Разработка системы дозаправки самолетов гражданской авиации в воздухе в ходе дальних авиаперевозок

Белорусская государственная академия авиации
Кафедра Техническая эксплуатация воздушных судов и двигателей
Дипломная работа
Тема: «Разработка системы дозаправки самолетов гражданской авиации в воздухе в ходе дальних авиаперевозок» Минск 2016

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ ДОЗАПРАВКИ ТОПЛИВОМ «ШЛАНГ-КОНУС»
Что же представляет собой система дозаправки топливом «шланг-конус»? Прежде всего, она должна отвечать требованиям пожарной и летной безопасности, простоте развертывания и свертывания, удобству установления зацепа, скорости передачи топлива.
Основой системы «шланг-конус» является унифицированный подвесной агрегат заправки (УПАЗ). Фактически УПАЗ – контейнер, в котором размещены: турбонасос подачи топлива, работающий от набегающего потока и барабан со шлангом длиною до 28 м. На его конце находится стыковочное устройство в виде конуса, в который пилот дозаправляемого самолета вставляет расположенный близ пилота топливоприемник для приема топлива. На заправляемых самолётах устанавливается приёмное устройство — головка приёмника топлива (ГПТ), которые имеют обозначение (в зависимости от типа самолёта) ГПТ-1, -1И, -1М и -2Э.
Процесс приема топлива в одной дозаправке не превышает 20 минут для бомбардировщика и 45 минут для заправщика. Самолеты-заправщики практически способны проводить дозаправку самолетов на скорости от 300 до 900 км/ч, но пилоты предпочитают ее выполнять на скоростях 520-650 км/ч. Дозаправка в воздухе осуществляется при отсутствии турбулентности, при температуре не ниже минус 56 градусов по Цельсию (американская норма), на высотах от 300 м до 9 км (обычно на высоте 6-9 км).

3.1 Унифицированный подвесной агрегат заправки (УПАЗ)
УПАЗ – это специальный агрегат, предназначенный для дозаправки топливом в полете по схеме «шланг-конус» (фото 3.1). Он крепится к так называемому унифицированному узлу разъема коммуникаций (УУРК). Такой узел можно установить практически на любой современный самолет (под фюзеляж или на подкрыльевой пилон) для подвески различных объектов (в частности вооружения), потому и унифицированный.
Фото 3.1 – Агрегат УПАЗ
УПАЗ довольно компактен, максимальный диаметр его цилиндрической части всего 600 мм. Большое его достоинство – это автономность. Практически всю необходимую энергию он берет от набегающего потока воздуха.
Коническая часть УПАЗ оснащена противообледенительной системой и гидроприводом, который выдвигает обтекатель и открывает воздухозаборник, за которым находится воздушная турбина генератора топливного насоса.
Для перекачки топлива служит центробежный насос (установлен в передней части агрегата за конусным обтекателем), приводимый воздушной турбиной. Максимальная производительность его до 2900 л/мин.
В уширенной части УПАЗа стоит лебедка с барабаном для размотки-смотки топливного шланга. Она тоже приводится от воздушной турбины. Эта же турбина является исполнительным механизмом системы слежения за уборкой-выпуском и натяжением шланга. Ее лопатки выполнены поворотными, что позволяет в нужный момент менять мощность турбины и тем самым силу воздействия на шланг, изменяя его натяжение. На конце шланга установлен складывающийся конус ажурной конструкции, полностью убирающийся в корпус УПАЗ в свернутом состоянии (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1
В задней части УПАЗа имеются три специальных цветных сигнальных фары красного, желтого и зеленого цвета для информирования экипажа заправляемого самолета об этапах заправки.
В состав УПАЗ-1 также входят системы:
электрического управления;
аварийного отсоединения шланга от агрегата заправки в любом выпущенном его положении;
аварийного отделения агрегата от самолета-заправщика;
противообледенительная система;
система сигнализации о пожаре.
Исполнительные механизмы УПАЗ в качестве рабочего тела используют топливо.
Согласно информации ОАО «НПП Звезда», натяжение шланга в полете обеспечивается складным конусом, закрепленным на конце шланга (фото 3.2). А слежение за состоянием шланга в процессе пребывания заправляемого самолета в строю заправки обеспечивает воздушная турбина, которая парирует возможное провисание шланга при изменении относительного расстояния и скорости между заправщиком и заправленными самолетами.

