Содержание к диссертации
Введение
1. Основные направления повышения экономичности полета ВС ГА 26
1.1. Систематизация направлений повышения экономичности полета ВС ГА в эксплуатации 26
1.2. Классификация режимов полета по маршруту ВС ГА 35
1.3. Классификация ограничений режимов полета ВС ГА 40
1.4. Выводы по главе 1 49
2. Эксплуатационно-экономические основы исследований по повышению экономичности полета ВС ГА 50
2.1. Обзор критериев экономичности полета ВС ГА 50
2.2. Анализ эксплуатационных случаев применения критерия максимума суммарной прибыли за жизненный цикл ВС ГА 58
2.3. Определение влияния времени полета на годовой налет и годовую производительность ВС ГА 64
2.4. Определение зависимости составляющих эксплуатационных расходов ВС ГА от времени полета и расхода топлива 73
2.5. Определение эквивалентных показателей для оптимизации режимов полета ВС ГА 78
2.6. Выводы по главе 2 86
3. Повышение экономичности полета самолетов гражданской авиации при оптимизациибалансировки 88
3.1. Балансировочная аэродинамическая поляра 88
3.2. Исследование влияния основных конструктивных и аэродинамических параметров на балансировочное сопротивление самолета 104
3.3. Исследование влияния центровки на расход
топлива и экономичность полета самолета 110
3.4. Исследование влияния углов отклонения органов
продольного управления на расход топлива и
экономичность полета самолетов ГА 118
3.5. Исследование влияния боковой балансировки на
расход топлива и экономичность полета самолетов ГА 125
3.6. Выводы по главе 3 135
4. Методические основы оптимизации режимов полета по экономическим критериям ВС ГА 138
4.1. Обзор задач по определению экономических режимов полета в детерминированной постановке 138
4.2. Составление системы уравнений для задач по определению экономических режимов полета ВС ГА 145
4.3. Общая постановка задачи определения
экономических режимов полета по маршруту 151
4.4. Поэтапный метод в задаче определения
экономических режимов полета ВС ГА Ї57
4.5. Выводы по главе 4 161
5. Экономические режимы крейсерского полета самолетов гражданской авиации 162
5.1. Анализ типов режимов крейсерского полета и их ограничений при выполнении транспортных операций 162
5.2. Разработка методов определения экономических режимов крейсерского полета 166
5.3. Анализ соотношения экономического и других типов режимов крейсерского полета на аэродинамической поляре гражданских самолетов 183
5.4. Исследование влияния основных технико-экономических характеристик ВС ГА на экономические крейсерские режимы полета 187
5.5. Исследование наивыгоднейших высот крейсерского полета самолетов гражданской авиации 191
5.6. Исследование влияния метеорологических факторов на оптимальные режимы крейсерского полета самолетов ГА 195
5.7. Анализ влияния индивидуальных характеристик самолета на наивыгоднейшие режимы крейсерского полета 204
5.8. Выводы по главе 5 207
6. Экономические режимы набора высоты и снижения самолетов га 210
6.1. Анализ режимов полета и требований к ним на этапах набора высоты и снижения 210
6.2. Энергетические параметры для этапов набора высоты и снижения 212
6.3. Разработка модифицированного энергетического метода определения экономических режимов набора высоты и снижения 220
6.4. Анализ соотношения экономических и других типов ; режимов набора высоты и снижения самолетов ГА 233
6.5. Исследование влияния основных технико-экономических факторов на экономические режимы набора высоты и снижения самолетов ГА 240
6.6. Исследование влияния метеорологических факторов на оптимальные режимы набора высоты и снижения
самолетов ГА 244
6.7. Определение оптимального режима крейсерского полета с учетом набора высоты и снижения 256
6.8. Оценка режимов набора высоты и снижения в летных испытаниях 263
6.9. Выводы по главе 6 272
7. Результаты практической реализации экономических режимов полета ВС ГА 275
7.1. Анализ внедренных рекомендаций по экономическим режимам полета самолетов ГА 275
7.2. Результаты разработки рекомендаций по экономическим режимам полета для автоматизированных систем
повышения экономичности полета самолетов ГА 285
7.3. Выводы по главе 7 299
Заключение 301
Список использованных источников
- Систематизация направлений повышения экономичности полета ВС ГА в эксплуатации
- Анализ эксплуатационных случаев применения критерия максимума суммарной прибыли за жизненный цикл ВС ГА
- Исследование влияния основных конструктивных и аэродинамических параметров на балансировочное сопротивление самолета
- Составление системы уравнений для задач по определению экономических режимов полета ВС ГА
Введение к работе
Полет — основной производственный процесс на ВТ, поэтому повышение его экономичности является одной из важных народно-хозяйственных задач, поскольку его совершенствование связано с экономией больших материальных и финансовых ресурсов. Решение проблемы повышения экономичности полета ВС ГА, на долю которого приходится основная часть расходования финансовых и материальных ресурсов отрасли ВТ, обеспечивает повышение уровня экономичности эксплуатации на ВТ.
