Факторы, влияющие на функциональные возможности и облик летательного аппарата

Бессоюзное сложное предложение

Отношения между частями бессоюзного предложения способны придать динамизм повествованию.

Выделим основные функции бессоюзного сложного предложения:

• помогают автору показать одновременно происходящие события:

Редел на небе мрак глубокий, Ложился день на темный дол, Взошла заря. (А. С. Пушкин)

• помогают автору пояснить смысл сказуемого из первой части:

Здесь Рюхин всмотрелся в Ивана и похолодел: решительно никакого безумия не было у того в глазах (М.Булгаков)

помогают автору указать на причину того, о чём говорится в первой части:

Сержусь-то я на самого себя; сам я кругом виноват (А. С. Пушкин).

• помогают автору дополнить то, о чём говорится в первой части:

По дороге я вспомнил свой недавний сон: была Масленица, я опять был с отцом в цирке смотрел на сцену (Л.Н.Толстой)

• помогают автору противопоставить два события:

Я себя чувствовал выше - меня ставили ниже (М.Ю. Лермонтов).

• помогают автору уточнить, в какое время (когда) происходит событие, о котором говорится во второй части:

Вдруг мужики с топорами явились – лес зазвенел, застонал, затрещал (Н.Некрасов).

• помогают автору указать на условие, при котором совершается действие во второй части:

Ну, думаю, что будем делать?.. Что? Вскинешь винтовку, думаешь - стрелять или не стрелять?Искушение. Крикнешь - в цепи где-то отзовется. Наконец, зарылся в снег, сел и стараюсь не заснуть, если заснёшь – каюк. (М. Булгаков)

• помогают автору сделать вывод из того, о чём говорится в первой части:

Я умираю – мне не к чему лгать (И.Тургенев).

• помогают автору передать быструю смену событий:

Дунул ветер − всё дрогнуло, ожило, засмеялось (М. Горький).

• помогают автору сравнить события:

Молвит слово - соловей поёт (М.Ю. Лермонтов).

Факторы, которые следует учитывать на всех этапах проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА, также обладают системными свойствами, они взаимосвязаны и взаимообусловлены, и их можно разместить по иерархическим уровням.

Цели, поставленные перед проектировщиком, позволяют ему сформировать группу факторов, включающую в себя требования ТЗ, различные технические условия, нормы, правила и инструкции, которые отражают опыт развития авиационной техники. Эти факторы в процессе развития техники изменялись, обеспечивая повышение безопасности полета, расширение возможностей использования ЛА, улучшение его эксплуатационных характеристик.

Средства, которыми располагает проектировщик для достижения поставленных перед ним целей, определяют группу факторов, включаю­щую в себя организационные мероприятия, обеспечивающие работу проектировщика, и научно-технический, производственный и экономи­ческий потенциал, который может быть использован при проектирова­нии и изготовлении ЛА. Эти факторы в процессе развития теории и практики проектирования ЛА изменялись, обеспечивая специализацию и интеграцию организаций, создающих ЛА, использование передовых достижений науки и техники при создании ЛА.

Рассматривая ЛА, любую его систему как объект, взаимодействующий с внешней по отношению к нему средой, можно выделить группу факторов, определяемую непосредственным взаимодействием объекта с внешней средой - "внешние" факторы, а также группу факторов, определяемую взаимодействием компонентов самого объекта - "внутрен­ние" факторы.

Рассмотрим следующий пример. Для обеспечения высокой скорости полета ("внешний" фактор) целесообразно строить моноплан (от греч. monos - единственный и лат. planum - плоскость) - самолет с одним крылом (рис. 3.1). Однако длительное время вследствие низких характеристик конструкционных материалов, используемых в самолето­строении, отсутствия конструкторского опыта и надежных методов расчета на прочность только схема биплан (от лат. bis -дважды) - самолет с двумя крыльями, расположенными одно над другим (рис. 3.2), -обеспечивала необходимые прочность и жесткость конструкции ("внутренний" фактор) за счет соединения верхнего 1 и нижнего 2 крыльев системой стоек 3 и расчалок 4. Естественно, что биплан при прочих равных условиях имеет значительно большее, чем моноплан, лобовое сопротивление (сопротивление воздуха при движении).

Таким образом, цель, поставленная проектировщиком, и методы, средства проектирования и производства, находящиеся в его распоряже­нии, определяют результат его работы - облик и функциональные возможности (характеристики) ЛА.

В процессе разработки ЛА в первую очередь необходимо учитывать все возможные случаи взаимодействия его с окружающей средой. Мы ранее условились считать, что внешняя среда, в которой функционирует ЛА, из естественной и искусственной (технической, созданной руками человека) среды.

2. ЕСТЕСТВЕННАЯ ВНЕШНЯЯ СРЕДА - АТМОСФЕРА ЗЕМ­ЛИ И ОКОЛОЗЕМНОЕ ПРОСТРАНСТВО

Естественной внешней средой для современных ЛА является атмо­сфера Земли (от греч. atmos - пар и сфера) и околоземное космическое про­странство. Атмосферой принято считать область вокруг Земли, в которой газовая (воздушная) среда вращается вместе с Землей как единое целое.

Атмосфера состоит из воздуха, представляющего собой смесь газов. Воздух - среда очень неустойчивая, непостоянная. Изменение основных параметров воздуха (давления, плотности, температуры) по высоте, неодинаковое распределение солнечной радиации на земном шаре, изменяющееся и по времени года, и в течение суток, вертикальное движение воздуха приводят к тому, что химический состав воздуха и его электрические характеристики в значительной степени зависят от высоты над Землей, географического места и других факторов.

