ОСНОВИ АЕРОДИНАМІКИ ТА ДИНАМІКИ ПОЛЬОТУ

частина ІI

ДИНАМІКА ПОЛЬОТІВ

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ		УКЛАДАЧІ

2. УСТАЛЕНИЙ РУХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

2.3. Дальність і тривалість польоту вертольота

2.3.1. Поняття і принципи розрахунку дальності й тривалості польоту

2.3.2. Наявний запас палива для виконання польоту

2.3.3. Годинникова і кілометрова витрати палива. Дальність горизонтального польоту

2.3.4. Вплив основних експлуатаційних чинників на дальність і тривалість польоту

2.3.1. Поняття і принципи розрахунку дальності й тривалості польоту

1. Дальністю польоту (L) називається відстань, пройдена вертольотом маршрутом польоту від місця вильоту до місця посадки.

2. Тривалістю польоту (T_п) називається час перебування вертольота в польоті (а саме час, що минув із моменту зльоту до посадки).

Можливі характеристики дальності та тривалості польоту залежать від кількості палива на борту вертольота під час зльоту (вильоту) і економічності його витрачання. Запас палива на вертольоті може залежати від маси вантажу, що перевозиться.

Економічність витрати палива залежить від польотної маси вертольота і режиму польоту. Визначаючи можливі дальність і тривалість польоту, необхідно враховувати як різні експлуатаційні чинники, так і випадкові причини, які можуть вплинути на дальність або тривалість польоту.

Кожен політ вертольота складається з декількох етапів. Визначивши дальність і тривалість кожного етапу, можна визначити сумарну дальність і тривалість польоту. При цьому для простоти спочатку не враховують різні можливі або вимушені відхилення від окресленого маршруту або режиму (профілю) польоту.

Найпростіший схематизований профіль польоту вертольота (рис. 2.3.1) складається з трьох етапів: набору висоти, горизонтального польоту і зниження. Отже, дальність польоту (L) можна визначити як суму трьох величин – дальностей, досягнутих за набору висоти (L_наб), в горизонтальному польоті (L_гп) і за зниження (L_сн):

.

Аналогічно дальності тривалість польоту (t_пол) можна визначити, склавши час набору висоти (t_наб), горизонтального польоту (t_гп) і зниження (t_cн):

.

Рис. 2.3.1. Найпростіший профіль польоту вертольота

У вертольотів шляхи набору висоти і зниження, зазвичай, становлять дуже невелику частку загальної дальності польоту. Найвигідніші режими набору висоти і зниження визначаються для кожного типу вертольота. На графіках і в таблицях наводять значення дальності набору (L_наб), дальності зниження (L_сн), а також час набору висоти (t_наб) і час зниження (t_сн) та відповідні витрати палива залежно від висоти польоту, що набирається (втрачається), ці величини за своїми розмірами – незначні.

Отже, необхідно знайти величини дальності і тривалості горизонтального польоту та проаналізувати основні закономірності, що їх визначають. Простіше за все ці величини визначають під час виконання горизонтального польоту з постійною швидкістю.

Під час польоту на дальність у першому наближенні можна вважати, що режим роботи рухової установки не змінюється, отже, характеристики витрати палива на цій ділянці незмінні. Кожен тип двигуна має свої характеристики економічності витрати палива.

3. Витрата палива силовою установкою за годину польоту називається годинниковою витратою (Q_{T, кг/год}). При цьому двигуни розвивають ефективну потужність (N_e). Відношення годинникової витрати палива до ефективної потужності називається питомою витратою палива (С_е):

.

Під час польоту вертольота зі швидкістю (V) силова установка за 1 год витрачає паливо (Q_Tкг), а вертоліт пролітає за цей час відстань (V – км).

	Отже, поділивши витрату палива (QT) на швидкість польоту (V), можна знайти, скільки палива витрачається на кожен кілометр пройденого шляху (в штиль) – (qT):
, де qT – величина, що називається кілометровою витратою палива.