Это, в свою очередь, позволяет повысить экономичность деятельности, как отдельных авиапредприятий, так и всей отрасли, что в свою очередь влияет на развитие экономики Российской Федерации.
Президентом Российской Федерации в послании Федеральному Собранию от 16 мая 2003 года определена важнейшая общенациональная задача - за 10 лет удвоение валового внутреннего продукта (ВВП), Исходя из этой задачи, в основных направлениях деятельности Правительства Российской Федерации [56] на период до 2008 года предусматривается развитие высокотехнологического сектора, в том числе авиационной техники и гражданской авиации.
Обеспечение задачи удвоения ВВП страны непосредственно связано с ростом авиаперевозок России, обладающей территориальным пространством огромной протяженности, для обеспечения роста её экономики, что в свою очередь требует повышения экономичности эксплуатации на ВТ.
Проблема повышения экономичности полета является составной частью проблемы повышения экономичности использования авиационного топлива в ГА. Важность решения проблемы экономии энергоресурсов в экономике страны и, в частности, на ВТ подтверждается тем, что её решению было посвящено несколько Постановлений Правительства РФ [52], [53], [63].
Дальнейшее развитие воздушного транспорта, прогнозируемое на период до 2015 года, обусловленное потребностями в росте объемов авиаперевозок и авиационных работ в 2-4 раза, неотъемлемо связано с увеличением вовлекаемых объемов материальных и финансовых ресурсов, что делает проблему повышения экономичности полета в перспективе ещё более значимой. Решение её требует разработки теоретических и методологических вопросов, включая анализ и систематизацию направлений повышения экономичности полета, разработку критериев и алгоритмов для его оптимизации, разработку методов исследований и проведения самих исследований для определения основных закономерностей влияния на экономичность и режимы полета эксплуатационных факторов и разработки на их основе рекомендаций по повышению экономичности полета ВС ГА.
Проблема повышения экономичности полета является комплексной и находится на стыке нескольких наук: эксплуатации воздушного транспорта, динамики полета, аэродинамики и экономики ВТ.
Этой проблемой занимались многие российские и зарубежные ученые и специалисты, начиная с конца 30-х - начала 40-х годов прошлого века [12], [30], [32], [57], [60], [68], [70], [152], [161] и др. Понятие "экономичность полета" со временем претерпело существенные изменения. Если на первом этапе развития воздушного транспорта под этим понятием подразумевалось осуществление полета с наименьшим расходом авиатоплива, то в дальнейшем в качестве критерия экономичности полета ВС ГА стали понимать достижение в процессе их эксплуатации экстремального значения показателя экономической экономичности, принятого на определенном периоде для оценки экономичности эксплуатации авиационной техники [3], [4], [66\t [68], [129], [130].
Ещё в трудах основоположников отечественной динамики полета B.C. Пышнова, В.П. Ветчинкина, И.В. Остославского, Б.Т. Горощенко, А.А. Лебедева и др. решались задачи повышения экономичности полета, исходя из
критерия максимума дальности или минимума расхода топлива [12], [18], [58], [59], [60].
В нашей стране впервые подход к повышению экономичности полета, на основе критерия минимума себестоимости эксплуатации был предложен В.А. Плаксоном в конце 1930-х годов [68] и нашел развитие в 1940-х - 1950-х г.г. [65], [66], [67], [69], [70] в трудах ГосНИИ ГА.
Автор настоящей диссертации проблеме повышения экономичности полета первые работы посвятил еще в конце 1960-1970-х г.г. [116], [117], [129], [146], [149] и др, В дальнейшем методические разработки и результаты исследований, направленных на повышение экономичности полета гражданских воздушных судов были обобщены в его монографиях [131], [132], [147], вышедших в 1970-1980-х годах, а также в книге [163], опубликованной под редакцией автора данной диссертации и в ряде статей и докладов, опубликованных в конце 1990- начале 2000г.г. [112], [113], [134], [139] и др.
