Методическая подготовка летных испытаний
Методическая подготовка летных испытаний авиационного комплекса и современного опытного самолета многопланова. Она обычно включает следующие виды работ:
• поисковые расчетно-теоретические исследования с использованием современной вычислительной техники;
• упреждающий лабораторный и летный эксперименты на моделях самолета и макетах отдельных его систем, эксперименты с наиболее важными реальными системами, установками и элементами бортового оборудования и наземного обеспечения полетов;
• разработку информационно-измерительной системы (ИИС) и уточнение состава бортового и наземного экспериментального оборудования для испытываемого изделия, обеспечивающих получение в необходимом объеме всей потребной информации;
• методическую отработку процедуры наземной подготовки опытного изделия, бортовых и наземных систем к первому вылету самолета и к последующим испытательным полетам;
• методическую отработку процедуры наземной подготовки экипажа к первому вылету и летным испытаниям ЛА;
• разработку программы летных испытаний опытного изделия и оперативного плана организации работ с завершением их в заданные календарные сроки.
При выполнении этих работ должны быть учтены следующие составляющие наземной подготовки современного самолета и авиационного комплекса к летным испытаниям:
1) объем технической документации, требующий для детального ознакомления с нею значительного времени;
2) число участвующих в испытаниях специалистов различного профиля;
3) объем наземных работ и летного эксперимента;
4) стоимость опытного изделия и оборудования и относительно малый его ресурс, материальные затраты на один час испытательного полета (стоимость ЛА, стоимость и быстрая амортизация опытных систем, число участвующих в испытаниях высококвалифицированных специалистов и т. д.);
5) число подлежащих регистрации параметров (до 103 и более). В сочетании с высокой стоимостью одного часа испытательного полета последнее обязывает тщательно планировать эксперимент, жестко регламентировать минимальный объем потребной информации, четко управлять летным экспериментом, по возможности комплек — сировать полетные задания, автоматизировать процесс обработки экспериментального материала, а в перспективе и летный эксперимент;
6) широкое применение для проведения поисковых теоретических исследований и оперативного моделирования в ходе летного эксперимента современных ЭВМ, в том числе и для оперативного просмотра возможных альтернативных решений и поиска как оптимального, так и наиболее рациональных резервных вариантов;
7) необходимость определения количественных характеристик преимущественно из записей неустановившегося движения ЛА или быстро протекающих переходных процессов.
Анализ проведенных расчетов и экспериментов. Итогом расчетнотеоретических исследований и экспериментов при подготовке летных испытаний опытного изделия является предварительная оценка ожидаемых характеристик самолета (авиационного комплекса) в целом и получение исходных данных для разработки программы летных испытаний опытного изделия и поиска путей ее оптимизации.
Упреждающий лабораторный и летный эксперименты всегда предшествуют испытаниям опытного изделия. Они проводятся в аэродинамических трубах и на свободно летающих моделях самолета, на макетах и специальных установках, на пилотажных стендах с экипажем, на летающих лабораториях и в отдельных случаях даже на аналоге опытного ЛА.
Своевременное завершение в полном объеме этих работ является важной предпосылкой для быстрого и качественного выполнения в дальнейшем программы летных испытаний опытного самолета. Особенно важно при этом своевременно:
1) изучить представленную конструктором техническую документацию для выявления характерных особенностей опытного изделия, ознакомления с установленными конструкторским бюро на время его испытаний летно-эксплуатационными ограничениями, с указаниями по проведению наземной и летной эксплуатации ЛА и его систем, с инструкцией летчику и экипажу по действиям в особых случаях полета;
2) изучить на моделях и моделирующих установках (математических и физических моделях, пилотажных стендах и летающих лабораториях) особенности динамики, управляемости, специфику крайних расчетных и критических режимов нового опытного изделия;
3) отработать на стендах и летающих лабораториях все жизненно важные системы ЛА, а также включаемые в систему управления автоматические устройства;
4) подготовить и установить на самолет информационно-измерительную систему и необходимое экспериментальное оборудование;
5) выполнить на самолете до начала его полигонных испытаний комплекс контрольных измерений и калибровок, предусматриваемых программой наземной подготовки к первому вылету;
6) отработать на соответствующем пилотажном стенде (тренажере) приемы управления самолетом и его системами, а на опытном изделии всем членам экипажа детально ознакомиться со своими рабочими местами.
Завершающим этапом этой фазы наземных подготовительных работ является составление таблицы подлежащих оценке характеристик опытного изделия и установление очередности их определения.
