W
T V g
T T T V g W
r a
(1.4.17)
Az emelkedéssel, a tolóerő felesleg alkalmazását az emelkedésre, az emelkedőképességgel és elérhető csúcsmagassággal később külön pont foglalkozik.
Végül érdekes és sajátos vizsgálandó eset még az aszimmetrikus tolóerővel repülés, ami a hajtómű esetleges meghibásodásakor áll elő. Ilyenkor a repülőgép függőleges tengelye körül, esetenként még a kereszttengelye körül is kiegészítő nyomaték keletkezik. Ezt a nyomatékot az aerodinamikai kormányfelületek (oldal- és csűrőkormány) kitérítésével lehet kompenzálni. Ez viszont az aerodinamikából ismert módon növeli a repülőgép ellenállását, az aerodinamikai ellenálláserő tényezőjének az értékét. Az ellenálláserő tényezőjének a növekedése csökkenti az utazó üzemmód repülési sebességét, illetve növeli a szükséges tolóerőt, teljesítményt. (lásd (1.4.13) - (1.4.14) összefüggések).
1.5. Fel- és leszállás
A repülőgép tényleges repülése a felszállással kezdődik. A felszálló területet és a környezetet terhelő zaj, emisszió csökkentése érdekében különös gonddal vizsgálandó a repülés ezen fontos szakasza.
A leszállással fejeződik be a repülés. A baleseti statisztikák szerint a bevezetés és a leszállás a legveszélyesebb szakasza a repülésnek (annak ellenére, hogy csak 2 - 3 percig tart).
1.5.1. A felszállás jellemzése
Felszállásnak nevezik a repülés első szakaszát, amikor a repülőgép a felszállópályán a repülőgép álló helyzetből felgyorsít, majd elemelkedik és eléri a szabad repülés magasságát. A föld közelében ugyanis - az aerodinamikában jól ismert - párnahatás hat a repülőgépre. Azaz a repülőgép mögött a felhajtóerő kialakulása miatt leáramló levegő a földfelszínnek, mint akadálynak ütközik, ezért a gép alatt a levegő nyomása megnő, ami segít a gépet emelni. A párnahatás által generált emelő erő a néhány méteres magasságban repülő gép esetében eléri a gép súlyának a 30 - 35%-át is. A repülési magasság növelésével a párnahatás gyorsan csökken. Amikor a felszálló repülőgép eléri a 35 láb, azaz a 10,7
m-es repülési magasságot a párnahatás lényegében megszűnik. Ettől kezdve a repülőgép szabadon, a párnahatás segítése nélkül, repül.
A felszállás a kisebb és a nagyobb méretű, illetve a nagyobb sebességű repülőgépek esetében alapvetően eltérő. A kisrepülőgépeket a földről elemelkedve (ha lehet, a futóműveket gyorsan behúzva) a párnahatást kihasználva, 1-2 méter magasan repülve gyorsítják fel a szabad repüléshez szükséges biztonságos sebességre.
A nagyobb repülőgépeket viszont nem lehet biztonságosan 1 - 2 m-es repülési magasságon tartani. A nagyobb és gyorsabb repülőgépek a földtől elszakadva folyamatosan emelkednek (1.5.1. ábra).
1.5.1. ábra: Felszállás nevezetes sebességei
A légialkalmassági előírások a felszállás szabályozásakor egy sor sebességet definiálnak:
V0 - a felszállás kezdetekor a repülőgép (a légialkalmassági előírások szerint) mindig álló helyzetből indul.
Vs - átesési sebesség (stalling speed), az a minimális sebesség amellyel a repülőgép képes repülni.
Vmc - minimális kormányozhatósági sebesség (minimum control speed), mely elérésekor a repülőgép még a hajtómű kritikus meghibásodásakor is kormányozható (a légialkalmassági előírások megkövetelik, hogy a gyártó bizonyítsa, a hajtómű kritikus meghibásodásakor is a repülőgép képes egyenesen repülni csúszás és irányváltás nélkül, illetve 5°-nál kisebb dőlési szöggel, miközben az oldalkormány 800 N-nál kisebb erővel megtartható.
