Введение к работе
Актуальность темы. Анализ тенденции развития гражданской авиации (ГА) во всем мире показывает, что основной проблемой, неизменно стоящей в процессе создания и эксплуатации авиационной техники (AT), является проблема постоянного повышения эффективности летной эксплуатации (ЛЭ) неодновременно с этим,обеспечения заданного уровня безопасности полетов (БП) воздушных судов (ВС) на различных этапах полета. Повышение эффективности ДЭ ВС требует обеспечения полетов практически в любую погоду, днем и но-' чью, в самых различных природно-климатических условиях. Для этого совершенствуется AT, усложняются автоматические устройства, но при этом одновременно усложняется и эксплуатация самолета.
Наиболее сложными и ответственными с точки зрения обеспечения БП, по-прежнему, являются режимы взлета, захода на посадку и посадки ВС, специфика которых обусловлена:
существенно нелинейным характером аэродинамических характеристик (АХ) самолета на больших взлетно-посадочных углах атаки;
проявлением существенных перекрестных связей продольного и бокового движений самолета;
значительным влиянием близости земли как на АХ, так и непосредственно на условия пилотирования самолета;
наличием особых этапов движения самолета (в отличие от обычных полетных) — отрыва и касания, а также участков движения ВС по взлетно-посадочной полосе (ВПП);
значительным повышением психофизической нагрузки на экипаж в связи с резким возрастанием объема и сложности задач, которые необходимо решить в течение коротких периодов времени;
необходимостью применения особых, отличных от используемых в течение всего остального полета, методов пилотирования ВС, требующих большой точности и четкости действий экипажа;
значительным влиянием внешних атмосферных условий;
— существенным разбросом эксплуатационных параметров в рассматриваемых режимах полета.
Необходимость решения указанных и многих других вопросов делает задачу исследования движения ВС на режимах взлета и посадки в нормальных и особых случаях полета весьма актуальной.
По данным отечественных и зарубежных органов информации на взлет, который составляет 2% общего времени полета, приходится 21% катастроф, а на посадке (4% общего времени полета) происходит 54% катастроф. Иначе говоря, на 6% летного времени приходится 75% авиационных происшествий (АП), при этом на долю ошибок пилотов отводится 62,5% всех катастроф. Наличие столь весомой доли АП, приходящихся на этапы захода на посадку и посадки, делает эти этапы потенциально более опасными, чем взлет. Поэтому все вышесказанное обусловило необходимость проведения в данной работе исследований движения ВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях опасных внешних воздействий и, в частности, в условиях сдвига ветра (СВ) с целью выявления предельных возможностей самолетов ГА
Проблема СВ в последние годы, точнее в последние десятилетия, входит в перечень основных научно-технических проблем, решаемых Аэронавигационной комиссией Международной организации гражданской авиации (ИКАО). В нашей стране работы по проблеме СВ ведутся под контролем Федеральной службы воздушного транспорта (ФСВТ), в них участвуют ведущие организации ГА и авиационной промышленности.
Сложность пилотирования на этапах захода на посадку и посадки ВС в условиях СВ заключается в отсутствии запасов по высоте, скорости и времени полета, когда несвоевременное и неправильное управление проявляется как решающий фактор возникновения аварийной ситуации. Поэтому при полете в опасных ситуациях, особенно на этапах захода на посадку и посадки, пилоту важно иметь в активе возможные варианты принятия грамотного решения, что требует исследования динамических свойств самолетов
з в условиях СВ. Как правило, источником выработки рекомендаций действий в таких условиях являются летные испытания (ЛИ). Однако, ввиду недостаточного аппаратурного обеспечения замера параметров СВ, сложности его обнаружения, сравнительной быстротечности явлений, а также трудности и дороговизны проведения ЛИ последние проводятся мало. Поэтому в настоящее время с учетом мощного развития вычислительной техники все большую роль начинает играть математическое моделирование.
Успешное создание математических моделей (ММ) движения ВС невозможно без хорошо организованного системного анализа методов, развиваемых в базовых науках — аэродинамике, динамике полета, теоретической механике, теории упругости и автоматике.
Сейчас уже заметен неоспоримый прогресс в развитии методов математического моделирования динамики полета самолета, который связан с вводом новых быстродействующих ЭВМ. В настоящее время во многих авиационных организациях и учебных центрах (ЦАГИ, ЛИИ им-Громова, ГосНИИГА, МАИ, ВАТУ, МТТУГА, КМУГА, РАУ и др.) разработаны с теми или иными допущениями ММ самолета.
К настоящему времени опубликовано достаточно много результатов решения частных задач движения ВС в условиях СВ на взлете и посадке. Но необходимы исследования особых случаев захода на посадку и посадки ВС, в частности, с отказами двигателей и систем, а также при ошибочных действиях экипажа.
Такие внешние воздействия, как СВ и турбулентность, в настоящее время не определяются метеонаблюдениями с достаточной точностью, поэтому и рекомендации по ЛЭ имеют весьма общий характер. Для более глубоких исследований необходимо иметь модели СВ, позволяющие выявить самые неблагоприятные условия в атмосфере — критические профили СВ.
