01.2009

ОСОБЕННОСТИ СПАСЕНИЯ ЭКИПАЖЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ

А. Н. Афанасьев, журнал «Проблемы безопасности полетов»

Содержание:

В статье рассмотрены основные особенности аварийного покидания членами экипажей летательных аппаратов военного назначения в различных условиях их применения.

Ключевые слова: математическая модель, спасение экипажей, относительная траектория движения, катапультируемая система, катапультная установка, аварийная обстановка, скорость полета, безопасность катапультирования.

Спасение экипажа летательного аппарата на режиме его маневра

Катапультирование из летательного аппарата (ЛА), совершающего маневренный полет, приводит к изменению траектории движения как ЛА [1], так и катапультируемой системы (катапультная установка + член экипажа). При катапультировании из маневрирующего ЛА может произойти:

- увеличение суммарной перегрузки катапультирования (ny ЛА + ny КУ);

- изменение скорости нарастания перегрузки и ее продолжительности действия;

- изменение относительной траектории катапультируемой системы (уменьшение наименьшего расстояния между килем ЛА и катапультируемой системой) и, как следствие, увеличение вероятности столкновения с ЛА.

Рассмотрим математическую модель движения катапультируемой системы (КС) относительно ЛА в условиях вертикального маневра в скоростной системе координат. Данная математическая модель представляет следующую систему уравнений:

Увеличить afanasev2009-1-01.gif (7кб)

где:

Увеличить afanasev2009-1-02.gif (2кб)

коэффициенты лобового сопротивления, подъемной силы и продольного момента, соответственно, в зависимости от угла атаки КС (αк);

G – сила тяжести, действующая на КС;

m – масса КС;

kсж – коэффициент, учитывающий влияние числа М;

R – сила тяги порохового реактивного двигателя (ПРД);

σ – угол между вектором тяги ПРД и осью OYк кресла;

Iz – момент инерции КС;

mz'ωz– коэффициент демпфирования КС;

lкк – характерный размер КС;

lz – эксцентриситет тяги ПРД в плоскости симметрии катапультной установки (КУ).

Система дифференциальных уравнений, описывающих движение КС относительно ЛА, совершающего произвольное движение в вертикальной плоскости, имеет вид:

Увеличить afanasev2009-1-03.gif (3кб)

Скорость движения ЛА Vла можно принять постоянной и равной скорости перед катапультированием. Тогда уравнение короткопериодического движения ЛА может быть записано через коэффициенты продольного момента:

Увеличить afanasev2009-1-04.gif (2кб)

где: mzр – коэффициент продольного момента, создаваемого от действия стреляющего механизма КУ.

Значение угла атаки (тангажа) при брошенной ручке управления ЛА можно приближенно определить из выражения:

При отклонении руля высоты на постоянную величину можно определить приращение перегрузки ЛА из выражения:

где:

Уравнение криволинейного движения ЛА в вертикальной плоскости в проекциях на оси скоростной системы координат можно получить из общей системы уравнений:

Увеличить afanasev2009-1-08.gif (3кб)

Если принять γ=0 и αp≈0, то будем иметь:

Увеличить afanasev2009-1-09.gif (3кб)

Начальная скорость КС в момент отделения от ЛА:

Увеличить afanasev2009-1-10.gif (2кб)

где:

V0 - начальная относительная скорость катапультирования;

χ - угол между осью НР и перпендикуляром к продольной оси OX ЛА);

V0ла - скорость ЛА в момент отделения от него КУ;

α0ла - угол атаки ЛА в момент отделения КУ.

На рис. 1 приведены относительные траектории КС при различных перегрузках nyла в момент катапультирования, полученные в результате расчета с применением приведенной выше математической модели [2].

Из рис. 1 видно:

1) при максимальной перегрузке ЛА ny ла = 9 ед., высота траектории в районе киля уменьшается, но остается достаточной для выполнения требования:

2) перегрузки катапультирования изменяются от ny = 16,5 ед. при nyла = 1 ед. до nymax = 22 ед. при nyла = 9 ед.

При nyла ≥ 6 ед. величина перегрузки катапультирования превышает допустимое значение 18 ед. (рис. 2).

Траектория движения КС при выполнении ЛА маневра в вертикальной плоскости также существенно зависит от скорости полета ЛА. Параметры движения КС при пролете над килем приведены на рис. 3.

Спасение на разных скоростях и высотах полета ЛА

Спасение на больших скоростях с малых высот полета ЛА

Наибольшую сложность представляет спасение членов экипажа на малых высотах при большой скорости полета ЛА. Скорость полета имеет двоякое влияние на характер спасения экипажа на малых высотах.

Во-первых, большая горизонтальная скорость вызывает уменьшение высоты траектории КС при перелете через киль. Объясняется данный факт тем, что с увеличением скорости полета ЛА при катапультировании сопротивление КС возрастает пропорционально квадрату увеличения скорости, следовательно, для одного и того же промежутка времени перемещение КС в сторону киля ЛА будет увеличиваться, а время прохождения дистанции от точки схода с направляющих рельс до киля – уменьшаться. На рис. 4 показана зависимость времени сноса КС от кабины до киля от скорости полета ЛА.