Теоретические, методологические и практические разработки, выполненные под руководством и при непосредственном участии автора настоящей диссертации в рамках одного из основных направлений программ экономии авиационного топлива, успешно реализованы в отрасли в 1980-х годах [61], [75] и обеспечили важный вклад в достижение задачи снижения удельных расходов топлива на воздушном транспорте. Данное направление работ легло также в основу разработанного ГосНИИ ГА и утвержденного ГС ГА Минтранса РФ проекта отраслевой Программы энергосбережения на воздушном транспорте, подготовленной под руководством автора данной диссертации в начале 2000 г. [77].
Значительный вклад в решение проблемы повышения экономичности полета внесли в нашей стране, кроме ГосНИИ ГА, и работы других организаций: ЦАГИ, ЛИИ, авиационных ОКБ, ЦИАМ, НИИ АО, ГосНИИ АН, МАИ, МГТУ ГА и др.
В числе известных работ этого направления других авторов необходимо отметить работы Дмитриева В.Г., Фёдорова Л.П. [159], [160], Кротова В.Ф, [29], [30], Кубланова М.С. [31], Каазика А.И. [21], Тарасова Е.В. [152], Кушелъмана В.Я. [108], [105], Козловского В.Б. [27], Югова О.К. [167] и др.
Так в диссертационной работе Дмитриева В.Г. [16] проведены широкие аэродинамические исследования по повышению топливной экономичности дозвуковых гражданских самолетов на этапе их создания за счёт выбора оптимальных параметров аэродинамической компоновки.
Среди зарубежных исследователей проблемы повышения экономичности полета следует назвать Т. Брайсона, А. Барбола, Д. Эванса, А. Ван Дирендрока, Д. Хендрика, Д. Pay и др. [168], [169], [170], [173], [176], [178], [180], [182].
Проблема повышения экономичности полета в процессе эксплуатации состоит в обеспечении в процессе его выполнения экстремальных значений целевой функции, под которой может подразумеваться принятый экономический показатель (себестоимость, прибыль или др.).
Обеспечение экстремума целевой функции зависит от регулирования в процессе выполнения полета его параметров (высота, скорость, угол тангажа и др.), параметров аэродинамической конфигурации (угол отклонения стабилизатора, угол отклонения руля высоты, угол отклонения закрылков и др.), выбора оптимальной траектории полета с учетом ветрового поля и т.д.
Диссертационная работа посвящается решению указанной комплексной проблемы. С этой целью автором решены задачи, находящиеся на стыке летной эксплуатации, аэродинамики, динамики полета и экономики, проведено исследование влияния эксплуатационных факторов на экономичность полета и разработаны рекомендации по ее повышению.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения экономичности полета ВС ГА на
основе разработки и применения теории и методологии на этапе создания и эксплуатации ВС ГА.
Достижение цели работы обеспечивается решением следующих взаимосвязанных задач:
разработки общих принципов формирования теории и методологии повышения экономичности полета ВС ГА;
анализа, обобщения методов и систематизации направлений повышения экономичности полета ВС ГА;
анализа и классификации режимов полета по маршруту и ограничений полета ВС ГА;
анализа экономических критериев повышения экономичности полета и выбора критерия наиболее отвечающего требованиям повышения экономичности эксплуатации на соответствующем периоде;
анализа влияния ресурсных ограничений на выбранный критерий;
разработки алгоритмов эквивалентных показателей для исследований по повышению экономичности полета для различных эксплуатационных случаев;
разработки теоретических зависимостей и методов исследования влияния балансировки на лобовое сопротивление самолета;
исследования влияния эксплуатационных, аэродинамических и конструктивных параметров на балансировочное лобовое сопротивление;
разработки методов определения наивыгоднейших режимов полета по маршруту на основе экономических критериев;
исследование влияния эксплуатационных факторов на наивыгоднейшие режимы крейсерского полета;
исследование влияния эксплуатационных факторов на наивыгоднейшие режимы набора высоты и снижения;
обобщение результатов внедрения в эксплуатацию режимов крейсерского полета, набора высоты и снижения;
анализ результатов разработки и внедрения базовых алгоритмов для автоматизированных систем повышения экономичности полета самолетов.
Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных непосредственно автором или под его научным руководством в ГосНИИ ГА в период 1970-2004 годов, а также на результатах ЛИ, выполненных ГосНИИ ГА совместно с авиационными ОКБ и ЛИИ МАП, на результатах трубных испытаний в ЦАГИ и рижского отделения ГосНИИ ГА. Эти работы проводились на основании утвержденных МГА и МАП планов, отраслевых программ МГА, планов НИОКР МГА СССР и Минтранса РФ. Работы по повышению экономичности полета проводились также в тесном взаимодействии с авиационными ОКБ, ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ АН, НИИ АО, МГТУ ГА, ОЛА ГА, КИИ ГА, РКИИ ГА, НИИ «ПАНХ» и другими организациями в Москве, С.-Петербурге, Краснодаре, Киеве, Риге, Харькове.
