Дальность и продолжительность полёта

Дальность полета (L) — это расстояние, измеренное по земной поверхности, которое пролетает самолет по маршруту от места взлета до места посадки .

Продолжительность полета (T) — это время пребывания самолета в воздухе от момента отрыва до момента приземления самолета.

Дальность и продолжительность полета определяются для полета в целом. Полет рассматривается как последовательность типовых этапов – взлет, набор высоты, крейсерский полет, снижение, заход на посадку и посадка. Из перечисленных этапов 85…95% составляет крейсерский полет.

Для расчета дальности и продолжительности полета необходимо задать маршрут и определить профиль полета. Профили полета бывают:

а) полет на заданной высоте;

б) полет ”по потолкам”.

Рис. 4.15 Профиль полета на дальность

Дальность полета включает в себя следующие составляющие:

L = L_наб + L_кс + _Lсн

В аэродинамике различают техническую и практическую дальность полета.

Под технической дальностью понимают расстояние по горизонтали, которое должен пролететь самолет
в условиях полного безветрия при израсходовании всего запаса топлива за исключением невырабатываемого остатка.

Невырабатываемый остаток — это то топливо, которое по какой-то причине не может быть выкачено из бака для подачи его в камеру сгорания двигателя.

Практической дальностью называется расстояние по горизонтали, которое пролетает самолет в условиях полного безветрия при израсходовании располагаемого запаса топлива.

Под располагаемым запасом топлива понимают все топливо за исключением невыработанного остатка и гарантийного запаса топлива.

G_расп = G_т – G_гар – G_нев

Гарантийный запас предусматривается на тот случай, когда нужно обойти грозовую облачность, горы, вторично зайти на посадку и т. д.

G_гар = (0,07…0,1) G_т

Дальность и продолжительность полета определяются по следующим формулам:

L = ; Т =

q — километровый расход топлива, т.е. количество топлива, расходуемое на 1км пути.

q — часовой расход топлива, т.е. топливо, расходуемое за 1ч пути.

Простота этих формул кажущаяся, т.к. расходы топлива зависят от удельного расхода топлива, изменяемого в полете веса самолета, качества самолета К
и скорости полета.

Часовой расход топлива q определяется по формуле:

q = СеP= Се ;

где С_е – удельный расход топлива; Р = – тяга, необходимая для выполнения горизонтального полета;

G_ср – полетный (средний) вес самолета.

G_ср =

где — взлетный вес самолета; — посадочный вес.

Километровый расход определяется по формуле:

= .

Тогда формулы для определения дальности и продолжительности примут вид:

L = T= .

Для самолетов с ТВД характеристикой силовой установки является мощность, а не тяга:

N=P V

Для ТВД часовой и километровый расходы топлива определятся по формулам:

Поэтому формулы для определения дальности и продолжительности полета самолетов с турбовинтовыми двигателями преобразуются в следующий вид:

L= T=

Важными характеристиками самолета являются максимальные дальность и продолжительность полета.

Определим режимы максимальной дальности и продолжительности, анализируя формулы для определения L и T.

Наибольшую продолжительность реактивный самолет будет иметь при наивыгоднейшей скорости Vнв, так как при угле атаки α_нв, при полете на котором обеспечивается эта скорость, аэродинамическое качество самолета максимально.

T_max=

.

Максимальная продолжительность самолета с ТВД будет обеспечиваться при минимальной мощности,
т. е. на экономической скорости полета. В этом случае

T_max=

Максимальная дальность имеет место на режиме полета, при котором величина имеет максимальное значение.

Расчеты показывают, что максимальное значение этой величины обеспечивается на крейсерскойскорости, которая несколько выше наивыгоднейшей.

Наивыгоднейшая высота при полете на дальность лежит несколько ниже практического потолка самолета. Так как практический потолок по мере выгорания топлива все время возрастает, то для выдерживания оптимального режима при полете на максимальную дальность нужно постепенно увеличивать высоту. Такой режим называют «полетом по потолкам» (рис. 4.15)

При попутном ветре дальность полета увеличивается, при встречном – уменьшается.

Вопросы для повторения

1. Какие признаки имеет установившееся движение самолета?

2. Каким образом уравновешиваются силы, действующие на самолет в горизонтальном полете?

