Выбор угла наклона посадочной глиссады транспортного самолета Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том XXXVI

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2 00 5

№ 3 — 4

УДК 629.735.33.015.077

ВЫБОР УГЛА НАКЛОНА ПОСАДОЧНОЙ ГЛИССАДЫ ТРАНСПОРТНОГО САМОЛЕТА

В. В. СТРЕЛКОВ, Е. Е. УТКИНА

Обосновывается выбор величины угла наклона глиссады для самолета короткого взлета и посадки (КВП) из условия обеспечения минимальной длины воздушного участка посадочной дистанции. Учитывается наличие запаздывания в канале управления перегрузкой и ограничений по вертикальной скорости приземления и располагаемой нормальной перегрузке.

Сокращение посадочной дистанции транспортного самолета остается актуальной задачей, поскольку ее решение позволяет расширить количество существующих аэродромов, пригодных для транспортной авиации. Длина посадочной дистанции складывается из длины воздушного участка Ьв у и длины пробега Ьпрб:

^п.д = ^в.у + ^прб .

Длина пробега зависит главным образом от посадочной скорости. Использование высокоразвитой механизации крыла и обдув крыла с отклоненными закрылками струями двигателей позволяют в 1.8—2 раза уменьшить длину пробега за счет уменьшения в 1.4—1.5 раза скорости захода на посадку при сохранении уровня аэродинамической подъемной силы. Для самолета КВП

с удельной нагрузкой на крыло О/Б = 400 + 500 кГ/м2 при посадочной скорости Упос = 160 км/ч дистанция торможения составляет £торм = 250 + 300 м и дистанция свободного пробега Ьс п □ 100м при времени задержки включения тормозов колес шасси ¿з □ 3с. Если бы заход на

посадку осуществлялся по стандартной глиссаде с углом наклона 0гл « -3°, то длина воздушного участка посадочной дистанции составила бы около 300 м, а длина полной посадочной дистанции — не менее 700 м.

Классическая схема собственно посадки [1] предусматривает прямолинейное снижение самолета по глиссаде с высоты Нпос = 15 м над входной кромкой ВПП до высоты начала выравнивания Ннв, выравнивание самолета и затем выдерживание в горизонтальном полете, которое заканчивается парашютированием до момента касания ВПП. В процессе снижения с Нпос до касания ВПП самолет тормозится от скорости V = Ув к на уровне входной кромки ВПП до посадочной скорости V = ^ос. Для сокращения длины воздушного участка посадочной дистанции на современных транспортных самолетах используется схема посадки без этапа выдерживания, а на самолетах палубной авиации и некоторых самолетах КВП применяется посадка с частичным выравниванием. В последнем случае вертикальная скорость в момент

касания ВПП близка к скорости снижения самолета по глиссаде. Для большинства транспортных

самолетов необходим этап выравнивания перед приземлением.

Координаты точки приземления и нормальная к поверхности ВПП скорость касания зависят от угла наклона глиссады, скорости захода на посадку, высоты начала выравнивания, располагаемой перегрузки, угла уклона ВПП. Исследованию возможностей сокращения посадочной дистанции был посвящен ряд работ, например [2], [3].

Рассмотрим процесс выравнивания самолета перед приземлением. Примем, что скорость самолета в процессе выравнивания не изменяется V = const, и угол наклона глиссады 0гл, угол уклона ВПП 0Впп и угол касания самолетом поверхности ВПП 0кас (рис. 1) малы так, что

cos 0гЛ * cos 0ВПП * cos 0кас * 1 sin 0гл * 0гл, sin 0ВПП * 0ВПП, sin 0кас *0кас. Примем такЖе, чТО

угол тангажа самолета в процессе выравнивания остается постоянным. Такое движение может быть реализовано при непосредственном управлении подъемной силой. При принятых допущениях движение самолета в вертикальной плоскости описывается следующими уравнениями:

где Ь, Н — координаты колес основных стоек шасси относительно точки пересечения глиссады

