G. НАБОР ВЫСОТЫ

1. МЕХАНИКА ПОЛЕТА

1.1. Определения

Следующий рисунок (G1) иллюстрирует различные силы, которые действуют на воздушное судно при наборе высоты.

Рис. G1: Баланс Сил при Наборе Высоты1

•Угол атаки (α) - это угол между осью воздушного судна и аэродинамической осью (тангенс оси вектора скорости к траектории полета).

•Градиент набора высоты (γ) равен углу между горизонтальной осью и аэродинамической осью.

•Положение воздушного судна (θ) - это угол между осью воздушного судна и горизонтальной осью (в географической системе координат).

•Скорость набора (RC) представляет собой вертикальный компонент скорости воздушного судна. Это позитивная величина,

выраженная в футах в минуту.

1.2.Уравнения набора высоты

Во время набора высоты с постоянной скоростью достигается баланс сил. По аэродинамической оси этот баланс можно выразить как:

(1)Тяга cosα = Сопротивление + Масса sinγ

1 Для упрощения вектор тяги представлен параллельно продольной оси воздушного судна.

149

Баланс по вертикальной оси:

(2)подъёмная сила = масса cosγ

1.2.1. Градиент набора высоты (γ)

Градиент набора высоты (γ) и угол атаки (α) обычно достаточно малы:

После ввода L/D (аэродинамическое качество), угол набора высоты становится:

Заключение: При заданной массе и типе двигателя, градиент набора высоты

достигает максимального значения, когда (Тяга – Сопротивление) максимально (т.е. когда сопротивление минимально или когда аэродинамическое качество максимально). Наилучшее аэродинамическое качество называется скоростью Зеленой Точки. В случае отказа двигателя полет на скорости зеленой точки позволяет максимально использовать аэродинамику воздушного судна и компенсировать потерю мощности.

150

1.2.2. Скорость набора высоты (RC)

Скорость набора высоты (RC) соответствует вертикальной скорости воздушного судна. Как следствие:

(8)RC = TAS sinγ ≈ TAS γ (sinγ ≈ γrad поскольку γ небольшой)

Вывод: При заданной массе воздушного судна, скорость набора высоты достигает максимального значения, когда TASx(Тяга – Сопротивление) максимально. С точки зрения мощности1, скорость набора высоты достигает

максимального значения, когда (Pтяга – Pсопротивление) максимально.

1.2.3. Поляра скорости

Следующий рисунок (G2) иллюстрирует отношение сил тяги и сопротивления к истинной воздушной скорости.

Для того чтобы лететь на постоянном эшелоне полета с постоянной скоростью, тяга должна уравновешивать сопротивление. В результате, сопротивление можно считать равным необходимой тяге, чтобы сохранять постоянные эшелон и скорость. Набор высоты возможен только в том случае, если доступный уровень тяги выше требуемого (избыток тяги).

Вышеуказанные уравнения показывают, что, для заданной массы:

•Угол набора высоты (γ) пропорционален разнице между располагаемым и требуемым уровнями тяги.

•Скорость набора высоты (RC) пропорциональна разнице между располагаемой и требуемой мощностями. Более того, поскольку RC = TAS γ, то максимальная скорость набора высоты достигается при TAS выше зеленой точки (когда dRC/dTAS = 0).

1 Мощность (Pforce) представляет собой силу умноженную на скорость (TAS). Единица измерения -Ватт.

151

TAS

TAS

γmax

Rate of

Climb

γmax RCmax

Рис. G2: Дроссельная характеристика двигателя и поляра скорости

Можно отметить, что набирать высоту на скорости ниже, чем зеленая точка не выгодно, так как в этом случае увеличивается расстояние и время до заданного эшелона полета.

1.3.Параметры, влияющие на набор высоты

1.3.1.Эффект высоты

Когда увеличивается высота по давлению, из-за снижения плотности воздуха снижаются тяга и сопротивление. Но так как сопротивление уменьшается с меньшей скоростью, чем располагаемый уровень тяги, то разница между тягой и сопротивлением уменьшается. Следовательно, градиент набора высоты и скорость набора высоты снижаются с высотой по давлению из-за меньшего избытка тяги.

