Турбулентность атмосферы — основной источник внешних возмущений, которым подвергается вертолет в полете.
Чаще всего интенсивная турбулентность атмосферы наблюдается в нижних слоях тропосферы до высоты 3 км, где в основном осуществляются полеты вертолетов. 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 вертолета 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 вертолета.
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 вертолета резкими, несоразмерными отклонениями рычагов управления, возможно такое сочетание параметров движения вертолета, 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 полетной обстановке истолковано как разрушение элементов конструкции вертолета, 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 пу=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 полета. 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 вертолет 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 полета, чтобы выйти из этой зоны, или даже прекратить выполнение полетного 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 самолетом или вертолетом и сохраняется в атмосфере еще некоторое время после его пролета.
В связи с неуклонно возрастающими интенсивностью полетов и плотностью воздушного движения вертолет может попасть в спутный след пролетевшего поблизости самолета или вертолета, что иногда сопровождается неожиданными и неприятными явлениями. При попадании вертолета 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 вертолет 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 вертолета;
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 вертолета. 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 полете. 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 вертолета;
на непродолжительное время спутный след способен вызвать неожиданную и непонятную для пилота тряску и болтанку вертолета, 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 полета, однако параметры динамической реакции вертолета типа Ми-2 и более тяжелых 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 вертолет 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(н<5°С) при развившейся грозовой деятельности в атмосфере.
Возможные опасные последствия воздействия на конструкцию вертолета 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 вертолета происходит по механизму электроэрозии и может приводить к местному разрушению (оплавлению) или прожогу металлической обшивки и ее 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 вертолета, но возможно и полное разрушение участка обшивки лопасти, сопровождаемое существенным повышением уровня вибраций и необходимостью прекращения выполнения полетного 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 вертолета, 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 вертолетах старых типов обеспечивается цельнометаллическим корпусом.
Весьма маловероятно, но вместе с тем опасно самовыключение двигателей или возникновение пожара на борту вертолета вследствие поражения молниевым разрядом.
При воздействии достаточно мощного электрического разряда внутри вертолета 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 вертолетах 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 летным ограничениям. Важное значение имеет обоснованный выбор безопасного маршрута полета с обходом фронтальной зоны грозовой деятельности, своевременное оповещение экипажей летящих вертолетов об угрозе поражения молнией
Таким образом, хотя воздействие молнии непосредственно не может разрушить вертолет в полете и, как правило, не оставляет заметных следов повреждения на его конструкции, послеполетный осмотр вертолета 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 /У<;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 обледенейте 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 полете 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 полетной массы, существенному ухудшению аэродинамических характеристик и летных 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 лед, а позади него на расстоянии 10...20 см по хорде — неровный бугорчатый лед;
в концевой части лопасти под влиянием центробежных сил и аэродинамического нагрева при температурах влажного наружного воздуха до —20 °С лед практически не образуется. Граница образования льда по длине лопасти зависит главным образом от температуры и водности воздуха, а также режима полета вертолета, 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) Рис. 3.2. или уменьшение тяги при постоянной потребной мощности НВ Рис. 3.2.
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 полета. Вместе с тем возможности существующих ПОС по предотвращению льдообразования на лопастях ограничены, что накладывает соответствующие ограничения на условия летной эксплуатации вертолетов 'в осенне-зимний период. В частности, на вертолетах типа Ми-8 преднамеренные полеты в условиях обледенения при.<ц<: —12 °С запрещены;
определенную опасность при выполнении полетов в условиях интенсивного обледенения представляет несимметричное, т. е. неодновременное и неравномерное самоудаление льда с лопастей несущего и рулевого винтов, что приводит к сильной тряске вертолета 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 полетов 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 полете появились первые признаки обледенения, например лед 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 стекол кабины следует включать при запотевании, при первых признаках появления льда на стеклах и, наконец, при загорании табло «Обледенение».
Обледенение силовой установки вертолета представляет значительную опасность. Обледенению обычно подвергаются воздухозаборник, входной канал двигателя, лопатки входного направляющего аппарата, рабочие лопатки и 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 несимметричного 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 полета вертолета. Несмотря на это, заблаговременное включение ПОС двигателей необходимо для обеспечения безопасности полетов вертолета в условиях обледенения. Запоздалое включение или неисправность этой системы, а также попадание обледеневшего вертолета 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 вертолета, подвергшегося обледенению, нельзя 1 допускать к нему людей, так как с вращающихся лопастей могут ; срываться куски льда, представляющие значительную опасность.