Нормальная к поверхности ВПП составляющая скорости Уп определяется скоростью захода на посадку, углами наклона глиссады и уклона ВПП, интегралом от нормальной перегрузки и не зависит от характера изменения перегрузки по времени:

Если допустить, что при заданном управляющем воздействии Апу зад =const приращение перегрузки Апу (^) нарастает по апериодическому закону с постоянной времени Т,

н, м

\

Ч

\

\

Рис. 1. Выравнивание самолета перед касанием ВПП

0

(1)

0

L = L0 + Vt,

с поверхностью ВПП (см. рис. 1), (L0 < 0); 0 — угол наклона траектории.

Vn = V 0кас =V (0-0ВПП ) = V (0Гл -0ВПП ) + g\^ydt.

0

( t \

And (t) = Andзад 1 - Є T , то

g

6 = 6гл +~ Any зад

t-T\ 1 -e T

(2)

H = Н0г+ V6 t + 2 &Any 12 - &kny T

f t ^

T 1 t 1 - e T

V V

(3)

В случае, когда t □ T, т. е. приращение перегрузки практически достигает своего заданного значения Any = Anyзад задолго до окончания процесса выравнивания, выражения (2), (3) существенно упрощаются:

6=6гл +V Any зад (t -T) ’

H = Ног+ V6 t +1 gAny t2 - gAny T(t -T).

(4)

Из (4) следует, что время искривления траектории с 0 = 0гл до 0 = 0к в момент касания ВПП равно

6 — 6

t = T + V- к гл

g An

(5)

y зад

За это время высота изменится до величины:

Нк = Н 0

V 1

T“A (бк -6гл )(бк +6гл ) + TV6ra + 2 gAny задT2.

2g Any зад 2

(6)

Чтобы в момент времени t = ^ самолет коснулся ВПП, необходимо выполнение условия:

Iт = Т6 = TJ 6ВПП

пк- LВПП “ Н0

6гл gAn

-(6к-6гл )6впп +VT 6

ВПП

(7)

y зад

Приравнивая выражения (6) и (7) и принимая во внимание, что 0к = 0кас + 0впп , получим значение минимальной высоты начала выравнивания:

Нон=в Н =

6Г

6гл 6ВПП

g An

y зад

-В^ПП6 гл

-6

)ка- 62 )■

ПП гл-6 )- 2 gAny T 2

. (8)

Минимальная дистанция «пролета» — расстояние от точки пересечения глиссады с поверхностью ВПП до точки приземления (при принятой системе координат Ьпр «Ь) — при

этом составит

=

1

пр 6 - 6

°ВПП °гл

\2 1

■ -(6гл 6кас 6ВПП) + 2 gAny задT

y

y зад

(9)

а длина воздушного участка посадочной дистанции будет определяться выражением:

Ьв.у = Ьпр = ЬН=15 м •

(10)

Второй случай, когда выражения (2), (3) заметно упрощаются, имеет место при t □ Т, т. е. к моменту окончания процесса выравнивания нормальная перегрузка не успевает достичь

заданного уровня. Заменяя экспоненту в выражениях (2), (3) ее разложением в ряд Тейлора, получим следующую систему уравнений относительно неизвестных времени t, высоты начала выравнивания Ннв и координаты точки приземления Ь:

6к =6гл + V Any зад 2T ’

^6ВПП = Нн.в + Vt6гл;

Н

L = -^ + Vt;

из которой следует:

t =

2Vt9к 6гл ;

g Anv

Нн.в =

-Vt6гл = -V 6

L * 0;

2Vt9к 6гл •

g Any

(11)

Однако, как видно из выражений (11), принятое условие t < T при времени запаздывания в канале нормальной перегрузки (T ~ 1—2 с) и располагаемых значениях нормальной перегрузки (Any ~ 0.2—0.3) выполняется при 6к ~6гл, т. е. при посадке практически без выравнивания.

Поэтому выражения (11), полученные в предположении t < T, не представляют практического интереса для анализа процесса выравнивания транспортного самолета.