Во-вторых, с увеличением скорости полета ЛА увеличивается время, необходимое для торможения КС до скорости, на которой возможен безопасный ввод спасательного парашюта. Так, например, при скорости полета 1000 км/ч и скорости для безопасного введения в действие спасательного парашюта, равной 600 км/ч, для торможения необходимо время около 2 с. На рис. 5 приведена зависимость высоты ввода спасательного парашюта от истинной скорости Vi ЛА для комплекса средств принудительного аварийного покидания (СПАП) ЛА на основе катапультной установки типа К-36ДМ сер. 2.

В спасении члена экипажа на больших скоростях полета ЛА в настоящее время важную роль играет система стабилизации КУ. Стабилизирующие парашюты системы, имеющие достаточную прочность и выносимые в незатененную область, обеспечивают эффективное торможение КС с самого начала ее свободного движения после отделения от ЛА.

Таким образом, при увеличении скорости полета ЛА более пологой становится траектория катапультирования, следовательно, тем больше времени, а значит и высоты нужно терять, чтобы скорость уменьшилась до величины, приемлемой для раскрытия спасательного парашюта.

На рис. 6 приведены расчетные зависимости минимальной высоты безопасного аварийного покидания (Нбез) от скорости полета Vi для комплекса СПАП самолета Су-24.

Спасение на больших скоростях с больших высот полета ЛА

Спасение члена экипажа с большой высоты при больших скоростях полета связано с необходимостью одновременного решения двух основных задач:

1) обеспечение быстрого спуска до высот, где член экипажа может свободно дышать атмосферным кислородом;

2) обеспечение хорошей стабилизации углового положения КС при ее свободном падении в течение времени спуска, недопущения вращения КС с большими угловыми скоростями.

С целью быстрого спуска КС ввод спасательного парашюта осуществляется на высотах не более 5000 м. Вследствие малой плотности воздуха на больших высотах сначала скорость падения КС возрастает. По мере снижения падающего тела возрастает плотность воздуха, скоростной напор и наступает момент, когда аэродинамическое сопротивление падающего тела становится больше его силы тяжести. С этого момента на члена экипажа будет действовать отрицательное ускорение, и он начинает тормозиться.

Также с уменьшением высоты возрастает эффективность системы стабилизации КС, и она приобретает параметры движения, безопасные для ввода спасательного парашюта.

Спасение на малых скоростях с малых высот полета ЛА

Спасение члена экипажа с малой высоты при малых скоростях полета связано с необходимостью обеспечения, прежде всего, немедленного ввода спасательного парашюта. Так, для КУ К-36Д-3,5, катапультирование при скорости полета Vi ≤ 650 км/ч и перегрузке nу = 2 ед., с большими углами крена ЛА и (или) с большой скоростью снижения Vу, осуществляется без срабатываний ПРД и системы стабилизации [3]. При этом спасательный парашют вводится в момент схода катапультного кресла с направляющих рельс.

Спасение на очень малых скоростях полета на любой высоте связано с вероятностью зацепления члена экипажа за стропы или купол парашюта, что, в свою очередь, может привести к приземлению с повышенной вертикальной скоростью снижения.

Контакт члена экипажа с куполом парашюта может произойти в двух точках траектории его движения после катапультирования:

- непосредственно после отделения от катапультного кресла;

- после прохождения вершины траектории катапультирования.

Вероятность контакта члена экипажа с куполом парашюта непосредственно после его отделения от катапультного кресла высока в случаях, когда направление отстрела заголовника с парашютом совпадает с направлением вектора скорости катапультного кресла. В этом случае после выхода купола спасательного парашюта из заголовника возможен его отброс воздушным потоком в сторону члена экипажа. Опасные углы атаки КС в момент отделения члена экипажа от катапультного кресла составляют от минус 75 до минус 105 град.

Второй момент возможного контакта члена экипажа с парашютом наступает примерно через 1 с после прохождения им верхней точки близкой к вертикальной траектории катапультирования. В этом случае, вследствие близости восходящей и нисходящей ветвей траектории, возможно попадание члена экипажа после прохождения им вершины траектории в находящийся ниже купол парашюта.

О крутизне траектории удобно судить по величине горизонтальной составляющей скорости движения члена экипажа (Vх) в вершине траектории. Для комплекса СПАП самолета Су-24 при значениях Vх меньше 3 м/с происходит пересечение траектории движения члена экипажа с полностью развернутым в горизонтальной плоскости куполом парашюта (рис. 7) [4]. Значение скорости Vх = 3 м/с считается скоростью «касания». Диаметр купола парашюта ПЛ-63 в раскрое составляет 6,8 м. При скорости Vх равной 4 м/с траектория движения члена экипажа проходит на удалении 1,17 м от кромки полностью раскрытого купола.

