автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Влияние особенностей эксплуатации современных и перспективных самолетов большой грузоподъемности на планировочные размеры элементов аэродромов гражданской авиации

67 : 3 3- о/471-3

Московский Государственный Технический университет гражданской авиации (МГТУ ГА)

УДК

№ Госрегистрации Мне. № Инв МОНТИ Кол. экз.

«Влияние особенностей эксплуатации современных и перспективных самолетов большой грузоподъемности на планировочные размеры элементов аэродромов гражданской

авиации»

Специальности: 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта, 05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов.

На правах рукописи

ЧЕРНИКОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Коняев Е.А.

Москва - 1998

Содержание.

Введение._4

Глава 1. Современное состояние проблемы._ 6

1.1 Тенденции изменения характеристик отечественных и зарубежных самолетов большой грузоподъемности._______ 6

1.2 Современное состояние аэродромов ГА и нормативных требований к размерам их элементов._______26

1.3 Зарубежный опыт нормирования требований к аэропортам._29

1.4 Анализ отечественных и зарубежных исследований по взаимосвязи характеристик ВС и аэродромов.______ 35

1.5 Цели, задачи и метод проведения исследования.___ 40

Глава 2. Теоретические предпосылки решения проблемы._41

2.1 Целесообразность применения системного подхода к исследованию взаимосвязи ВС и аэропорта. _______ 41

2.2 Характеристики ВС и планировочные размеры элементов аэродрома как система исследований.____42

2.2.1 Определение состава элементов системы исследований и связей внутри системы._43

2.2.2 Законы взаимосвязи элементов системы.__48

2.2.3 Правила логической оптимизации результатов.____59

2.2.4 Математическая модель системы._61

2.3 Система прогнозирования.__65

2.3.1 Характеристика методов прогнозирования._ 69

2.3.2 Опыт предыдущих исследований. _____76

2.3.3 Формат анализируемых данных.__78

2.3.4 Оценивание точности прогнозов._79

2.3.5 Обработка результатов прогнозов._ 81

2.4 Общий алгоритм решения задачи. _82

Глава 3. Разработка обликовых характеристик самолетов большой грузоподъемности на перспективу._84

3.1 Совокупность исходных данных и её анализ._86

3.2 Прогнозирование характеристик ВС._90

3.2.1 Прогнозирование методами анализа временных рядов._90

3.2.2 Корреляционный анализ. _____101

3.2.3 Регрессионный анализ.___101

3.3 Анализ результатов прогнозирования._ 115

Глава 4. Обоснование планировочных размеров элементов аэродромов для самолетов большой грузоподъемности._119

4.1 Результаты расчета планировочных размеров._119

4.2 Анализ пригодности аэродромов для эксплуатации самолетов большой грузоподъемности.___ 125

4.3 Рекомендации по использованию результатов исследования._ 138

Основные выводы. ___141

Литература

145

Приложение 1. Аппроксимация характеристик ВС по годам.__149

Приложение 2. Корреляция характеристик ВС с взлетной массой._155

Приложение 3. Корреляция характеристик ВС с пассажировместимостью._160

Приложение 4. Применение метода выравненных статистических рядов к прогнозированию характеристик._163

Зависимость от взлетной массы._163

Зависимость от пассажировместимости ВС._165

Введение.

Постоянное увеличение спроса на услуги воздушного транспорта привело к устойчивому росту количества авиапассажиров и грузов. Так, в США объем пассажирских перевозок увеличивается каждые 10 лет в 2 раза, а объем грузовых перевозок за 20 лет с 1970 по 1990 годы вырос в 6 раз [25]. Несмотря на спад в настоящее время объема перевозок в России, ожидается их рост на перспективу. Планируется, что пассажирооборот возрастет в 2005 году до 100 млрд. пасс/км против 64 млрд. пасс/км в 1996 году, в том числе на международных авиалиниях с 31 до 49 млрд. пасс/км. Объем перевозок пассажиров за этот же период возрастет в 1,5 раза и составит 40 млн. человек, в т.ч. 20 млн. человек международных перевозок [20].

В целях устранения неблагоприятного влияния роста перевозок на воздушную обстановку, относительного сокращения интенсивности полетов разрабатываются самолетостроительными компаниями и поэтапно вводятся в эксплуатацию воздушные суда (ВС) все большей пассажировместимости и грузоподъемности. Кроме того, резкое повышение мощности промышленного оборудования, увеличение его массы и габаритов, чрезвычайные трудности доставки в удаленные районы на большие расстояния наземными и водными средствами потребовали создания специальной авиационной техники. Уже сейчас эксплуатируются сверхтяжелые ВС массой до 600 т, разрабатываются самолеты с взлетной массой до 900 т. По прогнозам, приведенным в маркетинговом отчете фирмы «Боинг» за первое полугодие 1998 года, ВС сверхбольшой вместимости будут составлять к 2017 году 6,5% всего парка самолетов, что составляет 1712 самолетов [53]. Сверхтяжелые самолеты с многоколесными шасси, повышенным давлением в пневматиках предъявляют новые, более высокие требования к аэродромам. Ввод таких самолетов требует длительной подготовки, существенного совершенствования наземного обеспечения полетов, включая строительство новых и реконструкцию существующих аэродромов.

