Введение
Критический двигатель многодвигательного самолета с фиксированным крылом – это двигатель, отказ которого наиболее негативно скажется на летных характеристиках или управляемости воздушного судна. На самолетах с винтовым движителем существует разница в остаточных рыскающих моментах после отказа левого или правого (внешнего) двигателя, когда все винты вращаются в одном направлении из-за эффекта P. На двухдвигательных турбореактивных и турбовентиляторных самолетах обычно нет разницы в рыскающих моментах после отказа левого или правого двигателя в безветренных условиях.
The critical engine of a multi engine fixed wing aircraft is the engine that, in the event of failure, would most adversely affect the performance or handling abilities of an aircraft. On propeller aircraft, there is a difference in the remaining yawing moments after failure of the left or the right (outboard) engine when all propellers rotate in the same direction due to the P factor. On turbojet and turbofan twin engine aircraft, there usually is no difference between the yawing moments after failure of a left or right engine in no wind condition.
Описание
Когда один из двигателей на типичном многодвигательном самолете выходит из строя, возникает разность тяги между работающей и неработающей сторонами самолета. Эта разность тяги вызывает ряд негативных последствий, помимо потери тяги одного двигателя. Инженер-конструктор хвостового оперения отвечает за определение размеров вертикального стабилизатора, обеспечивающих соответствие нормативным требованиям к управляемости и летным характеристикам самолета после отказа двигателя, установленным такими организациями, как Федеральное управление гражданской авиации и Европейское агентство по авиационной безопасности. Летчик-испытатель и инженер по летным испытаниям используют летные испытания для определения критического двигателя.
Асимметричный уклон
Когда один из двигателей выходит из строя, возникает рыскающий момент, который создает вращающую силу, стремящуюся развернуть самолет в сторону крыла, на котором расположен неисправный двигатель. Может развиться кренящий момент из-за асимметрии подъемной силы на крыльях, при этом крыло с работающим двигателем создает большую подъемную силу. Рыскающий и кренящий моменты создают вращающие силы, стремящиеся развернуть и наклонить самолет в сторону неисправного двигателя. Пилот противодействует этой тенденции с помощью органов управления полетом, включая руль направления и элероны. Из-за P-фактора, правый винт с вращением по часовой стрелке, расположенный на правом крыле, обычно развивает результирующий вектор тяги на большем боковом расстоянии от центра тяжести самолета, чем левый винт с вращением по часовой стрелке (рисунок 1). Отказ левого двигателя приведет к большему рыскающему моменту со стороны работающего правого двигателя, чем наоборот. Поскольку работающий правый двигатель создает больший рыскающий момент, пилоту потребуется использовать большее отклонение органов управления полетом или более высокую скорость для сохранения контроля над самолетом. Таким образом, отказ левого двигателя оказывает большее влияние, чем отказ правого двигателя, и левый двигатель называется критическим. На самолетах с винтами, вращающимися против часовой стрелки, таких как de Havilland Dove, критическим будет правый двигатель. Большинство самолетов с винтами, вращающимися в противоположных направлениях, не имеют критического двигателя, определяемого вышеописанным механизмом, поскольку оба винта вращаются внутрь от верхней точки окружности; оба двигателя являются критическими. Некоторые самолеты, такие как Lockheed P-38 Lightning, специально оснащены винтами, вращающимися наружу от верхней точки окружности, чтобы уменьшить нисходящую воздушную турбулентность, известную как нисходящий поток, на центральном горизонтальном стабилизаторе, что облегчает ведение огня из самолета. Эти двигатели оба критичны, но более критичны, чем винты, вращающиеся внутрь. Самолеты с пропеллерами в конфигурации "тяни-толкай", такие как Cessna 337, могут иметь критический двигатель, если отказ одного двигателя оказывает большее негативное влияние на управление самолетом или на характеристики набора высоты, чем отказ другого двигателя. Отказ критического двигателя на самолете с пропеллерами в конфигурации "тяни-толкай" обычно не создает значительных рыскающих или кренящих моментов.