Знаючи наявний запас палива для горизонтального польоту (W_дп) і величини кілометрової і годинникової витрат, можна легко визначити дальність (L_дп) і тривалість (t_дп) цієї ділянки польоту:

.

Вищенаведені формули показують, що дальність і тривалість польоту будуть максимальні за максимальних наявних запасів палива. При цьому дальність буде найбільшою, коли буде мінімальна кілометрова витрата, а тривалість – за мінімальної годинникової витрати.

Величини кілометрової (q_T) і годинникової (Q_T) витрат залежать від режиму польоту. Отже, дальність і тривалість також залежать від режиму польоту.

Ділянки польоту вибирають, виходячи з умови, щоб у межах кожного з них величини кілометрової та годинникової витрат можна було вважати незмінними.

Отже, для розрахунку дальності й тривалості польоту, а також визначення режимів найбільшої дальності і тривалості необхідно розглянути способи визначення наявного запасу палива, кілометрової і годинникової витрат, а також визначити основні закономірності їх зміни.

2.3.2. Наявний запас палива для виконання польоту

1. У своєму розпорядженні запасом палива (W_повн) називається максимальна кількість палива, яке може бути в розпорядженні екіпажу на вертольоті для виконання завдання.

	Вочевидь, що величина запасу палива (Wповн) не може перевищувати повного заправлення вертольота паливом у цьому варіанті (з підвісними баками або без них):
, де: - Еповн – місткість паливної системи, а саме місткість основних баків, а також підвісних, якщо політ виконується з підвісними баками, л; - ρТ – масова щільність палива, кг/м^3.

Вираз місткості паливної системи (W_повн) є першою умовою, якої необхідно дотримуватися, визначаючи наявний запас палива. Однак не завжди можна заправляти паливну систему повністю. На вертольотах наявний запас палива в багатьох випадках залежить від корисного навантаження, що перевозиться.

Навантаження і заправлення паливом визначають злітну масу вертольота (m_взл), яка у всіх випадках не має перевищувати максимально допустиму в експлуатації (m_макс) або граничну за умовами зльоту і посадки (т_пр):

.

Тому на частку палива залишається різниця між граничною (максимальною) масою вертольота і масою корисного навантаження, що необхідно перевозити в польоті. Отже, наявний запас палива не може бути більше цієї різниці.

Це друга умова для визначення місткості палива (Wповн) (рис. 2.3.2):

, де: – mнезм – незмінна маса вертольота, яка охоплює: масу екіпажу – mек, конструкції вертольота – mконст., обладнання, постійне або наявне на вертольоті за всіх польотів – тобл, олія в двигунах, редукторах тощо – тмасл, а також невідпрацьований залишок палива – тн/в; – mзм – змінне навантаження, яке становить вантаж, що перевозиться, твант, додаткове (для кожного такого польоту) обладнання, спорядження та члени екіпажу.

З викладеного вище можна зазначити, що незмінна маса вертольота дорівнює:

,

а змінне навантаження: .

Зазвичай, величину повної місткості палива (W_повн) знаходять за допомогою графіка – рис. 2.3.2.

2. Запасом палива для горизонтального польоту (W_гп) називається максимальна кількість палива, яке може бути витрачена в горизонтальному польоті.

Для горизонтального польоту може бути витрачена не вся величина палива Wповн, а лише частина її – Wгп (рис. 2.3.2):

, де: – Wзем – витрата палива на землі: запуск, прогрівання, проба двигунів і руління; – Wнаб – витрата палива на зліт і набір заданої висоти польоту (згідно з Керівництвом з льотної експлуатації); – Wзн – витрата палива на зниження і посадку (згідно з Керівництвом з льотної експлуатації); – Wгар – гарантійний запас палива (запас, що враховує неточне витримування маршруту, зміну метеорологічних умов, бойову обстановку тощо).

