Выполнил:
Конев Даниил, ученик 11 класса
Казанцев Сергей, ученик б класса
Руководитель творческого проекта:
Гончарова Г.А., учитель физики
Введение
Что было бы, если бы взлетные полосы в аэропортах походили на гоночные треки? Именно такая идея лежит в основе проекта «Бесконечная взлетная полоса», согласно которому круговые взлетные полосы могут значительно облегчить жизнь авиакомпаний.
Исторически тот вид аэропортов, к которому мы привыкли, сформировался в силу строительных возможностей, где основной упор делался на простоту сооружения, а также по причине невысокого уровня развитости самой авиации - самолеты были не настолько мощными и маневренными, для взлетов-посадок им были необходимы прямые и ровные участки. Однако современные условия ставят перед конструкторами уже совершенно другие задачи.
Строго говоря, кольцевая форма аэропортов не является революционной идеей. Впервые она была предложена американским испытателем Питером Бэкусом в 1921 году. Тогда он предложил расположить такую взлетную полосу на крышах небоскребов в Нью-Йорке. Позднее были запатентованы еще несколько вариантов кольцевого аэропорта, которые впрочем не были применены в коммерческой авиации. Известны случаи, когда в 1964-1965 гг. военные США использовали переоборудованный гоночный трек General Motors в Аризоне для проведения полетных операций при подготовке своих пилотов. Несмотря на то, что испытания прошли успешно, дальнейшего распространения использования кольцевых взлетно-посадочных полос не последовало.
Актуальность
Традиционная взлетная полоса имеет несколько недостатков, и самым большим из них является боковой ветер. Если ветер дует сильно и перпендикулярно направлению полосы, то у самолетов могут быть серьезные проблемы с взлетом и посадкой. При особенно сильном ветре некоторые взлетные полосы закрывают, а самолеты перенаправляют, что вызывает каскад задержек по всей системе.
Если же взлетная полоса круглая, то в теории самолет может взлетать в любую сторону. К тому же множество самолетов сможет использовать «Бесконечную полосу» одновременно.
Конечно, нельзя просто сделать большой бетонный круг на поле и тем решить все проблемы. Такая взлетная полоса должна действительно походить на гоночный трек, то есть ее придется строить под углом с обеих сторон полосы, чтобы самолеты не вылетали на поворотах. И она будет огромной. Разумеется, для такой полосы придется строить совершенно другой круглый аэропорт с новой системой подъездных дорог.
Видео авиасимулятора показывающего возможность взлёта и посадки на круговую ВПП
Чтобы проверить, сможет ли такой дизайн выдержать нагрузку большого аэропорта, я нашёл авиасимулятор которым воспользовался Хессилинк с командой. Они взяли статистику и полётные паттерны аэропорта Шарля де Голля в Париже, у которого четыре взлетные полосы, и с помощью компьютерной симуляции доказали, что круглая полоса может обеспечить такое же количество взлетов и посадок.
Она более эффективна с точки зрения пространства. Одна такая полоса по длине равна трём обычным, но может выдерживать траффик четырех стандартных полос. К тому же самолетам, заходящим на посадку, не придется бороться с ветром, а значит, авиалинии сэкономят на топливе, а пассажиры - на стоимости билетов.
Понятно, что ни один из современных аэропортов не захотят иметь круглую ВПП, так как такая форма полосы требует радикальной перестройки всей инфраструктуры (достаточно взглянуть на фотографию подобного аэропорта).
Рисунок 1
Круговая ВПП спроектирована Хессилинком и его командой. Зато у нас в небольшом городе Нерюнгри, где мало земли, и в маленьких аэропортах такой дизайн вполне придется к месту.
Рисунок 2
За счет того, что самолеты смогут садиться с любого направления и взлетать в любом направлении, можно будет избавиться от рисков, связанных с боковыми порывами ветра при посадке. При приземлении пассажиры будут чувствовать только ощущение, которое возникает при повороте самолета. Центробежная сила также поможет с торможением самолетов после приземления.
