МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

ПОЛЁТ ВЕРТОЛЁТА В УСЛОЖНЕННЫХ

Турбулентность атмосферы — основной источник внешних возму­щений, которым подвергается вертолёт в полёте.

Чаще всего интенсивная турбулентность атмосферы наблюдается в нижних слоях тропосферы до высоты 3 км, где в основном осу­ществляются полёты вертолётов. Изменчивость и порывистость вет­ра наиболее выражены вблизи земли, что обусловлено неоднород­ностью подстилающей поверхности и сложностью рельефа.

Серьезную опасность для ЛА, выполняющих полеты на малой высоте, представляет сдвиг ветра — резкое значительное изменение скорости и (или) направления ветра на малом расстоянии. Чаще всего сдвиг ветра вызывается температурной инверсией на малой высоте, когда холодный воздух застаивается в приземном слое, например в предгорных долинах, а теплые ветры перемещаются над холодной воздушной массой. Сдвиг ветра наблюдается преиму­щественно в ночное время и при интенсивной грозовой активности, вызывая значительную турбулентность, а иногда обледенение и град. Наиболее опасная форма сдвига ветра — шторм или шквал, об­разующийся главным образом в результате взаимодействия с по­верхностью земли и бокового растекания мощного нисходящего ветрового потока.

Основная опасность сдвига ветра заключается в том, что, по­мимо обычной турбулентности (болтанки), он вызывает резкое из­менение воздушной скорости ЛА. Пересекая на несколько секунд зону сдвига ветра, ЛА попадает в область, где скорость ветра резко изменяется, а направление может быть даже противополож­ным (например, небольшой встречный ветер неожиданно стано­вится сильным попутным). Хотя подобная инверсия достаточно редка, но вполне реальна, особенно при интенсивной грозовой дея­тельности.

Безопасные условия полета вертолёта в интенсивно турбулентной атмосфере определяются:

маховым движением и динамической прочностью лопастей несущего и рулевого винтов;

динамической прочностью жизненно важных элементов конструкции и усилиями в системе управления;

характером возмущенного движения и уп­равляемости.

Выделим основные закономерности безопасности полетов по ука­занным критериям.

При полетах в условиях умеренной и сильной болтанки, когда приращение нормальной перегрузки в центре масс вертолета дости­гает по абсолютной величине ny = 0,5...0,7, опасного нарастания махового движения лопастей несущего и рулевого винтов, недопус­тимого сближения концов лопастей с хвостовой балкой одновин­тового вертолета и схлестывания лопастей соосного вертолета не происходит. Кроме того, для реально возможных в нижнем слое атмосферы скоростей порывов ветра удар комлей лопастей по огра­ничителям взмаха практически исключен для любых стабилизи­рованных режимов полета вертолёта.

Это справедливо, однако, при условии, что стабилизация воз­мущенного движения вертолета в турбулентной атмосфере осуществляется автопилотом и соразмерными координированными действи­ями пилота. Если же пилот реагирует на болтанку вертолёта рез­кими, несоразмерными отклонениями рычагов управления, воз­можно такое сочетание параметров движения вертолёта, управле­ния и ветрового возмущения, что комли лопастей НВ в определенном азимутальном положении коснутся нижних ограничителей взмаха.

При касании лопастями ограничителей взмаха на корпус вер­толета передается импульсное силовое и моментное возмущение, которое воспринимается экипажем как удар, рывок и может быть в сложной полётной обстановке истолковано как разрушение эле­ментов конструкции вертолёта, хотя в действительности - никаких разрушений не происходит.

Благодаря маховому движению лопастей значительная доля энер­гии ветровых возмущений демпфируется, и уровень перегрузки вер­толета оказывается в целом сравнительно невысоким. Например, для одних и тех же условий атмосферной турбулентности уровень перегрузки вертолета типа Ми-8 в 1,5...2 раза ниже, чем самолета типа Ан-24.