3. От каких факторов зависит потребная для горизонтального полета скорость? Чем опасен полет при ?

4. При каком угле атаки тяга, потребная для горизонтального полета, минимальная? Подтвердите свое мнение формулой.

5. Что называется избытком силы тяги?

6. Как изменяются угол атаки и избыток силы тяги, если при постоянном режиме работы двигателя скорость полета увеличивается от до ?

7. Что называется избытком мощности? Зависит ли он от избытка силы тяги?

8. Какое влияние оказывает избыток тяги (или избыток мощности) на режим полета?

9. Как влияет масса самолета на потребную скорость и потребную силу тяги?

10. Как влияет масса самолета на продолжительность и дальность полета?

11. Чем различаются первый и второй режимы горизонтального полета?

12. Как влияет высота полета на избыток силы тяги ΔP, избыток мощности ΔN, минимальную скорость и диапазон скоростей горизонтального полета ΔV?

13. Каким образом уравновешивается силы при режиме подъема?

14. Для какого полета — горизонтального или подъема — нужна большая скорость?

15. В каком полете необходима большая подъемная сила? Почему?

16. Что называется вертикальной скоростью самолета при подъеме? За счет чего она создается?

17. Как влияет высота полета на вертикальную скорость?

18. Какое различие в понятиях теоретического, практического и динамического потолка?

19. Чем различаются первый и второй режимы подъема? Где граница этих режимов?

20. Когда используется режим снижения с работающими двигателями? Почему?

21. Каким образом уравновешиваются силы, действующие на самолет при планировании?

22. Какие факторы влияют на скорость планирования?

23. Какие факторы влияют на дальность планирования?

24. Когда самолет имеет наибольшую дальность планирования?

25. Чем характерны особые режимы планирования: парашютные, ответственное пикирование?

26. Чем различаются первый и второй режимы планирования, где граница между ними?

27. Как обеспечить условие H=const в горизонтальном полете?

28. Как обеспечивается условие 0=const при наборе высоты и при планировании?

29. Как обеспечивается условие V=const в горизонтальном полете, при наборе высоты, планировании?

30. Как и почему изменяются избыток тяги и максимальная скорость горизонтального полета при увеличении массы самолета?

31. Назовите факторы, влияющие на продолжительность и дальность полета.

32. Как и почему изменится ΔP; ΔN; ΔV при увеличении высоты полета?

33. Как направлен вектор подъемной силы в горизонтальном полете, при наборе высоты, планировании?

34. Как уравновешиваются силы, действующие на самолет при наборе высоты?

35. Как следует изменить угол атаки и угол наклона траектории, чтобы при неизменном режиме работы двигателей обеспечить разгон самолета при наборе высоты?

36. При какой из перечисленных ниже скоростей полета набор высоты невозможен, при ; ; ; ? Почему?

37. Что называется перегрузкой самолета?

38. Когда возникают перегрузки и почему?

39. Как создается неуравновешенная сила, необходимая для выполнения виража?

40. Запишите формулу коэффициента перегрузки при вираже.

41. Как можно уменьшить радиус виража? Докажите формулой.

42. Почему для выполнения правильного виража подъемная сила должна стать больше веса самолета? Что для этого делается?

43. Влияет ли высота полета на радиус виража? Докажите.

Глава 5. Неустановившееся
движение самолета

Движение самолета считается неустановившимся, если на него действуют неуравновешенные силы, вызывающие изменение скорости по величине и направлению. Оно связано с реализацией различных траекторий полета самолета, которые определяются техническим заданием на проектирование (ТЗ). Наиболее сложные траектории реализуют самолеты, спроектированные и построенные специально для занятий авиационным спортом.

На рисунке 5.1. показан комплекс фигур высшего пилотажа самолета для воздушной акробатики

.

Рис. 5.1. Комплекс фигур высшего пилотажа

На траектории полета показаны следующие фигуры высшего пилотажа:

1 – управляемая горизонтальная бочка;

2 – три четверти петли с полуоборотами на нисходящих под углом 45 линиях;

3 –переворот на горке;

4 – петля Нестерова;

5 – полупетля;

6 – один виток штопора;

7 – восьмерка с полуоборотами на нисходящих под углом 45 линиях;

8 – поворот на вертикали;

9 – восходящая управляемая бочка под углом 45 ;

10 – переворот;

11 — восьмерка с полубочкой на восходящих под углом 45 линиях;

12 – полубочка на восходящей вертикальной линии;

13 – фиксированная бочка на горизонтальной линии;

14 – одна четверть бочки на восходящей и нисходящей вертикальных линиях.