Объектом исследования являются ВС ГА, находящиеся в эксплуатации при выполнении ими транспортных операций.
Методы исследования. Решение научных задач диссертации осуществлялось на основе комплексных методов исследований летной эксплуатации, экономики и динамики полета, включающих наблюдения, обобщения и анализ практических процессов эксплуатации воздушных судов ГА с построением теоретических моделей, методов оптимизации режимов полета, построением аэродинамической балансировочной модели и выводом уравнения балансировочной поляры, созданием эксплуатационно-экономических моделей для определения экономического алгоритма для оптимизации параметров и внедрением полученных результатов в практику эксплуатации различных типов
ВС в ГА. В работе использованы современные методы оптимизации режимов полета, математического моделирования сложных многофункциональных процессов и эмпирические методы оценки параметров экономичности процессов летной и технической эксплуатации. Научная новизна работы состоит в:
разработке общих принципов формирования задач по повышению экономичности полета;
разработке алгоритмов экономических показателей, удобных для применения в задачах оптимизации режимов полета, для различных эксплуатационных случаев;
обобщении и систематизации направлений повышения экономичности полета;
разработке классификации режимов полета и их ограничений;
разработке общих принципов и практических методов определения экономических режимов полета ВС ГА;
разработке методов снижения балансировочного прироста лобового сопротивления самолетов на базе исследования влияния конструктивных и аэродинамических параметров ВС ГА;
разработке методов повышения экономичности полета на основе оптимизации режимов полета;
определении закономерностей влияния технико-экономических и метеорологических факторов на оптимальные режимы полета по маршруту;
разработке базовых алгоритмов оптимальных режимов набора высоты крейсерского полета и снижения для СОРП и других автоматизированных систем повышения экономичности полета;
определении влияния индивидуальных характеристик самолета на наивыгоднейшие режимы полета;
- обобщении внедренных в РЛЭ ВС ГА рекомендаций по режимам
полета по маршруту.
Достоверность результатов исследований. Все полученные результаты исследований основаны на практических работах автора по разработке рекомендаций по оптимизации режимов полета ВС ГА и других методов повышения экономичности полета, в том числе по самолетам Ту-154М, Ту-154Б, Ил-62М, Ил-86, Як-42, Ту-134А, Ил-76ТД и др. на этапах разработки, испытаний и эксплуатации этих и других типов ВС ГА. Результаты работ проверены и внедрены при формировании изменений и дополнений в РЛЭ этих и других типов ВС. Результаты работ проверены и внедрены при формировании отраслевых норм расходов топлива и технических скоростей ВС ГА, создании экспериментальных систем оптимизации режимов полета ВС ГА, формировании рекомендаций по повышению экономичности полета ВС ГА. Математические модели и алгоритмы разработаны автором на основе реальных данных по летной эксплуатации различных типов ВС ГА, проверенных практикой и введены в методические и нормативные документы отрасли ВТ.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные теоретические основы, практические методы и полученные результаты исследований позволяют:
обеспечивать повышение экономичности полета и летной эксплуатации ВС ГА;
формировать разделы отраслевых Программ по энергосбережению, экономии авиатоплива или повышению экономичности использования авиатоплива;
определять режимы полета ВС ГА на основе экономических критериев;
учитывать в эксплуатации влияние различных факторов на оптимальные режимы и экономичность полета;
разрабатывать методические рекомендации по повышению экономичности полета ВС ГА;
обеспечивать разработку рекомендаций по снижению потерь на балансировку самолетов ГА;
формировать нормативы расходов топлива и технических скоростей ВС ГА на единой методической основе;
формировать алгоритмы систем, расчетов для автоматизированных систем на единой методической базе;
разрабатывать рекомендации по летной эксплуатации по режимам полета в руководствах по летной эксплуатации ВС ГА;
использовать результаты исследований для процесса обучения летного и инженерно-технического состава;
использовать результаты проведенных исследований при разработке руководящих и нормативных документов по летной эксплуатации ВС ГА.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, реализованы и внедрены в научных, учебных организациях и эксплуатационных предприятиях ГА в виде:
Систематизация направлений повышения экономичности полета ВС ГА в эксплуатации
В результате проведенного анализа применения методов повышения экономичности полета как в нашей стране, так и за рубежом установлено, что они могут быть объединены в три основных направления (рис. 1.1), которые основаны на совершенствовании как технологий выполнения самого полета, так и процессов, влияющих на качество его выполнения: - совершенствование процессов летной эксплуатации (ЛЭ) для повышения экономичности полета; - совершенствование управления воздушным движением (УВД) в части повышения экономичности полета; і - совершенствование технической эксплуатации (ТЭ) в части повышения экономичности полета.
