ANALIZA PRZERWANEGO STARTU I REDUKCJI MOCY DO STARTU NA PRZYKŁADZIE CIĘŻKIEGO SAMOLOTU KOMUNIKACYJNEGO

Transkrypt

1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Katedra Awioniki i Sterowania ANALIZA PRZERWANEGO STARTU I REDUKCJI MOCY DO STARTU NA PRZYKŁADZIE CIĘŻKIEGO SAMOLOTU KOMUNIKACYJNEGO Paweł Przybyszewski Seminarium Dyplomowe 2001/2002 LOTNICTWO-PILOTAŻ Streszczenie Analiza, która zostanie poniżej przeprowadzona dotyczy startu ciężkiego samolotu komunikacyjnego zbudowanego wg przepisów FAR-25. Jej celem jest zapoznanie się z przypadkiem startu przerwanego i kontynuowanego w przypadku awarii zespołu napędowego. Poniższa analiza jest słuszna dla samolotów posiadających dwa przepływowe zespoły napędowe (założenie stałego ciągu w zakresie rozpatrywanych prędkości).w przypadku awarii następuje utrata 50% ciągu. Ponadto samolot posiada hamulce aerodynamiczne oraz rewers obydwu silników (uwzględniany przy mokrym pasie). W niniejszym opracowaniu omówię tok postępowania przy określaniu charakterystycznych prędkości startu a mianowicie; V1, V2, Vr dla startu z dowolnego pasa na dowolnym lotnisku. Analiza dotyczy zarówno pasa suchego jak i mokrego lub zanieczyszczonego o dowolnym nachyleniu. Zostaną także omówione tzw. Model Tables czyli tabele prędkości do startu stosowane przez PLL LOT dające możliwość określenia i ewentualnego zastosowania redukcji ciągu do startu. 1. Długość pasa do startu wg FAR 25 (Takeoff field length). Na początek wyjaśnijmy podstawowe pojęcia bez znajomości których niemożliwe będzie zrozumienie problemu. TAKEOFF FIELD LENGTH jest to najdłuższy z trzech dystansów, określonych następującymi kryteriami: a) Długość startu z pracującymi wszystkimi zespołami napędowymi (All-Engine Go Distance): 115% dystansu potrzebnego do rozbiegu, oderwania się i uzyskania 35 ft nad pasem dla wszystkich silników pracujących. V2 ma być osiągnięte nie później jak na wysokości 35 ft. Rys.1 Niezbędna długość startu normalnego Normal take-off field length P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 1

2 b) Długość startu kontynuowanego w przypadku awarii zespołu napędowego (Engine-Out Accelerate-Go Distance or Accelerate-Go Distance) (AGD): dystans wymagany do: - rozpędzenia s-tu na dwóch silnikach do awarii silnika (V ef V 1-1sek), - startu kontynuowanego, - rotacji przy prędkości V R, - oderwania się i uzyskania 35 stóp nad pasem z prędkością V 2. Rys.2 Niezbędna długość startu kontynuowanego przy awarii jednego silnika Engine-Out Accelerate-Go Distance c) Długość startu przerwanego (Engine-Out Accelerate-Stop Distance or Accelerate-Stop Distance) (ASD): większy z dystansów wymaganych do: - rozpędzenia s-tu na dwóch silnikach do awarii silnika przy prędkości V ef V 1-1sek, - rozpoznania awarii, - rozpoczęcia procedury przerwanego startu przy prędkości V 1, - doprowadzenia s-tu do zatrzymania, używając tylko hamulców na koła i hamulców aerodynamicznych, - plus dystans przebyty w ciągu 2 sekund przy V 1. lub - rozpędzenia samolotu na dwóch silnikach pracujących do największej prędkości osiągniętej w czasie przerwanego startu uwzględniając,że pierwszą czynność zmierzającą do przerwania startu pilot podejmuje przy V 1, - doprowadzenia s-tu do zatrzymania przy wszystkich silnikach pracujących, - plus dystans przebyty w ciągu 2 sekund przy V 1. Rys.3 Niezbędna długość pasa do startu przerwanego. Accelerate-Stop Distance Dystans dłuższy z 2b) i 2c) jest nazywany Takeoff Distance (TOD). Należy zaznaczyć, że dla samolotów dwusilnikowych TOD limitowane jest w większości przypadków przez przypadek b) tzw. engine-out case. P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 2