PA градиент набора высоты скорость набора высоты

152

1.3.2. Эффект температуры

С повышением температуры тяга снижается из-за низкой плотности воздуха. В результате, эффект такой же, как и в случае с высотой.

Температура градиент набора высоты скорость набора высоты

1.3.3. Эффект массы

Как видно из предыдущего параграфа:

Следовательно, при заданном типе двигателя, высоте, скорости набора высоты (TAS), любое увеличение массы приводит к снижению градиента набора высоты и скорости набора высоты.

Масса градиент набора высоты скорость набора высоты

1.3.4. Эффект ветра

Постоянная составляющая ветра никак не влияет на скорость набора, но меняет траекторию полета.

GS =

Путевая

скорость

TAS =

Истинная

воздушная

скорость

γg = Градиент путевого набора высоты

γa = Градиент

Рис. G3: Составляющая ветра при наборе высоты

153

Как показано на рис. G3, градиент набора высоты не зависит от составляющей ветра. Поэтому топливо и время до потолка набора высоты(T/C) остаются неизменными.

Встречный ветер Скорость набора Топливо и время до T/C

Угол траектории полета (γg)

Путевое расстояние до T/C

2.ПОЛЕТ В РЕЖИМЕ НАБОРА ВЫСОТЫ

2.1.Управление при наборе высоты

2.1.1.Установка тяги

Стандартному набору высоты соответствует «Максимальная Тяга Набора Высоты». На высоте снижения тяги пилоты должны ее понизить с мощности взлета до мощности набора высоты, переведя автомат тяги в позицию набора высоты (CL) (см рис. G4). Это необходимо сделать в течение 5 минут после отпускания тормозов.

Рис. G4: Позиция Автомата Тяги

2.1.2. Распределение Энергии

Воздушное судно получает энергию от двигателей. Для того чтобы лететь, воздушное судно должно обладать:

•Кинетической энергией, необходимой для поддержания скорости и ускорения.

•Потенциальной энергией, необходимой для набора и поддержания высоты.

154

Сумма кинетической и потенциальной энергий не может превышать общую энергию воздушного судна. Соответственно, общую энергию воздушного судна следует поделить между необходимостью поддерживать скорость и потребностью в высоте.

Компьютер управления полетом (FMGS) распределяет энергию в течение набора высоты (70% на скорость, 30% на высоту). В результате, когда:

•TAS увеличивается: градиент набора и скорость набора высоты уменьшаются, так как потенциальная энергия преобразовывается в кинетическую энергию.

•TAS снижается: градиент набора и скорость набора высоты увеличиваются, так как кинетическая энергия преобразовывается в потенциальную энергию.

2.1.3.Потолок набора высоты

Набор высоты может продолжаться до выхода в горизонтальный полет (когда скорость набора высоты почти равна нулю). Однако, так как при этом был бы большой расход топлива и времени, FMGS ограничивает набор на максимальную высоту. Эта максимальная высота обычно достигается при скорости набора 300 футов в минуту.

2.2.Скорости набора высоты

2.2.1.Закон набора высоты с данной приборной скоростью и числом Маха

Набор высоты обычно производится при постоянной приборной воздушной скорости (IAS) и постоянном числе Маха. Например, стандартный профиль набора высоты для семейства A320 составляет:

250 узлов/ 300 узлов / M0.78

Этап набора высоты делится на 3 ступени (Рис. G5):

•Ниже 10000 футов: Набор высоты с постоянной приборной воздушной скоростью IAS = 250 узлов. Скорость ограничена правилами УВД.

•Выше 10000 футов: Набор высоты с постоянной приборной воздушной скоростью IAS = 300 узлов (ограничена до M0.78). На высоте 10000 футов воздушное судно ускоряется до более оптимальной скорости набора (300 узлов), которая сохраняется до тех пор, пока число Маха меньше 0,78.