Таким образом, в предлагаемой работе решается важная для ГА проблема повышения эффективности ЛЭ и уровня БП ВС на этапах захода на посадку и посадки за счет определения и исполь-
зования в ММ движения ВС критических профилей СВ с целью разработки на этой основе рекомендаций по совершенствованию техники пилотирования.
Решение указанной проблемы позволяет существенно расширить и углубить уровень изучения динамических свойств ВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях СВ, а также выдавать до проведения ЛИ рекомендации по обеспечению БП, расширению ожидаемых условий эксплуатации (ОУЭ) и делать заключения по соответствию нормам летной годности гражданских транспортных самолетов (НЛГС).
Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в Киевском международном университете гражданской авиации (КМУГА, ранее — Киевском институте инженеров гражданской авиации — КНИГА) и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (Ml ТУГА, ранее — Московском институте инженеров гражданской авиации — МИИГА) в период 1985—2000 гг.
Цель работы — разработка предложений и рекомендаций по обеспечению БП и технике пилотирования ВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях критических профилей СВ на основе результатов математического моделирования.
Объектом исследования являются широкофюзеляжный и узкофюзеляжный самолеты (Ил-96-300, Ту-154М).
Анализ руководящей и технической документации по ЛЭ ВС на этапах захода на посадку и посадки позволил сформулировать следующие конкретные задачи исследования:
разработка метода определения допустимых значений параметров СВ на критических профилях ветровых возмущений;
исследование с помощью системы математического моделирования динамики полета ВС поведения самолета на этапах захода на посадку и посадки в условиях критических профилей СВ;
— разработка рекомендаций и предложений по обеспечению безо
пасной ЛЭ ВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях СВ.
Главная идея диссертационной работы состоит в том, чтобы в основу разработки рекомендаций и предложений по обеспечению БП ВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях СВ положить математическое моделирование, как наиболее дешевое и доступное средство, а дорогостоящие и трудновыполнимые летные эксперименты использовать лишь для оценки адекватности и уточнения (идентификации) ММ.
В качестве методов исследования в работе использовался широкий спектр методов математического моделирования динамики полета: идентификации и оценки адекватности ММ, оптимизации и интерполяции, разностные методы решения дифференциальных уравнений и методы математической статистики.
Научная новизна работы состоит в том, что на комплексной основе анализа АП и метеоусловий, применения математического моделирования в задачах ЛЭ:
создан метод разработки рекомендаций по ЛЭ ВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях СВ;
разработан метод определения допустимых значений параметров критических профилей СВ, которые обеспечивают БП на этапах захода на посадку и посадки при отказах функциональных систем;
предложены и обоснованы методы пилотирования ВС в ожидаемых условиях эксплуатации (ОУЭ) на этапах захода на посадку и посадки в условиях СВ.
Достоверность результатов решения поставленных задач подтверждается:
идентификацией ММ по данным ЛИ конкретных типов самолетов;
адекватностью результатов вычислительных экспериментов (ВЭ) данным ЛИ конкретных типов самолетов, оцененной с помощью статистических критериев точности и непротиворечивости, а также с помощью эвристического подхода.
6 Практическая ценность работы состоит в том, что она позволяет:
решать задачи эффективности и оптимизации режимов полета ВС в условиях СВ на этапах захода на посадку и посадки для получения дополнительной информации к существующим руководствам по летной эксплуатации (РЛЭ) и выработки первой редакции новых РЛЗ перспективных ВС, которая будет уточняться результатами ЛИ;
совершенствовать РЛЭ как вновь создаваемых ВС, так и находящихся в эксплуатации;
разрабатывать рекомендации и предложения по обучению и тренировке экипажей ВС в условиях СВ на этапах захода на посадку и посадки;
расширить границы исследований ЛЭ ВС в условиях СВ на этапах захода на посадку и посадки и сделать ЛИ в аналогичных условиях более безопасными и информативными;
обеспечить экономию ресурсов за счет сокращения объема ЛИ;
проводить анализ особых ситуаций в полете за рамками эксплуатационных ограничений на этапах захода на посадку и посадки ВС с целью определения предельных возможностей самолета.
Апробация работы. Основные материалы выполненных исследований и отдельные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедральных семинаров в КМУГА (г.Киев) и МГТУГА (г.Москва) в период 1985— 2000 гг., а также обсуждались на межотраслевых и международных научно-практических конференциях.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были использованы в авиакомпаниях ГА при повышении квалификации экипажей на этапах захода на посадку и посадки в условиях СВ, а также нашли применение в отраслевых учебных пособиях по курсам аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов (ЛА), в курсах лекций по указанным дисциплинам.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ (4 — в КМУГА и 2 — в Ml ТУГА).
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, перечня сокращений и двух приложений. Основная часть работы изложена на 203 страницах текста. Работа содержит 66 рисунков, 17 таблиц и 108 библиографических названий (из них 21 — на иностранных языках). Общий объем работы 263 страницы.