Проанализируем более подробно выражения (8) — (10). Запаздывание в канале нормальной перегрузки приводит к увеличению максимальной высоты начала выравнивания, однако, не оказывает значительного влияния на минимальную длину дистанции «пролета». Этот вывод подтверждается расчетами, выполненными по исходным уравнениям движения (1) — (3), (рис. 2). Влияние времени срабатывания по перегрузке на длину посадочной дистанции может проявляться только через его влияние на пилотажные характеристики самолета и, следовательно, на точность пилотирования, которая определяет размер зоны приземления.

Для оценки влияния угла наклона глиссады, а также других параметров, входящих в выражения (8) — (10), целесообразно воспользоваться еще более простыми выражениями, полученными из (8) — (10) при условии T = 0 (ступенчатое приращение нормальной

Рис. 2. Влияние запаздывания в канале управления нормальной перегрузкой на процесс выравнивания самолета:

V= 160 км/ч, 0 = -6°,

’ гл ’

V =0

y кас

6

перегрузки). Тогда

тт - V2 (0ВПП 0гл) 0кас 0 . (1?)

H н.в ~ д а а 0гл. (12)

2gAny 0гл 0впп

2

L V2 (0гл 0кас 0ВПП) 0

L„„ -------------------------------------:-:-0™.

пр 2gAnv 0гл - 0в

У гл ВПП (13)

L - V2 (0гл -0к )2 - Hпос

У 2g Апу 0гл - 0ВПП 0гл

где 0к - 0кас + 0впп — угол наклона траектории в момент касания самолетом поверхности ВПП.

Очевидно, что расширение диапазона допустимых нормальных к поверхности ВПП скоростей приземления и увеличение располагаемой перегрузки приводит к уменьшению минимальной высоты начала выравнивания, сокращению минимальной дистанции «пролета» и длины воздушного участка посадочной дистанции. Результаты расчетов минимальной дистанции «пролета» и минимальной высоты начала выравнивания в зависимости от заданной нормальной к поверхности ВПП составляющей скорости приземления и располагаемого приращения

перегрузки удобно представлять на плоскости Нн в (L^ ) (рис. 3).

Дистанция «пролета» L^ — монотонно возрастающая функция угла наклона глиссады, в то время как длина воздушного участка посадочной дистанции LE у, которая непосредственно определяет требуемую длину посадочной полосы, достигает своего минимума при некотором угле наклона глиссады 0^л. Если 0к - 0 и 0ВПП - 0, то

0™ =- gAnyHпос .

С увеличением используемых для выравнивания приращений нормальной перегрузки и уменьшением V минимум функции L (0гл) смещается в сторону больших углов наклона

глиссады. Например, при V =160 км/ч, Нпос -15 м и Апу - 0.2 оптимальный по условию минимума длины посадочной дистанции угол наклона глиссады составляет 0^л --7 -^-12°, а

соответствующая длина воздушного участка посадочной дистанции Ьву « 150 м при допустимой

вертикальной скорости приземления ¥п кас = 1— 2 м/с

(рис. 4).

Анализ выражения для 0^л показывает, что увеличение крутизны посадочной глиссады, предпочтительное для уменьшения шума двигателей на местности, снижения уязвимости самолета в условиях применения противником наземных средств поражения и сокращения требуемой длины ВПП, сдерживается только уровнем располагаемых перегрузок. Однако ограничение величины 0гл связано не только и, возможно, не столько с располагаемыми приращениями нормальной перегрузки, сколько с условиями силовой Рис. 4. Влияние угла наклона глиссады на длину

балансировки самолета на глиссаде. в°здушн°г° участка п°сад°чн°й дастанции ¿в.у

Во-первых, существует чисто аэродинамическая (^з.п _ 160 Нпос_ 15 м)

задача обеспечения низкого аэродинамического

качества самолета с работающими двигателями, необходимого для балансировки самолета на крутой глиссаде:

КЕ =

'"хЪ

1

где су

— коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления с учетом работающих

двигателей.