Наибольшее увеличение нагрузок при полете в турбулентной ат­мосфере возникает в системе управления несущим винтом. Даже при слабой болтанке, когда nу < 0,2, переменные нагрузки в продольном и поперечном управлении, измеряемые на тарелке автомата перекоса, возрастают на 20...25 % по сравнению с их значениями в спокойной атмосфере, а при nу = 0,4...0,5 эти нагрузки могут вы­расти в 2...3 раза. Хотя при таком увеличении нагрузки в системе управления несущим винтом остаются далекими от разрушающих, значительный рост усталостной повреждаемости системы управления может привести к недопустимому снижению усталостной прочности наиболее нагруженных ее элементов в пределах установленного ресурса. Поэтому преднамеренные длительные полеты вертолетов в условиях интенсивной болтанки не рекомендуются. Усилия в си­стеме управления несущим винтом возрастают в среднем пропорцио­нально приращению нормальной перегрузки, но в любых экстремаль­ных условиях не достигают критических значений по мощности гид­роусилителей.

При полетах в сильную болтанку заметных нарушений расчетной управляемости вертолета не происходит, однако наблюдается непре­рывная разбалансировка вертолета от действия атмосферных воз­мущений, частые и резкие броски его вверх и вниз, рывки по тангажу, крену и курсу, значительные колебания скорости полёта. Это требует постоянного вмешательства пилота в управление, так как возмож­ности автопилота оказываются в этих условиях недостаточными.

Полеты в условиях сильной турбулентности с выключенным автопилотом требуют существенно большего расхода органов уп­равления, т. е. соответственно работы и напряжения пилота для выдерживания режима полета, чем при включенном автопилоте. Поэтому полеты в болтанку рекомендуется выполнять с включенным автопилотом, но с выключенным каналом высоты. Включение этого канала в рассматриваемых условиях вызывает заметное возраста­ние колебаний угла тангажа вертолета на малых скоростях полета и нормальной перегрузки на больших скоростях полета, тогда как сама высота полета стабилизируется также со значительными ко­лебаниями, амплитуда которых может достигать 15...20 м. При полетах с выключенным каналом высоты автопилота в условиях сильной болтанки необходимо иметь в виду возможность резких бросков вертолета по высоте под действием вертикальных порывов ветра, которые могут достигать 40...50 м. При этом бросок вертолета вниз вызывает рост частоты вращения НВ, а бросок вверх — ее уменьшение в среднем на 3...5 % при постоянном положении рычага «шаг—газ». Если ощущаются значительные рывки на педалях, целесообразно выключигь и канал направления автопилота.

Основное условие облегчения пилотирования и повышения безо­пасности полетов в сильную болтанку — выдерживание рекомен­дуемого РЛЭ диапазона скоростей полета, составляющего, напри­мер, для вертолета Ми-8 по прибору 150...180 км/ч. В этом узком диапазоне скоростей вертолёт наиболее плотно «сидит в воздухе», имеет близкий к максимальному запас располагаемой мощности двигателей, надежные запасы по срыву и сжимаемости на лопастях НР, помпажу двигателей, сравнительно низкий уровень вибраций конструкции, что в целом улучшает условия пилотирования. Следует иметь в виду, что вследствие воздействия атмосферной турбулент­ности на вход приемников воздушного давления возможны колеба­ния показаний указателей скорости полета с амплитудой, дости­гающей 15...20 км/ч, и периодом 5...8 с.

При попадании вертолета в зону сильной болтанки целесооб­разно по возможности изменить высоту полёта, чтобы выйти из этой зоны, или даже прекратить выполнение полётного задания с посадкой на ближайшем аэродроме.

 

Интенсивные атмосферные возмущения могут иметь не только естественное метеорологическое, но и искусственное происхождение, в частности создаваться самими летательными аппаратами.

Спутный след образуется за летящим самолётом или вертолё­том и сохраняется в атмосфере еще некоторое время после его пролёта.

В связи с неуклонно возрастающими интенсивностью полётов и плотностью воздушного движения вертолёт может попасть в спутный след пролетевшего поблизости самолета или вертолёта, что иногда сопровождается неожиданными и неприятными явления­ми. При попадании вертолёта в спутный след изменяются местные углы атаки и скольжения, а также скорости обтекания элементов лопастей и корпуса, что приводит к возникновению неуравнове­шенных аэродинамических сил и моментов.