Практика ввода в эксплуатацию новых типов ВС в последние десятилетия показала, что аэродромы, как правило, не полностью готовы

к приему новых самолетов и требуются большие объемы строительно-монтажных работ по их модернизации и реконструкции. В свою очередь ВС проектируются без надлежащего учета состояния аэродромов, большинство из которых имеет сложившуюся схему генерального плана и их реконструкция, расширение и модернизация затруднительны. Международная ассоциация аэропортов предполагает, что затраты на реконструкцию аэропортов при внедрении новых типов ВС могут достигать 361 миллионов долларов [48]. В связи с этим при разработке планов и нормативных документов развития аэродромов необходим заблаговременный учет характеристик проектируемых ВС повышенной пассажировместимости. Эффективность этого была доказана практикой ввода самолета Боинг-707 [30], разработки и внедрения в Международной Организации Гражданской авиации (ИКАО) нового кодового обозначения аэродромов, всесторонне учитывающего летно-технические и геометрические характеристики ВС [12].

Ближайшее десятилетие (1996-2006 года) будет характеризоваться проектированием и вводом в эксплуатацию новых, более крупногабаритных и пассажировместимых модификаций зарубежных самолетов Боинг-747, А-340. Ведется конструирование новых многоместных самолетов типа Геракл, Летающее крыло. Поэтому неслучайно в ИКАО создана рабочая исследовательская группа по изучению влияния новых ВС на стандарты и рекомендации по аэродромам. Все это указывает на актуальность темы диссертации и необходимость выработки практических предложений по учету параметров новой техники специалистами в области планирования, развития и проектирования гражданских аэродромов.

Глава 1. Современное состояние проблемы.

1.1 Тенденции изменения характеристик отечественных и зарубежных самолетов большой грузоподъемности.

Тенденции изменения основных характеристик самолетов, которые влияют на проектирование и эксплуатацию аэропортов, были выявлены в 1970 году [25] и затем уточнены в 1974 и 1979 годах Советом авиатранспорта ассоциации авиакосмической промышленности США. В связи с ростом пассажировместимости самолетов (Рис. 1.1) прослеживается постоянное увеличение взлетной массы ВС (Рис. 1.2).

Возрастание взлетной массы предопределяет увеличение площади крыла, которая имеет функциональную зависимость от размаха крыла. Однако увеличение площади крыла менее значительно, чем это диктуется взлетной массой, из-за усовершенствования устройств по увеличению подъемной силы и улучшению аэродинамических характеристик крыла ВС. В то время как взлетная масса самолетов от ДС-8 до В747 возросла в 26 раз, размах крыла увеличился только в 2 раза (Рис. 1.3).

Вместе с увеличением взлетной массы самолетов возрастает масса и объем перевозимого полезного груза. Для его размещения требуется увеличение размеров фюзеляжа. Дозвуковые самолеты до определенных пределов могут увеличить ширину фюзеляжей и иметь их многопалубные конструкции, которые, однако, нежелательны при взлетной массе до 213,5 т, т.к. ухудшают аэродинамические характеристики самолетов. Основной прирост грузоподъемности ВС происходит за счет увеличения их длины, которая при данной ширине фюзеляжа ограничивается требованиями строительной механики по соображениям прочности и аэродинамическими требованиями, т.к. фюзеляж должен иметь контуры тела вращения и сферические обводы. Тенденция увеличения длины фюзеляжа самолетов приведена на Рис. 1.4.

С возрастанием взлетной массы увеличивается колея и база шасси ВС (Рис. 1.5, Рис. 1.6), причем колея шасси составляет от 15 до 27 % размаха крыла, а база шасси - 40% длины фюзеляжа.

С ростом пассажировместимости самолетов продолжает увеличиваться удельная площадь их стоянки на перроне, однако, она относительно снижается для многопалубных ВС.

Ширина укрепленной обочины взлетно-посадочной полосы (В1II1) и рулежной дорожки (РД) определяется расположением двигателей по размаху крыла относительно внешней кромки основного шасси, а высота препятствий, кроме того, высотой гондолы от земли. Расположение двигателей самолета по размаху крыла приведено на Рис. 1.7, а расчетные характеристики их выхлопных газовых струй на Рис. 1.8. Заштрихованные поля на Рис. 1.8 указывают расстояния от среза выхлопного сопла до места, где максимальная скорость потока будет 56 км/ч и 161 км/ч. При этих значениях скорости потока обеспечивается безопасность соответственно наземного персонала и оборудования, а также сооружений аэровокзала.

