ВЫСШАЯ КАТЕГОРИЯ

Наилучшее завершение полета после отказа одного двигателя — посад­ка на летную полосу (ЛП). Вертолет высшей категории — это вертолет, который при правильном выборе маршрута, размеров ЛП и воздушных подходов способен в случае отказа одного двигателя в течение всего по­лета совершить посадку на ЛП. Для этого, согласно НЛГВ, вертолет дол­жен быть Способным:

набрать высоту 150 м над ЛП в случае отказа двигателя во время взлета, т. е. продолжить взлет;

уйти на второй круг, т. е. прервать посадку с одним неработающим двигателем;

длительно лететь горизонтально с одним неработающим двигателем на высоте 300 м над самым высоким препятствием на маршруте.

Очевидно, что вертолет высшей категории должен иметь не менее двух двигателей, причем двигатели и их системы должны быть неза­висимы.

Отметим, что вертолеты имеют малые посадочные скорости при нор­мальных и аварийных посадках, так что к ЛП могут быть отнесены естест­венные участки земли с относительно твердой и ровной поверхностью, с небольшими уклонами.

Рис. 4.2. Характерные скорости полета вертолетов высшей категории с одним нерабо­тающим двигателем:

1 — безопасная скорость; 2 — скорость наивыгоднейшего набора; 3 — максимальная скорость —N42;

На рис. 4.1 показан пример выбора маршрута. Нужно, чтобы в точ­ке а вертолет набрал высоту, требующуюся для полета к ЛП2 ; при этом в случае отказа двигателя за точкой а не будет необходимости набирать высоту. Дальность от точки а до обеих ЛП не должна превышать вели­чины V’mdtX Гч2, где I’max — максимальная скорость полета с одним нера­ботающим двигателем (рис. 4.2, точка 3); t42 — разрешенное время не­прерывного использования промежуточной чрезвычайной мощности дви­гателя. При этих условиях возможна посадка только на ЛП, так как при отказе двигателя до точки а вертолет возвращается и садится на ЛП взле­та, а при отказе за точкой а — долетает до ЛП2 и садится на нее. Так как с одним неработающим двигателем у вертолета высшей категории Vyg > О, то маршрут может проходить и через точку а.

Поясним смысл перечисленных выше требований к летным характе­ристикам вертолета высшей категории. Возможность продолжения взле­та (рис. 4.3, а) нужна для уменьшения длины ЛП, потребной для посад-

ки вертолета на нее в случае отказа двигателя на малых высотах при и ше те. После отказа летчик увеличивает скорость полета до величини, при которой с одним неработающим двигателем Vyg > 0. Тогда вертів им ми жет перейти в набор высоты. Чем меньше скорость, при которой У t — о, тем с меньшей высоты после отказа двигателя вертолет может проліні жить взлет, следовательно, с меньшей высоты вертолету нужно соверши и. посадку. А чем меньше эта высота, тем меньше потребная длина ЛП Ни t МОЖНОСГЬ продолжить взлет позволяет вертолету С отказавшим ВО нремИ взлета двигателем подняться на высоту, установленную для данной ЛИ. лететь на этой высоте до получения разрешения на посадку, авізнім и по требуемой траектории захода на посадку; это обеспечивает посадку вертолета по приборам в случае отказа одного двигателя. Кроме тот. если возможен продолженный взлет, то можно также прервать посадку с одним отказавшим двигателем, т. е. уйти на второй круг (рис. 4.3, о)

Нормами установлены минимальные (предельные) Vyg при про дон женном взлете: Vyg = 0,5 м/с при максимальной чрезвычайной мощное і и N4l на скорости, названной безопасной, Кбез (рис. 4.2, точка 1); Vyg — 0,75 м/с при промежуточной чрезвычайной мощности N42, на наивыгод нейшей скорости полета VH H (рис. 4.2, точка 2). Отметим, что из-за воз­можности попадания вертолета в нисходящий поток воздуха, следует считать Vyg = 0,5 м/с минимально допустимой вертикальной скоростью при полетах на малых высотах.