Влияние критического двигателя на минимальные обороты управления
В стандартах и сертификациях, определяющих летную пригодность, требуется, чтобы производитель определил минимальную скорость управления (VMC), при которой пилот может сохранить управление воздушным судном после отказа критического двигателя, и опубликовал эту скорость в разделе руководства по летной эксплуатации самолета, посвященном ограничениям. Опубликованные минимальные скорости управления (VMC) воздушного судна измеряются при отказе или неработоспособности критического двигателя, поэтому эффект от отказа критического двигателя учитывается в опубликованных VMC. Когда любой из других двигателей выходит из строя или не работает, фактическая VMC, которую испытывает пилот в полете, будет немного ниже, что безопаснее, но эта разница не документируется в руководстве. Критический двигатель – один из факторов, влияющих на VMC самолета. Опубликованные VMC безопасны независимо от того, какой двигатель выходит из строя или не работает, и пилотам не требуется знать, какой двигатель является критическим для безопасного полета. Критический двигатель определяется в авиационных правилах для целей проектирования хвостового оперения и для экспериментальных летчиков-испытателей при измерении VMC в полете. Другие факторы, такие как угол крена и тяга, оказывают на VMC гораздо большее влияние, чем разница между критическим и некритическим двигателем. Airbus A400M имеет нетипичную конструкцию, поскольку оснащен винтами с встречным вращением на обоих крыльях. Винты на крыле вращаются в противоположных направлениях друг к другу: винты вращаются от верхней точки дуги вниз, навстречу друг другу. Если оба двигателя на крыле работают, смещение вектора тяги с увеличением угла атаки всегда направлено к другому двигателю на том же крыле. Эффект заключается в том, что результирующий вектор тяги обоих двигателей на одном крыле не смещается при увеличении угла атаки самолета, пока оба двигателя работают. Отсутствует общий P-фактор, и отказ любого из внешних двигателей (то есть двигателей 1 или 4) не приведет к изменению величины остаточного рыскающего момента тяги с увеличением угла атаки, а только к изменению направления – влево или вправо. Минимальная скорость управления при взлете (VMC) и в полете (VMCA) после отказа любого из внешних двигателей будет одинаковой, если только системы наддува, которые могут потребоваться для управления самолетом, установлены только на одном из внешних двигателей. В этом случае оба внешних двигателя будут критическими. Если выходит из строя внешний двигатель, например двигатель 1, как показано на рисунке 2, плечо вектора остаточной тяги на этом крыле перемещается из промежутка между двигателями немного наружу, за пределы оставшегося бортового двигателя. Сам вектор составляет 50% от противоположного вектора тяги. Полученный рыскающий момент тяги в этом случае значительно меньше, чем при обычном вращении винта. Максимальный рыскающий момент руля направления для компенсации асимметричной тяги может быть меньше и, следовательно, размер вертикального хвостового оперения может быть уменьшен. Система изменения шага больших, 8-лопастных винтов диаметром 17,5 футов (5,33 м) должна быть автоматической, очень быстрой и безотказной, чтобы обеспечить минимально возможное сопротивление винта после неисправности двигательной установки. В противном случае отказ системы изменения шага внешнего двигателя увеличит сопротивление винта, что, в свою очередь, значительно усилит рыскающий момент тяги, тем самым увеличивая фактическую VMC(A). Управляющая сила, создаваемая небольшим вертикальным хвостовым оперением и рулем направления, невелика из-за малых размеров конструкции. Только быстрое снижение тяги противоположного двигателя или увеличение скорости полета могут восстановить необходимую управляющую силу для поддержания прямолинейного полета после отказа системы изменения шага. Проектирование и утверждение системы изменения шага для этого самолета является сложной задачей для конструкторов и органов сертификации. На самолетах с очень мощными двигателями проблема асимметричной тяги решается путем применения автоматической компенсации асимметрии тяги, но это имеет последствия для взлетных характеристик.
Устранение
Бумеранг Рутан — асимметричный самолет, разработанный с двигателями немного разной мощности, чтобы исключить опасность асимметричной тяги в случае отказа одного из двух двигателей.