Анализ роли флеш-настройки при сокращении расстояния взлета

Что такое хлопья и как они работают?

Флапсы - это устройства с высокой подъемной способностью, установленные на задней кромке (а иногда и на передней кромке) крыла самолета. При развертывании они увеличивают камбер крыла (кривизну) и площадь поверхности, производя больше подъема при заданной скорости полета. Это позволяет самолету летать на более низких скоростях во время взлета и посадки без остановки.

Современные самолеты с фиксированным крылом используют несколько типов закрылков, каждый из которых имеет специфические аэродинамические эффекты:

Конкретный тип лоскута и его настройка (угол расширения) являются критическими параметрами, которые пилоты и инженеры по производительности оценивают для достижения максимально короткого расстояния взлета при сохранении безопасных градиентов подъема.

Аэродинамика развертывания Flap

Развертывание закрылков непосредственно изменяет коэффициенты подъема и сопротивления крыла. Для данной области крыла коэффициент подъема (]CL) увеличивается по мере расширения закрылков. Это означает, что самолет может генерировать подъем, необходимый для взлета на более низкой скорости, уменьшая наземный крен, необходимый для ускорения. Однако расширение закрылка также увеличивает коэффициент сопротивления (]CD. Ключом к оптимальной производительности взлета является балансировка этих двух эффектов.

Аэродинамически развертывание закрылков смещает кривую подъема вверх и влево. Угол кабинки уменьшается, потому что увеличенный камбер ускоряет воздушный поток над верхней поверхностью, но максимальный коэффициент подъема (]CLmax существенно повышается. Например, типичный Cessna 172 с полностью удлиненными закрылками (40°) может достичь CLmax почти вдвое больше, чем у чистой конфигурации.

Драг также повышается из-за повышенного сопротивления формы и вызванного сопротивления от более высокого подъема. При относительно низких углах атаки, используемых во время взлета, дополнительное сопротивление можно управлять. Однако, если закрылки слишком сильно расширены, штраф за перетаскивание может замедлить ускорение или даже помешать самолету достичь безопасной скорости подъема. Этот компромисс является причиной того, что каждый самолет имеет рекомендуемую установку взлетного лоскута, часто выражаемую в виде диапазона градусов в руководстве по эксплуатации пилота.

Настройки полёта и три фазы взлета

Взлет обычно разбивается на три сегмента: наземный крен, переход (поворот к подъему) и первоначальный подъем. Каждый сегмент зависит от выбора лоскута в отдельном виде.

Сокращение наземного рулона

Наземный рулон - это расстояние от выпуска тормозов до точки, где колеса покидают взлетно-посадочную полосу. С расширенными закрылками самолет достигает скорости взлета (]V LOF при более низкой истинной скорости полета. ] Поскольку время ускорения короче, расстояние до рулона земли сокращается. Например, средний авиалайнер может уменьшить свой взлетный рулон на 15-30% при использовании 10-15° заслонки по сравнению с закрылками.

Однако дополнительное сопротивление от закрылков может замедлить ускорение в течение ранней части крена. Для смягчения этого многие процедуры требуют наращивания дросселя до максимальной мощности перед выпуском тормозов; штраф за сопротивление наиболее заметен на низких скоростях. По мере ускорения самолета относительное воздействие лобового сопротивления уменьшается, и преимущество более низкой скорости подъема доминирует.

Скорость вращения и расстояние подъема

Скорость вращения (]VR) — это скорость, с которой пилот оттягивается от ига, чтобы поднять нос.VR. Нижние настройки лоскута требуют более высокогоVR, чтобы генерировать достаточный подъем, который удлиняет наземный крен.Высшие настройки лоскута позволяют вращаться с меньшей скоростью, сокращая расстояние до старта.VR, самолёт может быть вялым в достижении положительного подъема, особенно если высота плотности высокая.

Начальный градиент восхождения

Сразу после взлета самолет должен достичь положительного градиента подъема. Листовки увеличивают подъем, но также добавляют сопротивление. При заданной мощности избыточная тяга (тяга - сопротивление) определяет угол подъема. Если лоскутное сопротивление чрезмерное, градиент подъема может стать опасно мелким - состояние, которое может быть фатальным вблизи препятствий. Поэтому выбранная установка лоскута должна обеспечить, чтобы самолет мог преодолевать любые препятствия за пределами конца взлетно-посадочной полосы. По этой причине многие пилоты используют график подъема «захлопывания» или «минимальный лоскут» после достижения безопасной высоты.

Торговля: повышение лифта против штрафа за драг

Центральное решение при выборе лоскута заключается в том, насколько подъем против сопротивления приемлем для конкретного взлета. Распространенное заблуждение заключается в том, что «больше лоскутов всегда лучше для коротких полей». В действительности, чрезмерный лоскут может нанести вред производительности.

