4.4. Перегрузки при встрече с порывом с градиентным участком. Методика расчета по ап 25

При определении коэффициента демпфирования k не учитывались влияние протяженности самолета, благодаря которой самолет входит постепенно даже в резко ограниченный порыв, а также нестационарность обтекания.

За время пока хорда крыла b полностью войдет в порыв, самолет приобретет вертикальную скорость, которая уменьшит скорость порыва относительно самолета и приведет к снижению перегрузки.

Учет нестационарности обтекания снижает величину k на 2…5% по сравнению со стационарной теорией при h/b = 10…20.

При учете вращения самолета вокруг оси z величина коэффициента k также снижается. Для устойчивого самолета при h = 30…50 м снижение составляет 10…20%, а при h более 200 м оно становится более значительным. Для неустойчивого самолета указанное снижение будет еще большим.

Учитывая указанные особенности, в Авиационных Правилах используется методика расчета перегрузок при встрече с вертикальным порывом, которая отлична от методики ЕНЛГС.

В пункте 25.341 АП-25 ”Перегрузки при полете в неспокойном воздухе” даются следующие рекомендации.

Предполагается, что форма порыва описывается уравнением

(4.25)

где s - расстояние, пройденное в порыве (глубина проникновения в порыв), м,

b - средняя геометрическая хорда крыла, метры;

U_de - эффективная индикаторная скорость порыва , м/с .

При отсутствии более точного метода расчета, перегрузки при полете в неспокойном воздухе должны определяться по следующей формуле:

(4.26)

где

, (4.27)

Здесь – Kg -коэффициент демпфирования (ослабления) порыва;

Примечание. В скобках приведены термины, применяемые в Техническом руководстве по летной годности (ТРЛГ-Doc 9051-AN/896 ИКАО).

(4.28)

- массовый параметр самолета;

В ТРЛГ используется коэффициент массы самолета

- ;

U_de - эффективная скорость порыва, м/с ;

 - плотность воздуха, кгсс²/м⁴ ( В ТРЛГ плотность воздуха имеет размерность кг/м³);

G/S - удельная нагрузка на крыло (кгс/м²). ( В ТРЛГ m/s – расчетная нагрузка на крыло, кг/м²) ;

b - средняя геометрическая хорда, м ;

g - ускорение свободного падения, м/с² ;

V - индикаторная скорость самолета, м/с ;

- производная коэффициента нормальной подъемной силы самолета по углу атаки (1/радиан) при одновременном действии нагрузок от порывов при полете в неспокойном воздухе на крыло и горизонтальное оперение.

при приближенном расчете можно пользоваться производной коэффициента подъемной силы крыла по углу атаки

4.5 Действительная и эффективная скорость порыва

Выше было показано, что, зная максимальную скорость порыва U_max и функцию , можно определить перегрузку самолета при полете в неспокойном воздухе. Важной задачей является определение и предсказание значений перегрузок, которые могут возникнуть при эксплуатации или проектируемого ВС. Для решения указанных вопросов проводятся обширные исследования на различных типах самолетов, которые эксплуатируются в различных зонах земного шара, а также на специальных самолетах-лабораториях.

Д ля визуального измерения перегрузок на самолетах вблизи центра масс устанавливаются акселерометры (рис.4.11).

П

Рис. 4.11. устройство акселерометра

о устройству акселерометр представляет грузик 1, подвешенный на пружинах 2 внутри корпуса прибора. При ускорениях самолета перемещение грузика передается на стрелку прибора или преобразуется в электрический сигнал. С грузом связано демпфирующее устройство 3.

Для массовых статистических исследований и получения информации в аварийных ситуациях на самолетах устанавливаются акселерографы – самописцы перегрузок.

В настоящее время используются следующие виды перегрузочных приборов:

1. приборы типа СП (скорость - перегрузка), дающие запись перегрузки по скорости. Запись производится на закопченное стекло. Примерно через 30 часов налета стекло вынимают.

Пример записи приведен на рис. 4.12.

И

Рис. 4.12. Пример записи прибора типа СП

спользуя запись можно определить, какую максимальную или минимальную перегрузку имел самолет на той или иной скорости полета.

2. Счетчики перегрузок, отмечающие, сколько раз встречалась перегрузка, лежащая в определенном диапазоне. При этом другие параметры полета (скорость, высота, масса самолета) не фиксируются.

3 . Приборы, записывающие перегрузку в функции от времени. Пример записи перегрузки во времени приведен на рис.4.13.

Э

Рис. 4.13 Пример записи перегрузки по времени

ти приборы значительно сложнее приборов первых двух типов. Обычно их устанавливают на самолетах-лабораториях, оборудованных также приборами для записи по времени скорости полета, угловых скоростей и отклонений рулей и элеронов. Структуру порывов можно изучать только с помощью приборов, отмечающих время.

По записи процесса n(t) теоретически можно найти U(t). Для этого можно воспользоваться выражением для U(t), содержащим угловую скорость тангажа _z.