Зазвичай, для одиночного польоту мінімальним вважають запас палива W_гар = 10%, під час польоту ланки в строю W_гар = 15%, під час польоту ескадрильї і полку в строю W_гар = 20% кількості заправленого перед польотом палива.

Залежно від ступеня підготовки екіпажів і умов виконання завдання величина гарантійного запасу палива (W_гар) за рішенням командира вертольота може змінюватися, як порівняти зі зазначеними величинами.

Рис. 2.3.2. Залежність наявного запасу палива

від маси змінного навантаження

2.3.3. Годинникова і кілометрова витрати палива. Дальність горизонтального польоту

Величини годинникової і кілометрової витрат палива істотно залежать від економічності двигуна, показником якої є його питома витрата палива (С_е), а саме витрата на 1 к.с. потужності двигуна на годину.

Питома витрата палива змінюється зі зміною потужності двигуна і залежить, як і потужність, від числа обертів двигунів. Ці залежності різні для різних типів двигунів. Особливо різка залежність питомої витрати від числа обертів роторів спостерігається у газотурбінних двигунів. У поршневих двигунів ця залежність менш різка і, крім того, може згладжуватися внаслідок зміни тиску наддуву від нагнітача.

Для забезпечення найкращих умов роботи несучого гвинта зміна обертів роторів двигунів на вертольотах у польоті допускається в порівняно вузьких межах, особливо у ГТД, де працює система автоматичного регулювання роботи двигуна. Тому типові залежності зміни питомої витрати палива від режиму роботи двигуна виглядають, як наведено на рис. 2.3.3. У поршневих двигунів дроселювання їх потужності навіть наполовину практично мало впливає на питомі витрати, зменшуючи їх іноді на 5–10%, у ГТД за зменшення потужності до 0,5 номінальної питома витрата підвищується на 25–35%.

Для визначення годинникової витрати палива треба знати потужність (Ne), яку має розвивати силова установка.

Потужність силової установки для горизонтального польоту вертольота дорівнює:

.

Рис. 2.3.3. Характер зміни питомої витрати палива за зміни

режиму роботи ГТД і ПД

Тому годинникова витрата може бути вираженою залежно від потужності, потрібної для горизонтального польоту:

.

Відповідно для величини кілометрової витрати отримаємо залежність:

.

Ці формули наочно показують залежність годинникової і кілометрової витрат від потужності, потрібної для горизонтального польоту (N_rп), яка так само залежить від швидкості та висоти польоту вертольота і його маси.

Раніше наведені формули дають змогу записати залежності для розрахунку дальності й тривалості горизонтального польоту:

.

Розрізняють поняття «теоретична, технічна і практична дальності». Найбільш важливим є поняття «практична дальність», що розглядається в цій темі.

Практичною для заданого режиму і профілю польоту називається дальність польоту за такого заправлення палива, розрахована без витрачання мінімального гарантійного і невикористаного залишків палива.

Часто буває важливо знати, на якій максимальній відстані від аеродрому вильоту вертоліт може виконати будь-яке завдання і повернутися на свій аеродром. При цьому використовують поняття «радіус дії».

Тактичним радіусом дії називається максимальна відстань, яку може пролетіти вертоліт (група) із заданим режимом або профілем польоту від аеродрому зльоту до об’єкта дій із виконанням поставленого завдання і поверненням на свій аеродром за такого заправлення палива без витрачання мінімального гарантійного і невикористаного залишків палива.

Аналогічно поняттю «практична дальність» застосовується поняття «практична тривалість польоту».

Аналіз формул показує, що дальність і тривалість польоту залежать від запасу палива, режиму польоту (а саме від швидкості, висоти польоту і числа обертів НГ), сили тяжіння вертольота й атмосферних умов. Що більше запас палива на борту (W_гп), то більша за інших рівних умов дальність і тривалість польоту. Розглянемо вплив інших чинників.

