2015-10-13
543
5.2.1 Сравнительный анализ состава исходных данных баланса моментов МАК и метода использованного в настоящем отчете и их влияние на точность расчетов.
Проанализируем состав исходных данных используемых для расчета баланса моментов МАК и настоящего отчета.
Как очевидно, с учетом того что исходные данные для расчета могут иметь погрешность, чем меньше исходных данных - тем точнее расчет. Кроме используемых в настоящем отчете скорости, значения отклонения РВ, коэффициентов момента тангажа по отклонениям РВ и стабилизатора, взлетной массы, пикирующего момента от тормозящей силы и момента от тяги двигателя - в расчете баланса моментов МАК дополнительно участвует большое количество других исходных данных. Покажем их. Согласно рис.42 стр.121 результирующий момент тангажа воздействующий на самолет по величине которого и определяется возможность подъема передней стойки, рассчитывается на основании суммы моментов всех сил воздействующих на самолет - аэродинамической, трения качения, от главных стоек, тяги двигателей, от торможения.
|
|
|
Как сразу очевидно, в расчете согласно данному отчету моменты сил трения качения, от главных стоек и аэродинамический - не участвуют совсем так как это не требуется методикой расчета. Что очевидно и в любом случае значительно уменьшает точность расчета баланса моментов МАК по сравнению с настоящим расчетом.
Далее проанализируем все составляющие расчета МАК более подробно.
Момент от трения качения незначителен и погрешности в его определении не могут оказать существенного влияния на расчет.
Аэродинамический момент составляет существенную величину, определяется на основании большого количества исходных данных - значений отклонения РВ и стабилизатора, скорости, тангажа, коэффициентов момента тангажа по отклонениям стабилизатора и РВ и графика коэффициента момента тангажа самолета. Отметим, что коэффициенты момента тангажа по отклонениям стабилизатора и РВ участвуют и в настоящем расчете, но учитывая их характер они гораздо проще и точнее определяются чем график коэффициента момента тангажа самолета, так как коэффициент момента тангажа самолета зависит еще и от угла атаки крыла, на разбеге это фактически только от угла тангажа. А коэффициенты момента тангажа по отклонениям РВ и стабилизатора от угла тангажа не зависят, они постоянны.
Также необходимо отметить, что само значение тангажа определяется с существенными для расчета погрешностями. Так из таблицы значений тангажа на разбеге в Приложении 1 видно что 1 единице кода МСРП соответствует значение около 0,66 градуса тангажа, то же подтверждается и графиками в ПО МАК и на стр.127,128, где видно что переход на новое значение момента тангажа осуществляется с дискретностью 0,7 градуса, то есть даже погрешность дискретизации угла тангажа составляет +/- 0,35 градуса. Что собственно следует если диапазон углов тангажа +/- 90 градусов, итого 180 градусов разделить на количество кодов МСРП-64 равное 255, то есть 180/255=0,7 градуса. А ведь на основании этого угла считается момент тангажа самолета. И вносимую погрешность легко определить на основании графика коэффициента момента тангажа самолета представленного на стр.115. Откуда видно что например разница в коэффициенте момента для тангажа 1 и 1,35 градуса (соответственно угла атаки 4 и 4,35 градуса) составляет 0,0107 (то есть между значениями -0,15 и -0,1607), при этом для определения угла атаки - к углу тангажа необходимо добавить угол установки крыла +3 градуса, см. РЛЭ разд.1.4 стр.1. Используя общеизвестную формулу для расчета момента тангажа как коэффициент момента тангажа умноженный на длину САХ, площадь крыла и скоростной напор, подсчитаем изменение момента тангажа от изменения угла на 0,35 градуса для исправленной приборной скорости 210, это будет
|
|
|
=0,0107*4,6*150*0,5*0,125*(210/3,6)^2=1570 кгс*м.
Что при переводе в центровку и "весе" 1 % центровки в 2500 кгс*м составит 1570/2500= 0,6 %. То есть даже если не учитывать другие возможные погрешности невозможно всего лишь из-за дискретности определить момент тангажа самолета точнее +/- 0,6 % центровки. Указанные факторы заведомо увеличивает погрешность расчета баланса моментов МАК по сравнению с расчетом в данном отчете.
