8. Научно-исследовательский раздел Обоснование выбора схемы и параметров самолета

В данном разделе приведены рассуждения в пользу выбранной схемы самолета и расчеты проектных параметров самолета.

8.1. Обоснование выбора схемы

Проектируемый самолет является учебно-тренировочным и предназначен для обеспечения основной и повышенной подготовки самолета. Для обоснования выбора схемы и параметров самолета кратко изложим концепцию проектируемого самолета.

Итак, как это упоминалось в разделе 1, летная подготовка состоит из 4 этапов: первоначальная подготовка, основная подготовка, повышенная подготовка, ввод в строй (боевая подготовка) (рис. 8.1).

Рис. 8.1.

Распишем кратко выполнение задач на каждом этапе.

Первоначальная подготовкаставит своей задачей привить будущему летчику первоначальные навыки пилотирования и уже на самых ранних этапах обучения выявить кандидатов, которые по тем или иным причинам не в состоянии стать военными летчиками. Этот этап обучения проводится на относительно простых и дешевых поршневых самолетах, оснащенных двигателями мощностью около 200 л.с. (исключением является российский учебно-тренировочный самолет Як-52, имеющий поршневой двигатель мощностью 360 л.с.). Во всем мире таких самолетов сейчас имеется около 6000. Достаточно распространенной тенденцией в мире является проведение первоначальной летной подготовки не непосредственно в ВВС, а действующими по контракту с ними гражданскими фирмами и организациями. В России такой организацией является РОСТО (преемник ДОСААФ), однако сейчас роль РОСТО в этом процессе не так высока, какой она была во времена существования СССР.

На этапе основной подготовкикандидаты в летчики получают основные навыки пилотирования в светлое время суток в простых метеоусловиях. Начинается подготовка с обучения технике взлета, посадки, полета по маршруту и выполнению простейших фигур пилотажа, позднее курсанты переходят к освоению более сложных фигур пилотажа. Будущие летчики проходят тренировки по порядку действий в аварийных ситуациях (например, при отказе двигателя). Следующим этапом является обучение полетам по приборам, в том числе приборной посадке, а также основам навигации и полетам по карте. В завершение основной подготовки курсанты приступают к первым полетам в составе пары самолетов и в темное время суток.

Основная подготовка осуществляется на самолетах с турбовинтовым или одним реактивным двигателем. Всего в мире сейчас имеется около 3500 самолетов для основной подготовки.

Повышенная подготовкавключает углубленное обучение пилотированию, навигации и основам боевого применения. Начинается она с тех же элементов, которые отрабатывались на предыдущем этапе обучения, но проводится теперь на более мощном и совершенном типе самолета, с большими скоростью полета и ускорением. Отдельные элементы обучения постепенно объединяются во все более и более сложные комплексы. Отрабатываются полеты по приборам, в составе группы, а также на малых высотах. На завершающем этапе этой стадии подготовки курсанты отрабатывают основы тактики применения истребительной авиации, в частности тренируются удерживаться «на хвосте» маневрирующего самолета, и выполняют полеты в составе группы уже из четырех самолетов.

Повышенная подготовка проводится на одно- или двухдвигательных реактивных самолетах. Сейчас в мире имеется около 2500–3000 таких самолетов, наиболее распространенные из которых – чешский L-39, британский Hawk, франко-германский Alpha Jet, итальянский MB339 и др. Некоторые из этих машин используются в ряде небогатых стран в качестве легких боевых самолетов. Специфическим представителем самолетов повышенной подготовки является американский сверхзвуковой самолет T-38 Talon, на базе которого в свое время был создан столь популярный во многих странах мира истребитель F-5 Tiger, строившийся массовыми сериями.

Боевая подготовка (ввод в строй)– последний в процессе обучения летчиков-истребителей. В его ходе они осваивают особенности тактики боевого применения истребительной авиации, групповые действия, применение различных видов авиационного вооружения, а также проходят переучивание на новый для них тип самолета, на котором позднее будут летать в строевых частях ВВС. В ряде стран мира для этого этапа обучения применяется термин LIFT — Lead-In Fighter Training (дословно – «переучивание на истребитель» или «подготовка к вводу в строй истребителей»). Проводится этот этап подготовки на околозвуковом или сверхзвуковом специализированном учебно-боевом самолете и/или на двухместной учебно-боевой модификации самолета-истребителя.

Самолеты для боевой подготовки (LIFT) – наиболее динамично развивающаяся категория учебных самолетов; иногда их называют самолетами, имитирующими самолет-истребитель. Они должны иметь летные характеристики, приближающие их к боевым машинам (поэтому на таких самолетах сейчас часто применяются перепрограммируемые системы управления), а также информационно-управляющее поле кабины экипажа, подобное имеющемуся на реальном боевом самолете. В то же время такие машины редко оснащаются бортовой РЛС и вооружением – вместо них используются средства имитации их применения.

Первым в мире специализированным учебно-боевым самолетом класса LIFT стал британский самолет Hawk серии 120 (до него в этих целях использовались только двухместные учебно-боевые модификации боевых самолетов). Новинками на рынке подобных самолетов сейчас являются российский Як-130, южнокорейский Т-50, итальянский М346, китайский L-15 и некоторые другие.

