Международная стандартная атмосфера (МСА)

Рис. 3.5. Параметры МСА

Необходимость сравнения результатов летных испытаний ЛА в различных условиях привела к созданию математической модели условной атмосферы. В соответствии с этой моделью по высоте атмосфера делится на несколько слоев, внутри которых температура изменяется по определенному закону, довольно близко совпадающему со среднегодовыми значениями на средних широтах в летнее время (рис. 3.5). Это тропосфера (от греч. tropos – поворот, изменение), стратосфера (от лат. stratum – слой), мезосфера (от греч. mesos – средний, промежуточный), термосфера (от греч. – теплота, жар), экзосфера (от греч. – 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. Единая для всех государств международная стандартная атмосфера – условная атмосфера, в которой распределение давления по высоте в поле силы тяжести получается при определенных предположениях о распределении температуры по вертикали из барометрической формулы

где

В МСА за начало отсчета высоты принят уровень Мирового океана при следующих нормальных условиях: ускорение свободного падения g₀=9,807 м/с²; давление p₀=101325Па (760 мм рт. ст.); плотность r₀=1,2257 кг/м³ ; температура T₀=288 К

(t₀ =15°C); скорость звука a₀ = 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 вертолеты и самолеты, приведены на рис. 3.6.
Здесь же приведены данные о распределении среднегодовых значений температуры t(H)_max и t(H)_min.
В первом приближении для тропосферы (H = 0 ÷11 км) можно считать

Рис. 3.6. Параметры МСА для малых высот

где

В стратосфере (до высоты 20 км) в первом приближении

где

Все расчеты при проектировании ЛА проводятся для условий МСА, что позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА, проводимых в различных климатических поясах, путем пересчета результатов испытаний на параметры международной стандартной атмосферы, «поместив» все ЛА в одинаковые условия – условия МСА.

3.2.3. 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 ЛТХ в полном диапазоне высот и скоростей, оговоренных 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 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 не на экстремальные, а на наиболее вероятные уровни неблагоприятного воздействия.
Тем не менее проектировщик с самого начала 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 давления в отдельных точках вызывает движение воздуха – ветер. Движение атмосферы поддерживается неравномерным ее нагревом солнечным излучением и имеет случайный характер. В тропосфере происходит очень интенсивное вертикальное перемешивание воздуха, с вертикальными скоростями 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, представляющие собой ураганный ветер со скоростями 10–30 м/с. 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 определяет колебательный характер траектории (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: предусмотреть различные меры, повышающие усталостную прочность конструкции; создавать безопасно повреждаемые конструкции, в которых разрушение одного или нескольких элементов не ведет к катастрофическим последствиям; обеспечить 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 характеризуют качественные и количественные характеристики отдельных областей его спектра: рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной, радиоизлучения.
Воздействие солнечных лучей 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 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. В воздухе всегда находится определенное количество водяного пара. Пары воды, осадки в виде дождя и снега содержат частицы солей из водяных брызг с поверхности морей и океанов, растворы солей, кислот и щелочей из продуктов работы промышленных предприятий, которые вызывают коррозию элементов конструкции самолета. В результате коррозии тонкостенные элементы конструкции могут быть значительно повреждены, ослаблены и 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 конструкции гидросамолетов, базирующихся на морских акваториях. Влага, попадая внутрь конструкции самолета на стоянке через открытые двери, люки, 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, показанная на рис. 3.7.а, способствует коррозии, в то время как конструкция, изображенная на рис. 3.7,б, является в этом отношении более приемлемой.

Рис. 3.7. К объяснению явления коррозии конструкции.

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 могут возникнуть 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 образуется слой льда на поверхности самолета – происходит обледенение. Особенно интенсивно образуется лед на передних кромках крыла, оперения, воздухозаборниках двигателей, остеклении кабин. Если не бороться с этим явлением, лед быстро нарастает и на передних кромках крыла и оперения толщина льда может достигать 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 разделе 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, возможен 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. Возможно также попадание молнии в самолет на стоянке и в полете. 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. Эта проблема – встреча летящего самолета с птицей. Ежегодно в мире происходит до двух тысяч столкновений самолета 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 обеспечить защиту двигателя самолета от разрушения в случае попадания птицы в воздухозаборник. В зоне аэродрома могут быть предприняты меры, отпугивающие 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.