2.3.4. Вплив основних експлуатаційних чинників на дальність і тривалість польоту

2.3.4.1. Вплив швидкості польоту

З формули випливає, що годинникова витрата пропорційна потужності, потрібній для горизонтального польоту.

Якби величина була постійною, залежність годинникової витрати палива від швидкості польоту Q_t = f (V) була б подібна до залежності N_гп = f (V), а саме кривої М.Є. Жуковського за потужністю, яку наведено на рис. 2.3.4, а.

Це положення відповідає дійсності за встановлення на вертоліт поршневих двигунів, питома витрата яких мало залежить від потужності. Відповідно на рис. 2.3.4, б наведено залежність годинникової витрати від швидкості польоту для вертольотів з ПД, яка повторює криву М.Є. Жуковського – N_гп = f (V).

Питома витрата газотурбінних двигунів помітно збільшується за зменшення потужності. Однак це збільшення менше, ніж зменшення N_гп та (N_e) за зміни швидкості польоту від максимальної V_макс (або від нуля) до економічної V_ек. Отже, утворення (N_{гп *} C_е) також буде найменшим, коли мінімальна буде величина N_гп.

Тому і у вертольотів з ГТД годинникова витрата досягає мінімуму під час польоту з такою швидкістю, коли потужність, потрібна для виконання горизонтального польоту, мінімальна (точка А на рис. 2.3.4, а). Отже, найменшу кількість палива протягом заданого часу буде витрачено під час польоту на швидкості, коли потужність (N_гп) мінімальна. З цієї причини швидкість польоту називається економічною (V_ек) або швидкістю найбільшої тривалості польоту (V_t-макс).

За цього запасу палива тривалість польоту на економічній швидкості буде максимальною, оскільки:

.

Політ на швидкості, більшій чи меншій економічній (V_ек), призводить до зменшення можливої тривалості внаслідок зростання годинникової витрати, тому що потужність ГП (N_гп) збільшується. Зокрема, тривалість польоту на режимі висіння майже вдвічі менше максимальної (під час польоту на V_ек), оскільки витрати: .

Характер зміни тривалості польоту вертольота залежно від швидкості польоту наведено на рис. 2.3.4, в.

З формули дальності горизонтального польоту випливає, що, якщо знехтувати зміною , дальність польоту буде найбільшою під час польоту на швидкості, коли величина відношення досягає мінімуму. Ця швидкість відповідає польоту за максимальної аеродинамічної якості вертольота і називається найвигіднішою – V_{нв (макс)}.

Величину найвигіднішої швидкості польоту отримують, проводячи дотичну до кривої з початку координат. Це є характерним для вертольотів із поршневими двигунами (ПД): величина швидкості найбільшої дальності горизонтального польоту приблизно дорівнює найвигіднішій швидкості.

Для більш точного визначення швидкості найбільшою дальністю слід враховувати зміну за швидкістю відношення , що абсолютно необхідно для вертольотів із ГТД. Тому найбільш точно режим польоту, відповідний максимальній дальності, визначають за залежністю годинникової витрати палива від швидкості польоту.

Через те що за такого запасу палива дальність досягає максимуму на швидкості, що відповідає мінімальній кілометровій витраті, необхідно знайти швидкість, відповідну мінімальному значенню відношення:

.

Рис. 2.3.4. Залежність потужності (а), відносної годинникової витрати (б), дальності і тривалості (в) від швидкості польоту

Величину цієї швидкості отримують, проводячи дотичну з початку координат до залежності годинникової витрати від швидкості польоту (рис. 2.3.4, б). За цієї швидкості польоту кілометрова витрата мінімальна.

Для вертольотів із поршневими двигунами (ПД) отримане значення швидкості за кілометрової витрати (), а саме швидкості найбільшої дальності , як і слід було очікувати, приблизно відповідає найвигіднішій швидкості.