Почему максимальный флеш не всегда лучший

Когда закрылки расширены до максимально допустимого положения взлета (часто 30–40° в легких самолетах), сопротивление увеличивается настолько, что самолет может бороться за ускорение за точку взлета. Пилот может быть вынужден удерживать самолет на земле дольше, чтобы набрать скорость, отрицая преимущество подъема. Кроме того, штраф за сопротивление при первоначальном подъеме может ограничить скорость подъема. Для взлетов с препятствиями умеренная установка закрылка (10–20°) часто обеспечивает лучший баланс: достаточное количество подъема для уменьшения наземного крена, но достаточно низкое сопротивление для достижения крутого подъема.

Требования к подъему второго сегмента

В соответствии со стандартами сертификации (например, FAR Part 25 для транспортных самолетов), путь взлета включает в себя второй сегмент подъема - от 35 футов (или 50 футов в некоторых случаях) до точки, где закрылки могут быть убраны. Самолет должен продемонстрировать минимальный градиент подъема с одним неработающим двигателем. Более высокие настройки закрылка снижают доступный градиент подъема, поэтому рекомендуемая заводом-изготовителем установка взлетного закрылка всегда является компромиссом между производительностью длины поля и возможностью подъема с одним двигателем. Вот почему авиалайнеры обычно используют только 5-15 ° закрылков для нормального взлета, даже если доступно больше закрылков.

Факторы, влияющие на оптимальный выбор лоскутов

Ни одна настройка закрылка не работает для каждого вылета.Пилоты должны рассчитать лучшую настройку для каждого взлета на основе нескольких переменных.

Вес самолета и центр тяжести

Более тяжелые самолеты нуждаются в большем подъеме, чтобы стать воздушными, поэтому они получают выгоду от повышенного отклонения лоскута. Однако положение центра тяжести (CG) также имеет значение. Передняя CG уменьшает рычаг хвоста для вращения, что может потребовать более высокой настройки лоскута, чтобы помочь поднять нос. И наоборот, кормовая CG облегчает вращение, но может привести к тенденциям к подаче; более низкие настройки лоскута могут быть предпочтительнее для поддержания контроля.

Длина взлетно-посадочной полосы и условия поверхности

Короткие взлетно-посадочные полосы требуют максимально короткого заката грунта. Обычно выбираются более высокие настройки заслонок при условии, что градиент подъема остается адекватным. На мокрой или ледяной взлетно-посадочной полосе торможение не является фактором во время взлета, но пониженное трение может немного удлинить заземление; умеренные заслонки помогают смягчить это. На мягком поле (трава, грязь, песок) дополнительный подъем от увеличенных заслонок быстрее поднимает самолет в воздух, снижая риск увязания.

Высота плотности (температура и давление)

Высокая температура и высокая высота как более низкая плотность воздуха. Менее плотный воздух означает меньше подъема на единицу скорости воздуха, поэтому самолет должен разгоняться до более высокой истинной скорости воздуха, чтобы попасть в воздух - и это занимает больше времени. Более высокие настройки закрылка могут помочь, увеличивая CLmax, частично компенсируя потерю плотности. Однако при экстремальных высотах плотности мощность двигателя также снижается. В таких условиях оптимальная установка закрылка может быть ниже, чем на уровне моря, чтобы избежать чрезмерного сопротивления, которое ослабленный двигатель не может преодолеть.

Требования к устранению препятствий

Если препятствие (деревья, здания, местность) находится вблизи конца взлетно-посадочной полосы, самолет должен резко подняться сразу после взлета. Умеренная установка закрылка (часто установка «зазора препятствия» производителя) обеспечивает более высокий градиент подъема, чем полные закрылки. Пилот должен торговать расстоянием крена земли для угла подъема - классический компромисс производительности.

Использование Flap в аэропортах высокогорья

Работая из аэропортов на большой высоте (например, Денвер, Колорадо; Ла-Пас, Боливия) добавляет дополнительную проблему. Сочетание низкой плотности воздуха и уменьшенной мощности двигателя требует тщательного выбора закрылка. Многие производители предоставляют таблицу коррекции высоты или температуры. В некоторых условиях высокой плотности-высоты рекомендуемое действие заключается в использовании меньшего клапана, чем обычно, чтобы гарантировать, что самолет может ускоряться через высокие скорости наземного руля, необходимые для вращения.

Настройка лопастей на практике: обычные самолеты

Процедура выбора лоскута варьируется в зависимости от типа самолета. Изучение типичных примеров уточняет принципы.

