сваливания отклонением рычагов управления против возникшего вращения.

Таким образом, объектом исследования является УТС Як-152, предметом исследования -его характеристики сваливания на различных режимах полета.

Сваливание возможно в прямолинейном полете при потере скорости и при маневрировании с предельной перегрузкой. Рост перегрузки повышает интенсивность и скорость сваливания [4, 5]. При формировании аэродинамической компоновки самолета Як-152 этим явлениям было уделено особое внимание, благодаря чему он имеет наиболее безопасный вид сваливания на нос.

При сваливании на нос преобладает движение тангажа на пикирование с отрицательной угловой скоростью (аг < 0 ). Происходит это при симметричном срыве потока в корневой части крыла. Угол атаки сваливания в данном случае близок к критическому (асв ~а ). Уменьшение

подъемной силы корневой части крыла способствует возникновению пикирующего момента тангажа и искривлению траектории движения вниз, самолет сам стремится выйти из сваливания.

На рисунках 3-7 представлены параметры продольного движения самолета Як-152 при выполнении испытательных полетов на определение характеристик сваливания, в которых имитировались грубые ошибки в технике пилотирования, связанные с игнорированием сигнализации опасных режимов.

На рисунке 3 даны параметры движения самолета при сваливании в прямолинейном горизонтальном полете с постепенной потерей скорости, на режиме работы двигателя (РРД) - малый газ. При t = 18,5 с самолет достигает угла атаки срабатывания сигнализации приближения к границе эксплуатационных значений угла атаки (ажн = 11° ). При t = 25,5 с самолет выходит на границу допустимого угла атаки (а^п= 13°). Дальнейшие действия летчика в условиях нормальной эксплуатации находятся за гранью допустимых значений угла атаки.

До достижения угла атаки сваливания асв «17...17,5° самолет адекватно реагирует на управляющие действия летчика. Взятию ручки управления самолетом (РУС) «на себя» и отклонению руля высоты на кабрирование (А£в < 0) соответствует увеличение угла атаки

(Аа > 0) и тангажа. При достижении асв «а самолет самостоятельно, невзирая на управляющие действия летчика, опускает нос (аг <0), угол атаки уменьшается [6]. Если летчик

стремится парировать это движение самолета, отклонением РУС «на себя», развивается колебательное движение по тангажу с нарастающей амплитудой.

20

15

10

2 п о.

" с

С -5

-10

-15

-20

Время, с

Рисунок 3 - Сваливание при прямолинейном горизонтальном полете (РРД - малый газ)

Возникшая, вследствие отрыва потока, потеря части подъемной силы приводит к искривлению траектории вниз и снижению самолета (Vy < 0 ). При установке РУС в положение

близкое к нейтральному (t = 41с) самолет возвращается в область эксплуатационных углов атаки.

Между границей адоп и углом атаки сваливания у летчика есть запас по углу атаки Аа = 4...4,5°, чтобы среагировать на предупреждающую сигнализацию и исправить ошибку пилотирования. Последним предупредительным признаком приближения к сваливанию является тряска, возникающая при а «16°.

Часто ошибки в технике пилотирования возникают при энергичном маневрировании, последствием которых является динамическое сваливание.

На рисунке 4 показаны параметры управления и движения самолета Як-152 при динамическом сваливании в процессе выполнения виража-спирали в результате увеличения нормальной перегрузки более допустимой ( п^ = 4 ).

При работе двигателя на взлетном режиме сваливание, вследствие обдувки корневой части крыла воздушным потоком от винта, происходит при большем угле атаки асв = 18,5°.

Здесь летчик дважды выводил самолет на углы атаки сваливания, но после установки РУС в положение, близкое к нейтральному, самолет вернулся в область эксплуатационных углов атаки.

На графике усилий Pв видно, что вблизи

а

летчик получает мощный

предупредительный сигнал посредством изменения кинестетических ощущений на рычаге

ы

5

£ 0

управления самолетом в виде тряски и значительного изменения усилий. После допущенных ошибок, приведших к сваливанию, главная задача летчика не мешать самолету вернуться в эксплуатационную область углов атаки установкой РУС в сторону нейтрального положения.

40

30 -

20 -

10

-10 ■

-20

Время, с

Рисунок 4 - Сваливание при энергичном вводе в вираж-спираль (РРД - взлетный)

На рисунке 5 приведены параметры движения самолета при выполнении фигуры высшего пилотажа - петли Нестерова, с участками прямолинейной траектории при тангаже и « +90° в восходящей части петли и при тангаже и « —90° в нисходящей части петли.

