Динамика полета в условиях сдвига ветра

На траекторию полета самолета оказывает сильное влияние не только ветер* но и его изменение по высоте и времени (или траектории полета), которое называют сдвигом ветра. Сдвиг ветра часто наблюдается в горных районах. Его появлению также способствует прохождение грозовых и терминальных фронтов атмосферы.

При полете на больших высотах влияние постепенного изменения скорости ветра по величине и направлению летчик может без особых затруднений компенсировать рулями и сектором газа. Однако, при резких изменениях ветра по траектории управление самолетом усложняется, так как эти изменения ветра могут происходить быстрее, чем летчик может их компенсировать. В результате могут возникнуть большие отклонения от намеченной траектории движения. При полете самолета на малых высотах(режим взлета и посадки)такие отклонения от траектории полета являются опасными вследствие близости поверхности земли.

Для удобства расчета скорость и направление ветра целесообраз­но представлять через составляющие Wxg, Wyg, Wzg в нормальной земной системе координат. Переход от одной точки пространства к другой можно выразить через изменение высоты аН9 дальности полета &L и бокового смещения самолета &Z. Тогда сдвиг ветра можно измерять такими соотношениями:

А иь,.А~’иь. А w„.

AH’ A L ’ A Z ’

Таким образом, все возможные случаи сдвига ветра будут описываться девятью соотношениями; число этих вариантов можно сократить если учесть, что наиболее сильное влияние на траекторию

самолета оказывают вертикальная (Wyg)и горизонтальная( Wxg), составляющие скорости ветра и их изменения по линии полета.

На режимах взлета и посадки дальность и высота полета самолета имеют однозначную зависимость (например, при движении самолета по посадочной глиссаде А Н — АІЛ£2°40′), поэтому сдвиг ’ ветра на этих режимах можно выразить через какую-нибудь переменную, например, высоту полета. Тогда составляющие сдвига

r A Wxtt A Wvff

ветра будут выражаться через ~д7/ и ”""а Н 9 где:

A Wvl_

д —сдвиг горизонтального ветра по высоте полета

(вертикальный сдвиг горизонтального ветра); — сдвиг

вертикального ветра по высоте полета (вертикальный сдвиг вертикального ветра).

В природе сдвиги ветров встречаются независимо как горизонтальные, так и вертикальные, а при больших атмосферных возмущениях могут быть одновременно как горизонтальный, так и вертикальный сдвиги ветра. Такое сочетание сдвигов ветра встреча­ется в грозовом фронте.

Наиболее сильные вертикальные сдвиги ветра наблюдаются в условиях грозы, ливней, града, шквалов, при приближении мощных тепловых и холодных фронтов. Воздействие больших сдвигов ветра на самолет приводит к резкому изменению параметров полета от заданных (в первую очередь, скорости и высоты полета).

Наиболее опасны возрастающие нисходящие и попутные потоки, так как они вызывают уход самолета под заданную траекторию полета, при этом интенсивно уменьшается скорость полета и возрастает вертикальная скорость снижения самолета. Возвращение самолета на заданную траекторию полета с учетом запаздывания вмешательства летчика в управление для парирования возмущений при больших сдвигах ветра очень затруднено, а иногда и невозможно.

При воздействии на самолет восходящих и возрастающих порывов ветра, при которых он отклоняется вверх от заданной траектории полета, управление самолетом тоже может оказаться

сложным, так как после окончания действия возмущений для приведения самолета на заданную траекторию полета требуется дополнительное маневрирование с большими скоростями снижения.

Сложность распознавания сдвига ветра, трудность определения требуемого характера управления, а также отсутствие навыков пилотирования самолета в этих условиях привели к ряду тяжелых летных происшествий с самолетами.

Количественных данных по реальным сдвигам ветра немного и они, в основном, относятся к сдвигу горизонтального порыва ветра по

* w„

А Я •

Некоторые данные по повторяемости сдвигов ветра по вы-

соте( Аа^*), измеряемые в приземных слоях атмосферы (см. таб.

