1.2.02. Упражнение 1.2ТП: взлёт с площадки ограниченных размеров и короткий разбег — крыло и VTOL #

• Запустить модель самолёта: sim_vehicle.py -v ArduPlane (порядок установки SITL — статья 0.2 и курс «Mission Planner» на настоящем сайте).
• Задать параметры взлёта: TKOFF_THR_MIN = 60 (проценты газа отрыва), TKOFF_ROTATION_SPD = 9 (м/с — скорость поднятия передней стойки или хвоста), TKOFF_TDRAG_ELEV = 100 (проценты отклонения руля высоты на разбеге).
• Проверить модель по массе и тяге: учебный аппарат 2,5 кг, площадь крыла 0,45 м², максимальный коэффициент подъёмной силы 1,4 — значения используются в расчётах задач.
• Задать ветер: SIM_WIND_SPD = 5, SIM_WIND_DIR — по направлению взлёта (встречный).

• Запустить модель гибридной схемы: sim_vehicle.py -v ArduPlane --frame quadplane.
• Проверить включение гибридного режима: Q_ENABLE = 1; схема рамы задаётся параметром Q_FRAME.
• Минимальная скорость полётного режима — ARSPD_FBW_MIN = 12 (м/с): переход выполняется при достижении этой воздушной скорости.
• Высота перехода для учебного занятия — 15 м; задаётся в полётном задании (элемент полётного задания VTOL_TAKEOFF с высотой 15 м).

• Составить полётное задание: первая строка — TAKEOFF (для самолёта) или VTOL_TAKEOFF (для гибридной схемы) с высотой 30–50 м, далее маршрут из двух-трёх путевых точек и возврат.
• Отметить на карте условные препятствия (элемент 4): точка в 40 м от старта с высотой 8 м — записывается в задание на тренировку; в SITL препятствие не моделируется физически, контроль выполняется по траектории набора на карте.
• После каждого взлёта открывать журнал (вкладка DATA, раздел Log Files) и измерять: длину разбега, скорость отрыва, время набора, траекторию относительно условного препятствия.
• Результаты измерений заносить в таблицу разбора занятия (статья 0.6 — учёт налёта и разбор полётов).

• До взлёта выполнить расчёт задачи 1 письменно: скорость отрыва, длина разбега, время разбега.
• Запустить полётное задание; наблюдать разбег, отрыв и набор по карте и телеметрии.
• По журналу измерить фактические значения: скорость отрыва, длину разбега, время разбега, начальный градиент набора.
• Сравнить измеренное с расчётным; расхождение объяснить (влияние ветра, покрытия, настройки тяги).
• Повторить взлёт три раза и убедиться в воспроизводимости результатов (разброс длины разбега не более 10 %).

Критерий: расчёт выполнен до взлёта; расхождение расчётной и фактической длины разбега не более 20 %; пилот объясняет причину расхождения; три взлёта воспроизводимы.

• Выполнить взлёт с TKOFF_ROTATION_SPD = 9 м/с (базовая настройка); записать длину разбега по журналу.
• Увеличить скорость отрыва: TKOFF_ROTATION_SPD = 11 м/с; повторить взлёт; записать длину разбега и сравнить с расчётом квадратичной зависимости.
• Изменить ветер: встречный 5 м/с, затем попутный 5 м/с; записать путевую скорость отрыва и длину разбега относительно земли в обоих случаях.
• Составить таблицу «настройка — разбег» и сделать вывод о том, какие параметры пилот может использовать для сокращения разбега на ограниченной площадке.
• Повторить лучшее сочетание три раза подряд.

Критерий: таблица составлена; влияние скорости отрыва и ветра объясняется расчётом; вывод о настройках для ограниченной площадки сформулирован самостоятельно.

• Запустить модель QuadPlane; выполнить взлёт по полётному заданию с элементом VTOL_TAKEOFF на высоту 15 м.
• По журналу измерить: время вертикального участка, высоту начала перехода, время и путь разгона до скорости полётного режима.
• Сравнить измеренное с расчётом задачи 3; расхождение объяснить.
• Выполнить прерывание взлёта на высоте 5 м: переключить режим удержания позиции (QLOITER), остановить набор, оценить обстановку и возобновить взлёт.
• Повторить полный цикл три раза подряд.

Критерий: фактические параметры перехода отличаются от расчётных не более чем на 20 %; прерывание взлёта выполняется с остановкой на заданной высоте без потери высоты более 1 м.

• До взлёта назвать вслух: препятствие высотой 8 м на удалении 40 м от точки отрыва; потребный градиент набора (задача 2); фактический градиент аппарата; решение.
• Выполнить взлёт при встречном ветре 5 м/с; по журналу построить траекторию набора и определить высоту над препятствием на удалении 40 м.
• Выполнить взлёт в штиль и сравнить: в штилю препятствие не проходится — пилот обязан обнаружить это расчётом до взлёта, а не по журналу после.
• Отработать альтернативы: перенос точки взлёта, уменьшение взлётной массы, выбор направления против ветра — назвать вслух последствия каждой.
• Повторить взлёт с прохождением препятствия три раза подряд.

Критерий: решение о пригодности площадки принято расчётом до взлёта; фактическая высота над препятствием соответствует расчётной с точностью 2 м; запас не менее 5 м выдержан.

Задача. Учебный самолёт имеет взлётную массу 2,5 кг, площадь крыла 0,45 м², максимальный коэффициент подъёмной силы 1,4. Среднее ускорение разбега 3 м/с². Требуется определить скорость сваливания, скорость отрыва, длину и время разбега, а также минимальную длину площадки с запасом.