Траектория продолженного взлета, показанная на рис. 4.3, а, относит­ся к случаю, когда отказ двигателя произошел в критической точке. Кри­тическая точка #кр1 — это минимальная высота на траектории взлета, с которой возможен продолженный взлет с требуемой НЛГВ высотой пролета над ЛП: 10 м. Если отказ произошел ниже критической точки, то выполняется посадка перед собой на ЛП, если выше — то продолжа­ется взлет, а в критической точке возможны оба решения. Условная линия ограничения препятствий в направлении взлета аЪ должна иметь угол наклона, равный углу наклона траектории продолженного (завершенно­го) взлета 03 в. Принято, что начало линии ограничения препятствий (точ­ка а на рис. 4.3, а) находится не под нижней точкой траектории продол­женного взлета, а в конце ЛП; так как правее точки а вертолет уже име­ет скорость, близкую к Fggg, и угол взл мал, то высота пролета вертоле­та над препятствием практически не уменьшается, остается равной ~10 м. Желательно, чтобы наклон линии ограничения препятствий был менее 03.в тогда высота пролета над препятствиями увеличивалась бы по мере удаления вертолета от места старта. На рис. 4.3, a LnpB, L3 B — дистан­ции прерванного и продолженного (завершенного) взлетов; llt 12 — участ­ки концевых полос безопасности, т. е. расстояния от точек старта и пол­ной остановки вертолета до границ ЛП. Следовательно,

•^лп — -^пр. в + А + ^2 ■ (4.1)

Для уменьшения длины ЛП Fge3 должна быть малой, поэтому при продолженном взлете используется наибольшая из чрезвычайных (ава­рийных) мощностей двигателя. Называется она максимальной чрезвы­чайной мощностью. Допускается использование 7Уч1 только в течение

2,5 мин, что дает возможность иметь N4l > NB3n, т. к. обычно Гвзл — = 5 мин. Из-за кратковременности N4j, при отказе двигателя на мини­мальной высоте (в критической точке) вертолет ушевает подняться на высоту, приблизительно, 60 м. Дальнейшее увеличение скорости от Fge3 до Кн н и набор высоты возможны при чрезвычайной мощности двигате­ля N42 . Чтобы при увеличенной скорости полета угол наклона траектории и f ускорение вертолета не слишком уменьшались, вертолету требуется большая Vyg : 0,75 м/с. Полеты по кругу над местом посадки и по марш­руту проводят также на N42, поэтому продолжительность ее использова­ния должна быть, как определено НЛГВ, не менее 30 мин.

В практике нашей страны часто N42 = ./VB3„ , т. е. в случае отказа одно­го двигателя разрешается использовать взлетную мощность работающих двигателей непрерывно в течение 30 … 60 мин. Бывает, что N4, = N42 > > Л^взл • Это особенно важно в случаях, когда предельная масса вертоле­та определяется длительными режимами полета. Возможность иметь N42 > Л^взл технически обеспечивается тем, что двигатель и трансмиссия считаются выработавшими свой ресурс после одно — или двухразового использования N42.

Что касается обеспечения длительного (не менее 30 мин) полета без снижения высоты, то НЛГВ требуют Vyg = 0,25 м/с при промежуточ­ной чрезвычайной мощности. Скорость полета не ограничивается, следо­вательно, она может быть равной Гнн или К^ах (см. рис. 4.2). Высо­та полета должна превышать на 300 м самое высокое препятствие на марш­руте. Требование, чтобы Vyg = 0,25 м/с, а не 0, выдвинуто для того, чтобы вертолет высшей категории имел некоторый избыток мощности при гори­зонтальном полете, незначительно терял высоту при изменениях скорос­ти полета, разворотах и при прохождении нисходящих потоков.

Таким образом, вертолет высшей категории — это многодвигатель­ный вертолет с такой взлетной массой, при которой он в ожидаемых усло­виях (имеются в виду высоты Нр и температуры воздуха на всех этапах полета) может продолжительное время лететь без снижения с одним нера­ботающим двигателем, продолжить взлет и прервать посадку. Из-за необ­ходимости иметь Vyg = 0,5 м/с при V6e2 < Кн н такой вертолет недогру­жен. Он должен эксплуатироваться на ЛП большой длины (250 … 450 м в зависимости от Кбез) и с малым углом наклона условной линии ог­раничения препятствий вблизи ЛП. Из-за недогрузки вертолета и необхо­димости иметь длинную ЛП с открытыми подходами вертолеты высшей категории предназначены только для особо ответственных полетов.

