Оценка влияния температурного режима на предельно допустимую высоту и максимально допустимую скорость полета по маршруту Санкт-Петербург-Москва

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Авиационная метеорология»

Тема: «Оценка влияния температурного режима на предельно допустимую высоту и максимально допустимую скорость полета по маршруту Санкт-Петербург-Москва

Введение

Задачей курсовой работы является приобретение навыков самостоятельной оценки влияния температурного режима атмосферы на полет самолетов с газотурбинными двигателями.

В курсовой работе требуется оценить значимость многолетнего режима температуры на высотах над участками воздушной трассы, указанной в индивидуальном задании на курсовую работу, для обеспечения безопасности и повышения экономичности полетов, рассчитать возможные пределы изменения практического потолка и предельно допустимой высоты полета конкретного типа самолета, а также максимально допустимой скорости полета.

Полеты самолетов на больших высотах выгодны потому, что с высотой увеличивается путевая скорость, соответственно снижается расход топлива, и увеличивается дальность полета. Кроме того, на больших высотах появляется возможность обходить зоны с грозовой деятельностью, сильной турбулентностью, обледенением.

Вместе с тем при полетах на больших высотах и наличии значительных вертикальных порывов воздуха (порядка 9-10 м/с) для сохранения продольной устойчивости самолета необходимо иметь определенный запас перегрузки. Соответственно, появляется необходимость ограничения максимальной высоты полета на столько, чтобы исключить возможность сваливания самолета. Поэтому, кроме понятий статического и практического потолка, сейчас для некоторых типов самолетов используют понятие предельно допустимой высоты полета, которую определяют с учетом полетного веса. Эту высоту, как и другие летно-технические характеристики самолетов, определяют исходя из условий стандартной атмосферы (СА).

В реальных условиях температура, плотность воздуха и атмосферное давление на высотах могут существенно отличаться от их значений в СА, что сказывается на характеристиках полета самолета. Особенно заметно может изменяться тяга двигателя, потолок и предельно допустимая высота. Если учесть, что высота полета задается по барометрическому высотомеру, то вдоль профиля полета атмосферное давление остается постоянным. В этом случае изменение плотности воздуха в полете происходит только за счет отклонения температуры от СА.

Поэтому в каждом реальном полете необходимо иметь данные температурно-ветрового зондирования, прогноза температуры воздуха на высотах или наблюдения за температурой непосредственно в полете для расчета изменения предельно допустимой высоты.

Практическое значение курсовой работы заключается в том, чтобы понимать, как велико влияние температурного режима воздуха на одну из основных эксплуатационных характеристик самолета и какие потенциальные возможности для повышения уровня безопасности и экономичности полетов возникают, если учитывать это влияния на этапе планирования полета и в полете.

В настоящей работе изложен порядок выполнения работы, приведены исходные данные для выполнения расчетов, и расчет требуемых параметров по маршруту Актюбинск-Ереван в январе и июле.

Глава 1. Исходные данные

Основными исходными материалами для расчетов являются следующие данные:

многолетние данные распределения средней, минимальной и максимальной температуры по высотам по трассе, для пунктов взлета и посадки в марте и сентябре;

данные аэроклиматических справочников (выпуски 1-5) о распределении средней месячной и экстремальных значений температуры на высотах за наиболее теплый и наиболее холодный месяцы года в начале и конце заданной трассы;

таблицы стандартной атмосферы;

руководство по летной эксплуатации самолета Ту-154Б;

бланк аэрологической диаграммы.

Изучаем выданное задание на курсовую работу, и строим схему трассы Санкт-Петербург-Москва (700км).

Составляем краткое физико-географическое и климатическое описание.

Санкт-Петербург протянулся в административных границах с северо-запада на юго-восток на 90 км. Город расположен на северо-западе Российской Федерации, в пределах Приневской низменности, на прилегающем к устью реки Невыпобережье Невской губы Финского залива и на многочисленных островах Невской дельты. Высота города над уровнем моря: для центральных районов -- 1-5 м, периферийных районов (север) -- 5-30 м, периферийных районов (юг и юго-запад) -- 5-22 м.

Природно-климатические условия.

Климат Петербурга -- умеренный, переходный от умеренно-континентального к умеренно-морскому. Такой тип климата объясняется географическим положением и атмосферной циркуляцией, характерной для Ленинградской области. Это обусловливается сравнительно небольшим количеством поступающего на земную поверхность и в атмосферу солнечного тепла.