Определение состава экспериментального оборудования. Главным элементом экспериментального оборудования опытного изделия обычно является его ИИС, объединяющая контрольно-измерительную бортовую и наземную аппаратуру, автоматические средства сбора информации, ее переработки и представления результатов проведенного исследования. Она может также включать в себя систему управления летным экспериментом, с помощью которой обеспечиваются как текущий контроль качества пилотирования и выдерживания летчиком заданных условий выполнения эксперимента и оперативное изменение при необходимости самого задания, так и более высокий уровень безопасности проведения испытательного полета.
В состав экспериментального внештатного оборудования самолета в зависимости от характера и целей испытаний могут быть включены:
• специальные бортовые указатели, позволяющие летчику непосредственно контролировать изменение параметров, определяющих заданные условия проведения летного эксперимента;
• специальная сигнализация (световая, звуковая, тактильная) для своевременного предупреждения летчика о том, что величина контролируемого параметра движения ЛА приближается к предельно допустимому значению;
• аппаратура для киносъемки спектров (картины) обтекания частей самолета воздушным потоком, показаний приборов, регистрации действий летчика или просматриваемого экипажем воздушного пространства и т. п.;
• аппаратура для измерения упругих деформаций элементов конструкции самолета;
• автоматы безопасности (ограничители предельных режимов полета) — специальные устройства, активно предотвращающие непреднамеренное превышение летчиком установленных ограничений;
• специальные устройства для принудительного вывода самолета из критического режима (противоштопорные и тормозные парашюты, противоштопорные ракеты и т. п.).
Определение условий проведения летного эксперимента. В ходе методической подготовки летных испытаний опытного изделия уточняются условия их проведения и процедура организации работ. При этом обычно руководствуются результатами расчетно-теоретических и лабораторных исследований, выполненных на этапе подготовки изделия к летным испытаниям.
Важными условиями, неуклонное соблюдение которых в совокупности может заметно повысить качество испытаний новых скоростных самолетов и уровень безопасности проведения на них летного эксперимента, являются:
• своевременное завершение в требуемом объеме всех обязательных программ наземных испытаний самолета и исследований;
• своевременное определение потребного для испытаний в заданные сроки числа опытных экземпляров самолета, ритмичный ввод их в работу и обеспечение высокой интенсивности полетов;
• унификация методов подготовки, контроля, проведения летного эксперимента и обработки экспериментального материала. Четкое определение круга решаемых задач для каждого из проходящих испытания экземпляров самолета, очередности проведения планируемых экспериментов и допустимых отклонений параметров движения от номинальных значений, а также формы представления результатов проведенных испытаний;
• своевременная и тщательная отработка программ наземных и летных испытаний ЛА и соответствующей документации, а также алгоритмов и программ получения экспресс-информации и полной обработки экспериментального материала;
• тщательный подбор летного экипажа, который должен обладать высоким уровнем технической, летной и методической подготовки, а также опытом работы во взаимодействии с соответствующими наземными службами;
• высокий уровень профессиональной и методической подготовки всех участвующих в испытаниях специалистов наземных служб;
• активное управление ходом летного эксперимента с использованием для этого совершенных специализированных ЭВМ;
• организация и четкое планирование всех работ, связанных с подготовкой и проведением летных испытаний самолета, а также с обработкой экспериментального материала;
• эффективное и широкое использование совершенных ИИС, обеспечивающих получение всей необходимой информации в ходе самого эксперимента в реальном масштабе времени и соответствующем графическом оформлении.
К важным условиям повышения эффективности и качества каждого испытательного полета, кроме того, относятся:
• оперативное моделирование для своевременного и четкого определения условий проведения каждого сложного эксперимента и допустимых по соображениям безопасности и качества его выполнения отклонений от полетного задания, просмотра возможных альтернативных решений и выбора наиболее приемлемого;
• своевременная и тщательная проработка на земле полетного задания с обязательным анализом результатов ранее проведенного эксперимента и с «проигрыванием» возможных критических ситуаций в планируемом полете;
• соблюдение принципа постепенности перехода от простого эксперимента к сложному и особенно тщательная подготовка к экспериментам, проводящимся вблизи предполагаемых эксплуатационных границ, в области около — и сверхзвуковых скоростей ЛА, достаточно больших положительных углов атаки, околонулевых и отрицательных углов атаки, а также в тех случаях, когда впервые достигается та или иная скорость, высота полета, число М, угол атаки или перегрузка.