В ТЗ для самолетов различного назначения различна и так называемая «номенклатура режимов полета», однако для всех самолетов общими режимами являются режимы взлета и посадки.

Взлет и посадка являются наиболее ответственными и напряженными этапами полета самолета. К их характеристикам предъявляются жесткие требования по условиям безопасности, а схема выполнения обычно жестко регламентирована (НЛГС – 2). Скорости, дистанции, характеризующие маневры взлета и посадки, определяют возможность эксплуатации самолета с того или иного аэродрома. Рассмотрим взлет и посадку самолета.

Взлет самолета

Траектория полной взлетной дистанции самолета представлена на рис. 5.2.

Собственно взлет — это ускоренное движение самолета с момента старта до момента

одновременного дос­тижения регламентируемых значений высоты H_без и скорости V_без, обеспечивающих безопасность взлета.

Безопасной высотой по международным нормам считается высота Н_без=10,7 м (НЛГС–2).

Рис. 5.2 Траектория взлета

Безопасной скоростью является скорость, на которой самолет обладает устойчивостью и управляемостью и может перейти к следующему этапу – начальному набору высоты.

Для самолетов применяют две схемы взлета (рис. 5.3):

· классическую для самолетов с поршневыми двигателями, при которой выдерживание производится на постоянной высоте;

· нормальную для самолетов с ТРД и ТВД, имеющих большой избыток тяги, при которой выдерживание не выполняется, а самолет сразу после отрыва производит разгон с набором высоты.

Взлет современных самолетов совершается по нормальной схеме. Практически весь разбег совершается на трех опорах при стояночном угле атаки α_ст. По достижении скорости подрыва носового колеса плавным движением щтурвала на себя пилот поднимает колеса передней опоры над ВПП и без выдерживания выводит самолет на взлетный угол атаки. Разница в скоростях подъема колес передней опоры и отрыва не превышает 15…20 км/час.

Рис. 5.3. Схемы взлета самолета: а) классическая; б) нормальная

При движении по ВПП кроме известной системы сил, действующих на самолет в полете, на него действуют силы реакции опор N и силы трения F (рис. 5.4).

Результирующая сила реакции опор N самолета зависит от соотношения между силой тяжести самолета G и подъемной силой Y :

N= Y — G.

При увеличении скорости движения по ВПП подъемная сила растет, а сила реакции опор уменьшается. При равенстве Y = G сила реакции опор становится равной нулю.

Результирующая силы трения колес зависит от коэффициента трения качения f и силы реакции опор:

F = fN.

Коэффициент f зависит от материала покрытия ВПП, ее состояния, метеоусловий, давления в пневматиках и т. д.

Рис. 5.4. Схема сил, действующих на самолет при разбеге:
а) реальная; б) приведенная к центру масс

Обычная методика взлета такова. На старте выпускается во взлетное положение механизация крыла. Получив разрешение на взлет, летчик переводит двигатели на взлетный режим, отпускает колесные тормоза и самолет начинает ускоренное движение по взлетной полосе в стояночном положении при . После достижения скорости подрыва носового колеса V_п.ст, при которой рули становятся достаточно эффективными, производится плавный подъем передней стойки шасси с увеличением угла атаки до . На скорости V_отр подъемная сила уравновешивает силу тяжести самолета и происходит его отрыв от поверхности ВПП. Далее самолет переводится в набор высоты с разгоном от скорости отрыва V_отр до безопасной скорости полета V_без на безопасной высоте H_без.

Таким образом, для современного самолета взлет состоит из следующих этапов:

1) разбег;

2) отрыв от поверхности ВПП;

З) набор высоты с разгоном до безопасной скорости полета.

Разбег — это ускоренное движение самолета по земле до скорости отрыва. Этот этап необходим для создания подъемной силы, способной оторвать самолет от земли.