Многолетние исследования атмосферы Земли с помощью приборов, поднимаемых на различные высоты с помощью стратостатов, шаров-зондов, самолетов, геофизических ракет и искусственных спутников Земли, позволили установить, что до высот около 80 км с достаточной для практических расчетов степенью точности можно принять следую­щий объемный состав сухого воздуха: азот - 78 %, кислород - 21 %, углекислый газ и прочие газы - 1 %.

Любопытно отметить, что первая "аэродромическая машинка" - прообраз современного вертолета, построенная в 1774 г. М.В. Ломоносовым, предназнача­лась именно для подъема на высоту приборов, регистрирующих параметры воздуха.

Слой атмосферы до высот 80... 100 км, в котором химический состав воздуха не изменяется с высотой, называется гомосферой (от греч. homos— равный, одинаковый). Выше, в гетеросфере (от греч. heteros - другой), сростом высоты химический состав атмосферы изменяется. До высоты 400...600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, однако начиная с высот ПО...120 км практически весь кислород находится в атомарном состоянии, появляется также атомарный азот. Далее, до высоты около 1600 км, в атмосфере преобладает гелий, а с высот около 3000 км - водород. Так постепенно атмосфера Земли переходит в межзвездный газ, состоящий по массе из примерно 76 % водорода и 23 % гелия. Изменения в химическом составе атмосферы вызваны процессами диссоциации и ионизации, обусловленными действием космической радиации и солнечного излучения.

По электрическим характеристикам в атмосфере выделяют нейтросфе-ру, простирающуюся до высоты около 60 км, в которой частицы воздуха практически не имеют электрического заряда (нейтральны), и ионосферу,

Рис. 33. Машитосфера и радиационные пояса Земли.
В плоскости рисунка показаны Солнце и полюса
ЗемлиNhS

в которой газы находятся в ионизированном состоянии
(содержат свободные электроны и положительно заряженные ионы) и которая простирается до границы магнитосферы 2 Земли (рис. 3.3), определяемой равенством давления магнитного поля Земли (геомагнитного поля) и динамического давления солнечного ветра 1 (ионизированного газа, вытекающего из Солнца).

Магнитосфера включает внутреннюю замкнутую дипольную область геомагнитного поля 8, действующую как ловушка заряженных космических частиц, и внешнюю область 7, состоящую из магнитных силовых линий, "заметаемых" солнечным ветром с дневной стороны Земли на ночную и образующих на ночной стороне магнитный шлейф Земли 6. Захваченные геомагнитным полем заряженные частицы (протоны, электроны, сс-частицы) образуют радиационный пояс Земли. Условно, в зависимости от распределения захваченных частиц по энергиям, радиационный пояс - зону квазизахвата 3 (от лат. quasi - как бы, наподобие) частиц солнечного ветра - разделяют на внутренний пояс и внешний пояс. Внутренний пояс 5, начинающийся на высотах 300... 1500 км и простирающийся до высоты около 10 000 км, в котором преобладают протоны высоких энергий, представляет опасность для экипажей ЛА. Во внешнем поясе 4, простирающемся до высоты около 50 000 км, преобладают электроны и протоны малых энергий.

Естественно, что границы, по которым разделяют атмосферу в зависимости от ее химических, электрических, радиационных парамет­ров, являются размытыми: эти параметры так же существенно зависят от времени года, уровня солнечной активности и других факторов, как и основные параметры воздуха в атмосфере.

2.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СВОЙСТВА ВОЗДУХА В АТМОСФЕРЕ

Давление р характеризует интенсивность силового воздействия окружающей среды в данной точке:

р = dF/dS,

где р - давление, Па (1 Па = 1 Н/м²);

F - сила, перпендикулярная к поверхности элементарной площадки, Н;

S - площадь поверхности элементарной площадки, м².

Плотность р характеризует массу воздуха, содержащегося в единице объема:

р = m/W,

где р - плотность, кг/м³;

т - масса воздуха, кг;

W-объем, занимаемый воздухом, м³.

Относительная плотность β характеризует изменение плотности в зависимости от высоты:

β = Рн/Ро,

где р_н и р₀ - соответственно плотности на заданной высоте Н и на уровне Мирового океана.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы и является мерой кинетической энергии молекул. Абсолютная температу­ра Т, измеряемая по шкале Кельвина, связана с температурой t, измеряемой по шкале Цельсия, соотношением

Т = 273 + t.

Шкала Кельвина названа в честь английского физика У. Томсона, получившего за научные заслуги титул барона Кельвина, шкала Цель­сия - в честь шведского физика А. Цельсия.

Известные из элементарной физики законы для идеального газа хорошо описывают свойства воздуха в атмосфере, поэтому мы можем связать параметры воздуха уравнением состояния газа

pW = RT,

где р - давление;

W- объем воздуха;

m - масса воздуха;

М - молярная масса воздуха (масса воздуха, взятого в количестве один моль);

R -универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль К);

T - абсолютная температура.

Приведенное уравнение состояния газа названо уравнением Менделеева - Клапейрона в честь русского химика Д.И. Менделеева и французского физика и инженера Б. Клапейрона.

Напомним, что теплоемкость определяется количеством теплоты, которое нужно подвести к заданному объему воздуха (или отвести от него) для того, чтобы повысить (или понизить) его температуру на 1 К.

Сжимаемость характеризует свойство воздуха изменять свой объем и плотность при изменении давления и температуры.

Упругость характеризует свойство воздуха возвращаться в исходное состояние после прекращения действия сил, вызвавших его деформацию. Естественно, что для воздуха такой деформацией может быть только деформация его объема при всестороннем сжатии.

Свойства сжимаемости и упругости воздуха проявляются в том, что всякое возмущение в нем, т.е. местное сжатие (местное повышение давления и плотности воздуха), распространяется в виде очень малых возмущений - колебаний давления и плотности. Эти колебания происходят со звуковыми частотами и распространяются в виде волн со скоростью звука. Таким образом, скорость звука а (скорость распростра­нения звуковой волны в воздухе) характеризует упругость и сжимаемость воздуха.

