ЛЕТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ АВИАЦИОННОЙ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
8.1. Летные испытания изделий авиационной техники
8.1.1. Краткий исторический обзор развития методов летных испытаний самолетов
Как самостоятельное направление мировой авиационной науки теория летных испытаний самолетов возникла в конце 20-х годов. К этому времени в Советском Союзе и за рубежом в летно-испытательную и летно-исследовательскую работы включаются большие группы авиационных специалистов, как теоретиков, так и практиков.
В 30-х годах в ЦАГИ[1] широко используется физический натурный эксперимент, изучаются в полете особенности динамики самолета, основные виды маневров, условия нагружения конструкции в полете, разрабатываются методы определения поляры самолета и количественной оценки его устойчивости, управляемости и маневренности, а также методы определения взлетно-посадочных характеристик, начинаются работы по изучению штопора и флаттера самолета. Создаются первые оригинальные методы приведения летных характеристик самолета к стандартным атмосферным условиям. Все более расширяется фронт летно-исследовательских работ, совершенствуются методы летных испытаний самолетов.
В 40—50-е годы начинают особенно интенсивно разрабатываться методы летных исследований неустановившихся форм движения самолетов, проводятся прочностные и аэродинамические исследования. Совершенствуются методы приведения летных характеристик самолета к стандартным и расчетным условиям полета, а также методика определения количественных характеристик устойчивости, управляемости и маневренности самолетов и их летно-технических характеристик.
На 40-е годы приходятся и первые попытки полета на скоростях, близких к скорости звука, работы по созданию отечественных реактивных самолетов. Первый советский ракетоплан РП-318-1 конструкции С. П. Королева с жидкостным ракетным двигателем РДА-1-150 был поднят в воздух 26 февраля 1940 г. летчиком-испытателем В. П. Федоровым. 15 мая 1942 г. летчик-испытатель Г. Я. Бахчиванджи совершил первый полет на истребителе БИ-1 конструкции В. Ф. Болховитинова с жидкостным ракетным двигателем Д-1А-1100.
Первые натурные данные об особенностях полета с околозвуковой скоростью в условиях, когда отрицательное влияние сжимаемости воздуха резко возрастает, были получены в начале 1943 г. в процессе полетов самолета БИ-1. Было установлено, что в околозвуковом диапазоне скоростей при появлении на крыле и оперении зон сверхзвукового течения воздушного потока возможны чрезвычайно сильные изменения устойчивости и управляемости самолета. Зарубежный опыт кратковременной эксплуатации самолетов Ме-262 (1943—1945 гг.) и ряд тяжелых происшествий на самолетах Ме-262 и «Сандерболт», связанных с самопроизвольным затягиванием их в пикирование, не давали оснований для оптимизма. Различные нарушения устойчивости и управляемости и прежде всего затягивание в пикирование, казалось, стали непреодолимым барьером на пути освоения мировой авиацией около — и сверхзвуковых скоростей. Поэтому в первые послевоенные годы усилия советских ученых и конструкторов были направлены в первую очередь на изыскание более совершенных аэродинамических форм скоростного самолета.
Первые обнадеживающие результаты были получены в ходе проводившихся под руководством профессоров И. В. Остославского и Н. С. Строева летных исследований на крылатых моделях и экспериментальном самолете Ла-160 — первом отечественном реактивном самолете со стреловидным крылом (конструкция С. А. Лавочкина, 1946). Проведенные исследования показали, что стреловидная форма крыла и оперения существенно смягчает наблюдающиеся в околозвуковом диапазоне чисел М опасные явления в устойчивости и управляемости самолетов.
В 1947—1949 гг. происходит бурное развитие отечественной реактивной авиации и массовое освоение ее летным составом. Советские конструкторы, используя опыт, полученный в ходе летных исследований, создают совершенные по своим аэродинамическим формам и летным данным самолеты со стреловидными крылом и оперением. Появляются серийные реактивные самолеты конструкции А. С. Яковлева, А. И. Микояна, С. А. Лавочкина, А. Н. Туполева, оснащенные отечественными турбореактивными двигателями.
Решающий штурм «звукового барьера» развернулся в 1949 г. Осенью 1949 г. впервые в отечественной практике на серийном самолете МиГ-15, в режиме пологого пикирования с полной тягой двигателя летчики-испытатели С. Н. Анохин и А. М. Тютерев в двух последовательных полетах превысили скорость звука и достигли числа М= 1,01.
Первая половина 50-х годов ознаменовалась глубоким вторжением авиации в область сверхзвуковых скоростей, определением практически всех основных количественных характеристик новых реактивных самолетов. Фундаментальные исследования этих лет позволили выявить и изучить все известные в настоящее время характерные особенности поведения скоростных самолетов при около — и сверхзвуковых скоростях, на больших высотах и при воздействии на конструкцию ЛА больших аэродинамических нагрузок. Были открыты новые явления, ранее неизвестные в отечественной и зарубежной летной практике. В последующие годы этот опыт помог успешно преодолеть основные трудности, стоявшие на пути массового освоения летным составом военно-воздушных сил и аэрофлота современных высокоскоростных самолетов.
Серьезные работы по изучению особенностей полета с около — и сверхзвуковой скоростью на больших высотах и по обобщению опыта этих полетов, а также по совершенствованию методики летных испытаний и экспериментальной базы проводились в этот период и за рубежом, в частности в США, Англии и Франции.
Творческий труд научных работников, конструкторских коллективов, летчиков-испытателей, инженеров и техников сыграл решающую роль в успешном освоении летным составом, притом в короткие сроки, поступившей на вооружение в 50-е годы мощной сверхзвуковой техники, что обеспечило советской авиации одно из ведущих мест в мире.