В свою очередь, совершенствование процессов летной эксплуатации, направленное на повышение экономичности полета ВС ГА, может осуществляться за счет оптимизации параметров полета, совершенствования конфигурации ВС ГА или его систем и состоит из следующих поднаправлений: - оптимизация режимов полета, - оптимизация аэродинамической конфигурации, - оптимизация параметров силовой установки, - выбор наивыгоднейших маршрутов полета, - выбор наивыгоднейшейзаправки авиатоплива.
Первое и второе поднаправления представляют собой оптимизацию режимов полета (прежде всего, программы «высота-скорость») и параметров аэродинамической конфигурации.
Оптимальное регулирование параметров работы силовой установки является задачей определения для заданных режимов полета не только наивыгод-нейшией степени дросселирования двигателей, но и в общем случае оптимальных углов отклонения направляющих аппаратов, створок перепуска воздуха, параметров воздухозаборников и регулируемого сопла для обеспечения минимального расхода топлива и т.д. Задача определения наивыгоднейшей степени дросселирования решается обычно вместе с задачей выбора оптимального режима полета.
При предполетной подготовке эффективными методами повышения экономичности полета являются: выбор наивыгоднейшего маршрута и выбор наивыгоднейшей заправки авиатоплива.
Выбор наивыгоднейшего маршрута полета представляет задачу определения маршрута с наименьшим расчетным временем, на основе прогнозируемых метеорологических характеристик на заданных трассах или определение оптимальной трассы полета при зональной навигации.
Оптимизация заправки топлива является задачей определения оптимального сочетания потребного топлива для полетов по основному маршруту, величины аэронавигационного запаса топлива и коммерческого остатка топлива с точки зрения затрат на топливо в аэропортах вылета и посадки.
Совершенствование влияния УВД в части повышения экономичности процесса полета, осуществляется в следующих поднаправлениях: - совершенствование организации воздушного пространства, - совершенствование планирования воздушного движения, - совершенствование непосредственного управления воздушным движением.
Основными, хотя и не единственными методами совершенствования ор f ганизации воздушного пространства являются уменьшение интервалов вертикального эшелонирования воздушного движения и протяженности трассы по летов ВС ГА, что позволяет выбирать наиболее выгодные высоты эшелонов для повышения экономичности полетов.
Совершенствование планирования воздушного движения подразумевает составление оптимальных планов полета из условия его максимальной экономичности за счет уменьшения расчетного времени при выборе оптимальных маршрутов, оптимальных высот при наименьшем вероятном времени ожидания.
Совершенствование непосредственного управления воздушным движением в эксплуатации - это, например, обеспечение расчетных траекторий при наименьшем количестве площадок при наборе высоты или снижении, оптимизация маневрирования после взлета и перед посадкой при минимальном времени руления и др.
Повышение экономичности полета за счет совершенствования процесса технической эксплуатации обеспечивается главным образом за счет поддержания на должном уровне: — качества внешней поверхности ВС ГА, — характеристик силовых установок (СУ), — характеристик бортовых систем (БС).
Обеспечение в эксплуатации качества внешней поверхности ВС ГА, способствует поддержанию расходных характеристик близких к номинальным. Это направление связано с разработкой нормативных требований к отклонению параметров шероховатости поверхности, параметров навески органов управления и других показателей от номинальных с одновременной разработкой и внедрением оптимальных технологий технического обслуживания и ремонта.
Обеспечение поддержания характеристик силовых установок связано с обоснованием требований к допускам параметров работы силовых установок после ремонта и форм технического обслуживания и разработкой оптимальных технологий ремонта и технического обслуживания. Обеспечение поддержания точностных характеристик БС в процессе ремонтов и форм технического обслуживания сводится к ужесточению допусков обеспечению и разработки технологий ремонта и технического обслуживания, в том числе пилотажно-навигационного оборудования, системы регулирования кабинного давления и др.
В диссертации разработаны методы первого направления повышения экономичности полета ВС ГА, относящиеся к области совершенствования летной эксплуатации, которой характерна возможность регулирования параметров в процессе полета (рис. 1.2).
