Критический двигатель многомоторного самолета с фиксированным крылом — это двигатель, который в случае отказа наиболее неблагоприятно повлияет на производительность или управляемость самолета. На винтовых самолетах существует разница в остаточных моментах рыскания после отказа левого или правого (внешнего) двигателя, когда все винты вращаются в одном направлении из-за P-фактора . На турбореактивных и турбовентиляторных двухмоторных самолетах обычно нет разницы между моментами рыскания после отказа левого или правого двигателя в условиях безветра.
Когда один из двигателей на типичном многомоторном самолете выходит из строя, возникает дисбаланс тяги между работающей и неработающей сторонами самолета. Этот дисбаланс тяги вызывает несколько негативных эффектов в дополнение к потере тяги одного двигателя. Инженер-конструктор хвостового оперения отвечает за определение размера вертикального стабилизатора , который будет соответствовать нормативным требованиям к управлению и производительности самолета после отказа двигателя, таким как те, которые установлены Федеральным управлением гражданской авиации и Европейским агентством по безопасности полетов . [1] [2] Летчик-испытатель-экспериментатор и инженер по летным испытаниям используют летные испытания, чтобы определить, какой из двигателей является критическим.
При отказе одного двигателя возникает момент рыскания , который прикладывает вращательную силу к самолету, которая стремится повернуть его к крылу, несущему отказавший двигатель. Может возникнуть вращательный момент из-за асимметрии подъемной силы в каждом крыле, при этом большая подъемная сила создается крылом с работающим двигателем. Моменты рыскания и крена прикладывают вращательные силы, которые стремятся рыскать и кренить самолет к отказавшему двигателю. Эта тенденция нейтрализуется использованием пилотом органов управления полетом , которые включают руль направления и элероны. Из-за P-фактора вращающийся по часовой стрелке правый пропеллер на правом крыле обычно развивает свой результирующий вектор тяги на большем боковом расстоянии от центра тяжести самолета, чем вращающийся по часовой стрелке левый пропеллер (рисунок 1). Отказ левого двигателя приведет к большему моменту рыскания работающим правым двигателем, а не наоборот. Поскольку работающий правый двигатель создает больший момент рыскания, пилоту необходимо будет использовать большие отклонения органов управления полетом или более высокую скорость, чтобы сохранить управление самолетом. Таким образом, отказ левого двигателя имеет большее влияние, чем отказ правого двигателя, и левый двигатель называется критическим двигателем. На самолетах с винтами, вращающимися против часовой стрелки, такими как de Havilland Dove , правый двигатель будет критическим двигателем.
Большинство самолетов, которые имеют вращающиеся в противоположных направлениях винты, не имеют критического двигателя, определяемого вышеуказанным механизмом, поскольку два винта сделаны так, чтобы вращаться внутрь от вершины дуги; оба двигателя являются критическими. Некоторые самолеты, такие как Lockheed P-38 Lightning , намеренно имеют винты, которые вращаются наружу от вершины дуги, чтобы уменьшить нисходящую турбулентность воздуха, известную как скос потока, на центральном горизонтальном стабилизаторе, что облегчает стрельбу из пушек с самолета. Оба этих двигателя являются критическими, но более критическими, чем винты с вращением внутрь. [3]
Самолеты с пропеллерами в конфигурации «тяни-толкай» , такие как Cessna 337 , могут иметь критический двигатель, если отказ одного двигателя оказывает более негативное влияние на управление самолетом или характеристики набора высоты, чем отказ другого двигателя. Отказ критического двигателя в самолете с пропеллерами в конфигурации «тяни-толкай» обычно не приводит к возникновению больших моментов рыскания или крена.