Для города характерна частая смена воздушных масс, обусловленная в значительной степени циклонической деятельностью. Летом преобладают западные и северо-западные ветры, зимой -- западные и юго-западные. Петербургские метеостанции располагают данными с 1722 года. Самая высокая температура, отмеченная в Санкт-Петербурге за весь период наблюдений, -- +37,1 °C, а самая низкая ?35,9 °C

Москва находится в центре европейской части России, в междуречье Оки и Волги, на стыке Смоленско-Московской возвышенности (на западе), Москворецко-Окской равнины (на востоке) и Мещёрской низменности (на юго-востоке). Территория города на 2012 год составляет 2511 кмІ.Город располагается на обоих берегах реки Москвы в её среднем течении. Помимо этой реки, на территории города протекает несколько десятков других рек, наиболее крупные из которых -- притоки Москвы, в частности Сходня, Химка, Пресня, Неглинная,Яуза и Нищенка (левые), а также Сетунь, Котловка и Городня (правые). Многие малые реки (Неглинная, Пресня и др.) в пределах города протекают в коллекторах. В Москве много и других водоёмов: более 400 прудов и несколько озёр.

Климат.

Климат Москвы -- умеренно-континентальный, с чётко выраженной сезонностью. Зима (период со среднесуточной температурой ниже 0 °C) в среднем длится со второй декады ноября по конец марта. В период календарной зимы могут отмечаться непродолжительные (3--5 дней) периоды сильных морозов (с ночной температурой до ?20 °C, редко до ?25…?30 °C). При этом в декабре и начале января часты оттепели, когда температура с ?5…?10 °C поднимается до 0 °C и выше, иногда достигая значений в +5…+10 °C. По данным метеостанции ВВЦ (норма 1981--2010), самым холодным месяцем года является февраль (его средняя температура составляет ?6,7 °C)

Глава 2. Построение кривых стратификации и анализ температурного режима

температурный полет скорость эксплуатационный

Проанализируем многолетний режим температуры воздуха до уровня 100 мбар для указанных в задании месяцев и пунктов. Для этого на бланке аэрологической диаграммы строим кривые распределения средней, минимальной и максимальной температуры по высотам, соответственно за март и сентябрь месяцы. При построении по данным задания на бланк наносим значения указанных температур на уровнях 1000, 900, 850, 700 500, 300, 200, 100 мбар. Полученные точки последовательно соединяем отрезками прямых линий.

Таким образом, получаем кривые распределения температуры с высотой - кривые стратификации. Всего на одном бланке аэрологической диаграммы построено 12 кривых стратификации.

В настоящее время в метеорологической практике используют аэрологическую диаграмму, на которой наряду с логарифмической шкалой давления Р0,286 приведена стандартная барометрическая высота Hp, идентичная высоте, определяемой по барометрическому высотомеру, установленному на 760 мм.рт.ст.

Кроме того, на диаграмме нанесена кривая распределения температуры воздуха в СА. Это дает возможность после построения кривых стратификации произвести качественный анализ температурного режима. Если кривые стратификации находятся правее аналогичной кривой в СА - воздух теплее, чем в СА; левее - холоднее.

Для определения количественных характеристик снимаем с кривых стратификации значения средней, минимальной, максимальной температуры, а также температуры в СА на высотах 1, 5, 10, 15 км.

Используя эти данные, рассчитываем ?t - отклонение реальной температуры ( tф) от стандартной (tса) на указанных высотах по формуле:

?t = tф - tса .

Таблица 1

Значения температур и отклонений температуры от СА.

Санкт-Петербург
	Март
Н,км	tср	tmin	tmax	tса	? tср	? tmin	? tmax
1	-6,4	-20	7	8,5	-14,9	-28,5	-1,5
5	-25,1	-39,2	-8	-17,5	-7,6	-21,7	9,5
10	-52,2	-67,7	-38,3	-50,0	-2,2	-17,7	11,7
15	-53,6	-68,9	-41,6	-56,4	2,8	-12,5	14,8
	Сентябрь
Н,км	tср	tmin	tmax	tса	? tср	? tmin	? tmax
1	6,9	-5	20	8,5	-1,6	-13,5	11,5
5	-14,3	-25,8	5,2	-17,5	3,2	-8,3	22,7
10	-45,4	-58,3	-29,1	-50,0	4,6	8,3	20,9
15	-49,9	-61,8	-33	-56,4	6,5	-5,4	23,4
Москва
	Март
Н,км	tср	tmin	tmax	tса	? tср	? tmin	? tmax
1	-6,7	-17	8	8,5	-15,2	-25,5	-0,5
5	-25,1	-41,2	-10,2	-17,5	-7,6	-23,7	7,3
10	-52	-67,7	-38,5	-50,0	-2	-17,7	11,5
15	-53,6	-70,5	-39	-56,4	2,8	-14,1	17,4
	Сентябрь
Н,км	tср	tmin	tmax	tса	? tср	? tmin	? tmax
1	7,9	-7	23	8,5	-0,6	-15,5	14,5
5	-14,2	-31	4,5	-17,5	3,3	-13,5	22
10	-45,5	-58,1	-31,7	-50,0	4,5	-8,1	18,3
15	-51,3	-65,2	-38,6	-56,4	5,1	-8,8	17,8