Для вертольотів же із ГТД швидкість найбільшої дальності значно більше найвигіднішої, і вона називається крейсерською швидкістю. Іноді ця швидкість близька до максимально допустимої. Це пояснюється помітним падінням питомої витрати за збільшення швидкості польоту більше економічної і відповідною зміною залежності годинникової витрати від швидкості, як порівняти з вертольотами, що мають поршневі двигуни. Для вертольотів із ПД різниця в швидкостях найбільшої дальності і найбільшої тривалості горизонтального польоту становить 30–40 км/ч, а для вертольотів із ГТД ця різниця збільшується до 80–100 км/год і більше.

За відхилення швидкості польоту від швидкості найбільшої дальності в той чи інший бік можлива дальність польоту зменшується. Характер зміни дальності польоту залежно від швидкості наведено на рис. 2.3.4, б.

2.3.4.2. Вплив висоти польоту

Зі збільшенням висоти польоту питома витрата палива у ГТД, а також у ПД (до НР), зменшується, що сприяє збільшенню дальності й тривалості польоту. Однак потужність, потрібна для виконання горизонтального польоту на економічній і найвигіднішій швидкостях, сприяє зменшенню дальності і тривалості польоту. Крім того, збільшення висоти польоту вимагає збільшення витрати палива на ділянці набору.

Як результат дія всіх суперечливих чинників призводить до того, що у вертольотів із ПД за збільшення висоти дальність і тривалість горизонтального польоту дещо зменшуються.

У вертольотів із ГТД, питома витрата палива яких залежить від висоти більш різко, а швидкості ближче до максимальних (V_L,_макс), дальність польоту за збільшення висоти зростає приблизно до межі висотності двигуна.

Закономірності зміни потужності (N_гп) за збільшення висоти польоту зумовлюють сталість приладової швидкості найбільшої тривалості незалежно від висоти польоту (справжнє значення економічної швидкості (V_ек) за збільшення висоти польоту зростає).

Найвигідніша швидкість за приладом за збільшення висоти також спочатку не змінюється, тому не змінюється і приладова швидкість найбільшої дальності у вертольотів із ПД. Однак значення швидкості найбільшої дальності, особливо у вертольотів із ГТД, починаючи з висоти польоту 1500–2000 м, сильно наближаються до значень максимально допустимої швидкості. При цьому позначаються відповідні обмеження на швидкості польоту. Тому з висот 1500–2000 м значення швидкості найбільшої дальності починають зменшуватися, фактично відповідаючи обмеженням максимально допустимої швидкості, і на висоті динамічної стелі дорівнюють економічній швидкості (V_ек).

Характер зміни швидкостей найбільшої дальності польоту від висот наведено на рис. 2.3.5.

Закінчив розгляд

Рис. 2.3.5. Характер зміни швидкостей найбільшої дальності і найбільшої тривалості польоту за висотами

2.3.4.3. Вплив польотної маси вертольота

Збільшення польотної маси вертольота вимагає збільшення потужності (N_дп), необхідної для горизонтального польоту на всіх швидкостях.

Тому збільшення маси вертольота (за постійного запасу палива W_полн) призводить до зменшення дальності та тривалості польоту.

У середньому кожен відсоток збільшення маси понад нормальну призводить до скорочення дальності на 0,4 = 0,6% за польотів на висотах до 1000–1500 м і на 0,8–1% за польотів на висотах 2000–3000 м у вертольотів з ГТД. У вертольотів з ПД збільшення маси на 0,8–1% (рис. 2.3.6).

Польотна маса вертольота протягом польоту може зменшуватися як поступово через виробітку палива, так і різко через викидання десанту або вантажів.

Рис. 2.3.6. Залежність кілометрової витрати палива від маси вертольота: І – без підвісних баків; ІІ – з підвісними баками

	За невеликих змін польотної маси (5–10%) можна розрахувати дальність польоту, вважаючи масу незмінною, що дорівнює її середньому значенню:
, де: – mнач – маса вертольота на початку польоту; – mкін – маса вертольота наприкінці польоту.