20

16 -

12 -

-12

4 ■

-4 ■

Время, с

Рисунок 5 - Сваливание в верхней части петли Нестерова (РРД - взлетный)

0

В верхней части петли при темпе увеличения угла атаки около 10°/с самолет превышает допустимый угол атаки на 6° и теряет скорость ниже минимальной допустимой скорости на 60 км/ч. При этом, среагировав на тряску отдачей РУС от себя, летчик выводит самолет из сваливания и завершает маневр без опасных последствий.

Безопасность полета на Як-152 при совершении ошибок в технике пилотирования обеспечивается за счет того, что при достижении критического угла атаки самолет сохраняет управляемость по всем каналам и не переходит в штопор без дополнительных управляющих воздействий, вызывающих скольжение.

При установке РУС в положение близкое к нейтральному угол атаки уменьшается (а < а^п), безотрывный характер обтекания крыла восстанавливается и самолет переходит в

пикирование с нарастанием скорости.

Результаты летных испытаний показывают, что координированное маневрирование с увеличением углов атаки до 16...16,5° на самолете Як-152 в крейсерской конфигурации безопасно вплоть до достижения пУ = 8.

ymax

Нормативные документы требуют, чтобы эксплуатационная область углов атаки имела запас относительно а (при РРД «малый газ») не менее 4°. Соответственно, допустимый угол

атаки Як-152 составляет айои = 13°. При этом на самолете имеются указатель углов атаки, а

также световая и звуковая сигнализация, которые заблаговременно (начиная с а(лгн = 11° )

предупреждают летчика о приближении к границе эксплуатационной области углов атаки.

Таким образом, на Як-152 создан надежный заслон, препятствующий непреднамеренному сваливанию и штопору. При полете во взлетно-посадочной конфигурации летчик получает дополнительное предупреждение, если скорость оказывается меньше рекомендованной Руководством по летной эксплуатации.

Кроме того, на самолете впервые реализована сигнализация опасного скольжения, которая предупреждает курсанта о недопустимости резкого отклонения педалей при заходе на посадку.

Одной из задач основного этапа подготовки военного летчика является обучение штопору. Согласно нормативным требованиям учебно-тренировочные самолеты должны выводиться из штопора стандартным методом с запаздыванием не более двух витков.

При малых скоростях полета у Як-152, как и у всех самолетов с винтомоторной силовой установкой, становятся заметны особенности движения, связанные с реактивным и спиральным моментами воздушного винта, относительно высокими значениями инерционного и гироскопического моментов.

У самолетов с винтомоторной силовой установкой левый и правый штопор могут значительно отличаться. Самолет легче выходит из штопора в направлении вращения воздушного винта. Таким образом, для Як-152 наиболее сложным случаем является правый штопор.

При использовании стандартного способа вывода в двухвитковом учебном правом штопоре с задней центровкой вращение прекращается в течение Д^ыв = 3,5...4 с при времени

витка А^ = 3 с. В левом штопоре вращение прекращается в течение Д^ыв = 1,5...2 с при

времени витка А^ = 3,5 с. Если количество витков штопора увеличивается до четырех, время

вывода также увеличивается, но не превышает двух витков. Параметры правого двухвиткового штопора представлены на рисунках 6 и 7.

Особое внимание предъявляется к пилотажным характеристикам самолета на посадочных режимах, как к наиболее сложному этапу обучения начинающего пилота. Самолет Як-152 имеет прекрасный обзор из кабины, прочную конструкцию, небольшую посадочную скорость, хорошую устойчивость и управляемость в посадочной конфигурации.

На рисунке 8 показаны параметры движения самолета на посадке с сознательным затягиванием этапа выдерживания и увеличением угла атаки больше допустимого (при 53 = 30° - айои = 11°) с целью оценки устойчивости и управляемости самолета с учетом влияния экранного эффекта.

Данный эксперимент показал, что самолет не имеет склонности к раскачке, кренению или иным нежелательным явлениям при полете у земли. На любом этапе посадка может быть прекращена, самолет уверено уходит на второй круг с любой высоты.

150

100

50

-50

-100

-150

-200

Время, с

Рисунок 6 - Двухвитковый правый штопор (угловые скорости)

200

150

100

50

-50

-100

-150

-200

Время, с

Рисунок 7 - Пространственное положение самолета во время штопора

0

0

20

15

10

а 5

01 £ о

0) г

га

1и с

С -5 ■

-10

-15

-20

110

Время, с

Рисунок 8 - Параметры движения самолета на посадке (этап выдерживание)

Выводы. По результатам натурных (летных) экспериментов в интересах оценки характеристик устойчивости и управляемости самолета Як-152 на режимах сваливания и штопора, следует отметить, что:

- при превышении адоп на 6° и потере скорости ниже минимальной допустимой на

60 км/ч, в верхней части петли Нестерова самолет выводится из сваливания и завершает маневр без опасных последствий после отдачи РУС от себя;

- при использовании стандартного способа вывода в двухвитковом учебном правом штопоре с задней центровкой вращение прекращается в течение Д^ыв = 3,5...4 с при времени

витка А^ = 3 с, в левом штопоре вращение прекращается в течение А7выв = 1,5...2 с при

времени витка А/в = 3,5 с.