Анализ эксплуатационных случаев применения критерия максимума суммарной прибыли за жизненный цикл ВС ГА
После определения значений / для каждого из трех эксплуатационных вариантов и их сопоставления находится доминирующий вариант, соответствующий наименьшему из трех значений и (таблица 2.1).
Далее проводится сопоставление значений суммарного количества полетов соответствующих ресурсным ограничениям (таблица 2.1).
Для расчета nz для третьего эксплуатационного варианта необходимо знать значение годового налета Тл, которое, в свою очередь, зависит от величины средней продолжительности полета Гер [131], [132].
Параллельно проводится аналогичный анализ по суммарному налету часов Тъ и количеству лет эксплуатации Nz (см. табл. 2.1). Аналогичный анализ может проводиться и для величин остаточных ресурсов планера от дельных экземпляров ВС ГА.
Условно принимая, что все полеты за жизненный цикл ВС ГА осуществляются с одинаковой средней продолжительностью полета t величину суммарной прибыли (2.9) можно представить [132] как nPz=nPrnz (2.13) где Пр1 — прибыль, реализуемая при выполнении одного полета. пРх =А-эР, С2-14) Dl — доход, получаемый в результате выполнения единичного полета со средним временем /ср, Эр - эксплуатационные расходы, приходящиеся на единичный полет, имеющей среднюю продолжительность полета ґср.
Последовательность определения доминирующего варианта приведена на примере ресурсных ограничений среднемагистрального самолета при различном среднем времени полета tcp 1,0; 1,5 и 2,0 ч. (табл. 2.2). Параметры назначенного ресурса планера самолета принято следующее: Грес= 54000 ч., лрес =36000 полетов, Npsc = 20 лет.
Из сопоставления результатов расчетов по определению наибольшего количества полетов и2 для каждого из вариантов назначенного ресурса следует, что при среднем времени полета /с_= 1,0 ч. доминирующее ресурсное ограничение — ирес= 36000 полетов; = 1,5 ч. доминирующим ресурсным ограничением является iVpec= 20 лет и при / = 2,0 ч доминирующим является ресурсное ограничение по налету часов Т = 54000 ч.
Для каждого среднего времени полета определяются налет часов, количество полетов (см. табл. 2.2).
Таким образом, структура авиалиний каждой авиакомпании и, соответственно среднее время полета /ср влияет на доминирующее ресурсное ограничение и суммарное количество полетов за жизненный цикл ВС ГА.
На рис. 2.2 показаны (для другого примера) типичные области действия эксплуатационных ресурсных ограничений: в первой области доминирующим ограничением является - ирес, во второй - Грес и в третьей — Npec. В диапазоне средних продолжительностей полета от 1,0 ч до 2,0 ч (ИГ область на рис. 2.2) доминирующим ограничением ресурса является календарный срок эксплуатации (в данном примере ІУрес = 20 лет).
В случае операционного лизинга доминирующим ограничением количества полетов всегда является число лет лизинга Na. В этом случае: nPz = nPl Nn. (2.18) ср
Как будет показано в разделе 2.5 при оптимизации режимов полета и других исследованиях по повышению экономичности полета можно использовать более удобную алгоритмическую форму, пропорциональную приведенным выше показателям.
Поскольку ирес — величина постоянная, то для 1-го эксплуатационного случая при оптимизации режимов полета и других исследованиях по повышению экономичности полета в качестве критерия может быть использован максимум ДрЕ = —— рейсовой прибыли ПРі, а для второго и третьего случая:
Календарный срок службы Npec во многих случаях определяет экономичность эксплуатации за жизненный цикл ВС ГА. При этом важно обеспечить максимально возможный годовой налет (наработку) ВС ГА, величина которого зависит от соотношения целого ряда эксплуатационных характеристик.
Это столь же важно и для обеспечения наибольшей экономичности и в случае операционного лизинга.
Для определения зависимости величины располагаемого годового фонда летного времени или годового налета Тл от среднего времени полета необходимо рассмотреть соотношение годового фонда летного Тл и наземного Гн времени.
Для решения задач повышения экономичности полета необходимо знать также зависимости общей и годовой производительности, годового количества рейсов. Эти зависимости могут быть определены, исходя из рассмотрения эксплуатационного процесса в части влияния средней продолжительности полета и анализа распределения располагаемого годового фонда времени.
Годовой фонд времени, выраженный в часах, в среднем равен Тг= 8760ч. Располагаемый же фонд времени для осуществления основного производственного процесса на воздушном транспорте - полета значительно меньше, поскольку большая часть времени ВС ГА находятся на земле (на базе, в конечных или промежуточных аэропортах).