уравнение равновесия сил для самолета может быть записано в виде

(4.29)

Подставляя сюда y =gn; ; , получим

(4.30)

Для того чтобы находить U(t) по формуле (4.30), требуется иметь очень точную запись показанной жирографа, что на практике связано с затруднениями.

П ри первом взгляде на записи перегрузок может показаться бесспорным, что порывы значительной интенсивности имеют «форму», близкую к треугольной. Однако кривые U(t) и n(t) не являются подобными. Подтверждением этого является рис. 4.14, на котором теоретическим путем построены кривые изменения перегрузки и скорости двух вертикальных треугольных порывов.

Таким образом, структура порыва не может быть однозначно определена только на основании записи перегрузки по времени.

Экспериментально установлено, что наибольшие перегрузки обычно нарастают от нуля до максимального значения за промежуток времени, который заметно меньше четверти периода тангажных колебаний самолета.

Е

Рис. 4.14. Перегрузки самолета при действии двух треугольных порывов

сли приближенно считать, что интенсивность порыва нарастает по линейному закону, то можно считать, что длина градиентного участка h равна времени нарастания перегрузки, умноженного на скорость полета V.

Следовательно, хотя структура порыва за градиентным участком не может быть определена по записи перегрузочного прибора без тщательного анализа, участок нарастания интенсивности порыва определяется с достаточной степенью точности.

Зная длину градиентного участка h, можно найти коэффициент демпфирования (ослабления) порыва К_max и отсюда U_max по формуле 4.19.

Изучение записей перегрузки по времени показывает, что порывы, вызывающие значительные перегрузки, имеют обычно градиентные участки длиной от 20 до 70 м. При этом отсутствует связь между скоростью порыва и величиной градиентного участка.

Для расчета на прочность обычно принимают, что самолет может встретить порыв максимальной интенсивности с градиентным участком длиной h = 30 м.

Так как тридцатиметровая длина градиентного участка, как правило, мала по сравнению с длиной пути, проходимого самолетом за четверть периода тангажных колебаний, то в соответствии с рекомендациями ЕНЛГС для определения перегрузки можно воспользоваться формулами

, (4.31)

, (4.32)

. (4.33)

Для самолетов, эксплуатируемых на малых и умеренных высотах, при вычислении  можно приближенно принять . Это соответствует, например, = 4,  = 0,101 кгсс²/м² (Н 2000 м) или = 5,  = 0,0815 кгсс²/м² (Н  4000 м). Тогда при h = 30 м

(4.34)

где G/S должно быть выражено в кгс/м²

Кривая k_max(G/S) для малых и умеренных высот, полученная по формуле (4.34), приведена на рис. 4.15.

Ф

Рис. 4.15 Коэффициент демпфирования для малых и умеренных высот

ормулой (4.34) удобно пользоваться потому, что k_max зависит только от удельной нагрузки на крыло G/S.

С другой стороны, из рис. 4.15 видно, что при тех предположениях, которые положены в основу вывода формулы (4.34), k_max изменяется в довольно узких пределах при не очень малой величине удельной нагрузки на крыло.

Для определения максимальной величины скорости порыва U_max , которая должна быть использована при расчете на прочность, необходимо использовать материалы массовой записи перегрузочных приборов, установленных на большом числе самолетов, - материалы статистики перегрузок.

Как уже было сказано, основная часть этих материалов получена с помощью приборов, отмечающих перегрузку, но не дающих записи ее изменения по времени. Вследствие этого длина градиентного участка неизвестна, и задача нахождения U_max делается неопределенной, так как нельзя вычислить k_max Поэтому переход от измеренных перегрузок к скоростям порывов приходится производить, пользуясь значениями k_max, вычисленными при условно принятой стандартной длине градиентного участка.

Запишем формулу для перегрузки в виде

, (4.35)

где ₀ — плотность воздуха у земли;

V_i - индикаторная скорость полета;

– “индикаторная скорость порыва”.

Если определять k_max(G/S) по формуле 4.34, тогда из формулы 4.35 можно найти U_i. Эта скорость не будет действительной индикаторной скоростью порыва, так как использованное при ее вычислении значение k_max является условным, основанным на выборе стандартной длины градиентного участка, истинная длина которого неизвестна, и на осредненном значении . Величина U_i, найденная описанным способом, получила название эффективной скорости порыва U_de

Окончательно формула для определения U_de может быть записана в виде

(4.36)

В формуле 4.36 коэффициент демпфирования порыва обозначен вместо , чтобы подчеркнуть, что он вычисляется условно - по формуле 4.34.

Таким образом, эффективная скорость порыва отличается от его действительной индикаторной скорости однако использование этого параметра позволяет с известной степенью точности воспользоваться материалами статистики перегрузок для решения вопроса о том. какие же скорости порывов наблюдаются в атмосфере и с какими порывами может встретиться самолет при его нормальной эксплуатации.