Заданные параметры:

Искомые параметры: скорость сваливания (м/с); скорость отрыва (м/с); длина и время разбега (м, с); минимальная длина площадки (м).

Решение.

1. Скорость сваливания: \( V_{св} = \sqrt{\dfrac{2 \cdot 2{,}5 \cdot 9{,}81}{1{,}225 \cdot 0{,}45 \cdot 1{,}4}} = \sqrt{\dfrac{49{,}05}{0{,}772}} = \sqrt{63{,}6} = 8{,}0\ \text{м/с} \).
2. Скорость отрыва: \( V_{отр} = 1{,}2 \cdot 8{,}0 = 9{,}6\ \text{м/с} \).
3. Время разбега: \( t = 9{,}6 / 3 = 3{,}2\ \text{с} \); длина разбега: \( L_{разб} = 9{,}6^{2} / (2 \cdot 3) = 15{,}4\ \text{м} \).
4. С учётом участка раскрутки и выравнивания (около 5 м): взлётная дистанция около 20 м.
5. Минимальная длина площадки: \( 20 \cdot 1{,}5 = 30\ \text{м} \).

Ответ: скорость сваливания 8,0 м/с, скорость отрыва 9,6 м/с, разбег 15,4 м за 3,2 с, взлётная дистанция около 20 м, минимальная длина площадки 30 м.

Вывод. Длина разбега растёт квадратично со скоростью отрыва: увеличение массы или уменьшение тяги на 20 % удлиняет разбег примерно на 40 %. Расчёт разбега выполняется для фактической взлётной массы дня полёта, а не для паспортной — полезная нагрузка и батарея меняют её заметно.

Задача. В коридоре взлёта на удалении 40 м от точки отрыва расположено препятствие высотой 8 м; запас высоты принимается 5 м. Скороподъёмность аппарата 3 м/с, скорость набора 12 м/с. Требуется определить потребный и фактический градиенты набора в штиль и при встречном ветре 5 м/с и принять решение о направлении взлёта.

Заданные параметры:

Искомые параметры: потребный градиент (%); фактический градиент в штиль и против ветра (%); решение.

Решение.

1. Потребный градиент: \( G_{потр} = (8 + 5) / 40 = 0{,}325 = 32{,}5\ \% \).
2. Фактический градиент в штиль: \( G = 3 / 12 = 25\ \% \) — меньше потребного, препятствие не проходится (на 40 м высота составит \( 0{,}25 \cdot 40 = 10\ \text{м} \), запас только 2 м при требуемых 5 м).
3. Фактический градиент против ветра 5 м/с: путевая скорость \( 12 - 5 = 7\ \text{м/с} \); \( G = 3 / 7 = 43\ \% \) — больше потребного; на 40 м путевых высота \( 0{,}43 \cdot 40 = 17\ \text{м} \), запас 9 м.
4. Решение: взлёт выполняется только против ветра; в штиль площадка для взлёта в данном направлении не пригодна — требуется перенос старта или уменьшение массы.

Ответ: потребный градиент 32,5 %; в штиль фактический градиент 25 % — взлёт в данном направлении запрещён; против ветра 5 м/с градиент 43 % — взлёт разрешён с запасом 9 м над препятствием.

Вывод. Встречный ветер — ресурс безопасности на взлёте: он одновременно сокращает разбег (отрыв происходит при меньшей путевой скорости) и увеличивает градиент набора относительно земли. На ограниченной площадке направление взлёта выбирается по препятствиям коридора, а ветер используется как средство обеспечить их прохождение.

Задача. QuadPlane выполняет вертикальный взлёт на высоту 15 м со скоростью 2,5 м/с, затем переходит в полётный режим, разгоняясь до 15 м/с с ускорением 1,5 м/с². Требуется определить время и путь вертикального участка, время и путь перехода, а также полную длину коридора взлёта.

Заданные параметры:

Искомые параметры: время вертикального участка (с); время и путь разгона (с, м); полная длина коридора взлёта (м).

Решение.

1. Вертикальный участок: \( t_1 = 15 / 2{,}5 = 6\ \text{с} \); горизонтальное смещение отсутствует.
2. Разгон: \( t_2 = 15 / 1{,}5 = 10\ \text{с} \); путь \( L = 15^{2} / (2 \cdot 1{,}5) = 75\ \text{м} \).
3. Полный коридор: \( 0 + 75 = 75\ \text{м} \); с запасом принимается 100 м свободной зоны в направлении перехода на высоте 15 м и выше.
4. Проверка при встречном ветре 5 м/с: средняя воздушная скорость разгона составляет 7,5 м/с, средняя путевая скорость \( 7{,}5 - 5 = 2{,}5\ \text{м/с} \), путь разгона относительно земли \( 2{,}5 \cdot 10 = 25\ \text{м} \) — встречный ветер существенно сокращает коридор перехода.

Ответ: вертикальный участок 6 с; разгон 10 с и 75 м; коридор взлёта принимается 100 м в штиль и сокращается при встречном ветре (до 25–30 м пути при ветре 5 м/с).

Вывод. Гибридной схеме не нужен разбег, но нужен коридор перехода: разгон до полётной скорости занимает десятки секунд и сотни метров. Высота перехода выбирается так, чтобы коридор проходил над препятствиями, а направление перехода — в свободную сторону площадки; встречный ветер сокращает коридор и по тем же причинам предпочтителен.