Скорость движения волны можно определить из соотношения

а² = dp/dρ,

где р - давление воздуха в волне;

ρ - плотность воздуха в распространяю­щейся волне.

Приближенно процесс распространения звуковой волны может рассматриваться как адиабатический, т.е. такой, при котором распрос­траняющаяся волна газа не получает теплоты извне и не отдает ее окружающей среде.

Определив из уравнения состояния газа давление через плотность и подставив значения параметров воздуха в уравнение для скорости звука, получим

а = 20,

где а - скорость звука, м/с;

Т-температура воздуха, К.

Число М (число Маха, названо в честь австрийского ученого Э. Маха) - характеристика потока воздуха (газа), равная отношению скорости V воздушного потока (скорости движения тела в воздухе) к скорости звука а в данной точке потока:

Вязкость (или внутреннее трение) характеризует свойство воздуха оказывать сопротивление относительному перемещению своих частиц, а также перемещению в воздухе твердого тела. Причина вязкости -взаимодействие молекул при их хаотическом движении.

Вязкость проявляется в том, что при сдвиге соседних слоев воздуха возникает сила F (сила трения), противодействующая сдвигу.

Представим себе две пластинки, между которыми находится слой вязкого воздуха (рис. 3.4). Если одна из пластинок начнет двигаться со скоростью V_Q, то этой же скоростью будет обладать и слой воздуха, непос­редственно прилегающий к пластин­ке. Каждый следующий слой в ре

зультате вязкости (трения между слоями) приобретет меньшую скорость. Слой, прилегающий к неподвижной пластинке, останется неподвижным. в этом случае сила F, которую необходимо приложить к пластинке, чтобы заставить ее двигаться со скоростью V₀, определяется как F -- h(Kq//)5, где V_Q/l - градиент изменения скорости слоя.

Кинематическая вязкость v - отношение динамической вязкости к плотности среды: v = цУр.

2.2. МЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА (МСА)

Необходимость сравнения результатов летных испытаний ЛА, проводимых в различных условиях, привела к созданию математической модели условной атмосферы. в соответствии с этой моделью по высоте атмосфера делится на несколько слоев, в пределах которых температура изменяется по определенным законам, довольно близко совпадающим с законами изменения по высоте среднегодовых значений температуры на средних широтах в летнее время (рис. 3.5). Эти слои называются тропосфера (от греч. tropos - поворот, изменение), стратосфера (от лат. stratum - слой), мезосфера (от греч. mesos - средний, промежуточный), термосфера (от греч. terme- теплота, жар), экосфера (от греч. ехб- вне, наружу). Сравнительно тонкие слои атмосферы, толщина которых измеряется десятками и сотнями метров, отделяющие друг от друга основные слои атмосферы, называются соот­ветственно тропопаузой, стратопаузой, мезопаузой.

Высота, км Плотность, г/м³

]180'200'220 240'260'280' (-100° С) Температура (о^С) Рис. 3.5. Параметры МСА

Единая для всех государств международная стандартная атмосфера - условная атмос­фера (модель), в которой рас­пределение давления по высоте в поле силы тяжести получает­ся из дифференциального урав­нения гидростатики dp = -pgdh при определенных предположе­ниях о распределении темпера­туры по вертикали. в этом уравнении dp – дифференциал давления, Па; ρ - плотность воздуха, кг/м, g – ускорение свободного падения, м/с; dh - дифференциал высоты, м. Так как воздух сжимаем, его плотность зависит от давления и температуры в соотве­тствии с уравнением состояния (Клапейрона - Менделеева)

ρ = p/(RT),

где Т- абсолютная температура, К;

R — газовая постоянная, для воздуха R = 287,05 Дж/(кг-К).

С учетом приведенной зависимости дифференциальное уравнение гидростатики можно проинтегрировать, если известен характер изменения температуры с изменением высоты. В МСА, как видно из рис. 3.5, принята кусочно-линейная аппроксимация изменения температу­ры, т.е. в пределах каждого фрагмента градиент изменения температуры с высотой предполагается постоянным.

В МСА за начало отсчета высоты принят уровень Мирового океана при следующих нормальных условиях: ускорение свободного падения g₀ = = 9,807 м/с²; давлениер₀= 101 325 Па (760 мм рт. ст.); температура Т₀ = = 288,15 К (t = 15 °С); плотность воздуха (вычисляется по температуре и давлению) р₀ = 1,225 кг/м³; скорость звука (вычисляется по температу­ре) а₀ = 340 м/с.

Подробные таблицы параметров стандартной атмосферы приводятся в литературе. В специальном матема­тическом обеспечении ЭВМ есть стандартные программы, позволяю­щие рассчитывать параметры МСА.

Параметры МСА (изменение температуры и давления воздуха) для малых высот, на которых летают самолеты и вертолеты, приведены на рис. 3.6. Здесь же приведены данные о распределении среднегодовых зна­чений температуры r(A)_max и r(A)_min.

Все расчеты при проектировании ЛА проводятся для условий МСА, что позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний не­скольких ЛА, проводимых в различ­ных климатических поясах. Результа­ты испытаний пересчитываются на параметры международной стандар­тной атмосферы, таким образом все ЛА "помещаются" в одинаковые условия - условия МСА.