В целях повышения ритмичности работы и максимального сокращения сроков испытаний полеты проводятся одновременно на нескольких экземплярах ЛА. В США число одновременно участвующих в испытаниях самолетов гражданского и военного назначения в настоящее время колеблется соответственно в пределах 3—5 и 8—12. Ритмичность поступления их на летные испытания в среднем равна одному-двум месяцам. Для увеличения объема информации, получаемой в каждом испытательном полете, на этих самолетах, кроме того, нередко осуществляется дозаправка топливом в воздухе. Начинается она обычно с четвертого-пятого испытательного полета. Широко применяется также управление летным экспериментом.
Разработка программы летных испытаний опытного самолета. Структурно программы летных испытаний опытных самолетов обычно подразделяются на следующие пять иерархических уровней:
1. Типовая программа испытаний самолетов данного класса. Она является основой для разработки общей программы испытаний опытного самолета.
2. Общая программа испытаний опытного самолета, которой руководствуются (после ее утверждения) при составлении отдельных рабочих программ для каждого из летающих экземпляров опытного самолета.
3. Рабочая программа испытаний отдельного экземпляра опытного самолета и его функциональных систем. Ею руководствуются (после утверждения) при подготовке программ каждого испытательного полета (полетных заданий).
4. Специальная комплексная программа целевых испытаний опытного самолета, выходящая за рамки рабочих программ и включающая в себя программы доводочных, контрольных, ресурсных, климатических и других видов испытаний. Ею руководствуются (после утверждения) при подготовке соответствующих заданий на каждый испытательный полет.
5. Программа испытательного полета (полетное задание, записываемое в полетный лист), которая жестко регламентирует для лет — чика-испытателя условия и методы проведения каждого из заданных экспериментов.
При разработке общей программы испытаний опытного самолета в центре внимания должны находиться следующие вопросы:
• поиск и выявление всех индивидуальных особенностей нового ЛА, его силовой установки, бортовых систем, оборудования, а также целевого применения, не отраженных в типовой программе для их соответствующего учета при подготовке общей и рабочих программ испытаний опытного самолета;
• поиск наиболее эффективных методов проведения летного эксперимента, связанного с установлением соответствия характеристик ЛА техническому заданию и действующим нормам и определением крайних (допустимых по условиям безопасности полета) пределов изменения наиболее важных параметров его движения;
• установление наиболее рациональной последовательности выполнения испытательных полетов по программе;
• определение потребного числа экземпляров опытного ЛА и числа полетов на каждом из них;
• выработка мероприятий по предотвращению непроизвольного выхода ЛА за устанавливаемые ограничения как в ходе испытаний, так и при последующей эксплуатации, а также указаний по выводу его из возможных критических ситуаций;
• максимальное сокращение времени, необходимого для выполнения общей программы испытаний опытного ЛА в требуемом объеме.
Программа летных испытаний является основным рабочим и юридическим документом, регламентирующим процедуру и объем проводимых на ЛА экспериментов. Она в краткой и ясной форме определяет цели, объем, условия и методы проведения испытаний ЛА как в процессе наземной подготовки испытаний и первого вылета, так и в ходе летных испытаний этого изделия. Что касается структуры программы, то она обычно включает следующие разделы:
1) цели испытаний (исследований);
2) краткие сведения о самолете и его особенностях;
3) методика проведения испытаний;
4) состав экспериментального оборудования;
5) объем и характер наземных работ (экспериментов);
6) объем и характер летного эксперимента (с указанием задаваемых контрольных маневров и условий проведения экспериментов: опорных высот, скоростей ЛА, чисел М, перегрузок, центровок и конфигураций ЛА, а также режимов работы силовой установки и потребного числа испытательных полетов и затрат полетного времени);
7) летные ограничения (с указанием как основных ограничений при выполнении испытательных полетов — максимально допустимых величин индикаторной скорости ЛА и числа М, углов атаки и скольжения, перегрузок, так и предельно допустимых погодных условий — горизонтальной видимости, высоты облачности и ее плотности, силы бокового ветра и ветра при взлете и посадке ЛА, состояния взлетно — посадочной полосы).
К программе обычно прикладывают также указания экипажу о действиях в особых случаях полета (при возможных отказах силовой установки, отдельных систем, элементов автоматики, указателей, проти — вообледенительной системы и т. п.), а также при появлении тех или иных (ожидаемых) особенностей в динамике и управляемости ЛА.
Одновременно с программой летных испытаний ЛА разрабатываются рабочий (оперативный) план и график испытаний, которые регламентируют порядок, сроки и фронт наземных и летных экспериментов и распределение их между отдельными экземплярами опытного изделия для своевременного и качественного выполнения общей программы испытаний в планируемые сроки.
Программу заводских испытаний опытного изделия составляет ведущий инженер совместно с ведущим летчиком-испытателем и специалистами испытательной бригады и согласовывает с заказчиком.