Возможность посадки с различных направлений обеспечит упрощение необходимых маневров и снижение объемов потребляемого горючего, а также приведет к более равномерному распределению шумового фона вокруг аэропорта. Циклическая взлетно-посадочные полоса также позволит снизить нагрузку на аэропорт, поскольку по числу одновременных посадок одна циклическая ВПП сравнима с четырьмя традиционными полосами - таким образом, это куда более эффективный способ менеджмента воздушного трафика».
Аэропорт Чульман является запасным Международным аэропортом для полётов в Азию… Если мы построим Аэрокосмический порт, то мы сможем перенаправить потоки пассажиров из Центральной Сибири, вылетающих на Восток. А если в этом, Аэрокосмическом порту создать научно-космическую станцию, то можно пригласить студентов и учёных занимающихся изучением космического пространства. Благодаря этому мы сможем увеличить экономическое развитие нашего города Нерюнгри.
Объект - круговая взлётно-посадочная полоса.
Предмет - модель Аэрокосмического порта, сделанного из лего и расположенного в центре круговой ВПП.
Гипотеза - если мы спроектируем круговою взлётно-посадочную полосу, то получим компактную, малошумную и более безопасную ВП полосу для региона Крайнего севера.
Новизна - бесконечная ВПП, Аэрокосмический порт расположенный в её центре.
Цель - спроектировать круговою взлётно-посадочную полосу вокруг модели Аэрокосмического порта сделанного из лего.
Задачи:
- Сделать анализ существующих круговых ВПП
- В результате проектирования ВПП сделать необходимые расчёты.
- Используя модель Аэрокосмического порта сделать необходимые расчёты, начертить круговую ВПП и её сигнальную разметку.
- Выявить достоинства и недостатки сделанного проекта.
Круговые взлётно-посадочные полосы
Лионский аэропорт раньше назывался Сатолас, а потом получил имя легендарного французского писателя и летчика Сент-Экзюпери, который родился в Лионе. Расположен он в 20 км к юго-востоку от центра города и входит в тройку самых больших аэропортов Франции. Есть у него и еще одна особенность. Совершенно великолепная конструкция. Издали он похож на космический корабль... Очень красивый и необычный.
Рисунок 3
Периодом открытия этого воздушного транспортного узла является 1958 г. Транспортный узел Шоуду, кодируемый как pek (иной код аэропорта - BJS) по ИАТА и zbaa по ИКАО, в английском варианте именуют Beijing Capital International Airport. Данный аэропорт - самый первый в Китае и остается главным международным узлом страны, по пассажирообороту занимающим 2-е место в мире. Аэропорт с высоты птичьего полета Несмотря на то, сколько аэропортов в Пекине (а их 5 и все они небольшие), именно Шоуду стал гражданским транспортным узлом международного значения. Остальные же аэропорты Пекина (Badaling, Liangxiang, Xijiao, Nanyuan и Shahe), расположенные невдалеке от города, - исключительно военные базы. Хотя с 2019 г. планируется открыть еще 1 международный узел - Beijing Daxing, который должен стать вторым по значимости в стране.
Рисунок 4
Проект «Круглая ВПП» - это групповой проект. Данный проект выполнен Казанцевым Сергеем (9 класс) и Коневым Даниилом (11 класс). Сергей выполнил из лего модель Аэрокосмического аэропорта. Данная модель имеет систему функциональных объектов объединённых в одно здание, которое состоит из : космической научной станции, Управление самолётами, терминалов для пассажиров и горизонтального скоростного лифта. А также на территории данного комплекса установлена автоматическая метеослужба и Сергей смонтировал из светодиодов свет внутри Аэрокосмического аэропорта и цветовую элиминацию вокруг модели данного комплекса.