Факторы, влияющие на значение характеристик Vх и α при катапультировании:

- скорость движения ЛА по взлетно-посадочной полосе (случайная величина);

- температура порохового заряда энергодатчика катапультирования (случайная величина);

- антропометрические данные членов экипажей (случайная величина), которые определяют массу и момент инерции КС, а также положение ее центра масс, от которого зависят аэродинамические характеристики и величина эксцентриситета силы тяги.

Выводы

Наиболее неблагоприятным условием катапультирования членов экипажа ЛА является сочетание малых высот и больших скоростей полета ЛА, так как:

во-первых, большая горизонтальная скорость вызывает уменьшение высоты траектории КС при перелете через киль ЛА,

во-вторых, с увеличением скорости полета ЛА увеличивается время, необходимое для торможения КС до скорости, на которой возможен безопасный ввод спасательного парашюта.

Успешное решение задачи повышения надежности спасения членов экипажей требует тщательного исследования всех этапов функционирования средств спасения. Данное исследование удобно провести с использованием математического аппарата при представлении КС как единого объекта управления, на которое воздействуют внешние возмущения и собственные управляющие сигналы.

Оценка влияния перегрузок ЛА на величину перегрузки катапультирования может быть дана только методом математического моделирования, так как воспроизвести натурный эксперимент не представляется возможным из-за условий безопасности проведения экспериментов.

Литература

1. Юрченко А. И. Оценка безопасности катапультирования в условиях маневренного полета самолета. // Проблемы безопасности полетов. 2006. № 3. С. 22 - 28.

2. Вероятностный анализ допустимой по перегрузке катапультирования области применения кресла К-36 на маневренных самолетах. Научно-технический отчет № 87-190. П/я В-8759. 1987 г. 57 с. Инв. 10240.

3. Акт № 59/299108-001 по государственным испытаниям опытных унифицированных катапультных установок К-36Д-3,5 и К-36Л-3,5, разработки ОАО «НПП Звезда». В/ч 15650. 2000 г. 96 с. Инв. 12435.

4. Научно-технический отчет № 38/704129-2.23 по теме «Разработка справочного пособия ведущему инженеру 8 отдела». В/ч 15650. 2004 г. 38 с. Инв. 16335.

Literature

1. Yurchenko A. I. Estimation of safety of ejection in condition maneuverable airplane flight // Problems of flight safety. 2006. N 3. P. 22 - 28.

2. Probabilistic analysis of area allowable on overload of ejection of application of armchair К-36 on maneuvering-type aircraft. Scientific and technical report N 87-190. Mailbox В-8759. 1987. 57 р. Inv. 10240.

3. Certificate № 59/299108-001 оn state tests of skilled unified catapult installations К-36Д-3,5, К-36Л-3,5, development OJSC «SIE Star». B/t 15650. 2000. 96 р. Inv. 12435.

4. Development of handbook leading engineer 8 department. Scientific and technical report N 38/704129-2.23. B/t 15650. 2004. 38 р. Inv. 16335.

Увеличить afanasev2009-1-12.gif (31кб)

Рис. 1. Относительные траектории центра масс КС при различных перегрузках ЛА nyла в момент начала катапультирования

(Н = 4000 м, Vi = 715 км/ч)

Увеличить afanasev2009-1-13.gif (23кб)

Рис. 2. Область разброса максимальной перегрузки катапультирования Ny max при наличии перегрузки Nyла

Увеличить afanasev2009-1-14.gif (20кб)

Рис. 3. Параметры движения КС при пролете над килем

Δhк - толстая линия, Δhкс - тонкая линия

Δhк обусловлено перегрузкой вертикального маневра ЛА nyc

Δhкла обусловлено движением ЛА после покидания

Увеличить afanasev2009-1-15.gif (15кб)

Рис. 4. Зависимость времени сноса КС до киля ЛА при различных Vi

(расстояние от кабины до киля Lк =12 м, Н = 4000м, mк =180 кг, V0 = 14,1 м/с, R = 1760 кг)

Увеличить afanasev2009-1-16.gif (18кб)

Рис. 5. Зависимость высоты ввода спасательного парашюта от скорости полета Vi для комплекса СПАП с КУ К-36ДМ сер.2

Увеличить afanasev2009-1-17.gif (13кб)

Рис. 6. Расчетные зависимости Нбез от скорости полета Vi для комплекса СПАП самолета Су-24

1 – для летчика, 2 – для штурмана

Увеличить afanasev2009-1-18.gif (38кб)

Рис. 7. Схема возможного попадания члена экипажа в купол парашюта

FEATURE OF RESCUE OF CREWS OF AIRCRAFT IN DISASTER

A. N. Afanasev

In the article basic features of emergency escape are considered by members of crews of flying devices of military of purpose in various conditions of them application.

Keywords: mathematical model, rescue of crews, relative motion trajectory, catapulted system, catapult installation, emergency situation, airspeed, safety of ejection.