В расчете момента от главных стоек участвуют следующие исходные данные - плечо реакции опор на главных стойках относительно центра масс самолета и само значение реакции опор рассчитываемое на основании разницы значений силы тяжести самолета и подъемной силы, последнее в свою очередь рассчитывается на основании угла тангажа, скорости, значений РВ и стабилизатора и графика Су самолета по углу атаки, а также значений Су для стабилизатора и РВ. Как очевидно здесь как и для аэродинамического момента, существует большое количество исходных данных, часть из которых невозможно замерить напрямую, а другая часть может иметь погрешность значительно влияющую на результат расчета. Как и для момента тангажа самолета для определения подъемной силы имеет значение угол тангажа. Определим какую погрешность в значение момента от главных стоек вносит дискретность регистрации угла тангажа. Для этого обратимся к графику Су по углу атаки представленному на стр.114, откуда видно что изменению угла атаки на 1 градус приблизительно соответствует изменение Су на 0,1, откуда изменение угла на 0,35 градуса вызовет изменение Су на 0,035. Отсюда по известной формуле подъемной силы как Су умноженный на площадь крыла и скоростной напор, подсчитаем для той же исправленной приборной скорости 210 км/ч соответствующее изменение самой подъемной силы. Это будет =0,035*150*0,5*0,125*(210/3,6)^2=1100 кгс.
Чтобы найти момент от этой силы определим хотя бы ориентировочно плечо этой силы исходя из центровки опускания самолета на хвост равной 54,5 % САХ согласно РЛЭ разд 8.3.1.2.4 и центровки указанной МАК для аварийного борта в размере 24,7 %. Откуда исходя из того что САХ=4,6 м. получаем плечо =4,6*(54,5-24,7)/100=1,37 м и тогда момент будет =1100*1,37=1500 кгс*м что при переводе в центровку при "весе" 1% центровки в 2500 кгс составит 1500/2500=0,6 %. То есть даже если не учитывать другие возможные погрешности невозможно из-за дискретности определить момент тангажа от главных стоек точнее +/- 0,6 % центровки.
Таким образом, можно констатировать, что состав исходных данных для баланса моментов МАК значительно больше использованного в расчете согласно данному отчету, кроме прочих погрешностей существует погрешность дискретизации регистрации параметров существенно влияющая на расчет, сама методика расчета баланса моментов МАК вынуждает учитывать абсолютные значения аэродинамического момента тангажа и момента тангажа от главных стоек, точно рассчитать которые является сложной инженерной задачей, необходимо учитывать эффект экрана и возможность перебалансировки на амортизаторах стоек и пневматиках в процессе разбега и подъема стойки, отсюда очевидно что точность баланса моментов МАК будет ниже расчета по методу использованного в данном отчете.
|
|
|
5.2.2 Сравнительный анализ методики расчета баланса моментов МАК и метода использованного в настоящем отчете.
На разбеге существует эффект экрана или близости земли, который составляет значительную величину. Так согласно В.П. Бехтир "Практическая аэродинамика Як-42" стр.25 - учитывая низкопланную схему Як-42 эффект экрана сохраняется до высоты 8-10 м. Общеизвестно что эффект экрана приводит к увеличению значения Су на 10-20 % и более для тех же углов атаки, см. например здесь http://engine.aviaport.ru/issues/53/page20.html Потому как для расчета аэродинамического момента тангажа так и для расчета момента от главных стоек необходим его обязательный учет. Хотя МАК и не упоминает об этом факторе, но скорее всего аэродинамические характеристики предоставленные ОКБ Яковлева учитывают эффект экрана, так как в противном случае рассчитанные значения моментов будут недостоверными.
Также отметим еще одно обстоятельство. Как известно самолет не представляет собой неизменяемую механическую систему, то есть это не жесткое крепление "железных" колес к "железным стойкам", а тех к фюзеляжу. Есть пневматики на колесах и амортизаторы в стойках шасси. Соответственно при разбеге самолет может перебалансироваться на стойках шасси вследствие изменений аэродинамических сил воздействующих на него. Такая перебалансировка по тангажу видна на любом графике разбега из представленных как МАК так и в Приложении 1. Соответственно и процесс подъема передней стойки самолета с "жестким" шасси и реальным с пневматиками и амортизаторами будет отличаться. При "жестком" шасси не будет никакой перебалансировки при взятии штурвала на себя для подъема стойки, а самолет начнет подымать стойку строго при превышении кабрирующего момента над пикирующим. При поднятии стойки на реальном самолете сначала будет идти перебалансировка на стойках шасси, будет меняться угол тангажа и соответственно как подъемная сила так и момент тангажа, и для изучения вопроса подъема стойки при небольшом превышении момента на кабирование над пикирующим - что и было при подъеме стойки в аварийном взлете так как подъем осуществлялся с очень низкой угловой скоростью тангажа - необходимо разобраться как это будет влиять на подъем стойки и расчетную модель МАК. Но ставил ли вообще такой вопрос МАК и учтено ли это в расчетной модели МАК и каким образом - в отчете МАК не указано.