Для захода на посадку по глиссаде с углом наклона 0г

^-12° самолет с работающими

двигателями должен бы иметь КЕ = /схх ~ 5 при уровне коэффициента подъемной силы

СуХ 0 3 - З.5. У современных самолетов КВП традиционной аэродинамической компоновки Кх «10 - 13, что обеспечивает возможность захода на посадку по глиссаде не круче, чем

0гл ~ -5 --7°.

Во-вторых, при заданном посадочном угле атаки аз п, определяемом из соображений безопасности полета, увеличение крутизны посадочной глиссады приводит к уменьшению балансировочного угла тангажа:

^бал = аз.п + 0гл — Фкр,

0

где фкр — угол установки крыла.

Во избежание приземления на переднюю стойку шасси и необходимости значительной перебалансировки самолета по тангажу на этапе выравнивания представляется нецелесообразным на заключительном этапе снижения по глиссаде совершать полет с большим отрицательным углом тангажа. Зарубежные самолеты КВП, рассчитанные на посадку практически без этапа выравнивания, балансируются на глиссаде с углом тангажа, близким к посадочному &бал ~ 0. Угол наклона посадочной глиссады для них оценивается величиной

0гл —(азп -фкр), что при азп ~9+ 10° и фкр « 3° составляет 0гл «-6-^-7°.

И наконец, в-третьих, уменьшение скорости захода на посадку и увеличение крутизны посадочной глиссады с целью сокращения длины посадочной дистанции приводят к существенному изменению собственных характеристик устойчивости и управляемости самолета,

О -I—.—.—.—.—I—.—I—.—I—I—,—Г- О -I—.—.—.—.—I—.—.—.—.——.—

200 300 400 Ц у,ы 100 200 300 м

Рис. 5. Влияние угла наклона глиссады на длину воздушного участка Ьву и минимальную высоту начала выравнивания Нн в (V = 160 км/ч, 0ВПП = 0)

6гл=-3.5° 0гл=-6°

Рис. 6. Влияние угла наклона глиссады на продолжительность процесса выравнивания и дистанцию «пролета» (V = 160 км/ч, 0ВПП = 0)

сбалансированного на крутой глиссаде, по сравнению со случаем захода на посадку по стандартной глиссаде.

На рис. 3 показано влияние угла наклона глиссады на длину дистанции «пролета» и минимальную высоту начала выравнивания. При одинаковой располагаемой перегрузке и нормальной к поверхности ВПП скорости приземления Vn заход на посадку по более крутой глиссаде требует начала выравнивания на б> льшей высоте и приводит к увеличению дистанции «пролета». Однако переход к более крутой посадочной глиссаде при прочих равных условиях позволяет заметно сократить длину воздушного участка посадочной дистанции. Например, в случае захода на посадку по глиссаде с углом наклона 0гл =—6° при Vn =—1.5 м/с и располагаемых приращениях нормальной перегрузки 0.1 <Апу <0.3 выигрыш в длине

воздушного участка посадочной дистанции составляет ~ 80—120 м по сравнению с заходом на посадку по глиссаде 0гл =—3.5° (рис. 5). При рассматриваемых углах наклона посадочной

глиссады |0гл| < 10° и скорости захода на посадку V = 160 км/ч увеличение максимального

располагаемого приращения нормальной перегрузки свыше Апу = 0.2 - 0.3 нецелесообразно, так

как не оказывает существенного влияния на сокращение длины дистанции «пролета».

Время полета с минимальной высоты начала выравнивания до касания ВПП определяется в соответствии с выражением (5). Выравнивание с более крутой глиссады так же, как и выравнивание при посадке на полосу с уклоном, противоположным направлению захода на

Я.

ю -

■ ¿^=0.05 Овпп - 3°

У /

Уу=~ 2.5 м/с ,7н/у' м/с -0.3 м/с 0

°влп 0

/иг т —,—.—,—,— „=-2.5“ —.—,—,—

н.