За великих змін польотної маси маршрут розділяється на кілька етапів із постійними величинами (m_ср), і дальність польоту розраховується за етапами з подальшим їх підсумовуванням.

За наявності графіків залежності кілометрової витрати палива від польотної маси вертольота дальність горизонтального польоту визначають за формулою:

.

При цьому значення кілометрової витрати (q_T) визначаються за графіками для середньої величини польотної маси вертольота на цьому етапі польоту.

2.3.4.4. Вплив вітру

Якщо за умовами виконання завдання необхідно забезпечити найбільшу тривалість перебування в повітрі, політ слід виконувати на постійній приладовій швидкості, що дорівнює економічній швидкості (V_ек), незалежно від напрямку і швидкості вітру. Тому наявність вітру не позначається на максимальній тривалості польоту (t_{пол, макс}).

Однак пройдений вертольотом шлях за цей час істотно залежатиме від швидкості і напрямку вітру, оскільки він змінює шляхову швидкість, збільшуючи її за попутного і зменшуючи за зустрічного напрямків. Унаслідок відносно невеликих швидкостей польоту вертольота вплив вітру виявляється досить помітним. Зміна шляхової швидкості призводить до зміни тривалості польоту на задану дальність. За зміни шляхової швидкості змінюється також кілометрова витрата палива (q_T). За попутного вітру витрата палива зменшується, за зустрічного – збільшується:

- за попутного вітру: ;

- за зустрічного вітру: .

Тому попутний вітер збільшує, а зустрічний зменшує максимальну дальність польоту, як порівняти з безвітряними умовами. Вітер рідко є чітко зустрічним або попутним. Для урахування напрямку вітру вводиться поняття «еквівалентний вітер» (U_екв), величина його швидкості приблизно дорівнює проєкції швидкості вітру (U) на напрямок польоту. При цьому кілометрова витрата палива розраховується за формулою:

.

Величина швидкості еквівалентного вітру, зазвичай, визначається за таблицями, наведеними в Керівництві з льотної експлуатації, або за графіками.

Зміна шляхової швидкості за наявності вітру призводить до деякої зміни швидкості максимальної дальності. Через те що величина швидкості V_L,_макс визначається проведенням дотичної з початку координат до залежності Q_T = F (V_п), де V_п – шляхова швидкість, за наявності вітру початок координат зміщується, як показано на рис. 2.3.7. За зустрічного вітру величина V_мп1 збільшується, за попутного – зменшується. Вибираючи режим польоту на максимальну дальність з урахуванням середнього вітру, ці зміни максимальної швидкості (V_Lмакс) необхідно мати на увазі, особливо для вертольотів із поршневими двигунами.

Рис. 2.3.7. Вплив вітру на величину швидкості найбільшої дальності

2.3.4.5. Вплив частоти обертання несучого гвинта

Зменшення частоти обертання НГ призводить до деякого зменшення потужності, потрібної для створення заданої тяги, через зменшення профільних та індуктивних втрат. Це призводить до зменшення потужності (N_дп). Тому на тих вертольотах, де допускається невелике регулювання пілотом обертів вільної турбіни і НГ, доцільно в польоті на крейсерській швидкості зменшити їх на 2–3%. Це забезпечує зменшення кілометрової витрати на 1–1,5% і відповідне збільшення дальності польоту.

Однак зменшення обертів НГ призводить до більш раннього за швидкістю появи зриву потоку з лопатей НГ, що відступають. У зв’язку з тим, що на великих висотах польоту (понад 2000 м) швидкості (V_Lмакс) близькі до обмежень по зриву потоку, використовувати незначні переваги, одержувані через зменшення обертів НГ, можна практично лише до висот 1000–1500 м.

Попередня тема

На початок

Наступна тема