Оптимальный набор высоты

Оптимальный набор высоты — один из самых важных этапов для
успешного полета воздушного судна. Нередко внутри современных
пассажирских лайнеров установлены табло, на которых производится
демонстрация расстояния, отделяющего самолет от поверхности земли.
Все самолеты имеют перечень технических характеристик, который
определяется назначением воздушного судна, его модификацией и моделью.
Соотношение характеристик определяет для самолета его коридор
следования, т. е. уровень воздушного пространства, оптимальный для
перемещения.
Границы коридора определяются такими величинами, как
максимальная высота и минимальная. В этих пределах самолет может
осуществлять перемещение без угрозы утраты контроля над управлением и
без повреждения систем машины. Для современных пассажирских самолетов
доступные для перемещения уровни находятся в пределах от 9 до 12 км над
землей.
Если максимальная высота полета пассажирского самолета
определяется техническими возможностями судна и должна соблюдаться для
безопасности полета, то и другая характеристика — идеальная — большей
степени касается эргономики перемещения.
Идеальное значение также рассчитывается из характеристик
конкретного воздушного судна. Это высота, при которой воздушное судно
испытывает наименьшее сопротивление воздуха. В первую очередь, при
снижении такого сопротивления снижается и расход топлива. Также
испытывая минимальное трение о воздух, самолет дольше сохраняет
невредимость корпуса и систем.
Набор высоты и снижение являются важнейшими эксплуатационными
этапами полета. В общем случае набор высоты и снижение -

неустановившееся криволинейное движение по наклонной траектории.
Поскольку в нормальном полете отклонение скорости от заданных
значений и отклонение центра масс от расчетной траектории невелики, то
для упрощения изучения будем рассматривать установившееся движение с
постоянной скоростью и под постоянным углом наклона траектории.
Набором высоты называется полет по наклонной траектории с увеличением
высоты полета.
Набор высоты осуществляется после взлета до высоты круга (Н = 400
м) и далее от высоты круга до высоты заданного эшелона полета по
маршруту. Наиболее продолжительным участком траектории набора высоты
является набор высоты от высоты круга до высоты эшелона. В процессе
набора высоты осуществляется разгон самолета до заданной скорости полета
по маршруту (крейсерской скорости).

Энергетическая высота

Энергетическая высота - это удельная механическая энергия.
Физический смысл энергетической высоты состоит в том, что при равенстве
нулю суммы поверхностных тангенциальных сил (тяги, трения, лобового
сопротивления) любое тело в гравитационном поле может за счет полного
превращения кинетической энергии в потенциальную подняться на высоту
Нэ=Н+Нк.
При наборе высоты или снижении на постоянной скорости полета
изменяется потенциальная энергия самолета. На режимах разгона и
торможения в горизонтальном полете интенсивно изменяется кинетическая
энергия самолета. Полет по произвольным траекториям сопровождается
интенсивным изменением полной энергии самолета.
Физический смысл энергетической высоты состоит в том, что
энергетическая высота есть максимальная высота полета, которую можно
достигнуть в полете по изоэнергетической траектории. На изоэнергетической
траектории высота и скорость полета связаны параболической зависимостью.

При движении по изоэнергетической траектории абсолютные значения
малых изменений высоты и скорости полета пропорциональны друг другу.
Переход с изоэнергетической траектории с меньшей (большей)
энергетической высотой, на изоэнергетическую траекторию с большей
(меньшей) энергетической высотой возможен по различным траекториям
движения.
Выражение полной энергии самолета:

Если полет самолета происходит на постоянной энергетической высоте
(постоянной относительной энергии) вдоль траектории движения, то говорят
об изо- энергетическом маневре. Если набор высоты выполняется по изо-
энергетической траектории полета и если на траектории найдется точка, в
которой Ук = 0, то в этой точке энергетическая и геометрическая высоты
совпадают: Н3 = Н.

Динамический потолок

Динамический потолок — наибольшая высота полёта, которую можно
достичь за счёт запаса кинетической энергии в неустановившемся подъёме и
на которой ещё можно создать минимально необходимый для сохранения
управляемости скоростной напор.
Для достижения динамического потолка летательный аппарат
разгоняется до максимальной скорости на какой-либо высоте, меньшей, чем
теоретический потолок, а затем выполняет манёвр с набором высоты (горку).
В этом случае за счёт того, что запасённая на горке кинетическая энергия
суммируется с тягой двигателей можно достичь высот полёта, превышающих
теоретический потолок.

Достижение высот больше теоретического статического потолка Нт
может осуществляться только динамически, т. е. только путем расходования
запаса кинетической энергии самолета (при уменьшении скорости полета).
Динамический потолок самолета Ядп - это наибольшая высота, которой
может достичь самолет за счет использования запаса кинетической энергии
при уменьшении скорости полета до эволютивной V3B, на которой еще
сохраняется управляемость ЛА.
Начинается набор динамического потолка с высоты и скорости, при
которых полная энергия самолета максимальна:

В первом приближении динамический потолок определяется при
следующем допущении: полная энергия самолета в процессе достижения Ядп
не изменяется.
Для более точного определения динамического потолка необходимо
учитывать потери полной энергии ЛА при наборе высоты и использовать
вариационный метод.

Рекорд динамического потолка для самолетов с турбореактивными
двигателями равняется 37 650 м. Он установлен в 1977 году советским
самолетом Е-266М (модернизированным МиГ-25) и до сих пор не побит.
Переход в область выше линии статических потолков возможен только
из тех точек, в которых производная удельной энергии в горизонтальном
полёте положительна, то есть из области, лежащей ниже линии статических
потолков. Возможно несколько типов такого перехода. Если при
максимальной тяге создать угол атаки, при котором тяга уравновешивает

сопротивление, то переход будет совершаться по линии e = const.
Параметры траектории (скорость, высота, угол наклона траектории)
будут изменяться, причем максимальное значение угла наклона траектории
достигается в точке статического потолка. Для обеспечения максимальной
высоты в таком движении выход на него из горизонтального полёта нужно
производить из точек границ области, допускаемой по скоростному напору
или по Маха числу полёта М(∞).
Самолёт может достичь большей высоты, если закон управления
усложнить. Движение также должно начинаться из точек границ области при
максимальной тяге двигателей. На первом участке полёта угол атаки
необходимо выдерживать таким, чтобы обеспечить движение с максимально
допустимой нормальной перегрузкой (если она достигается). По мере
увеличения высоты угол атаки увеличивается до значения, максимально
допустимого условиями устойчивости полёта, и на остальной части
траектории остаётся постоянным.
Такой полёт происходит с уменьшением удельной энергии, поэтому
после достижения Д. п. при снижении самолёт переходит в горизонтальный
установившийся полёт в точке области с меньшим значением удельной
энергии. Максимальное значение высоты полёта на этой линии является
практически достижимым Д. п., если в этой точке области режимов полёта
выполняются требования устойчивости, управляемости и обеспечивается
работа силовой установки.
Использование неустановившихся режимов полёта наиболее
эффективно для скоростных самолётов, кинетическая энергия которых
составляет большую часть полной энергии. Расчёты и практические
рекордные полёты показывают, что для сверхзвуковых самолётов
динамический потолок может превышать статический на 10—15 км.