Глава 3. Оценка влияния температуры на предельно допустимую

высоту полета

Теперь количественно оценим влияние многолетнего режима температуры воздуха на предельно допустимую высоту полета самолета Ту-154Б, используя формулу:

?Hпр.д = - к ?t ,

где ?Hпр.д - изменение потолка или предельно допустимой высоты полета за счет отклонения температуры от СА;

к - эмпирический коэффициент, показывающий, на сколько изменяется предельно допустимая высота полета при отклонении температуры от СА на 1°С. Для турбореактивных самолетов к ? 50 м/1є?t ;

?t - отклонение температуры от СА на соответствующем уровне.

Расчеты выполняем аналитически и графически. При графическом расчете на аэрологической диаграмме строим вспомогательную номограмму. Для этой цели из РЛЭ самолета выписываем значения предельно допустимой высоты в СА для каждого полетного веса.

При этом отрицательному отклонению температуры от СА будет соответствовать увеличение высоты, а положительному отклонению - уменьшение.

По рассчитанным значениям ?t и ?Hпр.д на аэрологическую диаграмму наносим точки: слева от кривой СА - отрицательные значения ?t и положительные значения ?Hпр.д; справа от СА - положительные значения ?t и отрицательные ?Hпр.д для каждого полетного веса, выбранного типа воздушного судна. Затем эти точки соединяем сплошными линиями.

Таким образом, получаем вспомогательную номограмму, которая позволяет по графикам, приведенным выше, рассчитать изменения предельно допустимой высоты в реальном полете на заданном типе самолета.

Составим таблицы зависимостей ?Hпр.д от tср, tmin и tmax за каждый месяц для обоих пунктов на заданных высотах для заданных полетных весов.

Таблица 2

Санкт-Петербург

Полетный вес, т	Нпр.доп. м,са	Март
		Дtmin °C	ДНпр.доп. м	Дtср °C	ДНпр.доп., м	Дtmax °C	ДНпр.доп., М
86	11000	-5	250	2,3	-115	9,4	-470
80	11400	-5,6	280	2,2	-110	8,9	-445
74	11700	-5,8	290	2	-100	8,3	-415
70	12000	-	-	-	-	-	-
Полетный вес, т	Нпр.доп. м,са	Сентябрь
		Дtmin °C	ДНпр.доп. м	Дtср °C	ДНпр.доп., м	Дtmax °C	ДНпр.доп., М
86	11000	4,2	-210	14,1	-705	30	-1500
80	11400	3,2	-160	12,9	-645	29,4	-1470
74	11700	2,3	-115	13,4	-670	29,2	-1460
70	12000	2,1	-105	11,2	-560	28,4	-1420

Москва

Полетный вес, т	Нпр.доп. м,са	Март
		Дtmin °C	ДНпр.доп. м	Дtср °C	ДНпр.доп., м	Дtmax °C	ДНпр.доп., М
86	11000	-9	450	-0,1	5	9,3	-465
80	11400	-10,6	530	-2,4	120	12,8	-640
74	11700	-11	550	-3	150	12,2	-610
70	12000	-	-	-	-	-	-
Полетный вес, т	Нпр.доп. м,са	Сентябрь
		Дtmin °C	ДНпр.доп. м	Дtср °C	ДНпр.доп., м	Дtmax °C	ДНпр.доп., М
86	11000	4,6	-230	17,3	-865	27,3	-1365
80	11400	2,5	-125	14,8	-740	26,2	-1310
74	11700	1,4	-70	13,6	-680	25	-1250
70	12000	0	0	13,1	-605	23,5	-1175

Так как при полете по маршруту полетный вес воздушного судна уменьшается за счет выработки топлива, для сравнения влияния температурного режима воздуха и полетного веса на предельно допустимую высоту, построим по два графика для каждого месяца на примере полетного веса самолета Ту-154Б 80т и 86т. На одном (по данным приведенных выше таблиц) покажем изменение ?Hпр.д по трассе за счет изменения средней температуры, а на другом - за счет изменения полетного веса.