В 80-е годы появились модификации самолетов фирм Боинг и Антонов, превосходящие своих предшественников по грузоподъемности, длине, размаху крыла. Так самолет Боинг-747-400 имеет пассажировместимость до 660 чел, длину 70,7 м, размах крыла 64,3 м. Такой же размах у самолета Ан-22. Самолет Ан-124-100 «Руслан» имеет длину фюзеляжа 69,1 м, размах крыла 73,3 м. У самолета Ан-225, появившегося в 1993 году, эти показатели соответственно 84 и 88,4 м, а максимальная взлетная масса составляет 600 т.

В настоящее время разрабатываются проекты ВС еще большей пассажировместимости. Фирма Боинг [26] предлагает модификации Боинга-747-400 с увеличенной длиной фюзеляжа до 74,5 - 84,5 м с размещением 548-620 пассажиров (Рис. 1.9). Крыло у этих модификаций отличается от крыла Боинг-747-400 уменьшенной с почти 40° до 36,5° стреловидностью и увеличенным размахом 77,7-79,2 м. Силовая установка новых Боингов состоит из модернизированных двигателей самолета Боинг-777. Одной из целей программы создания модификаций является 10% снижение стоимости 1 пасс-км. Первые поставки новых самолетов Боинг-747 намечены на 2003 г.

Кроме того, на фирме Боинг на базе удлиненного варианта самолета Боинг-777-300 ведется разработка нового поколения

сверхдальних пассажирских самолетов [27]. Прорабатывается четыре варианта: два варианта 200Х с большим весом и два укороченных варианта 777-100Х (Рис. 1.10). Все они обладают большей дальностью, чем 747-400, и образуют семейство самолетов на 300, 275 и 250 пассажиров. На 777-200Х будут сохранены крыло и шасси варианта 777300, а вариант 777-100Х будет на 16,5 м короче по сравнению с базовой моделью 777-300 и на 6,4 м короче модели 200. Требования к силовой установке самолетов 777Х подразумевают использование двигателей с тягой 41 т (4090 фирмы «Пратт-Уитни», GE-90-90B фирмы «Дженерал Электрик» и Трент 890), а также их модификаций с тягами 42 и 44 т.

На Фарнборо-96 президенты фирм «Дженерал Электрик» Ю. Марфи и «Пратт-Уитни» К.Крапек официально объявили о создании совместного предприятия для разработки и серийного производства семейства двигателей GP7000 для Боинг 747 [6]. Предусматривается создание двигателей тягой 32,6 - 38,6 т. Первым будет разработан GP7176 тягой 34,5 - 35 т. Степень двухконтурности двигателя составит 7,8, степень повышения давления - 23. Он будет иметь вентилятор диаметром 2,79 м с полыми широкохордными лопатками. Двойная кольцевая камера сгорания обеспечит существенное снижение эмиссии. Первые стендовые испытания должны начаться в 1998 году, а сертификация двигателя намечена на 1999 г.

Европейским консорциумом «Эрбас Индастри» на начало 2000 года намечена поставка первого самолета А340-600 [32], рассчитанного на перевозку 375 пассажиров. По сравнению с базовой моделью А340-300 размах крыла А340-600 будет увеличен с 60,3 м до 63,85м, а длина фюзеляжа с 63.7 м до 74,3 м. Максимальная взлетная масса возрастет с 271 т до 330 т. Самолет будет оснащен четырьмя ТРДД тягой 23,15 т каждый. Следующей моделью к 2003 году будет самолет АЗХХ, рассчитанный на 550 пассажиров с дальнейшим развитием до 656 мест. Его длина составит 70,8-77,4 м, а размах крыла - 79 м [22].

1000

то

1940

1950

1Э60

197й

Год внедрения

~4Щ0

499С

Рис. 1.1. Рост пассажировместимости самолетов.

Взлетная масса (100 тыс кг) Ю

8

6

Дозвусовь/е самодеть/, с Л ТНД с низкой степенью _ а &ух ко н гурно с Ти,

ЕС -9-Э0 -ЗЭС-8-50- 737-100

Самолету с поршневыми вс^двмгаг^тЧо496 | 707-120

' Усоъершенстъо&ъные лоъьжовые самолеты с-ЛТРД большой степени дъухсонтурнос Ти

с&ерхзьу/соЗб/е _

самолеты

• рС'^ © СС-бО вЗ^О

• Новый Вуглас, (трансзвуковой;

/930

1940

1950

1960

-ю-ю/ыоН

X ~• (?) Соме орд ^ С&молгты большой дальности

^Саполегы короткой и средней ддлыосги | 1970 1960 ¡990 2000

Рис. 1.2. Увеличение взлетной массы

20

•727-!0Ь |

/37-100

Ю-ЗОАО. МСПО/ Ь-ЮИ АЪООЪ

9С-Ь

3 4

Рис. 1.3. Размах крыла - взлетная масса.

Рис. 1.4. Длина самолета - взлетная масса.

Колея шасси зо

по наружный пнеыт&трнс&м,

" : 25

О

Консорл ©

ОН 0^Ъс~Ю~ъ6

РС-8 707-320

го л

Я?зд?ах , л*

Рис. 1.5. Колея шасси - размах крыльев.

€0

80

/5аг>а шььса

м

50

40

5 О

20

40

2 0 40 $0 80

- ; длина фмъеляха, п

Рис. 1.6. База шасси - дина фюзеляжа.

- ■ *

у'.. . г «св. ■ ' ' с вер&ьуюзш: монеты

НС- £ 797 £00 ф^^О >•707 747 м

• онсорд

г ■ ■ •

{00

{20

30 40 50 Размах крыльев, м

Рис. 1.7. Расположение двигателей по размаху крыла.

1000 Расстояяже от в

сома самолета ( 800

DISTANCE BEHIND AIRCRAFT (FT)

600

400

200

жьная скорость км/ч

35МРН PEAK i VELOCITY

ная скорость -16Г>и/ч

100 МРН PEAK VELOCITY

2 4 6 8 10 12

Илютин« вес (ф|

14

16

Рис. 1.8. Характеристики газовых струй самолетов.

Рис. 1.9. Модификации самолета Боинг-747-400 на перспективу.

Рис. 1.10. Варианты удлиненного Боинг-777-300.

Разработки самолетов сверхбольшой грузоподъемности ведутся и в России. Новым техническим решением в этом направлении является использование аэродинамической компоновки по схеме «летающее крыло», которая целесообразна для самолетов пассажировместимостью 800-1000 мест. Проведенный анализ [7] показал, что для самолетов обычной схемы минимальный расход топлива на 1 пасс-км и себестоимость перевозок имеют место при числе пассажиров 600-800, а для схемы «летающее крыло» тенденция к их снижению сохраняется для значительно большей пассажировместимости. Кроме того, компоновка по схеме «летающее крыло» допускает использование турбовинтовых двигателей с расположением их на верхней поверхности центроплана в районе задней кромки крыла. В результате, самолет на 1000 пассажиров по схеме «летающее крыло» может иметь себестоимость перевозок и удельный расход топлива на 20-40% меньше, чем самолет обычной фюзеляжной схемы. Вместе с тем, требует решения целый ряд проблем, связанных с самолетами «летающее крыло», таких как создание двигателя с тягой около 400 кН, обеспечение характеристик устойчивости и управляемости, аварийная эвакуация пассажиров, совместимость самолета с аэропортами и др.

Предварительные проработки показали, что самолет «летающее крыло» ЛК-900 (Рис. 1.11) должен иметь следующие характеристики [25]:

• взлетная масса - 580 т

• длина самолета - 45 м

• размах крыльев - 106-110 м

• база шасси - 23 м

• колея шасси по осям внешних стоек - 15,6м

• расстояние между внешними колесами основных стоек опор - 20,7 м

• высота на стоянке -12 м

• число перевозимых пассажиров - 938 чел

• тяга двигателей - 5x53 т.е.

Шасси JIK-900 должно состоять из 2-х носовых опор с двухколесными тележками и пяти распложенных фронтально основных стоек. Каждая основная стойка будет иметь шестиколесную трехосную тележку с расстоянием между осями 150 см. Давление в пневматиках - 1,0 МПа. Предполагается эксплуатировать самолет на аэродромах класса «А».

Следует отметить, что аналогичный самолет BWB проектируется в США фирмой Боинг (Рис. 1.12). Основные характеристики этого самолета, влияющие на параметры аэродрома: длина - 49 м, размах - 88.1 м, вместимость - 800 пассажиров [18].

История развития отечественных грузовых самолетов показывает, что их максимальная загрузка составляет типоразмерный ряд, растущий согласно геометрической прогрессии с коэффициентом 1,5-2, например: Ют (Ан-74Т), 20т (Ан-12), 40 т (Ил-76Т), 80 т (Ил-106) или 30 т (Ан-70Т), 60 т (Ан-22), 120 т (Ан-124), 250 т (Ан-225). В настоящее время самым крупным является самолет Ан-225, имеющий грузоподъемность 250 т при взлетной массе 600т. В странах СНГ ведутся исследования возможности создания самолетов грузоподъемностью 500 т со взлетной массой 13001500 т. для быстрой доставки крупногабаритных изделий тяжелого машиностроения в собранном виде (атомные реакторы,

нефтеперерабатывающие колонны и т.д.), а т