В результате этого:

изменяется расчетное установившееся маховое движение лопа­стей несущего и рулевого винтов, возрастают динамические на­пряжения в лопастях, шарнирные моменты и усилия в системе управления, развивается возмущенное движение вертолета в про­странстве;

характер и интенсивность отмеченных явлений определяются сложной совокупностью параметров ЛА, генерировавшего спутный след, и вертолета, попавшего в этот след, режимов полета обоих ЛА, ориентации и времени пребывания вертолета в следе, времени существования следа, атмосферных условий, управляющих дей­ствий пилота;

при прочих равных условиях наиболее важное значение имеет угловая и линейная ориентация вертолета по отношению к спутному следу;

если вертолёт пересекает след под большим углом, время пребы­вания в следе исчисляется десятками долей секунды, так что пара­метры движения вертолета практически не успевают заметно изме­ниться, будут лишь ощущаться один или два толчка вертолёта;

основную опасность представляет попадание в след под малыми углами, не превышающими 20...30°, когда ось одного из вихревых жгутов следа проходит вблизи плоскости вращения несущего или ру­левого винта. В этом случае углы атаки сечений лопастей, входящих в зону индуктивного воздействия спутного вихревого жгута, ин­тенсивно изменяются; это вызывает интенсивные всплески аэродина­мической нагрузки на лопастях, изменение установившегося махо­вого движения и размыв конуса вращения лопастей, появление низкочастотных вибраций (тряски) корпуса вертолёта. Отмеченные явления осложняются турбулентной неоднородностью самого индук­тивного воздушного потока, вызванного спутным следом;

уровень суммарных динамических напряжений в лонжероне ло­пасти в рассматриваемых условиях заметно возрастает по срав­нению с исходным. Однако даже при максимальной интенсивности спутного следа он не достигает значений, при которых возможно изменение механических свойств и разрушение лопасти в полёте. Не происходит также и удара лопастей по ограничителям взмаха (упорам на втулке.).

В принципе все изложенное справедливо для лопастей как несу­щего, так и рулевого винтов.

Таким образом, можно отметить следующие закономерности:

спутный вихревой след практически не может непосредственно разрушить вращающиеся лопасти несущего и рулевого винтов или несущие элементы конструкции вертолёта;

на непродолжительное время спутный след способен вызвать неожиданную и непонятную для пилота тряску и болтанку верто­лёта, что осложнит пилотирование, особенно при полете в сложных метеоусловиях или ограниченном воздушном пространстве;

в наиболее неблагоприятных условиях воздействия спутного сле­да вертолет самопроизвольно кренится, разворачивается и смеща­ется вбок, изменяет высоту полёта, однако параметры динамиче­ской реакции вертолета типа Ми-8 на воздействие спутного следа в общем невелики;

опрокидывание и разрушение вертолета в воздухе, потеря устойчивости и управляемости движения практически исключены;

включенный автопилот эффективно парирует возмущающее воз­действие спутного следа, если, конечно, рулевые агрегаты соответ­ствующих каналов автопилота при попадании вертолета в спутный след не находились вблизи «малого упора».

Воздействие спутного следа, упорядоченная структура которого нарушилась, а интенсивность ослабла, независимо от угла входа в него вертолета напоминает умеренную болтанку в турбулентной атмосфере.

Молния представляет собой протяженный электрический разряд, распространяющийся между грозовыми облаками противополож­ной полярности или между грозовым облаком и землей. Если вер­толёт окажется вблизи ядра активной грозовой деятельности или на пути разряда молнии, возможно возникновение ОС вследствие повреждения элементов конструкции или существенного усложнения условий жизнедеятельности экипажа. Наиболее часто поражение ЛА молнией наблюдается на высотах до 3000 м в околонулевом диапазоне температур наружного воздуха (—5°С…+5°С) при развившейся грозовой деятельности в атмосфере.