Исследование влияния основных конструктивных и аэродинамических параметров на балансировочное сопротивление самолета
Значения Ахд 3 и д инт — относительные расстояния от точки приложения приращения подъемной силы от закрылков (интерцепторов) до центра масс самолета в долях средней аэродинамической хорды.
Таким образом, основываясь на сделанных допущениях, можно получить сравнительно простые математические зависимости балансировочной поляры (см. 3.31) и балансировочного коэффициента подъемной силы Су (3.40), которые по своей структуре аналогичны соответствующим зависимостям для исходной несбалансированной конфигурации, чтооблегчает их использование в аэродинамических расчетах и оптимизационных задачах.
Полученные в данном разделе зависимости балансировочной поляры и балансировочные коэффициенты подъемной силы позволяют проводить анализ влияния конструктивных и аэродинамических факторов на балансировочные
значения коэффициента лобового сопротивления на прирост коэффициента лобового сопротивления и, следовательно, на расход топлива на балансировку в эксплуатации.
Полученные выше зависимости были выведены для самолетов нормальной аэродинамической схемы, нашедшей наибольшее применение в эксплуатации, однако аналогичный подход может быть использован и при выводе соответствующих зависимостей для самолетов схемы «утка» и комбинированной аэродинамической схемы.
Проведенные оценки прироста коэффициента лобового сопротивления на базе АСХбА , рассчитанных на базе полученных аналитических зависимостей
балансировочной поляры и сопоставления их с оценками на основе методики, соответствующей логической схеме (рис. 3.4), показывает достаточное соответствие для различных типов воздушных судов, как гражданских, так и военных. Разница в этих оценках составляет величины, равные 3-5% от величины &СХ .
Среднее значение разницы расчетов соответствует 4,15%, т.е. не превышает 0,4-0,8% от величины коэффициента балансировочного сопротивления рассмотренных ВС, т.е. свидетельствует о приемлемой сходимости расчетов для использования аналитической зависимости балансировочной поляры в аэродинамических расчетах.
Исследование влияния основных конструктивных и аэродинамических параметров на балансировочное сопротивление самолета
Для оценки влияния основных конструктивных и аэродинамических параметров на балансировочное сопротивление самолета рассмотрим полученное в предыдущем разделе уравнение балансировочной поляры при следующих упрощающих допущениях: = С„ = m„„ = LP = 0. Z0 6.г.о бал C min + В&лСУ Сх =СХ +СХ (3.42) В - коэффициент отвала исходной поляры у/6ая - коэффициент отклонения увеличения индивидуального лобового сопротивления.
.Коэффициент бал является в основном показателем влияния балансировки на индуктивное сопротивление самолета и представляет собой отношение индуктивного лобового сопротивления с учетом балансировки к индуктивному лобовому сопротивления без учета балансировки.
Принимая 5p 0 = 5Г 0 - — и — - і5г 0 и задаваясь рядом значений 5 0 = Су 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 и =-= -0,05; -0,1; -0,15; -0,2; -0,25; —0,3, охватывающих практически весь конструктивно-аэродинамический диапазон, получим результаты расчета влияния следующих основных конструктивных и аэродинамических параметров на относительный коэффициент ин дуктивного лобового балансировочного сопротивления б. ал В - относительной площади горизонтального оперения ST0, с - отношения статической устойчивости mzy самолета и относительному плечу горизонтального оперения Су — производной среднего скоса потока є"р в районе т.о., - отношения коэффициентов отвала поляры г.о. и б.г.о. "ту Вб.г.о На рис. 3.5 значение бал приводятся для четырех значений є"р= 0; 0,3; — — В 0,5; 0,7 в зависимости от параметра S .Q=Sro 6го в диапазоне от 0,05 до 0,3 Су їїї у для относительных параметров -=—= -0,05; -0,1; -0,15; -0,2; - 0,25. т.о Из анализа зависимостей ц/6ал следует, что параметр S{. 0 оказывает сильное влияние на величину бал, особенно в диапазоне до S 0 =0,2 при всех значениях производной среднего угла скоса потока eZ,. Так, при є" =0,3 и 106 Су -=ё-—=-0,25 увеличение S ro от 0,1 до 0,2 приводит к снижению параметра ц/5ал от 2,0 до 1,5.