2.3. РЕШЕНИЕ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ЗАДАЧ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ПО ПАРАМЕТРАМ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Как уже отмечалось, при проектировании ЛА для выработки правильного решения необходимо моделировать ЛА, внешнюю среду и процессы их взаимодействия. Модель МСА, включенная в общую модель проектирования ЛА, позволяет оценить его летно-технические характеристики (ЛТХ) в полных диапазонах высот и скоростей, оговоренных в ТЗ на проектирование. Однако реальные условия полета могут существенно отличаться от расчетных в силу того, что сложные атмосферные явления до конца не изучены и существует некоторая неопределенность по параметрам естественной внешней среды, в которой функционирует ЛА. Если в процессе проектирования выбирать параметры ЛА с учетом известных проектировщику самых неблагоприят­ных и исключительно редко встречающихся явлений, которые могут воздействовать на ЛА в процессе его функционирования, то проектиро­вание ЛА может окончиться неудачей - ЛА, способный противостоять абсолютно всем неблагоприятным воздействиям внешней среды, может оказаться неспособным к полету. Проектировщик вынужден идти на определенный технический риск для выполнения поставленной перед ним задачи, т.е. проектировать самолет в расчете не на экстремальные, а на наиболее вероятные уровни неблагоприятного воздействия. Тем не менее проектировщик должен знать, какой уровень неблагоприятных факторов приведет к катастрофическим последствиям. Естественно, что для снижения степени риска должны быть применены все доступные проектировщику средства.

Рассмотрим некоторые неблагоприятные факторы, влияющие на самолет.

Ветер. Действительное распределение давления в атмосфере отличается от предполагаемого (постоянного для данной высоты) распределения, принятого в неподвижной атмосфере, описываемой МСА. Различие давлений в отдельных точках вызывает движение воздуха -ветер. Движение атмосферы поддерживается неравномерным ее наг­ревом солнечным излучением. Оно имеет случайный характер. В тропо­сфере происходит очень интенсивное вертикальное перемешивание воздуха. Вертикальные скорости достигают до 15 м/с в облаках и до 50 м/с в грозовом фронте. На высотах 8... 10 км, где обычно пролегают трассы полетов пассажирских самолетов, возникают струйные течения со скоростями 10...30 м/с - ураганный ветер. Таким образом, полет проходит в турбулентной (от лат. turbulentus- бурный, беспорядочный), неспокойной атмосфере.

В стратосфере также происходит интенсивная циркуляция (от лат. circulatio - круговращение) воздуха с резкими ветрами, образуются горизонтальные струйные течения со скоростями 50... 150 м/с шириной в сотни километров.

Полет в турбулентной атмосфере обусловливает колебательный характер траектории самолета (от позднелат. trajectorius —относящийся к перемещению) - линии, описываемой в пространстве центром масс самолета, - колебания центра масс самолета, и угловые колебания самолета относительно центра масс - болтанку. При попадании самолета из нисходящего потока в восходящий, где вертикальная скорость воздуха превышает 20...30 м/с, возможен резкий заброс самолета вверх на 1000...2000 м. Это приводит к резкому увеличению нагрузок, действую­щих на конструкцию самолета. В исключительных случаях самолет может разрушиться.

Болтанка вызывает в конструкции самолета постоянно действующие знакопеременные нагрузки. При полете самолета в болтанку отдельные элементы конструкции растягиваются, сжимаются, изгибаются. В результате материал конструкции "устает", в элементах конструкции возникают микротрещины, которые растут от полета к полету и в конечном итоге могут привести к так называемому усталостному разрушению конструкции. Полет в болтанку утомляет пассажиров и экипаж, болтанка мешает точно пилотировать самолет, возникает опасность потери управляемости. Болтанка нарушает спектр потока воздуха, подходящего к воздухозаборникам двигателей, создается угроза самовыключения двигателей. При разработке компоновки и конструкции самолета необходимо учитывать это явление: предусматривать различные меры, повышающие усталостную прочность конструкции; создавать безопасно повреждаемые конструкции, в которых разрушение одного или нескольких элементов не ведет к катастрофическим последствиям; обеспечивать возможность надежного визуального или инструментального контроля состояния конструкции, позволяющего обнаружить трещины при предполетном осмотре. Однако все эти меры в большинстве случаев ведут к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению эффективности самолета.

Надежное прогнозирование погоды и струйных течений по трассе полета, создание бортовых систем обнаружения турбулентности не только в облачности, но и при ясной погоде позволяют значительно уменьшить вероятность попадания самолета в экстремальные ситуации. Радикально проблема обеспечения безопасности полета в турбулентной атмосфере может быть решена созданием самолетов, геометрия крыла которых изменяется в полете активной системой управления (АСУ). По командам от датчиков параметров движения АСУ автоматически отклоняет различные аэродинамические поверхности самолета для перераспределения, уменьшения или увеличения аэродинамических сил, т.е. непосредственно управляет ими с целью ослабления воздействия турбулентности, улучшения аэродинамических и эксплуатационных характеристик самолета и повышения эффективности его конструкции.

Солнечное излучение и радиационные пояса Земли. Атмосфера Земли подвержена постоянному воздействию излучения Солнца и магнитного поля Земли. Солнечное излучение характеризуется качественными и количественными характеристиками отдельных областей его спектра: рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной, радиоизлуче­ния.

Воздействие солнечного излучения существенным образом влияет на физико-механические характеристики материалов, из которых изготов­лен самолет: растрескиваются лакокрасочные покрытия, защищающие конструкцию от коррозии; теряет упругие свойства резина в различных уплотнениях; ухудшается прозрачность иллюминаторов.

Процессы, происходящие в ионосфере Земли под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, рентгеновского излучения солнечной короны, солнечных корпускулярных потоков и космических лучей, определяют качество радиосвязи. С увеличением высоты полета ЛА возрастает уровень неблагоприятного воздействия этих факторов на экипаж, конструкцию и системы радиоэлектронного оборудования ЛА.

Полет ЛА и в пределах радиационных поясов Земли, и в космическом пространстве требует специальной радиационной защиты экипажа и элементов оборудования. И поскольку существует некоторая неопреде­ленность по параметрам этих неблагоприятных факторов, случайность в их проявлениях (например, при всплесках солнечной активности, которые недостаточно хорошо прогнозируются), степень риска, на который идет проектировщик, существенно возрастает.