Сваливание самолета Як-152 из-за потери скорости в прямолинейном горизонтальном полете не происходит. При превышении допустимого угла атаки асв ~акр «17...17,5° самолет

самостоятельно, невзирая на управляющие действия летчика, опускает нос и угол атаки уменьшается. Если летчик стремится парировать это движение самолета, отклонением РУС «на себя», развивается колебательное движение по тангажу с нарастающей амплитудой.

В процессе выполнения виража-спираль в результате увеличения нормальной перегрузки более допустимой при работе двигателя на взлетном режиме сваливание происходит при угле атаки 18,5°, но после установки РУС в положение, близкое к нейтральному, самолет возвращается в область эксплуатационных углов атаки.

Летная оценка самолета содержит следующие выводы:

- стандартные маневры не вызывают затруднений, потребные отклонения РУС не более 1/3 максимального хода, усилия на РУС комфортные;

- самолет охотно летает на больших углах атаки, устойчив;

- при штопоре чувствуется большой запас эффективности руля высоты и руля направления;

£ 0

ы

- при проходе на высоте 1 м над ВПП на скорости 125.. .130 км/ч самолет устойчив и хорошо управляем.

Таким образом, Як-152 полностью отвечает требованиям нормативных документов в части обеспечения безопасности полета и простоты пилотирования учебно-тренировочного самолета.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Котик М.Г. Динамика штопора самолета. М.: Машиностроение, 1976. 327 с.

2. Котик М.Г., Филиппов В.В. Полет на критических режимах. М.: Воениздат, 1977. 239 с.

3. Мышкин Л.В. Прогнозирование развития авиационной техники: теория и практика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 304 с.

4. Ефремов А.В., Захарченко В.Ф., Овчаренко В.Н. и др. Динамика полета. М.: Машиностроение, 2011. 776 с.

5. Ефремов А.В. Система самолет-летчик. Закономерности и математическое моделирование поведения летчика. М.: Изд-во МАИ, 2017. 196 с.

6. Костин П.С., Карпенко О.Н. Способ оценки характеристик пикирования самолета-штурмовика // Труды МАИ № 104. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://trudymai.ru/published/php?ID=102426 (дата обращения 14.11.2020).

REFERENCES

1. Kotik M.G. Dinamika shtopora samoleta. M.: Mashinostroenie, 197б. 327 p.

2. Kotik M.G., Filippov V.V. Polet na kriticheskih rezhimah. M.: Voenizdat, 1977. 239 p.

3. Myshkin L.V. Prognozirovanie razvitiya aviacionnoj tehniki: teoriya i praktika. M.: FIZMATLIT, 2GG6. 3G4 p.

4. Efremov A.V., Zaharchenko V.F., Ovcharenko V.N. i dr. Dinamika pol eta. M.: Mashinostroenie, 2G11. 77б p.

5. Efremov A.V. Sistema samolet-letchik. Zakonomernosti i matematicheskoe modelirovanie povedeniya letchika. M.: Izd-vo MAI, 2G17. 19б p.

6. Kostin P.S., Karpenko O.N. Sposob ocenki harakteristik pikirovaniya samoleta-shturmovika // Trudy MAI № 104. fElektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://trudymai.ru/published/php? ID=1G2426 (data obrascheniya 14.11.2G2G).

© Левицкий С.В., Mорошкин Д.В., Подобедов B.A., 2021

Левицкий Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор, ведущий инженер-конструктор, ПAO «Научно-производственная корпорация «Иркут», Россия, 125315, г. Ыосква, Ленинградский проспект, 68, [email protected].

Ыорошкин Дмитрий Владимирович, ведущий инженер-конструктор, ПAO «Научно-производственная корпорация «Иркут», Россия, 125315, г. Ыосква, Ленинградский проспект, 68, [email protected].

Подобедов Владимир Aлександрович, доктор технических наук, профессор, заместитель главного конструктора - начальник отделения аэродинамики, ПAO «Научно-производственная корпорация «Иркут», Россия, 125315, г. Иосква, Ленинградский проспект, 68, [email protected].

W g

U