V1 - hajtómű kritikus meghibásodási sebesség (critical engine failure speed), vagy elhatározási sebesség, mely elérése után az átlagos repülőgépvezető is képes a hajtómű kritikus meghibásodása ellenére is biztonságosan folytatni a felszállást, majd iskolakör megtétele után visszatérni és leszállni. A V1 -et azért hívják elhatározási sebességnek, mert ennek eléréséig a hajtómű kritikus meghibásodása (tolóerő hirtelen csökkenése, vagy a hajtómű leállása) esetén, a repülőgépvezető köteles megszakítani a felszállást és megállítani a repülőgépet. Természetesen, a felszállópálya szükséges hosszának lehetővé kell tenni, hogy a repülőgép a hajtómű kritikus meghibásodási sebességig felgyorsuljon, majd onnan lefékezhető legyen, azaz a gyorsításhoz és a fékezéshez szükséges úthosszak összegénél nem lehet kisebb a repülőtér fel-és leszálló pályájának a hossza. Pontosabban a gyorsításhoz szükséges úthossznál nem lehet kevesebb a felszállópálya hossza, míg a gyorsítás - megszakított felszállás - fékezés esetén a repülőgép a felszállópályához tartozó végbiztonsági szakasz, illetve a felszállás légi szakaszára akadálymentesített terület is felhasználható a repülőgép megállítására (1.5.2 ábra). A V értékeket valamennyi
meghibásodásakor, akkor a repülőgép vezető nem lesz képes felgyorsítani a gépet a biztonságos felszálláshoz. Amennyiben ennél nagyobb, akkor a repülőgépvezető nem lesz képes megállítani a repülőgépet az adott fel- és leszálló pályán. A V1 sebesség nem lehet kisebb, mint a Vmc.
1.5.2. ábra: A hajtómű kritikus meghibásodási sebesség értelmezése A felszállás megszakítása (s - úthossz, V sebesség)
VR - felszállás elfordulási sebesség (take-off rotational speed), vagy orrfutó elemelési sebesség. Nagyobb repülőgépek a VR sebesség elérésekor a repülőgépvezető felemeli a repülőgép orrát, elemeli az orrfutót és így gyorsítja tovább a gépet. A nagyobb támadási szögön egyre növekvő felhajtóerő keletkezik, amely csökkenti a kerekekre ható erőt és ennek megfelelően a súrlódási erőt. A nagy repülőgépek esetében az orrfutó elemelésével csak kevésbé lehet növelni a támadási szöget, mert könnyen leérhet a pályára a repülőgép hátsó része. Kis mértékű támadási szög növelés viszont még nem elegendő a repülőgép elemelésére. Kisebb repülőgépek esetén ez nem probléma, a VR sebességnél a repülőgép elemelkedik, és a repülőgépvezető a párnahatást kihasználva néhány méteres magasságban repülve gyorsítja tovább a gépet. A VR megegyezhet a V1-gyel, de minimum 5%-kal nagyobbnak kell lennie a Vmc-nál.
Vmu - minimális elemelési sebesség (minimum unstick speed), melynek elérésekor a repülőgépvezető akkor is biztonságosan el tudja emelni a repülőgépet és biztonságosan tud vele repülni, még abban az esetben is, ha egy hajtómű meghibásodott és leállt. A biztonság növelése érdekében a repülőgépet még ennél is nagyobb sebességen szokás elemelni a pályáról. A minimális elemelési sebességnek egyenlőnek, vagy nagyobbnak kell lennie mint az átesési sebesség.
VLOF - a repülőgép elemelési sebessége, amikor a repülőgép elszakad a felszálló pályától.
A VLOF sebességnek az előírások szerint minimum 10%-kal kell felülmúlnia a Vmu -nél, amennyiben minden hajtómű működik, és legalább 5%-kal kell felülmúlnia azt, amennyiben egy hajtómű nem működik.
V2 - felszállási sebesség (takeoff speed), melynél a repülőgép "befejezi" a felszállást, képes szabadon (a párnahatás nélkül) is repülni, és képes az emelkedést folytatni. A felszállási sebességnek (az előírások szerint) minimum 20%-kal kell nagyobbnak lennie az átesési sebességnél, és minimum 10%-kal kell felülmúlni a minimális kormányozhatósági sebességet.