В литературе [ 7 ] (см. также [ 1 ]) предложено выделить в отдель­ную категорию вертолеты, загруженные так, что в случае отказа двига­теля могут лететь без снижения, т. е. имеют Vyg > 0 на наивыгоднейшей скорости FH н. У этих вертолетов посадка не на ЛП происходит только в случае отказа одного двигателя на очень коротких участках траектории ("участки риска”). Такая классификация в 1977 г. предложена в НЛГВ СССР, и новый класс назван 1-й категорией. В 1983 г. класс с короткими "участками риска” внесен в стандарт Международной организации граж­данской авиации.

Идея выделения такой группы вертолетов в отдельный класс и раз­работка требований к нему в НЛГВ СССР основываются на следующих соображениях. Почти весь полет (начиная от точки Ъ на рис. 4.1) выпол­няется со скоростями, близкими или большими VH н. Если отказ двига­теля произойдет на ЭТИХ скоростях, ТО вертолет, имеющий Vyg = 0, смо­жет долететь до ЛП и сесть на нее. Следовательно, нужно рассмотреть возможности для посадки этих вертолетов при отказе двигателя во вре­мя взлета на малых высотах, до выхода вертолета на Гн н. Оказалось, что при отказе на высотах 40 … 70 м и более (точка с на рис. 4.1) воз­можна посадка вертолета на ЛП. Это объясняется тем, что на скоростях V = VH H — (30 … 20) км/ч угол наклона траектории с одним отказав­шим двигателем по абсолютной величине меньше, чем при нормальном взлете. Поэтому после отказа двигателя вертолет успевает развернуться со снижением, возвращается к ЛП и приземляется на ней (рис. 4.4). Пунк­тиром показана траектория посадки с курсом, противоположным кур­су взлета (или под углом к ЛП, если пробег вертолета мал), а шгрихпунк — тиром — с курсом взлета (против ветра). Посадка с разворотом возмож­на на оборудованную радиосредствами ЛП вне ее видимости (высота ниж­ней кромки облаков ~ 150 м). При посадке с разворотом дистанция прерванного взлета L’np B может быть равной нулю: посадка без пробега в точку старта. Если с одним неработающим двигателем посадка происходит только с про­бегом 7.Пр0б, то £Пр. в =::^’пpoб•

Если ЛП длинна или широка, то посадка на нее возможна с

Рис. 4.4. Траектории нормального и прерванных взлетов у вертолетов 1-й категории:

1 — нормальный взлет; 2 — прерван­ный взлет; 3 — прерванные взлеты с разворотом

меньшей высоты. Таким образом, эта критическая точка на траектории взлета (точка с на рис. 4.1), зависит от размера ЛП. Если размер ЛП не оговаривается, то вторая критическая точка соответствует высоте, при которой Z, Jjp B и, следовательно, Lnn минимальны.

При отказе двигателя на высотах меньших, чем Якр2, выполняется посадка перед собой. Максимальная высота, с которой в случае отказа двигателя на взлете возможна посадка перед собой на данную ЛП, явля­ется первой критической точкой Якр1. Она отличается от критической точки у вертолетов высшей категории тем, что для них основным требо­ванием к Якр1 является возможность продолжения взлета, a Lnn уста­навливается в зависимости от ZnpB. Здесь же Якр1 устанавливается в зависимости от длины конкретной ЛП. В случае, когда вертолет взле­тает с минимально возможной ЛП, Якр1 практически совпадает с точ­кой зависания перед разгоном: при отказе двигателя вертолет снижает­ся вертикально, и Lap в = 0. К точке Якр1 предъявляется еще одно тре­бование: с этой точки и выше нее должна быть возможна посадка верто­лета практически без пробега. Поэтому посадка не на ЛП допускается. Когда посадка без пробега возможна при отказе в любой точке, то назна­чение первой критической точки — указать высоту, после которой по­садка произойдет за данной ЛП, что нужно для определения продолжи­тельности ’’участка риска” при данной ЛП.