10

Дл,=0.10

-1.1 Уу=-2.5 -1 м/с 0 ввпп-з0

р" чяЛУ Т » I т ^Сю-0 —1—1—1—1— —1—1—.—1—

50 100 1„р> м 50 100 £„р, м

Рис. 7. Влияние угла уклона ВПП на минимальную высоту начала выравнивания и дистанцию

«пролета» (V = 160 км/ч, 0 = 3.5°)

Рис. 8. Траектории выравнивания самолета при наличии отклонений от номинальной глиссады

в момент начала выравнивания

посадку, требует бэ льшего времени при одинаковых располагаемых приращениях перегрузки и допустимых максимальных нормальных к поверхности ВПП скоростях приземления (рис. 6). Быстро протекающий процесс выравнивания с минимальной высоты начала выравнивания занимает без учета времени запаздывания в канале перегрузки около одной секунды при 0гл =-3.5° и около двух секунд при 0гл =-6° (Vn =-1.5 м/с, 0.1 <Апу <0.2, 0ВПп = 0).

Минимальная высота начала выравнивания и координаты точки приземления существенно зависят от угла уклона ВПП. Из выражений (12), (13) видно, что если 0ВПП =0гл -0кас, то необходимость в выравнивании отсутствует; точка приземления совпадает с точкой пересечения глиссадой поверхности ВПП. Для посадки с заданной нормальной к поверхности ВПП составляющей посадочной скорости на полосу с углом, совпадающим с направлением захода на посадку, требуются меньшие перегрузки, чем при посадке на ВПП со встречным уклоном. При заданных располагаемой перегрузке и ограничении скорости приземления увеличение угла встречного уклона полосы приводит к увеличению минимальной высоты начала выравнивания и дистанции «пролета» (рис. 7).

Оценим величину зоны приземления в зависимости от отклонений самолета по высоте АН и дальности АЬ в момент начала выравнивания, задавшись следующей моделью процесса выравнивания: при снижении самолета по глиссаде на заданной минимальной высоте Н0), которой соответствует дальность Ь «НОг(0 , создается заданная перегрузка Апузад, затем с момента достижения определенной скорости снижения и до касания ВПП выдерживается

вертикальная скорость (рис. 8). Очевидно, что размер зоны приземления при такой постановке задачи составит:

приближении не зависит от угла наклона глиссады, а определяется, в основном, допустимой вертикальной скоростью приземления.

Таким образом, показано, что одним из эффективных путей сокращения длины посадочной дистанции самолета при достигнутом уровне подъемной силы и соответствующей скорости захода на посадку является увеличение угла наклона посадочной глиссады. При скорости захода на посадку Уз п « 160 км/ч и допустимой вертикальной скорости касания ВПП Уукас « -1.5 -^-2

м/с оптимальный угол наклона глиссады оценивается величиной 0гл г =-8 ^-12°.

Теоретический выигрыш в длине воздушного участка посадочной дистанции составляет около 50% по сравнению со случаем захода на посадку по стандартной глиссаде. Для самолета традиционной компоновки максимальный угол наклона посадочной глиссады ограничен условиями силовой балансировки самолета и оценивается величиной 0гл тах = -5 -7°. При этом выигрыш в длине воздушного участка посадочной дистанции незначительно уступает теоретически возможному при оптимальном угле наклона глиссады.

2. Федоров Л. П., Чернавских Ю. Н. Исследование возможностей уменьшения посадочной дистанции самолетов // ТВФ. — 1979, № 4 (491).

3. Иродов Р. Д., Медвежникова Л. А. Расчет взлетной и посадочной

дистанций самолета с высокой тяговооруженностью и эффективными средствами торможения //

ТВФ. — 1988, № 8 —9 (576 —577).

0

кас

При 0впп = 0 имеем Ьзпр ~ 2 АЬ +-------------, т. е. разброс точек приземления в первом

V 0кас

ЛИТЕРАТУРА

1. Котик М. Г. Динамика взлета и посадки самолетов. — М.: Машиностроение.

1984.

Рукопись поступила 9/У12003 г.