A felszállás nevezetes sebességei közötti - a légialkalmassági előírások által előírt - kapcsolatokat az 1.5.1. táblázat foglalja össze.
VS
1.5.1. táblázat. A felszállás nevezetes sebességei közötti kapcsolatok 1.5.2. A felszállási úthossz számítása
A repülőgép felszállási sTOF úthossza az 1.5.1. ábra szerint a felszállás megkezdésétől (V=0) a 10.7 m-es repülési magasság, azaz a V2 sebesség elérése közt megtett utat jelenti.
Ez a szakasz két jól elkülönülő részre, az sg földi gurulási (ground roll) és az sa repülési, vagy légi (airborne distance) szakaszra osztható:
a g
TOF s s
s . (1.5.1)
1.5.2.1. Gurulási úthossz
A felszállópályán mozgó repülőgép gurulási úthosszának a számítására Newton törvényét kell alkalmazni. Az 1.5.3. ábra szerint:
.
m, W a repülőgép tömege, illetve súlya.
1.5.3. ábra: Felszállópályán gyorsuló repülőgép (L - felhajtóerő, D - (lég)ellenállás, F súrlódási ellenállás, T - tolóerő, V - sebesség)
,
melyet az 5.2.-ben alkalmazva
;
lehet meghatározni a repülőgép felszállása során megtett földi gurulási úthosszat:
; jelölik. (A repülőgép tömege a többi jellemzőhöz képest csak kisebb mértékben változik, ezért az jó közelítéssel állandónak tekinthető.)
Figyelembe véve azt a gyakorlati tapasztalatot, hogy
a
a W
L 3
1
a repülőgép felszállás gurulási úthosszát a következő egyszerűbb gyakorlati össze-függéséből lehet számítani: gurulásra érvényes átlagos értéke, a Ta pedig a tolóerő ellátottság (thrust / weight ratio).
.
1.5.2.2. Légi úthossz
A repülőgép felszállásakor a légi szakasz a levegőbe emelkedéstől a felszállás befejezéséig, az emelkedés kezdetéig tart (1.5.4. ábra). A közben megtett távolságot - a legegyszerűbb formában - a repülőgép energiájának (mozgási és helyzeti energiájának) a változásából lehet meghatározni:
Mivel hLOF 0és közelítőleg (mivel a felszállás légi szakaszának átlagos, Ta tolóerő iránya nem a felszállópálya irányába mutat, de attól csak kismértékben tér el) eTsa, a felszálló repülőgép energiaváltozásából könnyen számítható a felszállás légi úthossza:
V , A repülőgép felszállási úthossza tehát a gurulási és a légi úthosszak összege:
1.5.4. ábra: A repülőgép felszállás légi szakasza
1.5.3. A felszállás elemzése 1.5.3.1. Tervezési adatok
Az (1.5.7) összefüggésből egyértelmű, hogy a repülőgép felszállási úthossza alapvetően tervezési szerkezeti sajátosságoktól függ. Egyfelől a repülőgép tömege és a felszállási, elemelkedési sebességeinek a csökkentése egyértelműen (és mindenki számára nyilvánvaló módon) csökkenti a felszállási úthosszat. Az is érthető, hogy az aerodinamikai jósági tényező növelése is csökkenti a felszállási úthosszat, hiszen nagyobb felhajtóerőhöz kisebb ellenálláserő tartozik. Ugyanakkor a
körülményektől, azaz a felszállópálya minőségétől (a pálya anyagától) és az időjárási körülményektől (vizes, havas pálya) függ.
A szerkezeti sajátosságok hatásait könnyebb megérteni, ha a sebességet rendre a
S c V W
L
2 2 (1.5.9)
összefüggés alapján fejezzük ki (ami elég jó közelítéssel megtehető):
1 .
Ez a kifejezés jobban mutatja, hogyan csökkenthető a repülőgép felszállási úthossza, ami egyben a repülőtér méreteinek és a repülés által okozott környezeti terhelésnek a csökkentését is jelenti. Ezek szerint a repülőgépszárnyak felületi terhelése (egységnyi szárnyfelületre jutó repülőgépsúly) lényegében egyenes arányban növeli a felszállási úthosszat. A nagyméretű repülőgépek esetében a felületi terhelés folyamatosan növekszik Az utóbbi negyven évben 6-10-szeres mértékben nőtt a szárny felületi terhelése, és lényegében elérték a repülőtér mérete szempontjából a maximális értéket.