|
|
|
Использованный в данном отчете в главе 3 метод расчета отталкивающийся от того как подымает стойку обычный самолет в штатном взлете позволяет не учитывать ни эффект экрана, ни момент от трения качения, ни перебалансировку на амортизаторах, избавиться от расчета полного аэродинамического момента тангажа самолета и момента от главных стоек, так как это все одинаково что в штатном взлете - что в аварийном. А отличий у них только два - это завышенные относительно штатного отклонения РВ на кабрирование и пикирующий момент от торможения. Так не проще ли сравнить эти две величины между собой чтобы узнать - так должна была бы стойка подняться или нет? Ответ очевиден - много проще, быстрее и точнее. И так сделал бы любой даже грамотный студент, не то что инженер. И только с одной стороны плох этот не требующий никаких сложных расчетов, быстрый, точный, наглядный метод- он не дает возможности фальсифицировать результат. А расчет методом МАК через определение баланса всех моментов действующих на самолет - ввиду своей сложности такую возможность дает. Метод МАК подошел бы для проектно-конструкторского расчета, когда живого самолета еще нет, но когда он есть и имеются его аэродинамические характеристики полученные уже с учетом летных испытаний, никакого смысла обращаться к этому методу нет. А зная всего две величины - эффективность РВ (коэффициент момента тангажа по отклонению РВ) или всего лишь соотношение эффективности стабилизатора и РВ и сам пикирующий момент от торможения - можно легко сравнить что больше - избыток на кабрирование от избыточного отклонения РВ по сравнению со штатным взлетом или пикирующий момент от торможения, и будет наглядно видно только ли одно торможение препятствовало подъему стойки.
И совсем для упрощения понимания - применим автомобильную аналогию. Допустим автомобиль движется с условной скоростью 100 км/ч. Нажмем одновременно на газ и тормоз. И разве чтобы понять будет автомобиль после этого разгоняться или тормозить - надо высчитывать полные значения силы тяги, трения качения, лобового сопротивления делая объемные расчеты? И разве имеет значение на какой скорости он двигался - 100, а может 150 или 120 км/ч? Нет, так как на любой скорости - надо просто сравнить насколько отклонились педали газа и тормоза, соответственно к какому увеличению силы тяги и торможения эти отклонения привели и сравнить их, сила тяги будет больше торможения - значит скорость будет расти и наоборот. Кроме того, погрешность расчета полных значений может иметь значительную величину превышающую само значение отклонения результирующей продольной силы которое мы хотим определить. И тут мы переходим к другому аспекту вопроса пониженной точности баланса моментов МАК.
Как видно из рис.42 стр.121 баланс моментов МАК представляет собой графическое отображение значений моментов тангажа всех сил действующих на самолет на разбеге - аэродинамической, тяги двигателей, торможения, трения качения, от главных стоек. При этом как из графика, так и пояснений МАК видно что только аэродинамический момент действует на кабрирование, а остальные - на пикирование, см. стр.121:
-Аэродинамический момент – кабрирующий, все остальные составляющие – на пикирование.