Фото 3.2 – Заправочный конус УПАЗ
При разработке УПАЗ-1А путем тщательных подборов параметров его конструкции впервые в СССР удалось добиться высоких параметров стабилизации выпущенного для дозаправки шланга (его провисание составляет 4,5 м вместо 17 м на старом агрегате заправки), благодаря чему удалось избежать провисания шланга с последующими его колебаниями и разрывом – знаменитым «хлыстом».
В настоящее время в эксплуатации находятся следующие модификации УПАЗ:
- агрегат УПАЗ. Специально для «легких» самолетов, т.к. производительность его всего 1600 л/мин. Диаметр шланга 40 мм, длинна в потоке около 28 м. Устанавливается на СУ-24М.
- агрегат УПАЗ-1. Для установки на ИЛ-78/ИЛ-78М. Производительность – 2300 л/мин. Длинна шланга в потоке около 26 м, диаметр шланга 52 мм.
- агрегат ПАЗ-1М. Для хвостового узла ИЛ-78М («тяжелые» самолеты). Производительность 2900 л/мин. Длинна шланга в потоке примерно 26 м, диаметр шланга 52 мм.
-агрегат УПАЗ-1К. Для палубного СУ-27К/КУБ (СУ-33). Производительность 2300 л/мин, длинна 26 м, диаметр 52 мм.
В сравнении с зарубежными подвесными агрегатами заправки агрегаты типа УПАЗ обеспечивают успешное выполнение дозаправки топливом в полете летчиком средней квалификации за счет:
большей длины шланга в потоке перед контактированием (до 26-28 м);
более эффективной системы подбора шланга в момент контактирования со скоростью сближения >1,5 м/с;
большей протяженности зоны перекачки топлива в строю заправки с большей производительностью (14 м);
меньшего времени нахождения в строю заправки за счет большей производительности;
наличия отработанной эффективной системы слежения, позволяющей иметь относительные перемещения самолетов в строю заправки со скоростью ±2,5 м/с.
3.2 Самолет-заправщик Ил-78М
В настоящее время единственным действующим самолетом заправщиком в российских ВВС является самолет ИЛ-78 и его модификация ИЛ-78М.
Дозаправка самолетов в воздухе является для экипажей одной из самых сложных задач, но, в то же время, позволяющая решать ряд важнейших задач для боевой авиации. Еще на этапе проектирования Ил-76 предполагалось создать на его базе самолет-заправщик (СЗ), тем более, что советская военная авиация испытывала острую их нехватку. Однако первоначальная версия Ил-76 из-за своих характеристик, в первую очередь, массовых, не позволяла реализовать требования, предъявляемые к перспективному СЗ. Так, выяснилось, что на заданных военными дальностях самолет будет способен передать только 10 т топлива. И тут, как нельзя, кстати, появился Ил-76МД, обладающий увеличенной взлетной массой, что позволяло увеличить массу передаваемого топлива на заданных рубежах.
Новому заправщику, которому вскоре присвоили собственное наименование Ил-78, предстояло выполнять дневную и ночную дозаправки самолетов в воздухе, а также использоваться и в качестве наземного топливозаправщика. Интересно, что машина оснащалась только двумя подкрыльевыми узлами дозаправки. В грузовой кабине Ил-78 установили два топливных бака вместимостью по 14 т (18230 л), их оснастили системами пожаро- и взрывобезопасности. Оба они соединены с основной топливной системой самолета, что дает возможность СЗ отдавать топливо и оттуда. В случае необходимости баки демонтировались, и Ил-78 можно было использовать в качестве транспортного самолета. Получила машина и систему аварийного слива топлива в полете (через отверстия в концевой части крыла). Самолет предполагалось оснастить новым заправочным оборудованием с использованием унифицированных подвесных агрегатов заправки УПАЗ-1А, разрабатываемых в НПО «Звезда», о них говорилось в подразделе 3.1. Такое конструктивное решение по дозаправке являлось своего рода «ноу-хау» в мировом авиастроении.