Возможные опасные последствия воздействия на конструкцию вертолёта разряда молнии:

механические повреждения элементов конструкции;

нарушение режима работы двигателей;

возникновение пожара;

отказы авиационного и радиоэлектронного оборудования;

остаточная намагниченность.

Воздействие молнии на металлические элементы конструкции вертолёта происходит по механизму электроэрозии и может приво­дить к местному разрушению (оплавлению) или прожогу металли­ческой обшивки и её крепежных элементов, подвесных топливных баков, а также нарушению целостности беговых дорожек или тел качения подшипников трансмиссии. Электроэрозия металлической обшивки лопасти вызывает ухудшение ее аэродинамических харак­теристик и незначительное увеличение вибраций вертолёта, но воз­можно и полное разрушение участка обшивки лопасти, сопровож­даемое существенным повышением уровня вибраций и необхо­димостью прекращения выполнения полётного задания.

Вместе с тем необходимо иметь в виду, что повреждения ме­таллической конструкции молниевым разрядом всегда имеют огра­ниченно-локальный характер в виде пятен диаметром от несколь­ких миллиметров до 1...2 см, так как благодаря высокой теплопровод­ности металлов, в частности алюминиевых сплавов, интенсивный кратковременный прогрев конструкции происходит в зоне, ограни­ченной диаметром канала молнии.

Наибольшие повреждения от воздействия молнии получают эле­менты конструкции вертолёта, выполненные из композиционных материалов, обладающих диэлектрическими свойствами, — обшивка лопастей несущего и рулевого винтов, стабилизатора вертолетов типов Ми-26, Ка-26, Ка-32, обтекатели антенны и др. Разрушения таких элементов, как визуально наблюдаемые, так и внутренние, происходят на значительных площадях и сопровождаются суще­ственным ослаблением их прочности. Соответственно возрастает вероятность локальных разрушений хвостовых отсеков лопастей с отмеченными выше последствиями. Кроме того, значительно ухуд­шается экранирование агрегатов бортового авиационного оборудо­вания, которое на вертолётах старых типов обеспечивается цельно­металлическим корпусом.

Весьма маловероятно, но вместе с тем опасно самовыключение двигателей или возникновение пожара на борту вертолёта вслед­ствие поражения молниевым разрядом.

При воздействии достаточно мощного электрического разряда внутри вертолёта образуется электромагнитное поле, которое инду­цирует синфазные электрические напряжения между проводниками кабелей и элементами конструкции ЛА или остаточный магнетизм. Это может привести к самопроизвольному срабатыванию или отказу различных электрических устройств, искажению показаний отдельных приборов, нарушению радиосвязи и радионавигации. Остаточная намагниченность вызывает систематические погрешности компасов, способствует уменьшению несущей способности и долговечности подшипников, препятствуя вымыванию с маслом из их полости про­дуктов износа и посторонних металлических частиц.

В большинстве случаев воздействия молнии на летящий вер­толет ОС характеризуется главным образом резким неожиданным нарушением нормальных условий жизнедеятельности экипажа, выз­ванным световой вспышкой, взрывоподобным громом, зачастую со­провождаемыми интенсивными ливневыми осадками и турбулентностью. Иногда сильное электрическое поле, генерированное молнией, может проникнуть через окна пилотской (пассажирской) кабины и воздействовать электрическим током непосредственно на членов экипажа (пассажиров). Однако на всех современных вертолётах металлическая конструкция кабин электропроводна, поэтому силь­ный электрический разряд в находящихся на борту людей, тем более с фатальным исходом, практически исключен.

Наиболее опасно в данной ОС ослепление пилота яркой вспышкой света, особенно ночью. Оно может длиться 15...30 с, в течение которых пилот затруднен или не в состоянии считывать показания приборов. Поэтому одному из пилотов целесообразно прикрывать веки, глядя вниз, в ожидании вспышки молнии, а единственному пилоту на вер­толетах Ми-2, Ка-26, Ка-32 — закрывать один глаз.