3 2. Prędkości V 1, V R, V Co to jest prędkość V 1 Definicja oficjalna brzmi: V 1 - the speed selected for each takeoff, based upon approved performance data and specified conditions, which represents: a) The maximum speed by which a rejected takeoff must be initiated to assure that a safe stop can be completed within the remaining runway or runway and stopway; b) The minimum speed which assures that a takeoff can be safetly completed within the remaining runway or runway and clearway, after failure of the most critical engine at a designated speed.[3] Decyzja o przerwaniu startu musi być podjęta do czasu osiągnięcia prędkości V 1. W innym przypadku pilot nie będzie mógł rozpocząć procedury przerwanego startu na prędkości V 1.Innymi słowy V 1 nie jest prędkością decyzji lub prędkością rozpoznania awarii, lecz jest prędkością działania.pilot ma tylko 1 sekundę na rozpoznanie awarii i podjęcie odpowiedniej decyzji. Po tym czasie (jeżeli decyzja jest NO GO ) pilot musi rozpocząć przekonfigurowanie samolotu do hamowania. Oto obecnie stosowana formuła na czas przekonfigurowania samolotu wg FAR 25: Rys.4 Czas przekonfigurowania samolotu Transition time Oznaczenia na rysunku: Br (brakes on) linia obrazuje użycie hamulców; Th (throttle to idle) linia obrazuje przestawienie manetek na mały gaz; Spd.Br (speedbrakes deploy) linia obrazuje otwarcie hamulców aerodynamicznych; F/T demo czas uzyskany podczas lotów testowych. Typowy transition time wynosi 3-4 sek. Z analizy przyjętego modelu wynika jednoznacznie, że: a) gdy awaria następuje przy prędkości V 1 pozostaje tylko decyzja GO; b) decyzja NO GO po prędkości V 1 spowoduje wypadnięcie samolotu z pasa jeżeli Actual Takeoff Weight jest równy Field Length Limit Weight ( bardzo często występuje podczas dokonywania redukcji mocy). Prędkość V 1 jest to więc: - dla NO GO decision- maksymalna prędkość, przy której manewr hamowania może być jeszcze rozpoczęty a samolot zatrzyma się w granicach pasa (lub stopway-u, jeśli był brany do obliczeń), - dla GO decision - minimalna prędkość przy awarii silnika, przy której start może być kontynuowany a samolot osiągnie 35 ft nad końcem pasa (lub clearway-u, jeśli był brany do obliczeń).[4] 2.2 Przedział V 1 P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 3

4 Kiedy aktualny ciężar do startu jest mniejszy od ciężaru limitowanego przez pas, możliwy jest do obliczenia przedział prędkości V 1. Najniższa z V 1 jest limitowana startem kontynuowanym i wymogami: - uzyskania 35 ft na końcu pasa (clearway-u); - V 1 nie może być mniejsza od V MCG. Najwyższa z V 1 jest limitowana startem przerwanym i wymogami: - zatrzymania się na końcu pasa (stopway-u); - V 1 nie może przekraczać V R. 2.3 Margines bezpieczeństwa przy decyzji STOP Przyjmując założenia certyfikacyjne dla warunków Field Length Limit Weight, oraz rozpoczęcia hamowania przy V 1, samolot powinien się zatrzymać na końcu pasa. Accelerate-Stop Distance jest obliczony dla następujących warunków: - gładki, suchy pas startowy; - przy awarii przy prędkości V EF pilot rozpocznie hamowanie najpóźniej przy V 1 ; - pilot przestawi konfigurację samolotu w czasie transition time określonym wcześniej. Jeżeli którykolwiek z powyższych warunków nie zostanie spełniony, aktualny Engine-Out Accelerate-Stop Distance przekroczy wyliczony i w konsekwencji samolot wypadnie z pasa. Poniższy rysunek pokazuje z jaką prędkością samolot wypadnie z pasa gdy przerwanie startu nastąpi po V 1. Zakładając, że pilot podejmie decyzję o przerwaniu startu na przykład 4 sekundy po prędkości V 1 (oś pozioma) przy użyciu maksymalnego dostępnego hamowania samolot wyjedzie z pasa przy prędkości 60 kts ( oś pionowa z prawej strony). Z rysunku można również określić jaką wysokość nad końcowym progiem pasa uzyska samolot w przypadku awarii jednego silnika w zależności od momentu podjęcia przez pilota decyzji o starcie kontynuowanym (oś pionowa z lewej strony). Obrazują to krzywe po lewej stronie od linii zero. Rys.5 Zobrazowanie skutków przerwania startu powyżej V1 Results of rejected take-off after V1 2.4 Efekt użycia rewersu Efekt hamowania przy użyciu rewersu nie jest uwzględniany w obliczeniach podczas przerwanego startu dla pasa suchego. Rewers jest jednak uwzględniany podczas przerwanego startu na pasie contaminated (zanieczyszczonym np. śniegiem ). Rewers jest to dodatkowa siła hamująca dana pilotowi bez uwzględnienia jej w obliczeniach. 2.5 V R prędkość rotacji Prędkość rotacji nie może być mniejsza od: - V 1, V MCA, gdzie V MCA to minimalna prędkość lotu kontrolowanego w powietrzu, - prędkości pozwalającej osiągnąć V 2 przed osiągnięciem 35 ft. P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 4