•Выше высоты пролета контрольной точки: Набор высоты с постоянным числом Маха = M0.78. Высота пролета контрольной точки – это высота, где 300 узлов IAS равняются числу Маха M0.78. Выше данной высоты необходимо поддерживать постоянное соотношение между TAS и скоростью звука, чтобы избежать бафтинга, возникающего при высокой скорости.

155

FL

400

Tropopause 350 36,089 ft

250

200

150

100 Acceleration

250 kt to 300 kt

Рис. G5: Профиль набора высоты с данной приборной скоростью и числом Маха

2.2.2. Набор высоты с максимальным градиентом

Градиент набора высоты со скоростью зеленой точки является максимальным. Набор высоты со скоростью зеленой точки позволяет занять заданную высоту по кратчайшему расстоянию.

Скорость зеленой точки рассчитывается Системой управления полетом (FMS) на основе массы воздушного судна и фиксируется на Первичном Индикаторе Хода Полета (PFD), когда воздушное судно с чистым крылом. Следовательно, эту скорость легко поддерживать в ручном режиме. К скорости зеленой точки нужно стремиться при любом отказе двигателя после взлета.

2.2.3. Набор высоты с максимальной скоростью

Набор высоты с максимальной скоростью позволяет достичь заданную высоту за кратчайший период времени.

Максимальная скорость набора высоты не отражается на Первичном индикаторе хода полета (PFD). Однако, набор высоты с максимальной скоростью можно производить в регулируемом режиме (см. «Набор высоты в максимально экономичном режиме»).

2.2.4. Набор высоты в экономичном режиме

Как говорилось в главе «Крейсерский режим», индекс расходов должен стремиться к снижению прямых эксплуатационных расходов. В результате, для заданного индекса расходов, FMGS рассчитывает оптимальную скорость набора высоты (IASECON) и оптимальное число Маха при наборе высоты

(MachECON). Затем набор высоты ведется в регулируемом режиме, основываясь на следующем законе набора высоты с данной приборной скоростью и числом Маха:

156

250 kt / IASECON / MachECON

Для минимизации расхода топлива в полете, следует использовать индекс низких расходов. Поскольку на этапе набора высоты расходуется много топлива, то целесообразно уменьшить продолжительность набора. Это достигается при максимальной скорости набора высоты.

CI = 0 IASECON = Максимальная скорость набора высоты

С другой стороны, более высокий индекс расходов обеспечивает более высокую путевую скорость на этапе набора высоты, тем самым, снижая скорость набора. Но при этом расстояние, покрытое за время набора, увеличивается, а соответственно фаза крейсерского режима и общего времени в полете снижается. Максимальная путевая скорость на этапе набора высоты обычно ограничена максимально допустимой эксплуатационной скоростью

(VMO) - 10 узлов.

CI = CImax IASECON = VMO – 10 kt

2.3. Таблица набора высоты в FCOM

H03C -04 A320-231 V2500 21100000C5KG330 0 018590 0 0 2 1.0 500.0 300.0 1 03 FCOM-N0-03-05-10-003-000

Рис. G6: A320 Пример таблицы набора высоты

157

2.4. Давление в пассажирском салоне при наборе высоты

Так как пассажирский салон должен сохранять герметичность, соответствующая система обеспечивает пассажирам комфортный полет.

Во время нормальной эксплуатации, давление в пассажирском салоне ограничено максимальной величиной, которая зависит от типа воздушного судна. Цель – ограничить перепад давления P (снаружи и внутри). Например:

•Семейство A320: Максимальная высота в пассажирском салоне = 8000

футов , Pmax = 556 hPa (8.06 PSI)

•A340-200/300 : Максимальная высота в пассажирском салоне = 7350

футов , Pmax = 593 hPa (8.6 PSI)

Давление в пассажирском салоне меняется по специальной программе, чтобы достичь определенной высоты пассажирского салона на конечном участке набора высоты, предусмотренной FMGS. Для воздушных судов с электрической системой управления полетом скорость набора в пассажирском салоне ограничена 1000 футов в минуту.

Рис. G7: Пример Закона Набора Высоты для A340-200/300

Рис. G7: На крейсерском эшелоне FL250, FMGS обеспечивает давление в пассажирском салоне, соответствующее 3050 футам.

158