Влажность и химический состав воздуха. Пары воды, находящиеся в воздухе, осадки в виде дождя и снега содержат соли, кислоты и щелочи, которые вызывают коррозию элементов конструкции самолета. В результате коррозии тонкостенные элементы конструкции могут быть значительно повреждены, ослаблены и вследствие этого могут разру­шиться под воздействием нагрузки.

Применение в конструкции самолета различных металлов требует специальных эффективных мер защиты от коррозии - нанесения на конструкцию защитных металлических и лакокрасочных пленок. Весьма сложной проблемой является защита от коррозии конструкций гидросамолетов, базирующихся на морских акваториях. Влага, попадая внутрь конструкции самолета, может скапливаться в различных местах, вызывая коррозию конструкции изнутри. Поэтому конструктор должен предусматривать различные мероприятия, препятствующие скоплению влаги внутри конструкции и облегчающие ее удаление из конструкции самолета. Так, например, конструкция фюзеляжа а, показанная на рис. 3.7, способствует коррозии, в то время как конструкция б, изобра­женная здесь же, является в этом отношении более приемлемой.

Озон, образующийся в стратосфере под действием ультрафиолетовой солнечной радиации, является очень сильным окислителем, оказываю­щим неблагоприятное воздействие на металлические и неметаллические конструкционные материалы. При длительных полетах ЛА в стратосфере необходимо решать проблемы обеспечения безопасности экипажа и пассажиров в кабинах, вентилируемых воздухом непосредственно из окружающей среды, так как озон относится к числу веществ, чрезвычай­но токсичных для человеческого организма.

Обледенение. При полете самолета в тропосфере и нижних слоях стратосферы, т.е. в слоях с низкой температурой окружающего воздуха, в условиях повышенной влажности на поверхности самолета образуется слой льда - происходит обледенение. Особенно интенсивно лед образуется на передних кромках крыла, оперения, воздухозаборниках двигателей, остеклении кабин. Если не бороться с этим явлением, слой льда быстро нарастает и на передних кромках крыла и оперения толщина льда может достигнуть 5... 10 см. Отложения льда не только увеличивают массу самолета, но и резко ухудшают обтекание его воздушным потоком, полет становится невозможным. Поэтому в конструкции всех современ­ных самолетов предусмотрены противообледенительные системы, обеспечивающие защиту элементов конструкции от образования льда. Более подробно этот вопрос рассмотрен в подразд. 15.3.

Электрические явления в атмосфере. При полете в результате трения о поверхность самолета воздуха, капель воды, пыли отдельные части самолета заряжаются статическим электричеством. Разность электричес­ких потенциалов между отдельными частями самолета может достигать нескольких тысяч вольт. Если не принять специальных мер, возможны электрический разряд между элементами конструкции и, как следствие, пожар на борту самолета. Кроме того, разность потенциалов отдельных частей приводит к электрохимической коррозии, создает помехи в работе пилотажно-навигационного оборудования. На стоянке самолета и в полете возможно также попадание в него молнии. Проектировщик обязан предусмотреть и эти явления и принять соответствующие меры, обеспечивающие надежную работу конструкции и оборудования.

Биосфера. Проектировщику приходится учитывать и взаимодействие самолета с живыми организмами, населяющими нижнюю часть атмосферы. Микробы, бактерии, насекомые могут наносить существен­ные повреждения деталям самолета, выполненным из неметаллических материалов. Чаще всего эта проблема решается правильным выбором материалов с учетом климатических условий, в которых будет эксплуати­роваться самолет.

Однако есть проблема, которая требует специальных конструкторских мероприятий. Это встреча летящего самолета с птицей. Ежегодно в мире происходят до 2000 столкновений самолетов с птицами. При высокой скорости полета столкновение с птицей может быть эквивалентно удару орудийного снаряда. Форма, конструкция каркаса остекления, само остекление кабины экипажа помимо прочих требований должны удовлетворять и требованию "птицестойкости", т.е. способности самолета выдержать столкновение с птицей без катастрофических повреждений. Необходимо также обеспечивать защиту двигателя самолета от разрушения в случае попадания птицы в воздухозаборник. В зоне аэродрома могут быть предприняты меры для отпугивания птиц. Вне зоны аэродрома вероятность столкновения с птицей достаточно велика. И здесь проектировщик также должен принимать решение в условиях неопределенности: результаты столкновения самолета с ласточкой или орлом будут совершенно различны.

Таким образом, проектировщик должен уметь учитывать множество таких явлений, которые часто очень трудно формализовать (выразить их в виде каких-либо математических зависимостей). Опыт и инженерная интуиция проектировщика, грамотно и тонко проведенный эксперимент позволяют обеспечить надежную работу ЛА в неблагоприятных для него условиях естественной внешней среды.

3. ИСКУССТВЕННАЯ ВНЕШНЯЯ СРЕДА

Высокая эффективность АК и РКК, надежность и безопасность полетов ЛА во многом определяются уровнем технического совершен­ства, характеристиками созданной руками человека искусственной (технической) внешней среды - вспомогательных и подготовительных средств обеспечения полета. Это предопределяет комплексный характер практически одновременного проектирования и собственно ЛА, и наземных средств обеспечения его полета. Тем не менее не исключается такой подход к проектированию комплекса, при котором проектирова­ние ЛА ведется при "замороженных" характеристиках и параметрах искусственной внешней среды, например проектирование самолета или нескольких типов самолетов под имеющиеся службы управления воздушным движением и сеть аэропортов.