Рисунок 5
Я, Конем Даниил, сделал модель круговой ВПП: рассчитал длину трёх ВПП и сделал сигнальную цветовую разметку полос. Для того, чтобы это выполнить, я познакомился с аэродинамикой самолёта: посадкой самолёта, планированием, выравниванием, выдерживанием, приземлением и пробегом. Нашёл и ознакомился с расчётами заносов судов буквы F (для районов Крайнего Севера) при движении по круговой траектории. Разобрался с движением точки по окружности с радиусом R. Разобрался с линиями и сигнальной разметкой на ВПП. Всё это мне нужно было для проектирование круговой ВП полосы.
Аэродинамика самолёта
Посадка самолёта
Рисунок 6. Схема посадки самолёта
Посадка является завершающим этапом полёта и представляет собой замедленное движение самолета с высоты 25 м до полной остановки после пробега по земле. Посадка самолета, как правило, состоит из следующих этапов (Рис. 6):
- планирования (снижения);
- выравнивания;
- выдерживания;
- приземления (парашютирования);
- пробега.
Рисунок 7. Схема «круга» над аэродромом перед посадкой
Посадка - сложный и ответственный маневр, завершающий полет. Ему предшествуют выход к аэродрому и заход на посадку.
Маневр захода на посадку производится в непосредственной близости к аэродрому и имеет целью подготовку самолета к выполнению посадки. При визуальном заходе на посадку нормальным является движение самолета по прямоугольному маршруту, представляющему сочетание отрезков прямых и разворотов на 900 - так называемый «круг» («коробочка»). «Круг» перед посадкой выполняется на определенной для каждого типа летательных аппаратов высоте (Рис. 7).
Расчетными являются 3-й и 4-й развороты, выполняя которые на определенной высоте и точке маршрута, летчик производит предварительный расчет на посадку.
Уточнение расчета на посадку, учет ветра производятся на участке от 3-го и 4-го разворота. После 4-го разворота самолет должен двигаться вдоль оси взлетно-посадочной полосы (ВПП). До высоты 50 м должны быть выпущены закрылки (щитки), шасси, установлена необходимая скорость по траектории снижения и летчик должен быть убежден в точности расчета. С высоты 30 м летчик переносит взгляд на землю.
Начинается выполнение первого этапа посадки - планирование.
Планирование самолёта при посадке
Посадка самолета начинается со снижения самолета. Угол установившегося планирования определяется по формуле:
Предпосадочное планирование выполняется с выпущенными шасси и закрылками (щитками), поэтому аэродинамическое качество невелико. Угол планирования и вертикальная скорость при этом значительно увеличиваются, что усложняет технику выполнения выравнивания. При наличии тяги угол планирования и вертикальная скорость уменьшаются, поэтому на современных скоростных самолетах планирование осуществляется, как правило, с некоторой тягой, тем более что в этом случае облегчается уход на второй круг.
При планировании летчик рассчитывает место приземления. Для этого сразу же после четвертого разворота летчик устанавливает заданную скорость планирования и наклон траектории планирования. Прямолинейное снижение выводит самолет в точку начала выравнивания (точка А на Рис. 1), находящуюся на высоте 6 - 10м. Положение 0 прямой А В (траектории снижения) относительно посадочной полосы задаётся расстоянием х, определяющим удаленность точки В от края ВПП. Для каждого типа самолета, планера величина х связана с их аэродинамическими характеристиками и в первую очередь с аэродинамическим качеством. На планировании перед посадкой желательно, чтобы скорость по траектории и вертикальная скорость снижения были по возможности уменьшены. С этой целью применяются закрылки, щитки или другие виды механизации крыла, которые увеличивают коэффициент подъемной силы и уменьшают потребную скорость планирования. Тем самым упрощается техника выполнения посадки и повышается ее безопасность.
При увеличении веса самолета увеличивается его скорость по траектории. Угол планирования при этом практически остается неизменным.
Планирование самолета до высоты начала выравнивания является одним из ответственных этапов в обеспечении нормальной посадки.
Практикой установлено, что наибольшее количество ошибок в технике пилотирования совершено на этапе предпосадочного планирования и при выходе из него. Основной причиной этих ошибок является то обстоятельство, что летчик, отвлекая внимание от пилотирования самолета для наблюдения за землей, уточнения расчета на посадку и правильности захода по оси посадочной полосы, теряет скорость и нарушает координацию отклонения рулей.