Подготовка алгоритмов обработки материалов летного эксперимента. В соответствии с составленным перечнем сертифицируемых характеристик самолета и его функциональных систем разрабатываются алгоритмы обработки экспериментального материала и уточняются задания на подготовку программ автоматизированной обработки.
При разработке алгоритмов обработки следует исходить из того, что характерной чертой летных испытаний опытного самолета является исследовательское творческое начало. Оно обусловливается необходимостью производить комплексно сравнительную оценку реального объекта с его расчетной моделью, изучать и объяснять обнаруживаемые в ходе экспериментов непредусмотренные проектом особенности и явления, доводить характеристики реального объекта и его систем до проектных и при этом выявлять и оценивать предельные возможности испытываемого объекта. Поэтому программа летных экспериментов и алгоритмы обработки полетных записей должны быть достаточно гибкими, чтобы при необходимости можно было в ходе испытаний корректировать и даже изменять порядок опытов, алгоритмы и программы обработки экспериментального материала, объем и характер вводимой и выводимой информации.
Кроме того, структура разрабатываемых алгоритмов должна быть достаточно простой, позволяющей сравнительно быстро перерабатывать всю полетную информацию на находящихся в эксплуатации специализированных ЭВМ, а часть ее обрабатывать в темпе самого эксперимента (т. е. в реальном масштабе времени). Разрабатываемые алгоритмы должны при этом обеспечивать непосредственное определение в ходе автоматизированной обработки полетной информации всех сертифицируемых характеристик испытываемого самолета, силовой установки, бортовых систем и оборудования с требуемой точностью.
Подготовка программ автоматизированной обработки материалов летного эксперимента. Программы автоматизированной обработки экспериментального материала разрабатываются в строгом соответствии с заданием, в котором должны быть указаны: принятые алгоритмы обработки; тип используемой измерительной аппаратуры; подлежащие обработке участки записи регистраторов; особенности самой обработки лент магнитных накопителей (необходимость сглаживания, прореживания); условия проведения обработки и синхронизации по времени; форма представления результатов обработки и расчетов.
К заданию на разработку программ прикладываются также: все необходимые для их составления исходные данные об испытываемом самолете (его масса, координаты центра масс при различных запасах топлива на борту, моменты инерции, основные геометрические параметры ЛА, предельные и предполагаемые изменения параметров движения ЛА, данные об аэродинамических и волновых поправках приемника воздушного давления и т. п.), его силовой установке, системе управления (кинематические характеристики, характеристики загрузочных и триммирующих устройств, жесткостные и частотные характеристики системы, передаточные числа автоматов стабилизации и законы их регулирования и т. п.) и о всех других проходящих испытания системах ЛА; о составе, характеристиках и размещении на самолете измерительной аппаратуры (схема ее размещения и координаты датчиков перегрузки относительно центра масс самолета, крос — сировочная таблица распределения параметров по каналам регистраторов, градуировочные характеристики датчиков и согласующих устройств и т. п.) и другие данные (например, перечень программ обработки материала, рекомендуемые масштабы для отображения на дисплее результатов обработки и построения графиков, порядок размещения на графиках параметров и т. п.).
Задание на автоматизированную обработку полетных записей контрольно-измерительной аппаратуры обычно содержит:
1) перечень параметров, подлежащих первоочередной обработке и экспресс-анализу. Этот перечень должен обеспечивать: оперативный контроль качества работы летчика и системы измерений; проведение оперативного анализа замеченных летчиком особенностей поведения ЛА и в связи с этим — своевременное уточнение плана очередного испытательного полета; выявление на полетных записях всех характерных отрезков времени, для которых необходимо будет произвести обработку в полном объеме с большим числом параметров и определение величины самой исследуемой характеристики ЛА или его систем;
2) перечень параметров, подлежащих оперативной (ускоренной, так называемой первичной) обработке, более информативный, чем предыдущий. Этот перечень должен обеспечивать проведение углубленного анализа и расчетов с целью получения количественных данных для оценки степени зачетности выполненного полета, при необходимости — корректировку плана очередного задания, а также отбор материалов для выполнения дальнейших расчетов и проведения так называемой вторичной обработки;
3) перечень параметров, подлежащих полной (вторичной) обработке в установленные (в ходе первичной обработки) отрезки времени. Этот перечень должен обеспечивать расчет сертифицируемой характеристики испытываемого ЛА или его исследуемой системы и представление ее в канонической форме (в виде соответствующих графиков или таблиц);
4) шифр программ, по которым должна производиться обработка экспериментального материала;
5) указания о форме представления результатов обработки, масштабах и порядке расположения материала на графиках или в таблицах.