Аэродинамика самолета В-737

 

Важно: На скользкой ВПП система автоматического торможения может не справиться с выдерживанием заданного темпа торможения, поэтому посадочную дистанцию следует рассчитывать на основании данных в QRH в разделе Performance Inflight!

 

При выполнении посадки самолёта очень важной характеристикой самолёта является расстояние от глаз лётчика до линии колёс основных стоек шасси.

На Боинге 737-500 лётчик сидит впереди основных стоек на расстоянии 12,55 метра, на 737-800 на расстоянии 17,18 метра.

В процессе выравнивания и последующего снижения самолёта вплоть до касания ВПП угол тангажа самолёта, как правило, непрерывно увеличивается. При этом колёса «провисают» относительно уровня глаз лётчика.

∆h = b tg ∆θ, где b - расстояние от лётчика до основных шасси, ∆θ – изменение угла тангажа.

Степень изменения угла тангажа на посадке зависит от многих факторов. В первую очередь от темпа выравнивания и гашения поступательной скорости.

При большом расстоянии b и быстром уменьшении скорости на посадке кабина лётчиков может подниматься над ВПП, в то время, как основные стойки будут снижаться со значительной вертикальной скоростью.

В Flight Crew Training Manual NG указаны следующие средние значения угла тангажа на посадке: торец ВПП +2 ÷ +4°, касание ВПП +4 ÷ +7°, время полёта от торца ВПП до посадки 4 ÷ 8 секунд при длине воздушного участка 1000 ÷ 2000 футов, соответственно.

Если взять изменение тангажа 3°, то шасси опустится относительно пилотской кабины на

 tg3° × 17,18 = 0,9 метра. Если это произойдёт за 4 секунды, то прирост вертикальной скорости составит 0,9 : 4 = 0,225 м/с. Если пилотская кабина в момент касания не будет снижаться, то перегрузка на касании ВПП составит порядка 1,1.

В Flight Crew Training Manual NG указана нормальная вертикальная скорость касания ВПП 150 футов/минуту = 0,75 м/с.

 

 

Устойчивость и управляемость

 

Самолет, в отличие от наземных и надводных средств передвижения, в полете имеет шесть степеней свободы. (Также, как и космические аппараты и подводные лодки). Это значит, что он может одновременно перемещаться вдоль и вращаться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей.

 

 

Для обеспечения равномерного прямолинейного движения необходимо, чтобы все силы и моменты, действующие на самолет, были взаимно уравновешены. Выполнение этого условия требует, чтобы сумма проекций сил и моментов на оси координат была равна нулю.

Поскольку самолет симметричен относительно плоскости, создаваемой продольной и нормальной осями, то устойчивость и управляемость самолета делят на два большие раздела – продольную и боковую.

К продольному движению относят перемещение вдоль продольной и нормальной оси и вращение относительно поперечной. В этом движении участвуют самые большие из сил, действующих на самолет: подъемная сила, сила тяжести, сила тяги двигателей и лобового сопротивления. Любая несбалансированность вызывает сильное изменение траектории самолета от заданной. Поэтому управление самолетом в продольном движении, обеспечение продольного равновесия является наиболее важным.

Перемещение самолета вдоль поперечной оси и вращение относительно продольной и нормальной осей относят к боковому движению самолета. Оно считается менее важным, тем не менее, недостатки в системе управления именно этим каналом на Боинге 737, привели к серии катастроф и последующей модернизации системы управления.

 

 

 

 

Боковая устойчивость и управляемость

 

Боинг 737 имеет излишнюю степень поперечной статической устойчивости (mxβ), особенно с отклоненной механизацией крыла.

Поперечной устойчивостью самолета называется его способность крениться в сторону, обратную скольжению. Основную роль в создании кренящего момента играет стреловидное крыло: при возникновении скольжения у выдвинутого вперед полукрыла угол стреловидности как бы уменьшится на величину угла скольжения, а у отстающего увеличится на такую же величину. 

Такое изменение углов стреловидности полукрыльев приведет к изменению их несущих свойств так, что у выдвинутого вперед полукрыла увеличится коэффициент подъемной силы, а у отстающего – уменьшится. Возникнет кренящий момент в сторону, обратную скольжению. Возникающий момент частично компенсируется, возникающим при вращении, демпфирующим моментом крена (mxωx), но все равно вызывает энергичное кренение.

Таким образом, самолет чрезмерно реагирует креном на боковые порывы ветра, что усложняет пилотирование в условиях порывистого бокового ветра.

 

Допустимая степень боковой асимметрии самолёта (на “NG”) определена в документе Fault Isolation Manual.

