CC BY
63
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 629.735.07
ВЛИЯНИЕ ПОПУТНОГО ВЕТРА НА ВЗЛЕТНУЮ ДИСТАНЦИЮ ВЕРТОЛЕТА
В.И. БУГАЙ, М.С. КУБЛАНОВ
С помощью математического моделирования получены минимальные значения взлетной дистанции вертолета Ми-8 в штиль и при попутном ветре.
В Руководстве по летной эксплуатации (РЛЭ) вертолетов [1] определения взлетной дистанции нет. Однако взлет по вертолетному предписано проводить после снижения и зависания на высоте 1 м. От этой точки и будем отсчитывать взлетную дистанцию.
Согласно [2] "взлетная дистанция Ьвзл - расстояние по горизонтали от точки старта вертолета до набора высоты стандартного препятствия, в качестве которой принимаем Нп=15 м". С другой стороны, в РЛЭ штатная процедура набора высоты с одновременным разгоном по подпункту 4.2.3.2 и графику рис. 7.3.1 предполагает достижение на этой высоте приборной скорости около Упр = 50 км/ч. Таким образом, обеспечивается прохождение средней точки между опасными зонами в самом узком месте на диаграмме опасной зоны сочетания высоты и приборной скорости полета Н-У. Поэтому в вычислительном эксперименте будем определять взлетную дистанцию от зависания на Н = 1 м до одновременного достижения высоты Н = 15 м и приборной скорости Упр = 50 км/ч = 13,(8) м/с.
Однако, как известно, на малой скорости полета (до 55 км/ч) реально пользоваться указателем приборной скорости нельзя - возникают слишком большие и непредсказуемые погрешности (из-за завихрений воздуха от несущего винта и т.п.).
В других разделах РЛЭ, посвященных взлету, прямо указывается, что следует пользоваться величиной скорости относительно земли. Так, например, в 4.2.2.5 предлагается определять "скорость - визуально по перемещению земли". В 7.3.5 при описании допустимых высот и скоростей полета вертолета (зоны Н-У) говорится о "перемещении с малыми поступательными скоростями".
Однако приборная скорость может существенно отличаться от скорости полета относительно земли. В пункте 7.1.1 РЛЭ Ми-8МТВ [1] приведены следующие определения скоростей:
"7.1.1.1. Приборная скорость полета - скорость, показываемая прибором (указателем) скорости.
7.1.1.2. Воздушная скорость полета - скорость вертолета относительно воздушной среды.
7.1.1.3. Индикаторная скорость - скорость вертолета, которую показал бы идеальный (не имеющий погрешностей) указатель скорости.
7.1.1.4. Аэродинамическая поправка к указателю скорости - поправка, учитывающая ошибки измерения скорости за счет искажений воздушного потока в месте установления ПВД."
Воздушная скорость У связана с индикаторной У; формулой: у. = Ул/Д = У — , где
1 V Ро
р - плотность воздуха в реальных атмосферных условиях, р0 = 1,225 кг/м3 - то же в стандартных атмосферных условиях (МСА) на уровне моря. Так, для условий резко континентального климата (например, в Саха на высотах от 0 м до 3000 м и температурах от -40°С до +40°С) индикаторная скорость может отличаться от воздушной на 20 % и более.
Аэродинамическая поправка к указателю скорости вообще нерегламентируемая величина, которая может принимать неограниченные значения, так как существенно зависит от режима полета: скорости, влияния несущего винта, углов тангажа и рыскания. Учесть эту поправку в реальном полете, особенно на малой скорости, невозможно.
Кроме того, воздушная скорость отличается от скорости относительно земли на величину скорости ветра, которую в реальном полете тоже невозможно определить.
В связи с этим анализом встает вопрос о более конкретизированном изложении ограничений по скорости и рекомендаций РЛЭ в части производства полетов. С точки зрения удобства пилотов можно предложить следующую идеологию изложения РЛЭ. Применять понятие приборной скорости только для случаев ее значений больше 60 км/ч. Для полетов в непосредственной близости земли до скорости по прибору 60 км/ч использовать только понятие воздушной скорости, а в раздел, определяющий этот термин, добавить фразу: " В полете приблизительное значение воздушной скорости определяется визуально по направлению и скорости движения относительно земли с учетом сведений о направлении и скорости ветра". Такая идеология тем более оправдана, что и пилоты в своей летной практике неявно пользуются именно таким подходом, и разработчики вертолетной техники основывают свои расчеты на понятии воздушной скорости.
Был поставлен и проведен вычислительный эксперимент с помощью созданной сотрудниками кафедры АКПЛА МГТУ ГА Системы математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА) [3]. В вычислительном эксперименте при учете влияния попутного ветра со скоростью W = 10 м/с была принята концепция обеспечения требуемой приборной скорости через соответствующее ей значение поступательной скорости в продольном направлении движения Ь (именно ее пилот может оценить визуально). В предположении нулевой аэродинамической поправки расчетная горизонтальная продольная приборная (индикаторная) скорость 50 км/ч обеспечивается в расчетах заданием Ь (м/с), определяемым из формулы: у = у = 50 = 3,6(Ь ~ ') и представленным в табл. 1.
пр 1 -%/А
Таблица 1
Значения поступательной скорости Ь для У; = 50 км/ч
Высота Для МСА Ь, соответствующая У; = 50 км/ч Отклонение температуры от МСА для -40°С Для -40°С Ь, соответствующая У; = 50 км/ч
м м/с °С м/с
0 13,889 -55.0 14,435
1000 13,227 -48.5 14,540
2000 12,585 -42.0 13,672
Расчет взлетной дистанции проводился по сценариям одновременного начала увеличения шага несущего винта до 14,75 и дачи ручки управления вперед для разгона. Все расчеты проведены с перебором коэффициента скорости перекладки шага несущего винта и коэффициента усиления в законе пилотирования ручкой по продольной скорости Ь. В качестве целевого значения в законе разгона принималось значение 30 м/с (с попутным ветром - 40 м/с).