Таким образом цель данного баланса - определить в каждый момент разбега какой момент больше - на кабрирование или на пикирование, и будет понятно должна подниматься стойка или нет и единственная ли причина неподнятия стойки - торможение. А фактически мы в каждый момент времени сравниваем два больших числа - аэродинамический момент (черная линия на графике) с суммой всех моментов на пикирование (коричневая линия на графике). И абсолютные значения этих величин достигают 75000-80000 кгс*м. Но необходимо учитывать ту погрешность с которой рассчитываются эти величины. Как было показано выше количество исходных данных участвующих в расчете этих значений очень велико, многие из них не могут быть измерены, и берутся как усредненные из данных полученных по результатам летных и стендовых испытаний, а данные конкретного экземпляра могут отличаться от них вследствие возможной производственной погрешности. Предполагаю обеспечить точность расчета значения даже в 10 % в принципе приемлемую для многих практических расчетов будет уже хорошим результатом. Но пусть даже эта точность будет 7 %. И например если отталкиваться от значения 75000 - это значит, что как одна, так и другая величина будет находиться в диапазоне возможных значений 75000 +/- 5000 кгс*м, то есть 70000-80000 кгс*м. И как же мы сможем определить когда одна величина станет больше другой - а именно в этом и состоит цель расчета? Ведь может получиться результат когда величина на кабрирование получилась расчетом 70000, а на пикирование 80000, и как бы стойка по расчету подниматься не должна, но на самом деле фактические значения величин могут быть на пикирование - 70000, а на кабрирование - 80000 и стойка должна резко идти вверх? При этом напомним что "вес" 1 % центровки 2500 кгс*м и в указанный диапазон возможных значений от 70000 до 80000 умещается целых 4 % центровки. То есть по расчету МАК ввиду погрешности мы можем получить значение результирующего момента как эквивалентный 4 % сдвигу центровки на кабрирование, так и 4 % сдвигу центровки на пикирование. Но это фактически равнозначно полной неопределенности! И отсюда очевидный вывод - метод расчета МАК не подходит для решения данной поставленной задачи и не может обеспечить достоверного результата. Нельзя эту задачу решать через расчет полных значений всех моментов так как погрешность расчета может превысить ту разницу между ними которая и является целью расчета. Образно говоря подход МАК напоминает ситуацию когда для приготовления лекарств в аптеке используются весы типа безмен.
Необходимо отметить еще одно обстоятельство, в своем описании баланса моментов МАК не поясняет что график коэффициента момента тангажа самолета на стр.115, на основании которого и рассчитывался аэродинамический момент тангажа в балансе моментов МАК, применим только для одной центровки - для той для которой он рассчитывался. И очевидно что этот график предоставлен для центровки в 24,7 %, которую МАК восстановил и указал в отчете. А на другую центровку коэффициент момента тангажа и соответственно далее сам момент должны пересчитываться по известной формуле:
Кмтнов=Кмтисх-Су*Хц/bсах
где:
- Кмтнов - коэффициент момента тангажа для новой центровки
- Кмтисх - коэффициент момента тангажа для исходной центровки
- Су- коэффициент подъемной силы
- Хц - разница между координатами исходной и новой центровками, м
- bсах - длина САХ,м.
То есть для другой центровки - будет и другой график коэффициента момента тангажа и соответственно и другой график значения аэродинамического момента тангажа в балансе моментов МАК на стр.121, а также и другие значения момента от главных стоек. И поэтому во все утверждения МАК где он говорит что:
- 3.1.76 По результатам моделирования и летного эксперимента установлено, что пикирующий момент, создаваемый тормозящей силой, превышал суммарный кабрирующий момент от стабилизатора и руля высоты.
необходимо уточнять - в предположении что центровка составляла именно и только 24,7 %. Только при этом предположении верен (условно верен так как в графике моментов МАК есть принципиальная ошибка о которой будет сказано ниже) рассчитанный МАК баланс моментов на стр.121. Хотя МАК использует в отчете аргументацию что баланс моментов доказывает что других причин для неподъема стойки - например передней центровки - не имелось. Летный эксперимент который МАК приводит в доказательство своих утверждений - также проводился с центровкой 24,7 % и его результаты будут пригодны только для такой центровки. Очевидно что в расчете использованном здесь в главе 3 для определения сдвига центровки вперед - значение центровки не участвует вообще, результат этого расчета не зависит от центровки, а у МАК -зависит.
То есть выводы МАК относительно отсутствия других причин неподнятия стойки кроме торможения, строятся на крайне шатком основании - восстановленной после катастрофы центровке. Но не существует и не может существовать никаких гарантий что она восстановлена правильно и достоверно, тем более в условиях когда на стр.153 говорится:
-В результате АП передний багажник и его содержимое были практически полностью уничтожены.
И после этой фразы смехотворно и нелепо выглядит утверждение МАК на той же странице:
- Комиссии удалось точно идентифицировать фактическую загрузку.
Исходя из самого существа процесса восстановления центровки постфактум - утверждение МАК о точности является безосновательным. Не иначе как с помощью неких сверхъестественных способностей или помощи экстрасенсов это удалось сделать МАК, да еще и с точностью до сотых долей процента.
По сути выводы нескольких членов пассажирской и почтово-грузовой групп административной подкомисии МАК предопределили причины катастрофы, а МАК не предпринял необходимых действий по проверке достоверности этих выводов по восстановлению центровки, хотя возможности для этого имелись, и каковой расчет и продемонстрирован в настоящем отчете в главе 3.