A szárny felhajtóerő tényezőjének növelése viszont jelentősen csökkenti a felszállási úthosszat.
A felhajtóerőt a szárnymechanizáció (ívelő lapok) alkalmazásával lehet jelentősen növelni, aminek a szárnymechanizáció kitérítésével növekedő ellenállás növekedés szab határt, amint azt az aerodinamika keretében részletesen szokás tárgyalni.
1.5.3.2. Üzemi körülmények hatása
Az üzemi körülményeket egyfelől a légköri viszonyok (a levegő hőmérséklete és nyomása, illetve sűrűsége), másfelől a meteorológiai viszonyok (azaz nedvesség, eső, szél), valamint a repülőtér adottságai (tengerszint feletti magassága, a pálya lejtése) határozzák meg. Ezek a hatások gyakran korlátozzák a repülőgép felszállási súlyát.
A léghőmérséklet növekedésével a levegő sűrűsége csökken és a felszállási úthossz növekszik. Amennyiben a repülőtér méretei, a felszállópálya hossza nem elégséges, akkor (nagy nyári melegben) akár csökkenteni is kell a repülőgép felszállási tömegét, vagyis a gép csak kevesebb utassal tud felszállni. Ugyanez igaz a magassági (nagy hegyek közt) lévő repülőterek esetén.
Az eső kétféle módon veszélyezteti a repülést. Egyrészt a sűrű esőben a repülőgép felületéhez tapadó víz miatt a gép felszállási tömege akár 1 - 1.5%-kal is megnőhet, ami eleve felszállási súlykorlátozott repülőgépnél jelenthet jelentősebb kockázatot. Másrészt a trópusi zivatarok esetén annyi nedvesség megy át a hajtóműveken, amely akár a hajtómű leállásához is vezethet.
Abban az esetben, ha a felszállópálya hossza és a felszállási sebesség kritikus, akkor a szél hatása különösen fontos. Könnyen belátható, hogy a szembeszél növeli a szárnyat érő felszállópálya lejtése - az elemi fizikából ismert módon - növeli a repülőgép gyorsulását.
1.5.5. ábra: Példa a felszállási jellemzők számítására (a felszállási jellemzők diagramjának az alkalmazásával a levegő tényleges hőmérsékletének, a felszállási tömegnek, a szélsebesség
komponensének és a lehetséges akadály magasságának az ismeretében)(Forrás: internet) 1.5.3.3. A felszállási úthossz csökkentése
Sok esetben a repülőtér mérete korlátozza a felszállási úthosszat. Ennek elkerülésére szolgálnak a felszállási úthossz rövidítésére alkalmazható módszerek:
aerodinamikai módszerek: felhajtóerő növelése (ívelőlap, határréteg elszívás, …)
energetikai módszerek: elforgatható hajtóművek, emelő hajtóművek
egyéb: katapult, gyorsító rakéta, változtatható orrfutó hossz
kombinált: ezek kombinációi
A felszállási úthossz rövidítése alapján a repülőgépeket külön elnevezésekkel illetik (1.5.2.
táblázat).
A fel- és leszállás optimálását gyakran nem a felszállási, vagy leszállási úthossz csökkentése, hanem a környezetterhelés mérséklése érdekében hajtják végre. Ilyen szempontból az egyik legérdekesebb új, jelenleg európai és amerikai projektekben is vizsgált lehetőség a mágneses levitáció alkalmazása a fel- és leszállás segítésére (1.5.6. ábra). Ekkor az elképzelések szerint a repülőgépen nem lennének hagyományos futóművek, ami eleve, mintegy 3–5%-kal csökkentené a repülőgép ún. száraz tömegét.