3.1. АЭРОПОРТ. ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНАЯ ПОЛОСА

Аэропорт как элемент авиатранспортной системы страны -предприятие, осуществляющее регулярный прием и отправление пассажиров, грузов, почты и обеспечивающее организацию полетов и обслуживание самолетов. Аэродром (от греч. аёг - воздух и dromos - бег, место для бега) - главный элемент аэропорта, это специально подготов­ленный земельный участок, имеющий комплекс сооружений и оборудова­ния, обеспечивающий полеты, хранение и обслуживание самолетов.

Основным элементом аэродрома (рис. 3.8) является летная полоса (ЛП). Число летных полос, их расположение на аэродроме зависят от интенсивности движения, особенностей рельефа местности и режима преобладающих ветров в зоне аэродрома.

По нормам Международной организации гражданской авиации (ИКАО, ICAO - International Civil Aviation Organization), членом которой является наша страна, класс аэродрома определяется длиной L_Bnn, шириной Ввпп и прочностью искусственного (бетон) или

Рис. 3.8. Аэродром

естественного (уплотненный грунт) покрытия взлетно-посадочной полосы (ВПП) /. Таким образом, ВПП является основной частью ЛП.

Боковая полоса безопасности (БПБ) 2 (обычно грунтовая) служит для экстренной уборки с ВПП потерпевшего аварию самолета, для аварийной посадки самолета с невыпущенными взлетно-посадочными устройства­ми (шасси), а также для уборки с ВПП снега.

Концевая полоса безопасности (КПБ) - часть ЛП, расположенная непосредственно за кромкой ВПП, - обеспечивает завершение пробега самолета при прерванном взлете (прекращении взлета в случае возникновения аварийной ситуации), а также при посадке с отказавшим двигателем или тормозной системой.

Рулежные дорожки (РД) 3 служат для движения самолета по территории аэродрома.

Описание позиций 4...6рис. 3.8 приведено в подразд. 3.3.3.

При проектировании самолета заданный класс аэродрома существен¬ным образом влияет на выбор схемы шасси, размеров колес, взлетно-посадочную механизацию крыла, на решение вопроса о необходимости реверса (англ. reverse от лат. reverter- поворачиваю назад), т.е. изменения обычного направления тяги винтов или реактивного двигателя на противоположное.

3.2. НАЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ И ПОДГОТОВКИ САМОЛЕТА К ПОЛЕТУ

Самолет считается подготовленным к полету, если:

•он имеет достаточный для выполнения полета ресурс, т.е. такую суммарную продолжительность функционирования перед данным полетом {наработку) конструкции и всех систем, выраженную в летных часах или числом взлетов-посадок, которая гарантирует завершение предстоящего полета без катастрофических последствий;

•устранены выявленные в предыдущем полете отказы и дефекты, обнаруженные в процессе послеполетного технического обслуживания (ТО) самолета на земле;

•самолет укомплектован всеми расходуемыми в полете материалами (топливом, рабочими жидкостями и газами, продуктами питания и предметами для обслуживания пассажиров).

Общая трудоемкость работ, выполняемых различными специалистами по подготовке самолета к полету, составляет несколько десятков человеко-часов. Существенно уменьшить время подготовки самолета к повторному вылету позволяет применение высокопроизводительных средств механизации работ по ТО. Средства, обеспечивающие ТО, могут быть стационарными или передвижными (смонтированными на специальных машинах). В их состав входят:

•средства буксировки самолета к месту стоянки и крепления самолета на стоянке;

•моечные и уборочные машины для удаления пыли, снега, льда с поверхности самолета, для уборки кабин и промывки санитарных узлов самолета;

•средства защиты и хранения самолета на стоянке (чехлы и заглушки для изоляции от внешней среды), установки для промывки и консервации (от лат. conservatio - сохранение) систем, т.е. заполнения их специальны­ми составами, предотвращающими коррозию при длительном хранении;

•средства, обеспечивающие доступ к различным зонам и агрегатам самолета в процессе обслуживания (подъемники, трапы, стремянки и др.);

•контрольно-диагностические средства для контроля состояния и испытания планера, двигателя и систем самолета;

•ремонтные средства для оперативного устранения неисправностей в процессе ТО;

• монтажные и подъемно-транспортные средства (подъемники, домкраты и другое оборудование) для демонтажа и монтажа отдельных агрегатов и оборудования;

•средства заправки систем рабочими жидкостями, газами и горюче-смазочными материала­ми (ГСМ);

•теплотехнические средства, обеспечивающие подогрев авиа­двигателей и кондиционирова­ние кабин самолетов;

•источники энергии, обеспе­чивающие в процессе контроля и испытаний работу систем са­молета и запуск двигателя.

Набор средств, используемых при ТО, определяется объемом работ, которые необходимо в данный момент провести на самолете и его системах для под­держания надежности самолета и обеспечения очередного поле­та.

Рис. 3.9. Наземные средства подготовки самоле­та к полету

Заправка самолета расходуе­мыми материалами производит­ся чаще всего с помощью различ­ных специализированных машин аэродромного обслуживания. Поэтому необходимо предусмот­реть такое расположение эксплу­атационных люков, точек за­правки и подключения наземных средств технического обслуживания на самолете, чтобы обеспечить одновременное обслуживание самолета при подготовке его к повторному вылету (рис. 3.9) топливозаправщиком 1; машиной 2 для слива отходов из сливного бака санузла, его промывки и заправки химжидкостью; электроагрегатом 3 питания бортовых электросетей постоянного и переменного тока; агрегатом 4 запуска двигателей; машиной 5 заправки маслом маслобаков двигателей; машиной 6, обеспечивающей проверку и заправку гидросистемы; воздушным подогревателем двигателей 7; машиной 8, обеспечивающей мойку самолета, заправку водой и кондиционирование кабины. Машины должны располагаться вне опасной для обслуживающего персонала зоны высокочастотного облучения 9 при наземном опробовании радиолокационной станции (РЛС) самолета.