Как видим, на каждом этапе применяется «свой» самолет. При этом использование того или иного самолета для данного этапа исходит из выполняемых им задач на данном этапе с учетом его высокой экономической отдачи. Например, для основной подготовки необязателен «навороченный» самолет с большой тяговооруженностью, ибо его экономически невыгодно использовать на данном этапе. Но и самолет основной подготовки уже малопригоден на повышенном этапе, и уж точно при боевой подготовке.

В советское время в 70-80 гг, когда начался подъем авиастроения в нашей стране после хрущевского застоя, в качестве основного учебно-тренировочного самолета использовался L-39. Этот самолет охватывал почти всю летную подготовку, в некоторых случаях применялся даже для первоначальной подготовки. Дальнейшее обучение летчиков осуществлялось на двухместной учебно-боевой модификации самолета-истребителя. Картина использования самолетов для летной подготовки в это время представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2

С течением времени с появлением высокоманевренных истребителей четвертого поколения L-39 перестал удовлетворять в качестве основного самолета для обучения летчиков. Использование же для этих целей новых учебно-боевых самолетов (спарок) было бы очень дорогостоящим занятием. Поэтому в начале 90-х годов было опубликовано ТЗ на разработку нового учебно-тренировочного самолета (об этом подробно написано в разделе 1). В ходе всего этого был спроектирован и построен самолет Як-130, который в данный момент поставляется в летные училища. При этом Як-130 получился куда более тяжелее L-39, но при этом он имеет хорошие маневренные характеристики, которые обеспечивают ему отработку задач, схожих с задачами современных истребителей. Что же касается использования его на этапах основной и повышенной подготовки, то считаю, что данный самолет для этих целей очень дорогостоящее удовольствие. А новых самолетов для этих целей, которые бы пришли на смену морально и технически устаревшимL-39, у нас пока нету. Вот и предлагается в сложившейся ситуации использовать самолет Як-130 на ранних этапах подготовки (рис. 8.3).

Рис. 8.3

Например, фирма Aermachhi, которая имеет большой опыт в создании учебно-тренировочных самолетов, для обеспечения этапов летной подготовки предоставляет свою продукцию в следующем виде (рис. 8.4).

Рис. 8.4

Исходя из этих рассуждений, в дипломном проекте мною предлагается разработка учебно-тренировочного самолета, обеспечивающего основную и повышенную подготовку, при этом с меньшими экономическими затратами, чем если бы для этих целей использовался Як-130 (рис. 8.5).

Рис. 8.5.

Более подробно, концепция проектируемого самолета с заданием технических требований изложена в разделе 1.

Таким образом, задавшись проектом и ставя в центре внимания более высокую экономичность по сравнению с Як-130, необходимо эту самую экономичность обеспечить. При этом связать эту экономичность с проектным параметром самолета. И в качестве такого параметра является, конечно же, масса самолета. Ведь снижение массы самолета, его малоразмерность непосредственно влияют на снижение его цены и эксплуатационных расходов.

Рассмотрим факторы, которые бы смогли привести к снижению массы.

Одним из основных факторов в данном случае, считаю, количество двигателей на самолете. На рассматриваемых мною прототипах Як-130 и МиГ-АТ ставится два двигателя, при этом на других прототипах имеется только один двигатель. Да и современные зарубежные самолеты класса Як-130 делаются однодвигательными (например, самолет «Мако» или T-50 «GoldenEagle»). Таким образом, при разработке относительно небольших самолетов всегда стоит вопрос: оснащать его одним большим двигателем или двумя меньшего размера. Большой двигатель, как правило, имеет меньший удельный вес и расход топлива, его габариты растут гораздо медленнее, чем тяга. Стоимость однодвигательной силовой установки получается меньше, а обслуживание – проще. Отсюда эксплуатационные расходы самолета меньше.

Поэтому на проектируемом самолете ставится один двигатель.

Другим основным фактором, обеспечивающим снижение массы самолета, является несение на нем вооружения. Многие рассматриваемые прототипы могут использоваться как легкие штурмовики, имея на себе несколько точек подвески вооружения. При этом, неоспоримо, масса самолета растет. А Як-130 в этом плане является еще хорошо вооруженной боевой единицей, которая может брать до 3000 кг боевой нагрузки.

Поэтому с целью уменьшения массы самолета откажемся от применения вооружения, сконцентрировав внимание самолета только на учебные цели. Да и зачем, с другой стороны, оснащать его вооружением, когда его применение характерно только на заключительных этапах подготовки. При чем сейчас новое электронное оборудование, которое предлагается также устанавливать на проектируемом самолете, позволяет имитировать прицеливание, стрельбу и т.п.

При этом выберем низкое расположение крыла, что позволит размещать на них основные опоры шасси. При этом они будут менее габаритными, а значит меньше весить.

Применение в конструкции самолета современных и легких материалов с большой удельной прочностью (композиты), также способствует снижению массы.

Основываясь на данных рассуждениях по снижению массы самолета, попытаемся ее определить на начальном этапе проектирования. При этом, расчету массы самолета в дипломном проекте посвящен целый раздел, в котором используются методы определения массы самолета по литературе [1] и [3]. Ниже в целях научно-исследовательской работы будет осуществлен расчет массы по методике [10]. Сравнение двух масс в полной мере даст нам представление о массе проектируемого самолета и позволит нам определить основные проектные параметры самолета.