1.5.6. ábra. Amerikai és európai elképzelés (repülőgép középső eleme a mágneses levitációt keltő
1.5.2. táblázat: A repülőgépek osztályozása a felszállási úthossz alapján (Forrás: internet) 1.5.4. A leszállás jellemzése
A repülőgép bevezetése során látás után, vagy műszerek segítségével esetleg a repülési automata alkalmazásával a repülőgép megközelíti a repülőteret. A végső repülési szakasz, a leszállás 15 m magasság elérésekor kezdődik (1.5.7. ábra). Először a repülőgép egyenes vonalú mozgásban a bevezetési d szögön siklik. A siklás (descent) egy felvételbe (flare) megy át, amikor a repülőgép a siklásból vízszintes mozgásba megy át. Kis repülőgépek esetén a felvétel után a repülőgépvezető 0.5 - 1 m-es repülési magasságban kilebegteti a repülőgépet, azaz csökkenti a repülőgép sebességét (növeli a támadásszöget), majd a minimális repülési sebességnél az áteséskor a repülőgép "leül" a leszálló pályára, és fékezve kigurul. Nagyobb repülőgépeket igen veszélyes lenne "kilebegtetni" 1 m-es repülési magasságban megtartani, ezért a felvétel után a repülőgépvezető "lenyomja" a gép orrát (csökkenti a támadási szöget és ezzel a keletkező felhajtóerőt) és a gépet leteszi a pályára. A kigurulás (ground roll) tehát mondhatni rögtön a felvétel befejezése után kezdődik.
1.5.7. ábra: Leszállás
A leszállás előtt, a bevezetés során, a repülőgépnek ún. leszállási konfigurációban kell lennie (azaz a szárnymechanizációt a leszállási helyzetnek megfelelően kell kibocsátani) és a leszállás megkezdéséig a repülési sebességnek minimum 1.3-szer nagyobbnak kell lennie, mint az átesési sebesség (VL 1.3Vs). A felvételt viszont lehetőleg úgy kell végrehajtani, hogy a végén a repülőgép a minimális sebességhez közeli értéken legyen, és a repülőgép orrát lenyomva a földetérés javasolt függőleges sebessége 0.5 m/s legyen.
1.5.8. ábra: Felvétel 1.5.5. A leszállási úthossz meghatározása
Az 1.5.7. ábra szerint a leszállási úthossz három önálló szakaszból áll. Az elsőt, a siklás úthosszát a geometriai összefüggéseket alkalmazva egyszerűen meg lehet határozni:
. tg s H s tg H
d d
d
d
(1.5.11)
A felvétel esetében már kissé bonyolultabb a számítás. Egyrészt a felvétel egyik szakaszát, beszámítottuk a siklási szakaszba. Másrészt a második szakaszt közelítve a felvétel ívének a felével lehet megadni:
. R sf f d
2
(1.5.12)
A problémát a felvétel, azaz egy függőleges síkbeli szabályos forduló sugarának a meghatározása jelenti. A felvétel végén az 1.5.8. ábra szerint a repülőgép olyan helyzetben van, amikor a felhajtóerő pontosan a repülőgép súlyával és a felvétel során keletkező centrifugális erővel tart egyensúlyt:
Vf2
Ebből szakaszában a siklási) sebességnek nagyobbnak kell lennie a minimális (átesési) sebesség 1.3. - szeresénél (C C /1.69
max
d L
L ). Ugyanakkor repülőgép leszállásakor törekedni kell arra, hogy a felvétel végén a repülőgép minél kisebb sebességgel repüljön. A
d
f L
L /C
C
értéke 1 és 1.69 között, illetve akár 1.69-nél nagyobb is lehet. A sugárhajtású utasszállító repülőgépek esetében a
L átlagos értéke 1.2. Ezzel számolva
. g . levezetéshez hasonlóan lehet meghatározni,
. viszonylagos tolóereje, mely a leszállás során vagy nullának tekinthető, illetve tolóerő-reverz (tolóerő visszafordító) alkalmazásakor, amikor olyan tolóerőt létesítenek, amely fékezi a repülőgép mozgását, ez egy az (1.5.15.) kifejezésben pozitív érték. A kifejezésben a a súrlódási tényező jóval nagyobb érték, mint a felszálláskori érték, mivel a kerekek fékezésére speciális (nagy energiákat gyorsan "elnyelő") fékeket alkalmaznak. Ugyanígy az átlagos aerodinamikai jósági tényező értéke is az alkalmazott szárnymechanizáció jelentősebb kitérítésével kisebb értékű a leszálláskor, mint a felszálláskor.