3.3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕГУЛЯРНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ

Статистика показывает, что авиационный транспорт является самым безопасным видом транспорта (в настоящее время фиксируется в среднем гибель одного человека на объеме перевозок 10⁹ пассажиро-километров). Тем не менее обеспечение регулярности и безопасности полетов является одной из основных задач, постоянно стоящих перед коллективом проектировщиков.

Большинство аварий с самолетами происходит в районе аэропорта. Это объясняется сложностью пилотирования на режимах взлета и посадки, большой интенсивностью воздушного движения и возможными неблагоприятными погодными условиями в районе аэропорта.

Для работы на аэродромах, для управления полетами ночью и в сложных метеорологических условиях аэропорты оборудованы радиотехническими и светотехническими средствами (см. рис. 3.8).

Система цветных посадочных огней 4, снабженная мощными светильниками, позволяет летчику хорошо ориентироваться на заключительном этапе посадки и при взлете.

Точность захода на посадку обеспечивается взаимодействием бортового радиотехнического и пилотажно-навигационного оборудова­ния с наземными радиотехническими средствами. Пересечение узконап­равленных зон излучения 5 и 6 курсового и глиссадного радиомаяков формирует необходимую траекторию снижения при посадке - глиссаду (франц. glissade — скольжение). Дальний и ближний приводные радиомаяки (ДПРМ и БПРМ) создают узконаправленные зоны излучения в вертикальной плоскости и совместно с курсовым и глиссадным радиомаяками позволяют точно выйти на ось ВПП и проконтролировать точность выдерживания высоты при снижении по глиссаде.

Комплекс наземной и бортовой аппаратуры, обеспечивающий летчика или бортовую систему автоматизированного управления информацией, необходимой для управления самолетом на этапе посадки, называется системой всепогодной посадки (СВП) или оборудованием слепой посадки (ОСП).

Функционально объединяя бортовую аппаратуру СВП с органами управления самолета, можно обеспечить автоматическую посадку -пилотирование самолета по глиссаде до определенной высоты без участия летчика. В зависимости от высоты, на которой управление передается летчику, системы автоматической посадки подразделяются на категории I, II, ША, ШВ, IIIC в порядке возрастания возможностей системы. Система категории I позволяет безопасно осуществлять полеты при высоте облаков 60 м и горизонтальной видимости в районе аэропорта более 800 м, категории ША - при высоте облаков около 15 м и горизонтальной видимости не менее 200 м, что позволяет обеспечить безопасные и регулярные полеты по расписанию примерно для 98 % рейсов.

Многообразие задач, решаемых с помощью авиации, привело к тому, что в воздушном пространстве одновременно находится множество ЛА, принадлежащих различным ведомствам. Это значительно осложняет обстановку не только в районе аэропорта, но и по всей трассе движения.

В организационном плане безопасность на всех этапах полета обеспечивается вневедомственной службой управления воздушным движением (УВД), которая планирует, координирует, непосредственно управляет воздушным движением и контролирует его.

В техническом плане безопасность полетов обеспечивается эшелониро­ванием (от франц. echelon - ступенька; объект или группа, расположенная в глубину или уступом по отношению к предыдущей) - вертикальным, продольным и боковым распределением ЛА в воздушном пространстве.

Множество одновременно летящих ЛА - это сложная динамическая система, управление которой возможно только при наличии информации о всех компонентах этой системы и оперативном обмене этой информаци­ей между наземными службами УВД и экипажами ЛА. Наземное и бортовое радионавигационное, радиолокационное и радиосвязное оборудование с необходимыми средствами отображения информации и ее обработки позволяет на земле и на борту ЛА получать информацию о метеорологической обстановке и воздушном движении, предупреждать экипаж о наличии опасных метеообразований и встречных ЛА по курсу движения и предпринимать меры, обеспечивающие высокий уровень регулярности и безопасности полетов. Естественно, что это требует установки на борту ЛА тяжелого, крупногабаритного, сложного, энергоемкого и дорогого оборудования.

Проектировщик, формируя состав оборудования на борту пассажир­ского самолета, должен выбрать оптимальное соотношение между планируемой частотой,т.е. регулярностью, рейсов (доходами авиакомпа­нии) и составом пилотажно-навигационного оборудования (затратами на него) при условии обеспечения безопасности полета.

3.4. СТАРТОВЫЙ РАКЕТНЫЙ КОМПЛЕКС

Особенностью обеспечения полетов ЛА с помощью ракет-носителей (РН) является то, что на стартовый ракетный комплекс космодрома (рис. 3.10) с завода-изготовителя ракета-носитель доставляется отдельными блоками (модулями), поскольку полностью собранную РН доставить к месту старта невозможно ни одним из существующих видов транспорта.

Поэтому в отличие от аэродрома, где ведется фактически только предполетное обслуживание самолетов, стартовый ракетный комплекс должен обеспечивать следующие виды работ по подготовке к старту:

•проведение в монтажно-испытательном корпусе (МИК) сборки, монтажа, регулировки РН и ЛА и контрольно-проверочных работ по каждому из объектов, стыковки РН и ЛА и контрольно-проверочных работ на состыкованном комплексе РН - ЛА. Возможны горизонтальная (МИК 5) и вертикальная сборка (МИК 6, который, естественно, имеет существенно большую, чем у МИК 5, высоту);

•доставку по железнодорожным (или бетонированным автодорож­ным) подъездным путям 4 с помощью транспортера-установщика комплекса РН - ЛА 13 на стартовую позицию 1 и его установку в вертикальном положении на пусковом столе 12 стартового комплекса, под которым для отвода газов после включения двигательных установок ракеты находится газоотводный канал (лоток) 14 с газоотражателем 15. Вертикальная сборка может производиться в МИКе на передвижном пусковом столе либо непосредственно на стартовой позиции;