В кормовой кабине демонтировали вооружение и приданное ему оборудование и установили рабочее место оператора заправки, который управлял УПАЗами и контролировал процесс перекачки топлива. Для контроля за ходом дозаправки внизу кабины установили два перископических смотровых прибора, а также пару фар для облегчения сближения в ночное время. Так стрелок-радист сменил свою профессию на «продавца топлива». Для обеспечения встречи с заправляемыми самолетами Ил-78 оснастили специальной радиотехнической системой РСБН-7С «Встреча» (позволяет обнаруживать заправляемые самолеты, определять азимут и расстояние до них с дальности до 300 км), а также светотехническими и светосигнальными устройствами для упрощения стыковки и полета за СЗ как в дневных, так и в ночных условиях.
Передача топлива начинается автоматически после контакта заправляемых самолетов с заправочными конусами Ил-78 и прекращается после передачи заданного оператором его количества. Кроме того, при усложнении обстановки подачу топлива может прервать как оператор заправки, так и экипаж заправляемого самолета, обеспечив скорость отставания от Ил-78 более 3 м/с. При заправке на земле использовались 4 шланга, входящие в съемное оборудование самолета. На Ил-78 установлена отличная от Ил-76 топливная система, допускающая перекачку практически со всех баков между собой.
При дозаправке самолетов выяснили, что скорость передачи топлива в 1200 кг/мин недостаточна для них, и рекомендовали увеличить ее вдвое. Выходом из положения стало увеличение диаметра заправочного шланга с одновременным уменьшением его длины до 26 м. Кроме того, для удобства подкрыльевые УПАЗ перенесли на 2 м ближе к концевой части крыла: сейчас они располагаются в 16,4 м от продольной оси самолета. В отличие от заправки по схеме «крыло-крыло», схема «конус-штанга» является более безопасной с точки зрения пилотирования самолетов.
Даже форма, вид и размеры заправочного конуса (его масса 40 кг вместо 240 кг раньше) выбирались продолжительное время, пока не удалось добиться его стабилизации в воздушном потоке. В ходе испытаний установлены режимы дозаправки: высота 2-7,5 км, скорость - 400-600 км/ч, минимальная дистанция между самолетами -13 м. Общая масса топлива на борту Ил-78 составляла около 118 т (в зависимости от его фактической плотности). Это позволяло отдавать летающему танкеру 84-86 т топлива при удалении района дозаправки от аэродрома вылета на 600-650 км.
В 1984 г. принято решение о создании новой версии самолета Ил-78М. При этом решили отказаться от возможности переконвертации СЗ в транспортный самолет, т.к. эксплуатация танкера показала, что такой необходимости просто нет. Поэтому самолет лишился десантно-транспортного оборудования (отсутствовали даже лебедки) и левой боковой двери, кабину выполнили негерметичной, створки грузолюка и гермоперегородка отсутствуют – это дало выигрыш в 5 т веса. В грузовой кабине Ил-78М установили баки общей вместимостью 36 т, что на 8 т больше, чем у первоначальной версии. Также машина получила усовершенствованный УПАЗ-ПАЗ-1М с более высокой производительностью (с 2300 до 2900 л/мин) и давлением передаваемого топлива, предназначенный для заправки «тяжелых» самолетов. Немного изменилась и конструкция крепления фюзеляжного УПАЗа – теперь он подсоединялся к горизонтальному пилону с помощью небольшого сегмента (фото 3.3).