5 W praktyce V R jest prędkością rozpoczęcia rotacji. A oto skutki nieprawidłowej (wczesnej lub późnej) rotacji: Rys.6 Skutki nieprawidłowej rotacji Results of early and late rotation 2.6 V 2 bezpieczna prędkość startu V 2 nie powinna być mniejsza od: - 1.1V MC, - 1.2V S gdzie V S to prędkość przeciągnięcia, - V R + przyrost prędkości do osiągnięcia 35 ft.[3] W praktyce prędkość V 2 powinna być używana jako prędkość wznoszenia w przypadku utraty silnika do uzyskania bezpiecznej wysokości nad przeszkodami. Procedury normalne bazują na prędkości V kts. 3. Start z tzw. zbalansowanego pasa (Balanced Field) Gdy Engine-Out Accelerate-Stop Distance jest równy Engin-Out Accelerate-Go Distance to taki start nazywamy startem z pasa zbalansowanego, dla którego: - maksymalny ciężar do startu wynika z równości pasa potrzebnego do zahamowania samolotu i potrzebnego do kontynuowania startu. - odpowiadająca temu ciężarowi prędkość graniczna nazywa się Balanced Field Limit V 1 Speed czyli V1 zbalansowane. Rys.7 Określenie zbalansowanej V1 i maksymalnego ciężaru do startu Balanced field limit V1 speed and Field lenght limit weight Krzywa startów kontynuowanych (Continued takeoff) czym awaria silnika nastąpi na większej prędkości, tym z większym ciężarem samolot może wystartować z danego pasa, spełniając wymagania startu kontynuowanego. Na rysunku jest to krzywa rosnąca. Krzywa startów przerwanych (RTO) ma przeciwną tendencję do poprzedniej. Czym wcześniej rozpoczynamy hamowanie, tym cięższym samolotem zatrzymamy się na danym pasie[4]. Na wykresie jest to krzywa malejąca. Każdy inny rodzaj startu nazywa się startem z nie zbalansowanego pasa. P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 5

6 To samo rozumowanie można przedstawić mając stały ciężar samolotu, a wynik to minimalna długość pasa i zbalansowane V 1. Poniższy rysunek wyjaśnia tę kwestię. Rys.8 Określenie zbalansowanej V1 i minimalnej długości pasa Balanced V1 speed and Minimum required runway 4. Co to jest clearway i stopway Clearway- przestrzeń wg FAR o szerokości minimum 500 ft umieszczona centralnie do osi pasa, z nachyleniem nie większym niż 1.25%, pozbawiona przeszkód, za wyjątkiem lamp progowych sterczących ponad powierzchnię. Start, w którym V2 i wysokość 35 ft uzyskuje się nad clearway-em (a nie nad progiem pasa) w celu zwiększenia ciężaru do startu, nazywa się startem z pasa nie zbalansowanego. Używa się wówczas mniejszych V1. Stopway- powierzchnia utwardzona zdolna przenieść obciążenia podwozia samolotu bez jego uszkodzenia, położona centralnie względem centralnej pasa. Wliczając stopway do obliczeń ( również start z pasa nie zbalansowanego) mamy możliwość zwiększenia ciężaru do startu. Stosujemy wówczas większe V1 a w przypadku przerwanego startu samolot zatrzyma się na końcu stopway-a. [4] 5. Redukcja mocy do startu Bardzo często występuje sytuacja, w której aktualny ciężar do startu jest mniejszy niż maksymalny ciężar do startu. Przepisy FAR pozwalają wykorzystać nadmiar pasa poprzez zmniejszenie mocy silników przy starcie. Nadmiar pasa zostaje w tym momencie zamieniony na dłuższy resurs silników poprzez mniejsze ich obciążenie cieplne. Im bardziej redukujemy moc do startu tym bardziej obniżamy koszty eksploatacji silników. [4] Należy jednak zaznaczyć, że start z pasa zanieczyszczonego ( pokryty śniegiem, lodem, slushem ) wykonuje się bez redukcji!! 6. Co to są Model Tables Model Tables są to tabele redukcji mocy startowej. Obliczenia przeprowadzone są dla wszystkich pasów na lotniskach docelowych ( na które operuje dany przewoźnik) a także dla głównych pasów na lotniskach zapasowych. Dla określonego lotniska i pasa oraz dla danych warunków meteo odczytujemy charakterystyczne prędkości dla danego ciężaru. Założenia przyjęte do model tables są następujące: - suchy pas startowy, - włączona klimatyzacja, - wyłączona instalacja antyoblodzeniowa (Anti Ice), - sprawne hamulce, - sprawny układ przeciwpoślizgowy (Anti Skid). P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 6