Таким образом, посадка рассматриваемых вертолетов при отказе двигателя на взлете выполняется не на ЛП, если отказ происходит на участ­ке, заключенном между 1-й и 2-й критическими точками. Однако этот ’’участок риска” мал (Якр2 — Якр1 -С 60 м), так что вертолет пролетает его быстро, в течение 10 … 25 с. Поэтому вероятность посадки не на ЛП очень мала. Если взлет вертолета происходит на местности с достаточно ровной и твердой поверхностью (плато, степь), так что Lnn = 600 … 700 м, то Якр1 сливается с Якр2 и ’’участок риска” на взлетной траектории от­сутствует.

Для выполнения посадки с разворотом вертолету требуется свобод­ное воздушное пространство сбоку. Если его нет, то необходимо увели­чить Якр2 в соответствии с высотой препятствия сбоку, чтобы разворот закончился над ним. Это увеличивает ’’участок риска” и время пребыва­ния в нем, но ненамного, так как на этих высотах вертолет уже выходит на большие Vyg (4 … 7 м/с). Для уменьшения воздушных подходов сбо­ку целесообразно при нормальном взлете по мере набора высоты смещать­ся вбок, как показано на рис. 4.4 (вид на траекторию в плане).

Посадка вне ЛП с одним отказавшим двигателем у вертолетов с мас­сой, соответствующей 1-й категории, происходит с малой посадочной ско­ростью 0 … 25 км/ч. Вертолет в принципе наиболее безопасный летатель­ный аппарат в случае отказа двигателя из-за малых посадочных скорос­тей. Во время посадочного маневра летчик может безопасно уменьшить скорость до 0, так что посадка будет возможна с малыми посадочными скоростями.

Эта возможность реализуется благодаря тому, что у вертолета при малых скоростях сохраняется запас кинетической энергии вращающего­ся несущего винта. Использование этой энергии достигается увеличением угла установки винта перед посадкой (’’подрывом”), что приводит к кратковременному увеличению тяги и уменьшению Vynoc на 3 … 6 м/с у вертолетов с малым коэффициентом тяги /н на исходном режиме поле­та, и на 1,5 … 3,5 м/с — с большим tH. Таким образом, при отказе одного двигателя посадочная скорость Vnoc = 15 … 25 км/ч у тяжелых вертоле­тов, и 0 … 15 км/ч у легких, а при отказе всех двигателей Кпос = = 50 … 80 км|ч у тяжелых вертолетов, и 20 … 50 км/ч — у легких. По­садка с Кпос “< 15 … 25 км/ч на местность с редко расположенными или легко ломающимися препятствиями, не имеющую таких неровностей и уклонов, попадание на которые приведет к опрокидыванию вертоле­та, объективно безопасна (пробег 15 … 25 м в штиль и 0 при встречном ветре). Важно и то, что посадка происходит рядом с ЛП, на знакомой летчику местности. Эти обстоятельства позволяют считать, что вероят­ность поломки вертолета 1-й категории при вынужденной посадке не на ЛП мала: 0,01 … 0,1.

Маршрут полета вертолета 1-й категории должен строиться так, что­бы к середине маршрута (см. рис. 4.1, точка а) вертолет уже набрал вы­соту, необходимую для полета к ЛП2. Запас высоты 300 м достаточен для выхода на скорость, при которой Vyg = 0, выполнения разворотов и прохождения умеренных нисходящих потоков (их протяженность при турбулентности всех видов не более 5 км, так что по сравнению с верто­летом, имеющим Vy„ = 0,75 м/с, потеря высоты составляет АН — = 5000 0,75/FH H as 100 м). Следовательно, из точки а вертолет сможет безопасно долететь до ЛП2 и сесть на нее.

Посадка на ЛП возможна также при отказе двигателя во время сни­жения. Прерванная посадка у рассматриваемых вертолетов невозможна, однако уход на второй круг при посадке с одним отказавшим двигателем необходим только аппаратам, у которых пробег велик, так как может быть занята посадочная полоса; вертолет же садится практически без пробега. Но при отказе на малых высотах во время захода на посадку приземление может произойти перед ЛП, так что при минимальной Lnn также имеется ’’участок риска”, продолжительность пролета которого 5 … Юс.