Параметр S Q при отношении - бг0-=1 равен относительной площади го 5Г.О ризонтального оперения 5Г0. На практике вследствие торможения потока в районе горизонтального оперения и меньшего удлинения горизонтального опе D рения отношение бг— часто меньше единицы, поэтому заданным значениям 5Г.О S 0 соответствуют меньшие значения относительных площадей оперения Sro. о Поэтому уменьшение значения б г , которого можно добиться при увеличено нии удлинения г.о. и размещения его в области менее заторможенного потока способствует снижению параметра бал, т.е. уменьшению прироста индивидуального лобового сопротивления на балансировку.
Составление системы уравнений для задач по определению экономических режимов полета ВС ГА
При постановке любой инженерной оптимизационной задачи, в том числе и задач по определению экономических режимов полета, обычно относящихся к классу детерминированных, возникают три проблемных вопроса: — выбор критерия оптимизации и формирование алгоритма оптимизации, — идентификация объекта или процесса (формальное представление или построение модели), — выбор метода оптимизации.
Применительно к задачам определения оптимальных режимов полета экономические критерии оптимизации определены в главе 2, хотя в более широкой постановке могут быть применены и частные традиционные критерии, такие как минимум расхода топлива, времени или дальности прохождения этапа полета, например, набора высоты.
В качестве экономических критериев, в общем случае, могут быть использованы следующие: минимум эксплуатационных расходов, минимум себестоимости эксплуатации максимум прибыли за полет и максимум прибыли за жизненный цикл. При этом первые два критерия могут использоваться при оптимизации режимов полета в первом диапазоне дальностей, третий и четвертый критерий - как в первом, так и во втором диапазоне дальностей. В главе 2 было показано, что вместо указанных критериев для оптимизации могут быть использованы более простые параметры, представляющие собой сумму двух (трех) простых критериев, причем структура каждого из них одинакова.
Решение второго проблемного вопроса — формальное представление объекта (процесса) или построение их моделей традиционно и основано на ряде инженерных упрощений.
При решении третьего проблемного вопроса - выбора метода решения оптимальной задачи - приходится разрешать прежде всего вопрос, применять ли сравнительно сложные методы в той или иной вариационной постановке или осуществлять оптимизацию на основе простых инженерных методов в рамках вырожденных вариационных задач. Применение последних всегда является более предпочтительным при условии обеспечения достаточного по точности решения, так как позволяет проводить наглядный анализ промежуточных полученных результатов и легко выбирать приемлемую с точки зрения реализации ручного или автоматического управления оптимальную программу полета. Этим и объясняется, что в данной работе этим методам уделено основное внимание.
К настоящему времени в работах многих авторов развиты как простые инженерные, так и достаточно сложные, требующие большого машинного времени, методы оптимизации [9], [12], [29], [30], [32], [57], [58], [71], [131], [132], [139], [152], [161] и др.
Инженерные методы оптимизации развиты либо на основе априорных допущений и упрощений уже на стадии постановки задачи, либо являются результатом последующих упрощений вариационных задач.
Машинные методы оптимизации основаны на современных математических методах, таких как классические вариационные методы (задача Больца, задача Майера, задача Лагранжа и др.), принцип максимума Понтрягина, методы линейного и нелинейного программирования, специальные методы оптимизации.
Параметризация задачи управления достигается за счет аппроксимации фазовых траекторий, для которых применяются методы сплайн-функции. В ря де работ эти методы объединены с энергетическим методом решения задач динамики полета, что позволяет упростить получение данных, пригодных для инженерной реализации.
По своей природе оптимизационные задачи по выбору режимов полета являются детерминированными, хотя возможна и стохастическая постановка задачи, прежде всего на втором уровне исследований, в том числе при рассмотрении объекта управления совместно с системой управления, например активного управления.
Оптимизация режимов полета в основном проводится для первого уровня исследований на основе экстремизации обобщенного критерия качества в аддитивной форме, соответствующего критерию
Анализ рассмотренных в главе 2 обобщенных критериев (себестоимости, прибыль, приведенная прибыль) показывает, что все они для решения оптимальных задач могут быть сведены к более простому критерию и сконструированы как сумма двух параметров - расход топлива и эквивалентного параметра времени полета: / = 5/:,/,= +. (4.2) где 1т = тТ - расход топлива; It=t время полета. Решение задачи может быть построено на основе экстремизации показателя / при удовлетворении условий неравенств: /Ї /Ї /2 /3 ... При решении детерминированных задач в случае, если функционал критерия дифференцируем, то необходимым условием существования у него экстремума является равенство нулю градиента функционала в некоторой точке пространства управлений и0 є и, которая называется стационарной или особой:
