автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.09, диссертация на тему:Влияние сдвига ветра на продольное движение самолета при эксплуатации на этапах взлета и захода на посадку

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ДИНАМИКЕ САМОЛЕТА В УСЛОВИЯХ

СВ НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ.

1.1. Примеры опасного влияния СВ на полет самолета

1.2. Метеорологические условия возникновения СВ

1.3. Разработка и создание наземных и бортовых систем обнаружения и предупреждения о СВ.

1.4. Исследования в области динамики самолета в условиях СВ

1.5. Выводы по главе

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОДОЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ САМОЛЕТА В УСЛОВИЯХ СВ.

2.1. Общие замечания.

2.2. Уравнения продольного движения самолета в условиях СВ.

2.3. Моделирование условий СВ.

2.4. Описание принятой математической модели продольного движения конкретного типа самолета

2.5. Оценка качества математического моделирования продольного движения самолета в условиях СВ

2.6. Методика поиска оптимального управления продольным движением самолета в условиях СВ на посадке

2.7. Методика поиска оптимального управления продольным движением самолета в условиях СБ на взлете

2.8. Выводы по главе

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ САМОЛЕТА ТУ

НА ПОСАДКЕ В УСЛОВИЯХ СВ.

3.1. Задачи исследования

3.2. Исследование полета самолета Ту-154 по глиссаде с зажатым управлением в условиях СВ

3.3. Возможные варианты управления продольным движением самолета Ту-154 в условиях вертикального СВ.

3.4. Исследование управляемого по текущим параметрам продольного движения самолета Ту-154 в условиях вертикального СВ.

3.5. Исследование управляемого продольного движения самолета Ту-154 по глиссаде в условиях нисходящих потоков.

3.6. Исследование управляемого продольного движения самолета Ту-154 по глиссаде при совместном воздействии вертикального СВ и нисходящего потока

3.7. Влияние случайной составляющей скорости ветра на шраметры управляемого продольного движения самолета Ту

3.8. Исследование возможностей самолета Ту-154 по гашению скорости в условиях вертикального СВ.

3.9. Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ САМОЛЕТА ТУ

В УСЛОВИЯХ СВ НА ВЗЛЕТЕ

4.1. Задачи исследования.166:,

4.2. Методика, расчета влияния СВ на параметры установившегося набора высоты.

4.3. Исследование управляемого продольного движения самолета Ту-154 в условиях СВ на взлете

4.4. Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Одной из главных задач, стоящих перед гражданской авиацией, является обеспечение безопасности и регулярности полетов. В этом плане в последнее время актуальной стала задача обеспечения безопасности полетов в условиях сдвига ветра(СВ) - метеорологического явления, отнесенного к категории опасных внешних воздействий в виду ряда катастроф, причиной которых признано исключительно это явление. Особенно опасен СВ для современных самолетов большой массы с газотурбинными двигателями, имеющими относите-тельно большую величину времени приемистости, тем более, что увеличившиеся скорости захода на посадку привели к более резкому изменению параметров движения самолета при пересечении зоны СВ. Кроме того, актуальность проблемы обеспечения безопасности полетов в условиях СВ в последнее время объясняется возросшей интенсивностью воздушных перевозок, снижением допустимых погодных минимумов, расширением географии полетов, что увеличивает вероятность столкновения с сильным СВ.

По данным ГАА (США) в период 1964 - 1975 г.г. зарегистрирован 91 случай авиационных происшествий и предпосылок к ним, в которых одной из основных причин был СВ на малой высоте. Согласно статистическим данным ИКАО СВ является причиной 78% всех авиационных происшествий, связанных с метеоусловиями во время взлета и захода на посадку /4/. В Советском Союзе по причине СВ также имелись случаи предпосылок к авиационным происшествиям. Приведенные данные свидетельствуют о реальном существовании проблемы СВ.

Проблема СВ является комплексной и ее решение осуществляется по ряду направлений. К их числу относятся: I) исследование метеорологических аспектов явления СВ; 2) исследование динамики полета самолета в условиях СВ; 3) создание наземных систем обнаружения СБ в районе аэропорта; 4) разработка бортового оборудования, предупреждающего об условиях СБ и облегчающего пилотирование; 5) разработка летных тренажеров, имитирующих полет в условиях СБ, учебных программ и пособий для обучения и тренировки экипажей. Исследование поведения самолета в условиях СБ занимает центральное место среди указанных направлений, так как не только решает самостоятельные задачи, но и обеспечивает необходимой информацией работу в других направлениях. Актуальность таких исследований определяется тем, что влияние СБ на полет самолета проявляется через его аэродинамику, а реакция самолета на условия СБ и его возможности по парированию СБ определяются аэродинамическими и летно-техническими характеристиками. Кроме того, состояние работ в других направлениях решения проблемы СБ указывает на то, что выделенное направление - кратчайший путь в получении практических результатов по решению проблемы СВ.

Целью настоящей работы являлась разработка достаточно общей методики исследования возможностей самолетов ГА по парированию СБ на этапах взлета и посадки с учетом эксплуатационных факторов и особенностей техники пилотирования, включающей математическую модель продольного движения самолета в условиях СБ, методику поиска управления в модели для этапов снижения по глиссаде, выравнивания, набора высоты, методику выполнения расчетов и представления результатов исследований; проведение исследований для конкретного типа самолета с выходом на практические рекомендации по выполнению взлета и посадки в условиях СВ. Результаты проведенных исследований использованы в качестве исходного материала при разработке дополнений к РЛЭ самолетов в условиях СВ. Разработанные методика поиска управления в математической модели и методика исследования легли в основу "Методики поиска оптимального управления продольным движением самолетов ГА на посадке в условиях

СБ" и применены при исследовании динамики движения в условиях СБ ряда самолетов ГА. Результаты исследований также должны найти применение при разработке требований в НЛГС по эксплуатации самолетов в условиях СБ и методов определения соответствия этим требованиям самолета и его отдельных систем, при разработке оборудования для обнаружения и предупреждения о СБ, требований к метеоинформации о СБ, а также в качестве методического материала при разработке учебных программ по подготовке пилотов и диспетчерского состава к решению практических задач, связанных с летной эксплуатацией в условиях СВ.

Методом исследования выбрано математическое моделирование как средство проведения контролируемого эксперимента в ситуации, где экспериментирование на реальном объекте сопряжено с значительной степенью риска и требует больших материальных затрат.

В качестве объекта исследования выбран самолет Ту-154, являющийся основным магистральным самолетом, предназначенным для перевозки пассажиров в 11-ой пятилетке.

Содержание работы изложено в 4-х главах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

I. Разработана методика поиска оптимального управления на этапах взлета и захода на посадку для исследования методами численного моделирования продольного движения самолета в условиях СВ, в которой, в отличие от существующих подходов, ищется управление близкое к реальному по технике пилотирования. Методика обеспечивает:

- определение предельных значений СВ, допустимых для каждого типа самолета, в зависимости от летно-технических характеристик, эксплуатационных факторов, особенностей техники пилотирования, включая запаздывание реакции пилота;

- определение безопасной техники пилотирования при заходе на посадку и взлете в условиях СВ;

- проведение количественного анализа поведения самолета в условиях СВ.

2« Предложена методика расчета предельно допустимых по условиям безопасности полета величин СВ и нисходящих вертикальных потоков.

3. Разработаны алгоритмы и программы численной реализации методик на ЭВМ.

4. На основе разработанных методик, алгоритмов и программ исследовано продольное движение самолета Ту-154 на взлете и посадке в условиях СВ, что позволило получить:

- графические зависимости потребного увеличения скорости захода на посадку, потребного изменения тяги в зоне СВ, возможной просадки самолета и увеличения посадочной дистанции от величины СВ, нисходящих вертикальных потоков и манеры пилотирования;

- приближенные аналитические выражения для расчета параметров взлета и посадки в условиях СВ;

- предельные по условиям безопасности полета величины СВ и нисходящих вертикальных потоков на этапах посадки и взлета;

- практические рекомендации по выполнению взлета и посадки в условиях СВ.

5. Разработаны номограммы для практического учета влияния условий СВ, как независимого эксплуатационного фактора, на величину градиента набора высоты для этапов взлета и посадки, позволяющие оценить возможности самолетов по преодолению СВ и определить опасные уровни СВ с учетом других эксплуатационных факторов.

199

1. Бегим Л.П. Использование информации о полной энергии самолета для повышения безопасности полета. В кн.: Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий. Межвуз.сб.науч. тр. Киев: КНИГА, 1982, с.81 - 88,

2. Васильев A.A., Глазунов В.Г. Сдвиг ветра, турбулентность и вертикальные потоки в нижнем слое атмосферы, влияющие на взлет и посадку воздушных судов. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 31 с.

3. Васин И.Ф. Влияние сдвига ветра на безопасность полетов воздушных судов. В кн.: Итоги науки и техники, сер. Воздушный транспорт, ВИНИТИ, 1980, том 8, с.5 - 30.

4. Глазунов В.Г. Условия возникновения сильного вертикального сдвига ветра в нижней части приземного слоя атмосферы. -Труды Гидрометцентра СССР, 1975, вып.162, с.19-31.

5. Жданов А.И., Лазнюк П.С. Исследование уцравляемого движения самолета Ту-154по глиссаде в условиях вертикального сдвига ветра и нисходящих потоков. В кн.: Некоторые вопросы прикладной аэродинамики. Межвуз. сб.науч. тр. Киев: КИИГА, 198^, с.57-66.

6. Жданов А.И., Лазнюк П.С. Исследование управляемого движения самолета Ту-154 по глиссаде в условиях сдвига ветра.

7. В кн.: Некоторые вопросы аэродинамики дозвуковых и.сверхзвуковых скоростей. Межвуз.сб.научн.тр. Киев: КИИГА, 1983, с.47-54.

8. Журавлев А.И., Трунов O.K. Влияние сдвига ветра на взлети посадку самолетов. Методические рекомендации для летного и . диспетчерского состава гражданской авиации, ГосНШ ГА, М., 1979,- 15 с.

9. Летно-наземные исследования условий полетов в зонах сдвига ветра. Отчет, ГосНИИ ГА, гос.per.Je 79058010, инв.№ 743, 1979.

10. Лигум Т.И., Скрипниченко С.Ю., Чульский Л.А., Шишма-рев A.B., Юровский С.И. Аэродинамика самолета Ту-154. М.: Транспорт, 1977. - 304 с.

11. Ломовский В.В. Расчет потребного изменения тяги при заходе на посадку в условиях сдвига ветра и вертикальных потоков.- В кн.: Наука и техника ГА, сер.Летная эксплуатация, 1980, вып. I, с.7-10.

12. Ломовский В.В. Увеличение скорости при заходе на посадку в условиях сдвига ветра. В кн.: Наука и техника ГА, сер. Летная эксплуатация, 1981, вып.1, с.13-18.

13. Ломовский В.В. Об инженерных методах исследования движения самолета в условиях сдвига ветра. В кн.: Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий. Межвуз. сб. науч. тр. Киев: КНИГА, 1982, с.37-43.

14. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНе. М.: Мир, 1977. - 584 с.

15. Максимов B.C., Лазнгак П.С., Сотников Д.А., Жданов А.И. Продольное движение самолета цри полете в сдвиге ветра. В кн.:

16. Некоторые вопросы аэродинамики и динамики полета. Межвуз. сб. науч.тр. Киев: КНИГА, 1981, с.91-98.

17. Наумов С.Я., Обрубов А.Г., Грязин В.Е. Пути повышения безопасности полета самолета в условиях сдвига ветра. В кн.: Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий. Мея-вуз. сб.науч.тр. Киев: КИИГА, 1982, с.26-32.

18. Нормы летной годности гражданских самолетов СССР. Междуведомственная комиссия по нормам летной годности гражданских самолетов и вертолетов СССР. 2-е изд., 1974. 344 с.

19. Остославский И.В., Стражева И.В. Динамика полета. Устойчивость и уцравляемость летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1965. - 463 с.

20. Результаты летных испытаний по оценке поведения самолета Ту-154 на предпосадочных режимах с имитацией и исправлением ошибок пилотирования. Отчет ГосНИИ ГА, № 354.376-73.

21. Самолет Ту-154Б. руководство по летной эксплуатации и техническому обслуживанию. М.: Редиздат, МГА, 1975.

22. Снешко Ю.И. Исследование в полете устойчивости и управляемости самолета. М.: Машиностроение, 1971. - 322 с.

23. Титовский И.Н. Игровой подход к задаче синтеза управления самолета при заходе на посадку. В жур.: Ученые записки ДАШ, 1981, т.12, № I, с.85-92.

24. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. - 534 с.

25. Шелковников М.С. Струйные течения на малых высотах. -Метеорология и гидрология, 1983, №11.

26. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. - М.: Мир, 1978. - 418 с.

27. Шметер С.М. Структура полей метеорологических элементов в зоне кучево-дождевых облаков. Труды ЦАО, 1969, вып.88.-120 с.

28. Штеттер X. Анализ методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Мир, 1978. - 461 с.

29. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭШ. М.: Мир, 1982. - 235 с.

30. Bedard A.J.tJr. et al. The duties airport pressure jump detector array for gust front detectfor?. Вuttet//7 Amer. Meteorol Soc., 1977, \7.53, Л/-9, pp. 920-927.

31. Bedard A J., Jr. Sources and detection of atmospheric wind shear AIAA Journal, №1, v. 20, N-7, pp. QUO-945.33. brown field M.O.L. A look at the mechanics of Wind shear The Mac Flyer, /976,1723, A/-9, pp. 12-/6.

32. Caracena F. Design and preliminary tests of an '¡R-airhorn LLWS remote sens/hy system.-AIA A Pap. /93/t1. N°239, ft.6.

33. Coons FG., Mendel E. The FA A wind shear research and development program. A status report 7-th Con/, on Aerospace and Aeromftical Meteorot. and Symposium or? remote sensiny from satellites, /976,Boston,Mass, pp.70-77.

34. Di Магя'ю С., Harris С. et at. Pulsed laser dopftler measurement of wind shear. Bulletin Amer. Meteorol. Soc.y979, V.60, a/-9, pp. /06/-/066.

35. Frost ¡V., Camp д. W. Wind shear modeliny for aircraft hazard definition-Report No.FAA-RB-77-38, march /977.

36. Frost кCrosby В., Camp D. Flight through thunderstorm outflows. Journal of Aircraft /979, V.16, №11, pp. 749-755.

37. Frost IV, Türkei В., Mc Carthy J. Simulation of phugoid excitatio/7 due to hazardous wind shear. -20-th Aerospace Science Meeting, AIM Papers. Procedings of the A1AA -82-0215, Hew York, Orlando IFlorida/, USA, 1982, January AI-215, pp. 1-12.

38. Fujita T.T., Caracem F. An analysis of three weather-related aircraft accidents-Bulletin Amer. Meteorol Soc., V.58, N-11, no vernier 1977* pp. /764 -/W.

39. Fujita Т. T. Downhursts and microhursts an aviation hazard. /9-th Conf Radar Meteorol Amer. Meteorol. Soc. Miami Beach, Fla., mo. Prepr. Boston, Mass, s.a. 94-м.

40. Gallagher IB. Wind shear.-Canadien Aviation, 1978, ' V. 5U tf-7, julg, pp 24,29.

41. Greene R.A. The effects of low-level wind shear on the approach and go around performance of a landing jet o/rcraft SAE Technical Paper Series, 1979, N- 790568,pp 1-7.

42. Hall F.F., NeffJr. and IV. D., Fraiier TIA Wind shear observations in thunderstorm density currents. -Nature, V. 264, decern her 2, 7976, pp. Ш-411.

43. Hardest у R. M. et at. The Dulles airport acouslic-microwave radar wind and wind shear measuring systemBulletin Amer. Meteorol. Soc., v.58, N4, pp. 910-911

44. HigginsP.R., Roosme L Hazards of take off s ina wind shear environment-Pilot Safety Exchange Bulletin, 1978, pp. 1-6.

45. Higgins PR., Patterson D. More about wind shear hazards.-Pilot Safety Exchange Bulletin, /979, September/october, p. 5.

46. Higgins PR. More about wind shear hazard.-Aerospace Safety, /979, V. 35, A/-3, pp. /4-21 y 29.

47. Jerome(Jerry) E.A. Wind shear detection.-Fli9ht Operations, /976, V. 65, N-2, pp. 21-23, 26-27, 45.

48. Kadlek P. W. Low tenet wind shear associated with convective storms near the tee side of the Rocky mountains. -7-th Conf. on Aerospace and Aeronaftical Meteorol. ond Zymposium on remote sensing from satellites, /976, Boston, Moss, pp. 28-30.

49. Lee IT., With K.E. Applications of conventional and doppler rodars for aviotion safefy. -/9-th Co/?f Fadar Meteorol. Amer. Meteorol. Soc, Miawi Beach, Fla., /980, Prepr. Boston, Mass, S.a. /92-/09.

50. LeonardD. Wind shear update part f: Theory ond Practice. Professional Pilot, /979, V./3, A/-6, pp. 72-77.

51. Leonard D. Wind shear update part2: Mew hardware.- Professional Pilot, /979, V./5, N2S. pp. 65-69.

52. Lindyuist J.A. Automation-some potential applications to aviation weather.- Bulletin Amer. Meteorol. Soc.,1077,, V- 58, iV-ff, pp. //61-//63.

53. Low level wind shear. The Controller,\ mo, V./9,N:2, pp. 21-25.

54. Luershy Haines P. The effect of heavy rain on wind shear attributed accidents-AIAA Pap., 1981,№390,p.S.

55. Markov A.B., ReidL.D., Mackenzie KB. On-line wind shear generation for flight simulation app/ications.-~)ouml Of Aircraft, july, /982, V./9, N°7, PP 553 -558.

56. Mc Carthy J., Elmore KL., Doviok fiêJm, Jrrnc R C. Instrumented aircraft verification of clear-air radar detection of low level wind shear. — 79-th Conf. Radar Meteorol. Amer. Meteora/ Sac., Miami Beach, Fla, /9Щ Prepr Boston, Mass, s.a. 143-/49.

57. More airports to get wind shear alerts. Air Line Pilot,\ /979, V.48, N42, pp. 33-34.

58. Morriso/7 C.A. Wind Shear. Canadien Aviation, September, 1922, pp. 65-/2.

59. On hoard wind shear protect ion for airliners.— Flight International, /97¿t v. 28, janaari/, р.2зв.

60. Progress Report an Low Level Wind Shear and TurbulenceInternationa/ C/'vil Aviation Organization, Montreal Attachment to State Letter AN 10/4.6-79/742y31 aag, /979.

61. Ree В. Wind shear indication systems. Coping with wind shear- Flight International\ /979, v./16, №3879, pp. 983986.

62. Rapelewsky R.R. Proposed rules aim at wind shear. — Aviation Week and Space Technologg, mû, VJ/2, №13, p. 31.

63. Safe Flight wind shear warning system. Inter am Mr Lett., mi, N-9780, p.6.

64. Sowa D. The effect of terrain near airports or? significant low level wind shear. -A/HA Paper, /97/, /Vs/242, pp. 1~4.

65. Türkei B.S., Frost k/., Camp RW. Pi lot-aircraft system response to wind shear. AUA At mos. Flight Mech Conf. Pan vers, Mass/920, Alew York, pp. /24-/32.

66. White D., Horn eg W.R., Thompson T. Wind shear. -Aerospace Safety, /9/8, ¡7.35, Af-8, pp. /-3.

67. Wind shear: informhp the pilot; —Flight International, /4 opril, /979, p. /143.

68. W/ndshear: only your very best is good enough.-Ftight international\ /97/, v.///, jv-3553, pp. /030-/03/.

69. Wind shear update. Part i. — Business and Commercial Aviation, /978, K 43, TV-/, pp. 5/-57.

70. Wind shear update. Part2.-Business and Commercial Aviation, /9/8, v. 43, A/-2, pp. 59-63.