Az (1.5.15.) összefüggés helyett egyszerűbben is kifejezhető a kigurulási úthossz:
.
Itt az a a kigurulás átlagos lassulási értéke, mely pl. a Boeing 737-300ER esetében 0.42 g értékre adódik.
A három leszállási szakasz összege fejezi ki a leszállási úthosszat:
.
1.5.6. A leszállás elemzése
1.5.6.1. Tervezési adatok, a leszállási úthossz csökkentése
A tervezési, szerkezeti sajátosságok könnyebben megérthetők, ha a felszállási úthossz számításánál alkalmazott eljárást követve (a leszállási úthosszat egy légi és egy kigurulási szakasz összegeként számítva, a légi szakasz úthosszát a repülőgép teljes energiájának a évben a szárnyterhelés mintegy 5 - 6 - szorosára nőtt, ami jól magyarázza miért kell egyre hosszabb fel-és leszállópályákat készíteni.
A repülőgépek tolóerő ellátottsága az elmúlt 50 évben szintén jelentősen mintegy 100%-kal nőtt, ami lehetőséget adott arra, hogy a tolóerő reverzálást al100%-kalmazva jelentősen csökkenteni lehessen a repülőgépek leszállás utáni kigurulási úthosszát.
A harmadik fontos szerkezeti megoldás a leszállási úthossz csökkentésére az intenzívebb (0.8 - 1.1 radián, vagy annál nagyobb szögre is kitérített) szárnymechanizáció (1.5.9. ábra) és mindenféle ellenállást növelő szerkezetek (interceptorok, vagy áramlásleválasztó lapok, aerodinamikai féklapok (1.5.10. ábra) alkalmazása. A szárnymechanizáció nemcsak a légellenállás növelésében, de a leszállási sebességek csökkentésében is jelentős szerepet játszik.
A kerekek intenzív fékezését is számításba vevő súrlódási tényező növelése szintén egyértelműen csökkenti a repülőgépek kigurulási úthosszát. A korszerű fékrendszerek ma már mintegy 70%-kal csökkentik a kigurulási úthosszat.
1.5.9. ábra: Repülőgép fejlett szárnymecha-nizációja (Forrás: airliners.net)
1.5.10. ábra: Az F-15D repülőgép féklapja (Forrás: internet)
1.5.6.2. Üzemi körülmények hatása a leszállási úthosszra
A repülőgépek leszállási jellemzőit befolyásoló tényleges üzemi (itt a repülőgép használati) körülményeit három csoportba sorolhatjuk.
A légköri, vagy meteorológiai viszonyok (a levegő hőmérséklete, nedvesség tartalma, szélerősség, szélirány, szélnyírás stb.) hatása igen sokrétű lehet. A hőmérséklet növekedése csökkenti a levegő sűrűségét és ezzel (lásd az (1.5.18.) összefüggést is) közvetlen növeli a leszállási úthosszat, de ezen túlmenően - azonos szárnymechanizáció konfiguráció mellett - növeli a leszállási sebességet is. A csapadékos, különösen a jeges, havas pályán természetszerűleg csökken a súrlódási tényező, és nő a kigurulási úthossz. A szél hatása ennél összetettebb. Egyfelől a stacionárius (állandó sebességű és irányú) szél esetében egyszerűen a repülőgép sebességének és a szélsebességnek a vektoriális összege lesz a gépre ható valós sebesség. Érthetően a szembeszél csökkenti, a hátszél növeli a leszállási úthosszat. Komoly problémát jelent az oldalszél, mivel erős oldalszélben eleve nehezen, csak a repülőgépet "csúsztatva" lehet megközelíteni a leszállópályát, és közvetlen a földetérés előtt lehet csak a helyes irányba fordítani a gépet. További probléma, hogy az oldalszélben keletkező oldalerő akár le is sodorhatja a gépet a leszállópályáról. Ezért a leszálló repülőgép esetében korlátozzák az oldalszél nagyságát.