Согласно заданию, работаем с маршрутом

Часовой расход топлива по маршруту Санкт-Петербург-Москва в январе и июле для самолета Ту-154Б - 6 200кг

Максимальная крейсерская скорость 850 км/ч

Максимальный потолок - 12 100 м

Расстояние - 1500км

По маршруту Санкт-Петербург-Москва расход топлива на 1 500 км у Ту-154Б - 11 000кг (для примера взят горизонтальный полет на указанное расстояние на максимальной крейсерской скорости)

Графики изменения предельно допустимой высоты от температуры воздуха отметим СИНИМ цветом, графики изменения предельно допустимой высоты за счет выработки топлива - КРАСНЫМ.

Проанализировав таблицы, не трудно заметить, что при полете по данному маршруту температура воздуха на указанных высотах изменяется незначительно, поэтому изменение предельно допустимой высоты полета зависит, в первую очередь от выработки топлива. Графики также наглядно подтверждают это.

Важно помнить, что влияние температурного режима на изменение предельно допустимой высоты полета часто бывает такого же порядка, как и влияние изменения полетного веса на маршруте во время полета за счет выработки топлива.

При сохранении рабочего режима работы двигателя отрицательное отклонение температуры от стандартной может вызвать увеличение скорости полета до опасного предела.

Поэтому далее оценим влияние температурного режима на уровне предельно допустимой высоты на максимально допустимую истинную скорость полета в СА, по tср, tmin и tmax за каждый месяц для обоих пунктов.

Расчеты выполняются исходя из соотношения:

откуда

где Mmax (доп) - максимально допустимое число Маха;

a - скорость звука, с достаточной степенью точности равная 20,1 .

Т - температура в Кельвинах

График зависимости скорости звука от высоты для МСА

Значения Mmax (доп) для воздушного судна Ту-154Б на предельно допустимой высоте полета для спокойной Mmax (доп) = 0,85 и турбулентной Mmax (доп) = 0,80 атмосферы.

При расчете Vmax(доп) берем значения средней, минимальной, максимальной температуры в градусах Кельвина, Mmax (доп) - для спокойной и турбулентной атмосферы.

Результаты вычислений Vmax(доп) в км/ч для максимальной высоты полета 12 100 м представлены в виде таблицы.

Таблица 3

Предельные скорости полета

Пункт	Состояние атмосферы	Максимально допустимая скорость Vmax(доп)
		VСА	Март	Сентябрь
		tСА	tср	tmin	tmax	tср	tmin	tmax
Санкт-Петербург	Спокойная	905,3	908	874	939	914	895	947
	Турбулентная	852,1	854	823	884	861	843	891
Москва	Спокойная	905,3	906	874	937	914	887	945
	Турбулентная	852,1	853	823	882	861	835	889

Графики зависимости Vmax(доп) от температуры на предельном эшелоне 12 100 м

Заключение

По результатам наблюдений и расчетов получается что: На высоте 12100м в Санкт-Петербурге tср в марте и сентябре немного выше от значений tСА. В Москве tср в марте практически на уровне СА, а в сентябре немного выше от значений tСА. Это означает:

Рассчитанные по отклонениям от СА значения фактической воздушной скорости (атмосфера спокойная или турбулентная) в км/ч для tср в Санкт-Петербурге и Москве на эшелоне 12 100м и в марте и в сентябре существенно меняться не будут.

Рассчитанные по отклонениям от СА значения фактической высоты полета в метрах для tср марта в Санкт-Петербурге и Москве существенно меняться не будут.

Рассчитанные по отклонениям от СА значения фактической высоты полета в метрах для tср сентября в Санкт-Петербурге и Москве также существенно меняться не будут.

Следовательно, определяющим фактором влияющим на изменение предельно допустимой высоты на данном маршруте будет выработка топлива во время полета.

Литература

Баранов А.М., Лещенко Г.П., Белоусова Л.Ю. Авиационная метеорология и метеорологическое обеспечение полетов. М., Транспорт, 2010, 285 с.

Асатуров М.Л. Основы авиационной метеорологии. Метеорологические характеристики атмосферы: Тексты лекций.- СПб.: АГА, 2012.-38с.

Самолет Ту-154Б. Руководство по летной эксплуатации. М: РИО МГА, 1975.

ГОСТ 4401-81. Таблица стандартной атмосферы. М.: ГСК при СМ, 2011.

НМО ГА - 95. М., Транспорт, 2010, 204с.

Астапенко П.Д., Баранов А.М., Шварев И.М. Авиационная метеорология. М., Транспорт, 1985, 262с.

Асатуров М.Л. Основы авиационной метеорологии. Метеорологические характеристики атмосферы: Тексты лекций.- СПб.: АГА, 2002.-38с.

Размещено на Allbest.ru