В 50—60-е годы в практику летных испытаний широко внедряются методы получения всех основных характеристик самолета из записей неустановившегося движения, а также новые, более совершенные виды измерений и обработки материалов летного эксперимента. Широко практикуется создание специализированных летающих лабораторий и экспериментальных самолетов, а также математическое, полунатурное и натурное моделирование. Начинают разрабатываться методы летных испытаний авиационных комплексов и авиационных систем. В практику летных испытаний внедряются специализированные системы автоматизированной обработки материалов эксперимента, позволившие не только ускорить сам процесс получения необходимой информации, но и использовать различные математические методы, которые ранее не находили достаточного применения из-за их сложности. Интенсивно развиваются методы упреждающего и оперативного моделирования на ЭВМ и специализированных летающих лабораториях, а также оперативного управления ходом летного эксперимента. Совершенствуются формы организации, техника проведения эксперимента, оборудование (в том числе и контрольноизмерительная аппаратура), методы получения уже в ходе самого эксперимента (т. е. в реальном масштабе времени) всех необходимых для оценки самолета характеристик.
Значительна роль летного эксперимента в разработке и совершенствовании объективных методов оценки характеристик самолетов и авиационных комплексов. Натурный эксперимент все еще остается наиболее надежным путем получения достоверной информации о реальных возможностях скоростного самолета, его динамических свойствах, управляемости и пилотажных качествах и тем более о эффективности авиационного комплекса в целом.
Испытаниям опытных изделий нередко предшествуют широкие летные исследования на специализированных летающих лабораториях и самолетах-аналогах, а также на динамически подобных свободно летающих крупномасштабных моделях. Прочный фундамент современной методологии летных испытаний ЛА заложен отечественными учеными. Особенно значителен вклад В. С. Ведрова, И. В. Остослав- ского, М. А. Тайца.
Летные испытания, играющие весьма важную роль в отечественной практике для оценки основных характеристик ЛА и их соответствия требованиям наземных испытаний и исследований, как правило, за рубежом имеют значительно меньшее значение. Действительно, осуществление на практике принципа «испытывай все перед полетом» дает возможность до 80% характеристик получить на земле. Стоимость 1 ч летных испытаний почти в 100 раз выше 1 ч наземных, поэтому покупатели, вложив немалые акцепты, ждут скорого получения самолетов,.чтобы начать прибыльную эксплуатацию. Воистину «время — деньги».
В этих условиях период летных испытаний рассматривается не как созидательный, познавательный этап, а лишь как контрольный зачетный, открывающий путь для получения дивидендов авиакомпаниями и фирмами-производителями. В этом видят основной смысл летных испытаний, поэтому их стремятся провести как можно быстрее, максимально комплексно, сосредоточившись лишь на тех видах, которые с достаточной уверенностью нельзя смоделировать в наземных условиях.
Считая летные испытания большей частью потерянным временем, фирмы все же признают их важным моментом подтверждения в реальных условиях высоких характеристик ЛА, осуществляя второй основополагающий принцип —■ «летай перед тем как продавать». Как правило, результаты летных испытаний дают лишь 5—7% разброса по сравнению с наземными испытаниями и расчетными данными.
Основные особенности проведения летных испытаний, например в США, состоят в следующем:
• главный упор делается на крайние режимы по безопасности и надежности для максимального «открытия» областей безопасной эксплуатации и подтверждения расчетных данных (в первую очередь большие углы, флаттер, посадка на больших углах, обледенение и др.);
• по требованиям федеральных авиационных властей (FAA) и покупателей проводится демонстрация фактических запасов по надежности, прочности и безопасности (экстренное торможение на взлете, покидание пассажирами аварийного самолета и др.) в сравнении с расчетными нормами;
• наземные демонстрации эксплуатационной технологичности проводятся с хронометражем операций;
• резко сокращено время летных испытаний (до 9—11 месяцев) с одновременным повышением их качества.
Сокращение времени летных испытаний осуществляется за счет:
• проведения основного объема испытаний (80 %) в наземных условиях, максимально приближенных к эксплуатационным;
• организации, планирования и управления летными испытаниями как части комплексной программы производства самолетов;
• одновременного использования нескольких самолетов (до 5) с четким разделением целей и объемов испытаний;
• использования нескольких аэродромов с различными климатическими условиями (при интенсивном налете каждого самолета 35—40 летных часов в месяц);
• интенсивного (с циклом 3—4 месяца) подключения к испытаниям серийных самолетов;
• комплексирования, насыщенности и целенаправленности программ летных испытаний, обеспечивающих их эффективность и качество;
• четкой методологической направленности программ и подчиненности задачам сертификации по нормам FAA (30 %), т. е. из 1500 полетов примерно 300 являются зачетными для подтверждения требований по нормам FAA;
• установки мощного автоматизированного экспериментального оборудования на борту самолета для получения информационного массива данных и обработки в реальном масштабе времени;
• сопровождающего моделирования полета на земле в реальном масштабе времени;
• широкой автоматизации регистрации и обработки данных как на земле, так и в полете, позволяющей получить через 3 ч после полета полную информацию о результатах, а также использования быстродействующих ЭВМ и дисплейных станций в режиме диалога «борт—земля»;
• умелого использования сопутствующих факторов (подключение к наземным испытаниям летчиков-испытателейна ранней стадии, благоприятные климатические условия, высокоавтоматизированная система управления воздушным движением и др.).