7 Należy zaznaczyć, że wyniki zamieszczone w model tables otrzymane są z odpowiedniego programu do obliczeń. Za obliczenia te odpowiedzialność ponosi linia lotnicza. A oto przykład korzystania z tabel dla startu z pasa 14R na lotnisku KORD (Chicago): Zakładamy: temperatura +25 C wiatr 110/6 klapy 5 przewidywany TOW t Rys. 9 Arkusz obliczeń zawartych w Model Tables Model Tables Card Z tabeli można odczytać między innymi, że dla danych warunków meteorologicznych (25 C i zerowa składowa czołowa wiatru) maksymalny ciężar do startu wynosi 182, 1 tony. Odpowiadające temu ciężarowi prędkości to 158, 159 i 165 kts (zaznaczone w ramce). Załoga decyduje się więc na redukcję mocy. Z tabel odczytuje, że dla masy 167 t maksymalna temperatura wynosi +40 C. W tym przypadku do komputera TMC (Thrust Management Computer) wprowadza się zawyżoną temperaturę 40 C i w rezultacie otrzymujemy zredukowaną moc startową. Tej mocy odpowiadają prędkości 151, 152, 158 kts. 7. Uwzględnianie poprawek do obliczeń dla pasa zanieczyszczonego (contaminated) Poprzez zanieczyszczenie pasa rozumiemy śnieg, wodę, kałuże, błoto pośniegowe ( slush). Zanieczyszczenia te wpływają znacząco na zmniejszenie osiągów a więc i bezpieczeństwa startu. Zmniejszają one zdolność samolotu do : - przyśpieszania podczas rozbiegu, - hamowania podczas przerwanego startu, - kontroli kierunku przez pilota podczas znaczącego bocznego wiatru. Największy wpływ na osiągi ma slush, wobec czego omówię jedynie przypadek kiedy pas zanieczyszczony jest mieszaniną stojącej wody i mokrego śniegu. P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 7

8 7.1 Wpływ slushu na start samolotu W czasie startu slush jest źródłem kilku dodatkowych oporów a mianowicie: slush drag to siła hamująca, która powstaje na skutek przemieszczania i wyrzucania slushu przez koła. Towarzyszący rozbryzg uderzający o poszycie samolotu, klapy oraz podwozie to spray drag- kolejna siła hamująca. Niestety siła hamująca od slushu rośnie kwadratowo wraz z prędkością aż do prędkości hydropoślizgu. Następuje tu gwałtowny zanik tej siły z racji tego, że koła samolotu płyną po warstwie slushu. Rys. 10 Wykres siły hamującej od slush-u w funkcji prędkości Slush force graph 7.2 Wielkość siły hamującej od slushu Poniższy wykres ilustruje wielkość siły hamującej pochodzącej od slushu. Rys.11 Wielkość siły hamującej slush-u dla prędkości 130 kts Slush-drag force at 130 kts Jak widać siła ta jest porównywalna z siłą rewersu jednego silnika. Oznacza to, że w czasie startu z pasa pokrytym ½ cala slushu na samolocie zabudowany jest dodatkowy silnik pracujący na pełnym rewersie. Tak duża siła powoduje znaczne zmniejszenie przyśpieszenia, a w konsekwencji znacznie zwiększa długość rozbiegu. W przypadku startu kontynuowanego z jednym silnikiem niepracującym przyśpieszenie spada tak drastycznie, że pilot może odczuwać brak rozpędzania samolotu. Ilustruje to poniższy wykres.[4] Rys.12 Wielkość przyśpieszenia dla różnych warunków na pasie Acceleration at specified runway conditions P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 8