 

В крейсерском полёте (М ~ 0.78, Эшелон ≥ 370), для балансировки самолёта без крена и скольжения, отклонение руля направления не должно превышать 0,5 unit, а отклонение штурвального колеса не более 0,75 unit. Балансировка выполняется по следующей методике: Обеспечить балансировку топлива с погрешностью не более 68 кг и симметричность тяги двигателей с погрешностью не более 1% N1. Автомат тяги выключить. При включенном автопилоте в режиме выдерживания заданного курса (HDG SEL) отклонением рукоятки руля направления обеспечить полёт без крена, больше руль направления не трогать. Затем отключить автопилот и снять усилия со штурвального колеса отклонением триммера элеронов, сохраняя полёт без крена на постоянном курсе. Полученные отклонения руля направления и штурвального колеса зафиксировать.

Аналогичная проверка выполняется на скорости 250 узлов, высоте 10 – 17 тысяч футов. При этом допустимые отклонения руля направления и штурвальной колонки равны 0,75 unit.

На этой же высоте выполняется проверка балансировки с выпущенными закрылками на 1, 15 и 40 градусов на соответствующих скоростях.

При этом требуемые отклонения руля направления не должны превышать 1 unit, а отклонения штурвального колеса на закрылках 1 и 15 - не более 1 unit и на закрылках 40 – не более 1,3 unit.

При изменении положения закрылков в диапазоне 1 - 15 градусов изменение положения штурвального колеса не должно превышать 1 unit, а в диапазоне 15 – 40 градусов не более 1,4 unit.

 

Рассмотренный выше метод балансировки обеспечивает полную балансировку по путевому и поперечному каналу, но требует отключения автопилота. Поэтому эта техника триммирования бокового канала называется у Боинга «альтернативной».

Рекомендованная техника триммирования аналогична альтернативной, но отклонением руля направления выравнивается штурвальное колесо, а не крен самолёта. При этом, если у самолёта есть поперечная асимметрия, то он будет лететь с креном и скольжением. Как правило, они незначительны и не влияют на расход топлива.

Рекомендованная техника триммирования значительно проще по исполнению. Поскольку штурвальное колесо триммируется в нейтраль, то при отключении автопилота не будет возникать разбалансировки по крену.

При альтернативном триммировании необходимо после каждого триммирования рулём направления выключать автопилот и снимать усилия со штурвального колеса. В дальнейшем, при работе автопилота и изменении режима полёта/положения механизации могут опять накопиться усилия в канале крена. При отключении автопилота возможен «рывок» по крену.

 

 

Демпфер рыскания (Yaw Damper)

 

Для улучшения характеристик бокового движения самолета и недопущения незатухающих колебаний типа «голландский шаг» в системе управления рулем направления установлен демпфер рыскания.

«Голландский шаг» (Dutch roll) появляется в результате относительно слабой путевой устойчивости и чрезмерной поперечной устойчивости самолета. Когда самолет вращается относительно продольной оси, самопроизвольно возникает скольжение в сторону опускающегося крыла, за счет возникающей боковой составляющей силы тяжести.  Это сразу же приводит к возникновению момента поперечной устойчивости Mxβ , который стремится уменьшить возникший крен. На самолетах с высокой поперечной устойчивостью он может быть значительным.

В то же время возникает и момент путевой устойчивости Myβ , стремящийся развернуть нос самолета в сторону возникшего скольжения. Поскольку на многих самолетах путевая устойчивость значительно слабее поперечной, то восстановление скольжения отстает от восстановления крена. Самолет по инерции проскакивает положение без крена  и начинает крениться в противоположную сторону. Таким образом, самолет без вмешательства в управление будет совершать незатухающие колебания по крену и скольжению.

 

 Демпфер  рыскания искусственно увеличивает  путевую устойчивость и таким  образом предотвращает колебания.

 

Чувствительным элементом демпфера рыскания является двухстепенной гироскоп, реагирующий на угловую скорость ωy , относительно нормальной оси Y. Этот сигнал фильтруется и усиливается в зависимости от скорости полета по сигналу от компьютера, рассчитывающего высотно-скоростные параметры (Air Data Computer). Далее сигнал поступает на управляющий золотник демпфера (см. схему главного рулевого привода РН в разделе «Путевое управление»). Золотник управляет перемещением исполнительного привода демпфера, что смещает центр вращения первичного и вторичного суммирующих рычагов и, таким образом, суммируется с перемещением педалей от летчиков и приводит к перемещению штока главного рулевого привода руля направления.

При этом перемещения исполнительного привода демпфера на педали не передаются, и летчик не может тактильно ощущать работу демпфера. Для контроля за его работой выведен индикатор, показывающий отклонения исполнительного привода демпфера.

Удобный контроль на рулении: планка первоначально должна отклониться в сторону противоположную развороту. Затем планка может возвращаться в нейтраль или даже отклоняться в сторону разворота. Это объясняется сложным законом отклонения руля направления, когда руль реагирует на быстроизменяющуюся составляющую угловой скорости разворота и не реагирует на постоянную её составляющую.