Путь, проходимый самолетом от начала старта до скорости отрыва, называется длиной разбега. Она опреде­ляет размер ВПП. Приближенно длину разбега можно определить по формуле:

L = ;

где — стартовая тяговооруженность ;

f – коэффициент трения на разбеге;

j — среднее ускорение на разбеге.

Длина разбега самолетов с ТВД определяется по формуле

L_разб= .

Для уменьшения длины разбега применяют взлетно-посадочную механи­зацию, реактивные ускорители взлета, форсаж двигателей.

В конце разбега самолет достигает скорости отрыва V_отр, при которой можно безопасно оторвать самолет от земли и продолжать взлет.

Отрывом называется отделение самолета от земли.

Скорость отрыва определяется по формуле:

,

где Су — коэффициент подъемной силы, соответствующий углу атаки

; по статистике =9…11 .

Набор высоты представляет собой ускоренное прямолинейное дви­жение самолета вверх по наклонной
к горизонту траектории.

Взлет считается завершенным, когда са­молет на высоте 10,7м над уровнем ВПП разгонится до безопасной скорости.

V_без=1,2 V_св,

где V_св – минимальная скорость, соответствующая полету на угле атаки α_кр, для взлетной конфигурации самолета (т.е. с выпущенной во взлетное положение механизацией крыла).

V_св=

Расстояние по горизонтали, проходимое самолетом за время на­бора безопасной высоты, определяется по формуле:

L =

Суммарный путь, пройденный самолетом с момента старта до набо­ра безопасной высоты, называется взлетной дистанцией.

L_{взл.дист}. = L_разб+L_наб

За взлетом следует начальный набор высоты до H=400 м со скоростью не менее V_без, в ходе которого убирается шасси, переводится в основное полетное положение механизация. На высоте H=400 м скорость достигает значения 1,25 V_без.

При подсчете полной взлетной дистанции L_полн. _взл учитывается также дальность начального набора высоты до H=400 м.

Посадка самолета

Посадкой называется замедленное движение самолета, включающее в себе снижение с безопасной высоты полета, соприкосновение с землей и пробег по земле до полной остановки.

Заход на посадку (рис. 5.3) начинается с входа на высоте H=400 м в глиссаду. Снижение по глиссаде (участок 1 на траектории) идет со скоростью захода на посадку V_з.п. Управление при заходе на посадку происходит по радиосигналам ближнего приводного радиомаяка (БПРМ) и глиссадного радиомаяка (ГРМ)
и обеспечивает выход самолета к кромке ВПП на безопасной высоте посадки H_без=15 м.

Рис.5.5.Траектория посадки

При заходе на посадку на высоте 300-400 м выпускается шасси, а на высоте 150-200 м закрылки.

Собственно посадка начинается на высоте 15 м, которая по нормативным документам является безопасной высотой посадки.

Рис.5.6. Схемы посадки

Во избежание срыва потока и перехода в область закритических углов атаки скорость самолета в момент достижения высоты 15 м должна быть на 25…30% больше скорости V_min c учетом выпущенной в посадочное положение механизации:

V_{без пос} =1,25…1,3

Посадка включает в себя следующие этапы:

1. Снижение.

2. Выравнивание.

3. Выдерживание.

4. Парашютирование

5. Пробег.

Препосадочное снижение самолета не является чистым планированием. Для обеспечения ухода самолета на 2-ой круг снижение выполняется с работающими двигателями. Заканчивается снижение нa высоте 6…10 м. Длина участка снижения определяется по формуле:

L_сн = H_без К,

где К – аэродинамическое качество.

Как видно из формулы, для уменьшения участка снижения L_сн аэродинамическое качество самолета необходимо уменьшать. Но при этом надо помнить, что при уменьшении К планирование самолета становится более крутым (θ_пл=arc tg ).

Выравнивание — криволинейный участок посадки, на котором угол наклона траектории θ и вертикальная скорость Vy уменьшаются до нуля. Заканчивается он на высоте 1-0,5 м над землей. Для выравнивания самолета пилот отклоняет ручку штурвала на себя, увеличивая угол атаки. Подъемная сила становится больше составляющей веса mgcos , что заставляет самолет двигаться криволинейно.

Горизонтальный участок выравнивания сравнительно невелик и может не учиты­ваться при определении посадочной дистанции.