Наилучшие управления отыскивались перебором коэффициентов для минимизации дистанции. Обычно минимальная дистанция обеспечивалась при одновременном достижении Н = 15 м и У; = 50 км/ч и монотонном наборе высоты и скорости. Обобщенные результаты данного вычислительного эксперимента представлены в табл. 2, где в столбцах "%" показан процент прироста взлетной дистанции при попутном ветре.
Таблица 2
Взлетная дистанция вертолета Ми-8МТВ (м)
Наэр, МСА -40°С
км т, т = 0 = -10 м/с % т, т = 0 -10м/с %
0 13 29,8 62,9 111 13 28,8 60,0 108
11 20,4 43,5 113 11 21,3 46,4 118
9 15,8 33,7 113 9 17,2 36,7 113
1 13 31,8 71,1 124 13 28,3 59,3 110
11 20,7 45,2 118 11 20,8 47,6 129
9 15,9 34,7 118 9 17,3 37,7 118
2 13 40,3 89,4 122 13 29,8 63,4 113
11 21,7 49,6 129 11 20,8 48,6 134
9 16,4 36,2 121 9 17,3 39,3 127
3 13 140,8 — 13 42,0 113,5 170
12,6 69,4 188,9 172 12,6 — —
11 24,4 57,7 136 11 22,1 50,5 129
9 17,1 38,8 127 9 16,7 39,6 137
Для случаев попутного ветра законы управления в МСА и на морозе бывают существенно различными, так как должны обеспечивать монотонный выход на 15 м и 50 км/ч между границами опасных зон И-У. Вынужденное различие манер пилотирования в штиль и при попутном ветре в случае -40°С нуждается в дополнительных специальных исследованиях. Именно по причине последнего фактора общий качественный вывод о соотношении взлетных дистанций неправомерен.
По итогам расчетов можно лишь отметить незначительное влияние низкой температуры и высоты расположения аэродрома на взлетную дистанцию. Это и понятно, так как пилотирование осуществляется по приборной скорости, учитывающей изменение плотности воздуха. Однако попутный ветер увеличивает взлетную дистанцию в основном на 120 % до высоты 1 км и на 130 % выше. Исключение составляют случаи с максимальной взлетной массой на высоте 3 км, где попутный ветер может увеличить взлетную дистанцию почти втрое.
Тяжелый (13 т) вертолет в МСА на Наэр = 3 км взлетает только с промежуточным провалом по высоте, используя воздушную подушку (рис. 1 - 3). Взлет в таких условиях при попутном ветре W = 10 м/с невозможен: по рис. 3.1.3 и 3.1.4 РЛЭ в этих условиях возможен взлет только с массой не менее т = 12,6 т.
Дальность,м
Рис. 1. Высота от дальности при взлете без ветра (Наэр = 3 км, МСА, т = 13 т)
0 20 40 60 80 100 120 140
Дальность, м
Рис. 2. Скорость от дальности при взлете без ветра (Наэр = 3 км, МСА, т = 13 т)
Приборная скорость, км/ч
Рис. 3. Диаграмма И-У при взлете без ветра (Наэр = 3 км, МСА, т = 13 т)
Однако взлет вертолета с т = 13 т для случая Наэр = 3 км при 1;атм = -40° возможен не только в штиль, но и с попутным ветром W = 10 м/с. При этом взлет происходит с монотонным увеличением как высоты так и скорости (рис. 4 - 6), в отличие от условий МСА.
Дальность, м
Рис. 4. Высота от дальности при взлете с попутным ветром (Наэр = 3 км, -40°С, т = 13 т)
Дальность, м
Рис. 5. Скорость от дальности при взлете с попутным ветром (Наэр = 3 км, -40°С, т = 13 т)
Приборная скорость, км/ч
Рис. 6. Диаграмма И-У при взлете с попутным ветром (Наэр = 3 км, -40°С, т = 13 т)
ЛИТЕРАТУРА
1. Руководство по летной эксплуатации вертолета Ми-8МТВ. Введено в действие отделом летной эксплуатации Департамента воздушного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации 14 мая 1994 г. -М.: Воздушный транспорт, 1994.
2. Володко А.М. Основы аэродинамики и динамики полета вертолетов: Учеб. пособие для вузов. - М.: Транспорт, 1988.
3. Бугай В.И., Ивчин В.А. Определение безопасных высот висения вертолета Ми-8 в конкретных условиях эксплуатации // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 138, 2009.
INFLUENCE OF TAIL WIND ON HELICOPTER TAKEOFF DISTANCE
Bugay V.I., Kublanov M.S.
There are defined minimum takeoff distances of helicopter Mi-8 at calm and at tail wind by means of mathematical modeling.
Сведения об авторах
Бугай Виктор Иванович, 1953 г.р., окончил КИИ ГА (1983), начальник Управления инспекции по безопасности полетов и расследования авиационных событий Федерального агентства воздушного транспорта Министерства транспорта РФ, соискатель кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор 9 научных работ, область научных интересов - летная эксплуатация и безопасность полетов вертолетов.
Кубланов Михаил Семенович, 1945 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1968), доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор более 90 научных работ, область научных интересов - механика, математические методы моделирования.