6.1), получены с помощью шаропилотных измерений в аэропорту Внуково. Они показывают, что наибольшие сдвиги ветра наблюдаются в нижнем слое атмосферы (0~^ 100м), и вероятность возникновения их 5м/с

100м

м/с 100м	10^ 100м	100-1- 200м	200^-300м	300-1-500м
О со •1* (N	25,6	19,9	20,9	13,1
3,1 -1-5,0	22,2	18,8	9,7	4,9
больше 5,0	6,8	2,0	2,3	1,3

Таблица 6.1

Вертикальный сдвиг горизон-

Повторяемость — дя*%, по высоте слоя

Приведем данные о повторяемости вертикальных сдвигов горизонтального ветра в нижнем 30-метровом слое атмосферы (см. табл.6*.2) Из таблицы 6.2 следует, что очень сильные сдвиги ветра встречаются достаточно часто (0,3^0,5%), а максимальное значение

А 30м/с

А Я 100м •

Вид сдвига ветра	д w Повторяемость — д в%
Обнинск	Внуково
^ . 0^6.6 м/с Слабый —.’ 100м	78,7	77,2
.. „ 6.6"МЗ,2 м/с Умеренный 100м	18,4.	19,3
^ 13.2“=" 19.8 м/с Сильный —*—Т77Ґ—- 100м	2,6	3,0
~ . более 19.8 м/с Очень сильный —— ————— 100м	0,3	0,5

сдвига ветра было замерено порядка

Таблица 6.2

A

Данных по сдвигу вертикального ветра по высоте —д ^ очень

мало, но некоторые имеющиеся материалы позволили принять ее A W*. _ 10м/с _

равной д jj —~~іоОм Влияние сдвига ветРа на траекторию

самолета определяется изменением аэродинамических сил самолета. При действии нисходящего потока в первый момент угол атаки

а ^ A Ww

самолета уменьшается на А а ———————— у * вследствие этого

уменьшается воздушная скорость и, следовательно, падает подъемная сила самолета. В результате самолет уходит вниз от заданной траектории полета. Расчеты показывают, что отклонение от исходного режима полета (по высоте, скорости и скорости снижения) интенсивно увеличивается по времени.

Начальное изменение нормальной перегрузки самолета при воздействии вертикального ступенчатого порыва ветра будет:

• F’ Ж* V

Из приведенных формул следует, что наибольшее возмущение будет на малых скоростях полета. і

отклонение самолета от глиссады планирования составляет ^Н— 30м, а вертикальная скорость снижения увеличивается в несколько раз и становится равной Vy^~ 10м/с, что недопустим о, так как такое отклонение траектории полета от заданной на малых высотах полета уже невозможно исправить.

Исследования на пилотажном стенде показали, что ступенчатые порывы ветра легко и быстро распознаются экипажем, так как при этом резко изменяется нормальная перегрузка и воздушная скорость самолета и поэтому летчик может с меньшим запаздыванием вмешаться в управление для исправления траектории полета.

На рис.6.59 приведены переходные процессы при воздействии A Wxs 10м/с

А Я

что сдвиг ветра оказывает меньшее влияние на траекторию полета, чем ступенчатые порывы ветра. Однако сдвиг ветра сложнее распознать вследствие его постепенного нарастания и поэтому время запаздывания летчика в управлении самолетом для парирования возмущения получается значительным(/ зап^ 10с).Кроме того, при этом требуется переменный по времени характер управления самолетом, что создает большие трудности для летчика. Отметим, что при одинаковых величинах сдвигов ветра действие вертикального порыва ветра сильнее действия горизонтального ветра.

Исследования показали, что на траекторию полета самолета при сдвиге ветра аэродинамические и весовые характеристики самолета (запас продольной статической устойчивости, продольное демпфирование, удельная нагрузка на крыло и инерционные характеристики самолета) оказывают незначительное влияние. Поэтому траектории полета различных самолетов при одинаковой скорости захода на посадку в условиях сдвига ветра без вмешатальства летчика в управление мало различаются(см. рис.6.60.) Это объясняется тем, что аэродинамические и весовые характеристики оказывают сильное влияние на параметры короткопериодического продольного движения самолета (изменение угла атаки и перегрузки), которое, как известно, достаточно быстро затухает и мало влияет на так называемое, длинно-периодическое

движение самолета. Траектория полета самолета в условиях сдвига ветра и без вмешательства летчика в управление определяется характеристиками длиннопериодического движения самолета (изменение его скорости), которое, в основном, зависит только от исходной скорости полета. Обычно длиннопериодическое движение слабо затухает, период его колебаний достаточно большой.