Выдерживание — практически горизонтальный участок посадки, предназначенный для уменьшения скорости до V_пос. На этом участке для поддерживания равенства летчик постепенно увеличивает угол атаки, доводя его до .

Длина выдерживания определяется по следующей формуле:

Lвыд =

Достигнув посадочной скорости V_пос, летчик прекращает уве­личение угла атаки, подъемная сила становится меньше веса и самолет парашютирует на землю. Участок парашютирования очень мал и в расчет при определении посадочной дистанции не берется.

Пробег — это замедленное движение самолета по земле до полной остановки. Он является заключительным этапом посадки. После касания земли самолет совершает про­бег на главных колёсах, после чего плавно опускается на переднее колесо и приступает
к торможению основных ко­лёс.

На самолетах с ТРД применяют реверс тяги боковых двигателей, который эффективен в нача­ле пробега. Длина пробега определяется по формуле,

’

где f=0,25— коэффициент трения.

Посадочная скорость – скорость самолета в момент касания земли – определяется по формуле:

,

где С_Y — коэффициент подъемной силы, соответствующий углу атаки .

Для современных самолетов или на 2…3 меньше.

Для уменьшения длины пробега применяются: посадочная меха­низация, колесные тормоза, реверс тяги.

Посадочной дистанцией называется расстояние по горизонтали, которое проходит самолет от точки, соответствующей безопасной высоте посадки Н_без=15м, до полной остановки.

Длиной посадочной дистанции является сумма участков снижения (планирования), выдерживания
и пробега:

L_{пос дист}= L_пл+L_выд+L_проб

По статистике длина посадочной дистанции колеблется в пределах.

L_{пос дист} = (1,2…2,5) L_проб

В настоящее время для транспортных самолетов приняты две схемы посадки (рис. 5.4).

По первой схеме (сплошная линия) самолет до высоты выравнивания снижается прямолинейно с V = V_з.п. =const. На криволинейном участке выравнивания скорость самолета гасится до V_выд с уменьшением вертикальной скорости снижения практически до нуля. Траектория выравнивания как бы сопрягает глиссаду с траекотрией, почти параллельной поверхности ВПП. Выравнивание завершается на высоте Н_выд, с которой начинается этап выдерживания. На этом этапе скорость уменьшается до V_пос и самолет совершает приземление и пробег.

.

По второй схеме ( пунктирная линия) самолет с высоты Н_пос движется по криволинейной траектории,
сопрягающей глиссаду снижения с линией, параллельной поверхности ВПП, с постепенным увеличением угла атаки, уменьшением высоты и скорости
полета до V_пос. Снижение завершается касанием
колес главных опор ВПП и последующим пробегом. Такая схема посадки характерна для самолетов, выполняющих посадку в полуавтоматическом и автоматическом режимах.

Вопросы для повторения

1. Какое движение самолета называется неустановившимся?

2. Что понимается под полным взлетом самолета?

3. Какие этапы включает в себя собственно взлет?

4. Чем отличается взлет реактивных самолетов от взлета поршневых? С чем это связано?

5. Чему равна безопасная высота взлета?

6. От каких факторов зависит скорость отрыва?

7. Как влияет масса самолета на его взлетные характеристики?

8. На какой высоте при взлете убираются шасси?

9. Что делается для уменьшения длины разбега?

10. Какие этапы включает в себя собственно посадка?

11. Почему не разрешается посадка самолета с выключенными двигателями?

12. Для чего при посадке необходим участок выдерживания?

13. Какие факторы влияют на величину посадочной скорости?

14. Что делается для уменьшения длины пробега?

15. Как изменяются силы, действующие на самолет в процессе разбега?

16. Как поведет себя самолет, если при планировании запустить двигатели? Почему?

17. Создается ли перезагрузка при взлете и при посадке? На каких стадиях?

18. Как изменяется движение самолета, если в горизонтальном полете возникает крен? Как можно сохранить высоту полета?

19. Какое движение будет совершать самолет, если при выполнение режима горизонтального полета произойдет отказ двигателя, расположенного в фюзеляже?

Раздел 3. УСТОЙЧИВОСТЬ
И УПРАВЛЯЕМОСТЬ САМОЛЕТА