При полете в зоне активной грозовой деятельности следует вы­ключить то радиоэлектронное оборудование, которое непосредствен­но не используется, избегать активных маневров и приближения к лётным ограничениям. Важное значение имеет обоснованный выбор безопасного маршрута полёта с обходом фронтальной зоны грозовой деятельности, своевременное оповещение экипажей летящих вертолё­тов об угрозе поражения молнией.

Таким образом, хотя воздействие молнии непосредственно не может разрушить вертолёт в полёте и, как правило, не оставляет заметных следов повреждения на его конструкции, послеполётный осмотр вертолёта должен быть особенно тщательным. При этом основное внимание следует обращать:

на техническое состояние подвесных топливных баков, обтекателей антенн, лопастей несущего и рулевого винтов,

на легкость и плавность проворачивания транс­миссии,

исправность и точность функционирования авиационного оборудования.

Обледенение ЛА в большинстве случаев происходит в воздушной среде, содержащей капли переохлажденной воды, в основном в ку­чевых или слоистых облаках, в условиях тумана, мороси, дождя, мокрого снега при отрицательном или околонулевой температуре наружного воздуха. Наибольшая вероятность обледенения суще­ствует в условиях повышенной влажности воздуха на малых высотах < 3 км в диапазоне температур от 0 до —20 °С и в особенности от —5 до —10 °С. Однако входные устройства авиационных двигателей могут подвергаться обледенению и при положительных тем­пературах наружного воздуха (приблизительно до +5 °С) — вслед­ствие адиабатического расширения воздуха во входном устройстве влага конденсируется на его стенках и в последующем замерзает. Особенно быстрое и сильное обледенение наблюдается во фронталь­ных инверсиях, когда при подъеме теплого воздуха над слоем холод­ного (теплый фронт) возникает «замерзающий дождь».

При полёте в условиях обледенения лед образуется на всех лобовых частях вертолета:

несущем и рулевом винтах,

остеклении фонарей кабин,

датчиках приборов,

воздухозаборниках двигателей,

антеннах.

Это приводит к увеличению полётной массы, существенно­му ухудшению аэродинамических характеристик и лётных качеств, возможности помпажа, повреждения и самовыключения двигателей, ухудшению обзора, радиосвязи и точности радионавигации.

Особенности и последствия обледенения винтов:

лопасти НВ обледеневают значительно интенсивнее фюзеляжа, ибо проходят при вращении в 3...5 раз большее расстояние в пеpeoxлaждeнной воздушной среде. Поэтому не следует судить о сте­пени обледенения НВ по толщине слоя льда на остеклении кабины;

как правило, в носовой части лопасти (2...5 см по хорде) обра­зуется плотный лёд, а позади него на расстоянии 10...20 см по хорде — неровный бугорчатый лёд;

в концевой части лопасти под влиянием центробежных сил и аэродинамического нагрева при температурах влажного наружного воздуха до —20 °С лёд практически не образуется. Граница образо­вания льда по длине лопасти зависит главным образом от темпера­туры и водности воздуха, а также режима полета вертолёта, но в целом интенсивность обледенения возрастает по радиусу лопасти;

обледенение лопасти приводит к изменению ее массы, момента инерции, аэродинамических харак­теристик и махового движения. В результате этого возрастает уро­вень и изменяется частотный спектр вибраций конструкции, уменьшается скороподъемность и максимальная скорость полета, ухудшаются устой­чивость, управляемость и маневрен­ность вертолета;

особенно сильное влияние на полет вертолета в условиях обле­денения оказывает рост потребной мощности (при постоянной тяге НВ) или уменьшение тяги при постоянной потребной мощности НВ.