При нормальной работе демпфера в полёте отклонения планки индикатора практически незаметны.

На самолетах новой комплектации с установленным интегрированным узлом связи (IFSAU) между САУ и самолетом (см. Система автоматического управления), при выпущенных закрылках сигнал демпфера усиливается на 29% для противодействия усиливающейся поперечной устойчивости. Кроме того, на 50% гасятся сигналы с частотой 8 герц для уменьшения вибраций и улучшения комфорта пассажиров.

 

Координированное скольжение

 

Координированное скольжение – это контрольный маневр, выполняемый при летных испытаниях самолета. Он позволяет выявить особенности боковой устойчивости и управляемости самолета, в частности взаимную эффективность поперечного и путевого управления. При его выполнении выдерживают прямолинейный полет на постоянной высоте и скорости с постепенным ступенчатым отклонением руля направления. Чтобы возникающее при этом скольжение не уводило самолет с прямолинейной траектории, создают крен в противоположную сторону. Таким образом, боковая составляющая силы тяжести будет компенсировать боковую силу от скольжения. В данном маневре путевой канал как бы борется с поперечным. Если нет прочностных ограничений, то отклонения рулей выполняются до полного расхода. Как правило, первыми становятся на упор педали, а поперечное управление ещё имеет запас. Но бывает и наоборот.

В отчете по расследованию катастрофы Боинга 737-200 3 марта 1991 года в районе Colorado Springs NTSB опубликовало результаты выполненных координированных скольжений на скорости 150-160 узлов в различной конфигурации закрылков от 40 до 10 градусов.

Рассматривался случай полного отклонения (непроизвольного увода) руля направления вправо на 25 градусов.

 

Угол отклонения руля направлен.	Угол отклонения закрылков	Угол скольжения	Угол отклонения колеса штурвала	Угол крена
25 прав	40	14 прав	35 лев	18 лев
25 прав	30	15 прав	44 лев	17 лев
25 прав	25	15 прав	68 лев	16 лев
23 прав	15	17 прав	107 лев	23 лев
21 прав	10	16 прав	107 лев	19 лев
25 прав*	10	13 прав	107 лев	40 прав

 

Таким образом, из таблицы видно, что увод руля направления в крайнее положение не опасен при закрылках, выпущенных в положение от 40 до 25 градусов. Кренящий момент от возникшего скольжения можно будет парировать отклонением штурвала на угол, соответственно от 35 до 68 градусов. Объясняется это резко возросшей эффективностью отклоняемых в полете интерцепторов (flight spoilers), которые срывают поток с закрылка на той половине крыла, которая должна опускаться.

При угле выпуска закрылков менее 25 градусов полного отклонения штурвала не хватает для парирования увода руля направления (на скорости эксперимента – 150-160 узлов). Так при закрылках 15 балансировка была достигнута только при dРН=23 градуса, при закрылках 10 - при dРН=21 градус.

Нижняя строчка таблицы не относится к координированному скольжению. В данном случае балансировка была достигнута при выполнении виража  вправо с креном 40 градусов. Штурвал при этом был отклонен влево на полный угол, а уменьшение угла скольжения с 16 до 13 градусов достигается за счет появления демпфирующего путевого момента МYwy от угловой скорости разворота.

Также в этом отчете есть информация о том, что поведенные исследования показали, что при уменьшении скорости до определенной величины, эффективности поперечного управления, с закрылками, выпущенными на 1 градус, становится недостаточно для парирования увода руля направления в крайнее положение. Данная скорость названа «скорость критической точки»(crossover airspeed).

 

 

Система автоматического управления

 

Система автоматического управления самолетом (AFCS) состоит из трех независимых систем: цифровой системы управления полетом (DFCS), демпфера рысканья (см. Боковая устойчивость и управляемость) и автомата тяги. Эти системы обеспечивают автоматическую стабилизацию самолета по тангажу, крену и скольжению и управление самолетом по сигналам радионавигационных средств, бортового навигационного компьютера (FMC), компьютера высотно-скоростных параметров (ADC) и  стабилизацию курса.

Связь между цифровой системой управления и самолетом осуществляет в зависимости от комплектации самолета узел связи (AFC) или интегрированный узел связи (IFSAU). В зависимости от этого несколько меняется работа демпфера рысканья.

Автоматическое управление самолетом осуществляется посредством руля высоты и элеронов. На самолётах модификации «NG» может быть установлено автоматическое управление рулём направления.

 Также  происходит автоматическое снятие  усилий со штурвала в продольном  канале (с возвращением штурвальной  колонки в нейтральное положение) путем перестановки стабилизатора. Снятия усилий в поперечном канале не происходит, поэтому запрещено пользоваться триммером элеронов при включенном автопилоте.