Малая общая авиация (Cessna 172, Piper Cherokee)

Для обычного взлета Cessna 172 также рекомендуется 10° закрылки. Для короткого взлета также рекомендуется 10° закрылки (или иногда 20° в модели 172S). Полные закрылки (30° или 40°) используются только в условиях мягкого поля и сразу же убираются, как только достигается безопасная высота. Пилотам преподают, что более 10° закрылки во время взлета увеличивают сопротивление, достаточное для снижения производительности подъема. Семейство Piper PA-28 использует 0-25° закрылки для короткого взлета, снова балансируя подъем и подъем.

Транспортная категория (Boeing 737, Airbus A320)

Авиалайнеры используют установку закрылка, обозначенную степенями: типичные 737 взлетных закрылков 5°, 10° или 15°, в зависимости от веса, длины взлетной полосы и температуры. Airbus A320 использует конфигурации 1 (18° заднего края заслонки с планками), 2 (20° заслонки заднего края с планками) или 3 (22° заслонки заднего края, планки полностью расширены) для взлета. Эти настройки производят длину поля взлета, которая удовлетворяет сертификации без ущерба для подъема второго сегмента с одним неработающим двигателем. Авиакомпании также используют «гибкую» (сниженную) тягу для спасения жизни двигателя; более низкие настройки закрылка часто сочетаются с более высокими температурами заслонки, чтобы сохранить градиенты подъема безопасными.

Специальные операции (короткое поле, мягкое поле)

В кустарных полетах, где взлетно-посадочные полосы чрезвычайно короткие и грубые, пилоты могут использовать настройки закрылков за пределами нормального диапазона - даже частичные закрылки для взлетов в стиле посадки. Например, De Havilland DHC-2 Beaver использует закрылки 20-40° для коротких полевых вылетов. Эти самолеты имеют низкую загрузку крыла, поэтому штраф за сопротивление управляемый. Однако даже здесь пилот должен следить за снижением градиента подъема и убирание закрылков как можно скорее.

Нормативно-правовые аспекты и соображения безопасности

Регуляторная среда в авиации гарантирует, что пилоты основывают свой выбор лоскутов на проверенных данных о производительности, а не на догадках.

Данные о производительности из руководств по полетам

Каждый сертифицированный самолет имеет руководство по эксплуатации пилота (POH) или руководство по полетам самолета (AFM), которое включает таблицы производительности и графики для различных настроек закрылков, весов, высот, температур и условий ветра. Эти данные получены из летных испытаний и представляют собой минимальную гарантированную производительность. Пилоты должны использовать эти значения при вычислении расстояний взлета, что делает их окончательным источником для выбора закрылков.

Уменьшенный взлет тяги и выбор Flap

Авиакомпании часто используют пониженную тягу (умеренный или предполагаемый взлет температуры) для экономии затрат на техническое обслуживание двигателя. Выбранная установка закрылка должна оставаться совместимой с уменьшенной тягой. Если более высокая установка закрылка используется с уменьшенной тягой, градиент подъема может стать маргинальным. Поэтому инженеры по производительности обеспечивают конкретные комбинации настройки закрылка, снижения тяги и максимально допустимого веса. Общая практика заключается в использовании более низкой установки закрылка при использовании пониженной тяги для сохранения производительности подъема.

Пощечины и сбои

Если закрылки не расширяются симметрично или вообще, пилоты должны полагаться на альтернативные процедуры. Большинство операторов имеют график производительности «без взлёта закрылка» или «взлёта с взлётом», который предполагает отсутствие расширения закрылка. Такие взлеты требуют гораздо более длинных взлетно-посадочных полос и приводят к более высокой скорости вращения. Последствия для безопасности значительны. В некоторых самолетах асимметричная ситуация закрылка (например, одна сторона застряла на 10°, другая убрана) является серьезной чрезвычайной ситуацией, требующей тщательной обработки и, возможно, прерванного взлета.

FAA Airplane Flying Handbook предоставляет исчерпывающее руководство по взлетной производительности и использованию лоскутов.

Журнал Boeing Aero Magazine «Takeoff Performance and Flap Settings» предлагает углубленный взгляд на операции авиалайнеров.

Вывод: Мастеринг Flap Configuration

Соответствующая установка закрылков является одним из наиболее последовательных вариантов выбора пилота перед каждым взлетом. Он непосредственно контролирует, как быстро самолет может стать воздушным и как круто он может подняться. Понимая аэродинамические принципы - компромисс подъема-перетаскивания, влияние на скорость вращения и требования к разрешению препятствий - пилоты могут выбрать установку, которая минимизирует расстояние взлета при сохранении безопасности.

Ни одно правило не распространяется на все самолеты и все условия. Таблицы производительности, опыт и тщательное планирование перед полетом незаменимы. В конечном счете, овладение конфигурацией лоскута означает понимание физики, соблюдение компромиссов и использование данных в руководстве по полету. Результатом является взлет, который не только короче, но и безопаснее, будь то взлетно-посадочная полоса 12 000 футов или травяной участок 2000 футов.