при полете с выключенной противообледенительной системой (ПОС) лопастей и температуре влажного воздуха ниже —10 °С потребная мощность может возрасти почти на 50%, что вызовет необходимость существенного изменения режима или даже прекра­щения полёта. Вместе с тем возможности существующих ПОС по предотвращению льдообразования на лопастях ограничены, что накладывает соответствующие ограничения на условия лётной эксплуатации вертолетов в осенне-зимний период. В частности, на вертолётах типа Ми-8 преднамеренные полёты в условиях обледе­нения при температуре наружного воздуха ниже —12 °С запрещены;

определенную опасность при выполнении полётов в условиях интенсивного обледенения представляет несимметричное, т.е. неодновремен-ное и неравномерное самоудаление льда с лопастей несущего и рулевого винтов, что приводит к сильной тряске верто­лёта и может вызвать механические повреждения соседних лопас­тей, роторов компрессоров двигателей, элементов фюзеляжа (в том числе стабилизатора), антенн и т. п. Несимметричное само­удаление льда с лопастей происходит преимущественно при темпе­ратурах наружного воздуха —10...—20 °С, причем на рулевом винте это проявляется в большей мере, чем на несущем;

любое удаление с лопастей достаточно больших масс льда пред­ставляет определенную опасность с точки зрения механических повреждений и нарушения работоспособности, двигателей.

Основным условием обеспечения безопасности полётов в усло­виях обледенения несущего и рулевого винтов является заблаго­временное включение электротепловой противообледенительной си­стемы лопастей. При этом ПОС несущего и рулевого винтов, а также обогрев стекол кабины экипажа при температуре наружного воздуха + 5°С и ниже следует включать вручную перед выруливанием вертолета при появлении признаков обледенения (изморозь, туман, мокрый снег). Если это не было сделано на земле, а в по­лёте появились первые признаки обледенения, например лёд на стеклах пилотской кабины, и при этом табло «Обледенение» не загорается, необходимо включить вручную ПОС несущего и рулевого винтов, а также обогрев датчика сигнализатора обледенения. ПОС стёкол кабины следует включать при запотевании, при первых признаках появления льда на стёклах и, наконец, при загорании табло «Обледенение».

Обледенение силовой установки вертолёта представляет значи­тельную опасность. Обледенению обычно подвергаются:

воздухо­заборник,

входной канал двигателя,

лопатки входного направляю­щего аппарата,

рабочие лопатки,

лопатки спрямляющего аппарата первых ступеней компрессора,

агрегаты двигателя, расположенные во входном тракте (сигнализаторы обледенения, датчики давления, температуры и т. п.).

Как правило, наибольшее количество льда откладывается на неподвижных элементах входного тракта компрес­сора и меньше — на рабочих лопатках.

Обледенение входной части двигателя вызывает:

нарушение формы и размеров проточной части,

изменение параметров воздуха на входе в компрессор и характера течения воздуха во входном канале,

уменьшение секундного расхода воздуха и степени повы­шения давления воздуха в компрессоре, мощности двигателя,

по­вышение температуры газов перед турбиной,

увеличение уровня вибраций двигателя вследствие несимметрич-ного образования и сброса льда с рабочих лопаток компрессора.

Перечисленные явления могут вызвать помпаж компрессора и самовыключение двигателя, разрушение лопаток, поврежденных кусками сбрасываемого с большой скоростью льда, разрушение подшипников из-за дисбаланса ротора турбокомпрессора.

Включение системы обогрева воздухозаборника и входного устройства неблагоприятно сказывается на мощности и экономич­ности двигателей, что может в отдельных случаях вызывать необ­ходимость уменьшения режима работы двигателей и соответствую­щего изменения режима полёта вертолёта. Несмотря на это, за­благовременное включение ПОС двигателей необходимо для обес­печения безопасности полётов вертолёта в условиях обледенения. Запоздалое включение или неисправность этой системы, а также по­падание обледеневшего вертолёта в зону положительных темпера­тур наружного воздуха с невыключенной ПОС могут привести к скалыванию льда с воздухозаборника и входного устройства и по­паданию кусков льда в двигатель. При этом возможны помпаж или разрушение лопаток компрессора, самовыключение двигателя со всеми вытекающими отсюда последствиями.

После посадки вертолёта, подвергшегося обледенению, нельзя допускать к нему людей, так как с вращающихся лопастей могут срываться куски льда, представляющие значительную опасность.