9 7.3 Możliwość zatrzymania się na pasie zanieczyszczonym Poniższy wykres ilustruje wartość opóźnienia w przypadku przerwanego startu przy prędkości 130 kts. Rys.13 Wielkość opóźnienia w przypadku hamowania na pasie pokrytym slush-em Deceleration on contaminated runway Na pasie pokrytym slushem opóźnienie samolotu uzyskiwane jest przez: - hamowanie kół (znikomy udział), - opór aerodynamiczny, - rewers silników, - slush drag ( omówiony wcześniej) W przypadku wystąpienia hydropoślizgu możliwości hamowania spadają jeszcze gwałtowniej. Wówczas około 30% siły hamującej pochodzi od slush drag dla ½ cala slushu oraz 18% dla ¼ cala. A oto skutki zlekceważenia spadku osiągów dla startu z pasa zanieczyszczonego. Obliczona prędkość V1 dla pasa suchego wynosi 163 kts. Nie dokonując poprawek V1 w przypadku przerwania startu przy prędkości 163 kts na pasie zanieczyszczonym samolot wypada z pasa przy prędkości odpowiednio: - dla ¼ cala slushu V=142 kts, - dla ½ cala slushu V=138 kts. Oczywiste jest więc, że należy zredukować zarówno ciężar do startu jak i V1, co odbywa się na podstawie odpowiednich tabel. Rys. 14 Tabela redukcji ciężaru oraz V1 dla pasa zanieczyszczonego V1 and Brake release weight correction table Należy pamiętać, że po redukcji V1 zachodzi możliwość zbliżenia się lub nawet osiągnięcia prędkości Vmcg. Jeżeli zredukowana prędkość V1 jest niższa od Vmcg ( zgodnie z FAR V1 musi być co najmniej równa Vmcg) wówczas jako V1 przyjmujemy Vmcg i sprawdzamy minimalną długość pasa dla tej prędkości. P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 9

10 8. Co zrobić w przypadku braku model tables Czasem może się zdarzyć sytuacja lądowania na lotnisku dla którego nie posiadamy model tables. Wówczas posługujemy się Quick Reference Handbook ( QRH), który znajduje się zawsze w kabinie. Zawiera on m.in. tabele prędkości do startu dla pasa zbalansowanego. Tabela taka pokazana jest na poniższym rysunku. Sposób posługiwania się powyższą tabelą jest następujący. W pierwszej kolejności określamy column reference, tzn. kolumnę A, B, C, D lub E na podstawie wysokości ciśnieniowej oraz temperatury powietrza otaczającego. Następnie wybieramy wiersz w zależności od używanych klap do startu: 5, 15 lub 20. Kolejną czynnością jest określenie ciężaru startowego i odczytanie odpowiednich prędkości. Przykładowo korzystamy z kolumny A (najczęstszy przypadek), klapy do startu 5, masa 150 ton. W odpowiednim wierszu czytamy V1=147, Vr=150, V2=157 kts. Należy dodatkowo dokonać ewentualnej korekty V1 (wykres V1 adjustment) uwzględniając nachylenie pasa i składową czołową (bądź tylną) wiatru. Dla otrzymanej V1 należy sprawdzić w tabelce na dole strony czy nie jest ona mniejsza od Vmcg. Rys.15 Tabela prędkości do startu z QRH QRH speeds table 9. Podsumowanie Niniejsze opracowanie ukazuje praktyczne sposoby wykorzystania dokumentacji samolotu używanej w liniach lotniczych w celu zdeterminowania prędkości startu oraz możliwości dokonania redukcji mocy startowej, przy czym omówiona została tutaj metoda szczegółowa korzystania z Model Tables oraz bardziej ogólna korzystania z QRH danego typu samolotu. Należy zaznaczyć, że niniejsza praca może stanowić jedynie materiał pomocniczy, służący zapoznaniu się z problemem przerwanego startu, a nie oficjalny wzorzec postępowania przez załogę. Literatura 1. B-767 Quick Reference Handbook, Boeing Company, Seattle B-767 Model Tables, PLL-LOT, Warszawa Federal Aviation Regulations FAR Praca zbiorowa: 767 Pilot s Handbook, PLL-LOT, Warszawa 1999 DESCRIPTION OF A REJECTED TAKE-OFF OF A HEAVY AIRCRAFT ACCORDING TO FAR-25 Paweł Przybyszewski The following description is to understand the rejected take-off procedure of a heavy commercial aircraft under following restrictions: a twin engine heavy aircraft equipped with jet engines. In case of engine fail- P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 10

11 ure 50 % of thrust is lost. Aircraft is equipped with speedbrakes and thrust reversors on both engines. Also a procedure of determining the vital speeds used for take-off as V1, V2,Vr at any airport and on any runway is described in this work. The analyze concerns take-off on both dry and contaminated runway. The work contains description of Model Tables special tables used by PLL-LOT to determine the prescribed speeds, weight and V1 corrections used on contaminated runway departures. The Model Tables also allow thrust reduction for takeoff in case of actual weight less than maximum field weight. P.Przybyszewski Analiza przerwanego startu... PP - 11