Фото 3.3 – Фюзеляжный УПАЗ
Максимальная взлетная масса для Ил-78М установлена в 210 т, что стало рекордом для семейства Ил-76. Общая масса находящегося на борту топлива достигает 126 т, из которых при удалении района дозаправки от аэродрома вылета 600-650 км можно было передать 92-94 т. При этом дальность передачи 60 т топлива по сравнению с первоначальной версией увеличилась, в среднем, на 800 км, а 35 т – на 1300 км. При взлете с ГВПП масса передаваемого топлива уменьшается в два раза.
В конце «нулевых» годов были начаты работы над преемником Ил-78 – самолетом Ил-78М-90 (также известен как проект «478»), который планируется создать на базе Ил-76МД-90А. Кроме модифицированного крыла с использованием длинномерных панелей, решили отказаться от рампы и створок грузолюка, «зашив» их металлом, не устанавливать десантно-транспортное оборудование, что даст экономию веса самолета. Кроме того, вместо двигателей Д-30КП устанавливаются ПС-90А-76, что даст суммарный прирост тяги на 10000 кгс. Учитывая экономичность последних, возрастают дальность и продолжительность полета.
На Ил-78М-90 планируется установка нового БНО, САУ, комплекса связи и т.н. «стеклянная» кабина экипажа. Скорость раздачи топлива на земле составит 1500 л/мин через 4 рукава и 1000 – через два, а в воздухе через УПАЗ-1 – до 2500 л/мин. Самолет будет выпускать в конвертируемой версии: фюзеляжные топливные баки снова выполнят съемными, как и на Ил-78. Планируется закупка трех десятков самолетов.
Основные тактико-технические характеристики (ТТХ) самолета-заправщика Ил-78М: экипаж – 6 чел., длина самолета – 46 м, размах крыла – 50 м2, высота – 14,76 м, масса пустого – 98 т, максимальная взлетная масса – 210 т, масса топлива (внутреннее) – 90 т, масса топлива (всего) – 126 т.
Летные данные: скорость полета максимальная – 830 км/ч, скорость полета при дозаправке – 400-600 км/ч, скорость полета крейсерская – 750 км/ч , высота полета при дозаправке – 2,0-7,5 км, практический потолок –12,1 км, максимальная дальность полета – 8000 км.