Стандарты и сертификации, определяющие летную годность, требуют, чтобы производитель определил минимальную скорость управления (V MC ), при которой пилот может сохранять управление самолетом после отказа критического двигателя, и опубликовал эту скорость в разделе руководства по летной эксплуатации самолета об ограничениях. [1] [2] Опубликованные минимальные скорости управления (V MC s) самолета измеряются, когда критический двигатель выходит из строя или выходит из строя, поэтому влияние отказа критического двигателя включено в опубликованные V MC s. Когда любой из других двигателей выходит из строя или выходит из строя, фактическая V MC , которую пилот испытывает в полете, будет немного ниже, что безопаснее, но эта разница не документирована в руководстве. Критический двигатель является одним из факторов, влияющих на V MC самолета. Опубликованные V MC s безопасны независимо от того, какой двигатель выходит из строя или выходит из строя, и пилотам не нужно знать, какой двигатель является критическим, чтобы безопасно летать. Критический двигатель определен в авиационных правилах для целей проектирования хвоста, а также для экспериментальных летчиков-испытателей для измерения V MC s в полете. Другие факторы, такие как угол крена и тяга, оказывают гораздо большее влияние на V MC s, чем разница критического и некритического двигателя.
Airbus A400M имеет нетипичную конструкцию, поскольку на обоих крыльях у него установлены пропеллеры противоположного вращения. Пропеллеры на крыле вращаются в противоположных направлениях друг к другу: пропеллеры вращаются от вершины дуги вниз навстречу друг другу. Если оба двигателя на крыле работают, смещение вектора тяги с увеличением угла атаки всегда происходит в сторону другого двигателя на том же крыле. Эффект заключается в том, что результирующий вектор тяги обоих двигателей на том же крыле не смещается с увеличением угла атаки самолета, пока работают оба двигателя. Общего P-фактора нет, и отказ любого из внешних двигателей (т. е. двигателей 1 или 4) не приведет к разнице в величине оставшихся моментов рыскания тяги с увеличением угла атаки, только в направлении влево или вправо. Минимальная скорость управления при взлете ( V MC ) и во время полета ( V MCA ) после отказа любого из подвесных двигателей будет одинаковой, если только на одном из подвесных двигателей не будут установлены системы наддува, которые могут потребоваться для управления самолетом. Оба подвесных двигателя будут критическими.
Если выходит из строя подвесной двигатель, например, двигатель 1, как показано на рисунке 2, плечо момента вектора остаточной тяги на этом крыле перемещается из положения между двигателями немного за пределы оставшегося внутреннего двигателя. Сам вектор составляет 50% от противоположного вектора тяги. Результирующий момент рыскания тяги в этом случае намного меньше, чем при обычном вращении винта. Максимальный момент рыскания руля направления для противодействия асимметричной тяге может быть меньше и, следовательно, размер вертикального хвоста может быть меньше. Система флюгирования больших 8-лопастных 17,5-футовых (5,33 м) диаметральных винтов должна быть автоматической, очень быстрой и безотказной, чтобы обеспечить минимально возможное сопротивление винта после неисправности двигательной системы. В противном случае отказ системы флюгирования подвесного двигателя увеличит сопротивление винта, что, в свою очередь, значительно увеличит момент рыскания тяги, тем самым увеличивая фактическое V MC(A) . Мощность управления, генерируемая только небольшим вертикальным хвостом и рулем направления, мала из-за небольшой конструкции. Только быстрое снижение тяги противоположного двигателя или увеличение скорости полета может восстановить необходимую мощность управления для поддержания прямолинейного полета после отказа системы флюгирования. Проектирование и утверждение системы флюгирования для этого самолета является сложной задачей для инженеров-конструкторов и органов сертификации.
На самолетах с очень мощными двигателями проблема асимметричной тяги решается путем применения автоматической компенсации асимметрии тяги, однако это имеет последствия для взлетных характеристик.
Rutan Boomerang — асимметричный самолет, спроектированный с двигателями с немного разной выходной мощностью, чтобы исключить опасность асимметричной тяги в случае отказа любого из двух двигателей. [ необходима цитата ]