Рис.6.59 и 6.60. Изменение параметров траектории самолета на режиме захода на посадку при воздействии горизонтального градиентного сдвига ветра

Исследование показало, что с уменьшением скорости изменение угла наклона траектории при полете самолета в условиях одинаковой интенсивности сдвига ветра возрастает. Поэтому в случае большой вероятности попадания самолета в условия сдвига ветра скорость полета самолета на режиме захода на посадку следует несколько увеличить. При этом увеличится также запас до скорости сваливания в случае попадания самолета в попутный горизонтальный сдвиг ветра.

Проведенные исследования показали, что для парирования
возмущений, вызванных сдвигом ветра, управление самолетом получается достаточно сложным, так как летчику приходится одновременно управлять рулями и двигателями. Так, например, при действии нисходящего порыва ветра угол атаки а сразу уменьшается, но затем достаточно быстро происходит восстановление исходного угла атаки с одновременным увеличением угла тангажа самолета Изменение углов а и & пропорционально скорости вертикального

A Wv*

V

Для сохранения траектории полета в этих условиях необходимо увеличение угла танажа самолета & и, вследствие этого, увеличение тяги двигателей пропорционально скорости нисходящего ветрал/-^,—

= тё ^ ~ ^.Расчеты показывают, что при воздействии

нисходящего вертикального ветра со скоростью A Wyg= — 18м/с необходимо увеличивать тягу двигателей на А Р лв^О^бггщ, т. е. увеличивать ее до взлетного режима(тяговооруженность современных неманевренных самолетов лежит в пределах 0,25"^0,35).

Исследования также показали, что исправлять траекторию полета самолета при действии сдвига ветра частично можно при помощи отклонения рулей высоты за счет потери скорости. Например, для восстановления потерянной высоты 50м потребуется потерять скорость на д V~25км/ч, что очень много. Это свидетельствует о том, что управление только рулями высоты позволяет парировать слабые сдвиги ветра.

Таким образом, для повышения безопасности полета самолета в условиях сдвига ветра целесообразно иметь повышенную исходную скорость полета.

Расчеты показали, что располагаемых запасов по тяге двигателей и углу отклонения рулей высоты достаточно для парирования даже очень больших сдвигов ветра, если летчик будет вмешиваться в управление без запаздывания. Однако, распознавание действия сдвига ветра очень затруднено и если принять, что летчик замечает допустимые отклонения параметров полета от заданных: по высоте Аії~ Юм и по воздушной скорости А V~ Юкм/ч, то

запаздывдние вмешательства летчика в упрвление для парирования

/А Wxe_ 10м/с A Wve _ 10м/с возмущения от сдвига ветра —Ї^Г И А Я “ІООм /

будет более t зап ^ Юс.

Известно, что процесс посадки самолета достаточно скоротечный (например, с высоты Н = 100м до момента касания происходит примерно за 25с), запаздывание в действиях летчика, доходящее до 50% общего резерва времени, может привести к серьезному осложнению обстановки и, следовательно, к снижению безопасности полета. Расчеты показывают, что при запаздывании реакции летчика более tзап > 12с для возвращения самолета на посадочную глиссаду требуется увеличить угол атаки вплоть до допустимого, резко увеличить тягу двигателей до взлетного режима. Главное направление повышения безопасности полета самолета в условиях сдвига ветра—уменьшение времени запаздывания вмешательства летчика в управление, что может быть обеспечено за счет своевременной информации о сдвиге ветра.

У нас в стране и за рубежом интенсивно проводятся работы по созданию бортовых и наземных средств информации о сдвиге ветра. Однако надежных и хорошо работающих систем информации о сдвигах ветра до сего времени не создано.

Проведенные исследования по поведению неманевренных самолетов в условиях сдвига ветра показали, что безопасность полета самолета в условиях сдвига ветра может быть повышена за счет следующих мероприятий:

1. Оборудование аэропортов, имеющих большую вероятность возникновения сдвига ветра, измерительными системами атмосферных возмущений;

2. Оборудование самолетов бортовыми системами для измерения атмосферных возмущений;

3. Применение на самолетах специальных автоматических устройств, помогающих парировать атмосферные возмущения, например, автомата тяги, выдерживающего заданную воздушную скорость полета;

4. Увеличение скорости полета при заходе самолета на посадку

на Д V —10 "=“ 15 км/ч;

5. Проведение учебы и тренажа летного состава по •пилотированию самолета в условиях сдвига ветра.