Сопоставим вероятности вынужденных посадок Qnoc не на ЛП двух­двигательных вертолетов разных категорий при отказе одного и двух двигателей. Примем, что интенсивность отказов двигателя (с учетом отка­зов систем, требующих выключения двигателя) X = 5 • 10-s 1/с, а про­должительность полета г = 1 ч. Время полета, в течение которого воз­можна посадка не на ЛП из-за отказа обоих двигателей^" f = 1 ч, так что для всех категорий Q„oc = (Xf”)2 — 2,5 -10-9. При отказе одного двигателя вертолет высшей категории садится только на ЛП, поэтому у него t’ = С? пОС = 0. У вертолета 1-й категории время пролета ’’участ-

ков риска” Т’ = 20 с + 10 с = 8,4 • 10 ~3 ч, поэтому Q’noc = 2t’ = 8,4 • 10-7 (8—9 посадок на 10 млн. полетов). У вертолетов 2-й категории (см. 4.1.3), имеющих Vyg < 0 и поэтому выполняющих посадку не на ЛП, при отказе одного двигателя практически в течение всего полета t’ t = 1 ч, и <2пос = = 1-Ю*4 (1-я посадка на 10 тыс. полетов). Как

показано вьппе, у вертолетов 1-й категории при отказе одного двигателя есть ряд благоприятных обстоятельств при посадке не на ЛП, так что веро­ятность поломки при посадке Q’non = 0,01 … 0,1. Поэтому у них Qnon =

= бпол^пос + Q’nonQ’noc** QnonQ’noc** 10"7— Ю-8. Таким образом: 1) у вертолетов 1-й категории поломка из-за отказа одного двигателя являет­ся маловероятной; 2) при низкой вероятности поломки можно пользо­ваться малыми ЛП; 3) грузоподъемность вертолетов 1-й категории су­щественно превышает грузоподъемность вертолетов высшей категории. Последнее особенно относится к вертолетам, у которых максимальная чрезвычайная мощность может использоваться длительно (30 мин и бо­лее), как у многих отечественных вертолетов. Выигрыш в грузоподъем­ности определяется тем, что при равной мощности норма Vyg = 0,5 м/с при F6e3 (высшая категория) заменяется нормой Vyg = 0 при Кн н. Рас­четы показывают, что при одинаковых высоте и температуре грузоподъ­емность вертолета увеличивается на 20 … 25 %, а при равной взлетной массе существенно расширяются пределы высот и температур применения вертолета: приращения составляют 400… 600 мили 8 … 15°.

Из сравнения Q’no с у вертолетов 1 — й и 2-й категорий видно, что у пос­ледних Q’no с на 2 порядка вьппе. У них бдол также в несколько раз вы­ше, так как возможна посадка в любой точке маршрута, и посадочная скорость вьппе. Поэтому полная вероятность поломки у вертолетов 1-й категории на ~ 3 порядка пилю, чем у вертолетов 2-й категории. Боль­шая разница в бпол явилась основанием для выделения в отдельную кате­горию вертолетов, имеющих Vyg — 0.

Таким образом, при переходе через границу между категориями бпоп меняется скачкообразно. Границей между высшей и 1-й категориями является тот минимум летных характеристик, при котором можно до­пустить продолжение полета после отказа одного двигателя (см. разд. 4.1.1). Границей между 1-й и 2-й категориями является нулевая величина Vyg с одним неработающим двигателем.

В заключение отметим, что включение в НЛГВ СССР новой описан­ной вьппе категории имеет большое практическое значение. Во-первых, оно заключается в том, что и летный состав, и пользователь вертолета будут иметь правильное представление о безопасности полета при боль­шей, чем у вертолетов высшей категории, взлетной массе и при ЛП мень­ших размеров. Во-вторых, в инструкции летчику будет дана информация для реализации описанных возможностей обеспечения безопасности.

Итак, к летным характеристикам вертолета 1-й категории с одним неработающим двигателем предъявляются два требования: Vyg = 0 при промежуточной чрезвычайной мощности, на наивыгоднейшеи скорости

полета, на высоте, превышающей на 300 м самое высокое препятствие на маршруте; Кпос ^ 15 … 25 км/ч при посадке из-за отказа двигателя на ’’участках риска”.