3.3 Способы заправки и принцип работы системы заправки «шланг-конус»
Стандартными вариантами использования самолета-заправщика определялась дозаправка одного самолета класса «тяжелый бомбардировщик» с подфюзеляжного подвесного агрегата или двух самолетов класса «истребитель» - с подкрыльевых агрегатов (фото 3.4).

Фото 3.4 – Дозаправка двух самолетов класса «истребитель» - с подкрыльевых агрегатов
Подкрыльевые точки предназначены для заправки всех самолетов, имеющих соответствующее оборудование. Фюзеляжный – для дозаправки еще и так называемых «тяжелых» самолетов (ТУ-95МС, ТУ-160, А-50, ИЛ-80) (фото 3.5).

Фото 3.5 – Дозаправка «тяжелых» самолетов А-50 – с фюзеляжного агрегата
Впрочем, возможна и одновременная заправка трех истребителей (фото 3.6), что отрабатывалось в испытательных полетах, но для массовой эксплуатации она не применима. Такое конструктивное решение по дозаправке являлось своего рода «ноу-хау» в мировом авиастроении.

Фото 3.6 – Одновременная заправка трех истребителей
Дозаправка топливом в воздухе может осуществляться при полете к цели (попутная), от цели (встречная), оба раза (комбинированная). Кроме того, возможна дозаправка самолетов при их дежурстве в установленных зонах. Как показывает практика, при однократной попутной дозаправке тактический радиус фронтовых бомбардировщиков увеличивался на 60-85%, а при попутной – на 55-65% (т.к. достаточно передать количество топлива, необходимое только для возврата на аэродром посадки). При комбинированном способе тактический радиус вырастает на 95-145%.
Согласно учебному фильму «Иду на контакт», выпущенный студией МО СССР в 1989 г., методика дозаправки заправляемого самолета от самолета-заправщика выглядит следующим образом.
Еще до вылета самолета-заправщика указывается район и рассчитывается рубеж дозаправки. Затем выполняются расчеты по попутной или встречной дозаправке. Это уже прерогатива штурманов. При выполнении дозаправки старшим является командир экипажа заправляемого самолета. После выхода в заданную зону с помощью РСБН-7С осуществляется вывод заправляемого самолета на самолет-заправщик. После визуального его обнаружения и установления радиоконтакта экипаж заправляемого самолета выполняет сближение, занимая строй «правый пеленг» с принижением 50 м, интервалом и дистанцией по 100 м. В это время экипаж самолета-заправщика выпускает конус. Затем заправляемый самолет занимает строй «кильватер» с принижением 50 м на той же дистанции 100 м, а затем осуществляет сближение до 100 м. Далее выполняется набор высоты и сближение по линии прямого шланга. За 0,5 м до конуса командир заправляемого самолета легким движением штурвала «на себя» поднимает носовую часть самолета и нажимает кнопку «Выстрел» для осуществления сцепки штанги дозаправки своего самолета с конусом, после чего дает в эфир «Контакт!» В самолетах в этот момент загораются табло «Сцепка».
Более современные самолеты уже не имеют кнопки «Выстрел». Максимальное отклонение вниз при выполнении дозаправки составляет 3,5 м, что соответствует проекции верхнего обреза конуса на створки отсека шасси самолета-заправщика. Отклонение вверх более чем на 1 м опасно, т.к. может произойти самовыключение второго двигателя заправляемого самолета. Максимальное отклонение влево – до проекции левого края конуса на внутренний обвод двигателя №2 самолета-заправщика, а вправо – до проекции правого края конуса на правый край фюзеляжа заправщика. По дальности пилотирование осуществляется в пределах горения зеленых ламп сигнализации длины выпущенного шланга, полет в зоне горения желтого цвета – небезопасен. Сохранение места в строю по курсу осуществляется выдерживанием визирной линии «верхний обрез конуса – нижний импульсный огонь на центральной створке грузолюка» самолета-заправщика. После приема необходимого количества топлива командир заправляемого самолета подает команду «Иду на расцеп!», благодарит экипаж заправщика за работу, приветственно качает крыльями и отходит от самолета-заправщика сначала по дальности, а затем – по боковому отклонению и высоте. После прекращения дозаправки сближение с самолетом-заправщиком небезопасно, т.к. это может вызвать колебание заправочного шланга по типу «хлыст». Заправка выполняется на скоростях 450-520 км/ч и высотах 4-7 км вне облаков и длится 15-20 мин, что соответствует 100-150 км полета. В теории и учебном фильме казалось все очень просто. Но что испытывают экипажи при этом в полете, знают только они: нервно-эмоциональные показатели зашкаливают! Да и в весе они тоже теряют, как и во времена дозаправки по схемы «крыло-крыло».
Вывод. Система «шланг-конус» с успехом используется как в России, так и за рубежом. Ил-78М - уникальная машина, имеющая почетную миссию «донора» но если люди отдают свою кровь, то он – самое ценное, что у него есть – керосин. И это значительно увеличивает боевые возможности авиации. Подобного рода машины планировали создать на базе самолетов Ан-124, Ан-170, Ил-106 и М-60. Ил-78М является универсальной машиной: его можно использовать и для дозаправки в воздухе, и для транспортных полетов. Конечно, Ил-78М не лишен недостатков: самым главным из них является большой расход топлива, что значительно снижает эффективность его применения. Эту проблему призвана частично устранить установка на новом самолете-заправщике двигателей ПС-90А-76. И хочется верить, что судьба серии самолетов «478» будет гораздо более успешной, чем их предшественников Ил-78/78М.
Система «шланг-конус» с успехом используется как в России, так и за рубежом.

Схема разработанной системы содержит картинки, их нет в архиве.