•предполетное обслуживание комплекса, выполняемое с рабочих площадок башни обслуживания 11, установленной вплотную к комплексу РН - ЛА на пусковом столе и обеспечивающей доступ практически к любому узлу комплекса;

•подсоединение разъемов электрожгутов подачи электроэнергии, наземных систем автоматизированного контроля и управления стартом к бортовым разъемам комплекса РН - ЛА с помощью специальных кабель-мачт 16, которые автоматически отсоединяются перед стартом;

•заправку комплекса топливом (горючим и окислителем) с помощью заправочных кабель-мачт 17. При использовании криогенного (от греч. kryos - холод, мороз, лед и genes - рождающий, рожденный) топлива -жидкого водорода и жидкого кислорода - на стартовом ракетном комплексе необходим завод 2 по производству этих компонентов. Подземные коммуникации, системы заправки и хранения компонентов топлива 10 обеспечивают их подачу на стартовую позицию;

•с помощью системы единого времени, связывающей все службы стартового ракетного комплекса, обеспечивать синхронизацию всех работ, необходимую для успешного старта;

•с помощью радиолокационных и других наземных систем слежения и управления полетом 7, 8, 9 с командного пункта 3 осуществлять контроль и корректировку параметров комплекса на начальном (активном) участке полета.

Для обеспечения полетов многоразовых воздушно-космических самолетов стартовый комплекс должен иметь аэродром, оборудованный всеми необходимыми системами.

Четкое и качественное проведение работ на стартовом ракетном комплексе является залогом успешного выполнения полета.

3.5. РЕШЕНИЕ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ЗАДАЧ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ПО ПАРАМЕТРАМ ИСКУССТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Проектируя ЛА на длительный период эксплуатации, необходимо, как уже отмечалось, прогнозировать изменения внешней среды. Однако попытки их прогнозирования даже на десятилетие вперед сталкиваются с многочисленными неопределенностями, порождаемыми непрерывным изменением политической, военной, экономической обстановки, рез­кими скачками развития авиационной техники, что, естественно, отражается на эффективности разрабатываемого ЛА.

Неопределенность при проектировании проявляется как незнание некоторых количественных параметров искусственной внешней среды, однако неопределенность такого рода может быть раскрыта в процессе проектирования. Так, оценивая эффективность пассажирского самолета, можно увязать предполагаемую регулярность рейсов с долгосрочными планами строительства новых аэродромов и оснащения существующих аэродромов системами всепогодной посадки. Это обстоятельство ориентирует проектировщиков на создание устойчиво эффективных ЛА, т.е. таких, которые в значительной мере инвариантны (от лат. invariantos - неизменяющийся) по отношению к изменяющимся в определенном диапазоне параметрам искусственной среды.

Проявлением неопределенности другого рода является незнание важнейших качественных характеристик внешней среды, в которой приходится выполнять задачу. Смысл такой задачи может быть сформулирован в самых общих чертах, например как "завоевание превосходства в воздухе". Особенно ярко неопределенность такого рода проявляется при проектировании военных самолетов, когда можно только предполагать, какому, например, уровню развития боевой техники, стратегии или какой тактике предполагаемого противника придется противостоять в будущем. Это обстоятельство ориентирует проектировщиков на принятие концепций и конструктивно-компоно­вочных решений, позволяющих при необходимости расширить целевую направленность ЛА, обеспечить гибкое реагирование на изменение внешней искусственной среды в целях поддержания высокой эффектив­ности ЛА в течение длительного периода эксплуатации.

Успешному решению проектно-конструкторских задач в условиях неопределенности по параметрам искусственной внешней среды способствуют следующие мероприятия.

При разработке ТЗ необходимо, насколько это возможно, учитывать изменения обстановки в будущем и возможность расширения роли ЛА в процессе эксплуатации, например предусмотреть использование пассажирского самолета в транспортном, санитарном вариантах и т.д. ТЗ должно давать проектировщикам "свободу выбора", в противном случае будет создан ЛА, оптимизированный для слишком узкой роли.

При создании ЛА должны быть по возможности использованы новейшие достижения науки и техники, благодаря чему несколько отдаляется моральное старение ЛА.

В процессе проектирования необходимо обеспечить запас возможнос­тей основной конструкции и "податливость" ее по отношению к модернизации путем изменения конструкции планера, увеличения мощности двигателей или их замены, применения нового оборудования. Опыт развития авиации показывает, что этот запас обязательно расходуется в процессе эксплуатации, что позволяет "отслеживать" изменения внешней среды.

Система проектирования, ориентированная на совместную (парал­лельную) разработку планера, двигателя, систем ЛА, приводит к созданию авиационного комплекса, оптимального для выполнения какого-либо конкретного задания, которое может измениться еще в процессе производства или в начальный период эксплуатации ЛА. Поскольку циклы проектирования ЛА, двигателя, различных систем не совпадают, разработку всех перспективных компонентов ЛА можно вести в виде относительно автономных конструктивно законченных блоков (модулей) по собственным программам, а не в качестве элементов конкретного проекта. Создание широкого спектра таких компонентов (двигателей, элементов оборудования и систем), которые могут быть использованы в ЛА различного назначения, позволит проектировщикам, ведущим разработку ЛА, внедрить в практику проектирования модульный принцип построения такой сложной технической системы, какой является ЛА. Смена модулей ЛА, замена устаревших более совершенными, позволит четко реагировать на непредвиденные изменения внешней среды и длительное время поддерживать в соотве­тствии с текущими требованиями высокую эффективность авиационного комплекса. Естественно, что в такой ситуации все возрастающее значение приобретает взаимодействие различных специалистов, участвующих в разработке ЛА.