Выравнивание
Выравнивание представляет собой процесс перехода от прямолинейного равномерного снижения к траектории горизонтального полета в конце выравнивания. При подходе к высоте начала выравнивания (которая определяется визуально и составляет 8-10 м) летчик, отклоняя ручку управления на себя, увеличивает угол атаки самолета, создавая тем самым дополнительную подъемную силу ∆У, которая искривляет траекторию. Рис. 8.
Рисунок 8. Схема сил, действующих на самолёт при выравнивании и выдерживании
Увеличение угла атаки сопровождается увеличением силы лобового сопротивления, вследствие чего происходит уменьшение поступательной скорости. Другой причиной уменьшения поступательной скорости является уменьшение составляющей силы веса G2 из-за уменьшения угла наклона траектории (Рис. 8).
Выравнивание заканчивается на высоте 0,75-1,0 м. Траектория этого маневра при постоянной подъемной силе (У + ∆У) представляет собой кривую, близкую к окружности.
Выдерживание производится для уменьшения скорости до посадочной и представляет собой торможение самолета в горизонтальном полете (схема сил показана на Рис. 8). При выдерживании самолет летит горизонтально, так как У = G, а скорость полета уменьшается из-за того, что сила лобового сопротивления ничем не уравновешена и тормозит движение. Для поддержания заданной высоты над поверхностью аэродрома по мере падения скорости летчик соразмерно, взятием ручки на себя, увеличивает угол атаки (т.е. Су), что позволяет сохранить подъемную силу, а следовательно, и прямолинейность траектории.
В момент, когда угол атаки окажется равным посадочному (α= α пос), дальнейшее его увеличение прекращают. Скорость полета при выдерживании, соответствующая этому моменту, называется посадочной. В процессе выдерживания самолет снижается до высоты 0,25-0,30 м. После этого начинается парашютирование, при котором У<G, а скорость практически не успевает измениться, так как оно длится малое время и самолет приземляется на посадочную полосу.
В конце выдерживания перед приземлением подъемная сила равна весу самолета, т.е. У = G, а угол атаки равен посадочному, тогда
(1.1)
При приближении к поверхности земли начинает сказываться эффект «воздушной подушки», вследствие чего происходит как бы увеличение плотности воздуха. С учетом этого явления можно записать
(1.2)
где G - вес самолета при посадке;
Супос - коэффициент подъемной силы при посадочном угле атаки; 0,94 - коэффициент, учитывающий близость земли.
Посадочной скоростью называется скорость в момент приземления. Она у всех самолетов меньше скорости отрыва. Это объясняется тем, что посадочный вес самолета меньше веса взлетного, а СУпос > СУотр, поскольку используется больший угол отклонения закрылков (щитков), а, кроме того, перед самым приземлением нет необходимости иметь запас угла атаки, как после отрыва. Из формулы (1.2) следует, что зависимость посадочной скорости от веса самолета, атмосферных условий и коэффициента подъемной силы такая же, как и скорости отрыва.
Пробег самолёта
Пробег самолета является заключительным этапом посадки. После касания земли самолет совершает пробег на основных колесах шасси (для самолетов с носовым колесом), после чего летчик плавно опускает носовое колесо и начинает торможение основных колес. У самолетов с хвостовым колесом посадка совершается на все три точки и торможение основных колес производится с таким расчетом, чтобы не было капотирования самолета.
Главной характеристикой пробега является его длина. Длиной пробега LПР называется расстояние, проходимое самолетом по земле от момента приземления до полной остановки.
Движение самолета на пробеге является равнозамедленным с некоторым средним замедлением УСР.а пробеге кроме непрерывно уменьшающихся аэродинамических сил У и Q на самолет действует сила трения колеса о землю F=F1+F2 (Рис. 9).
Рисунок 9. Схема сил, действующих на самолёт при пробеге