Научные основы и практические методы проведения экстренных авиационных работ с применением внешней подвески вертолетов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Научные основы и практические методы проведения экстренных авиационных работ с применением внешней подвески вертолетов

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

доктора технических наук

Паршенцев Сергей Алексеевич

Москва 2009 г.

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный консультант - Заслуженный работник транспорта РФ, доктор технических наук Козловский Владимир Борисович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Желанников Александр Иванович;

доктор технических наук, профессор Калугин Владимир Тимофеевич;

доктор технических наук, профессор Коняев Евгений Алексеевич.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации

Защита состоится 2009 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д 223.011.01 в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, ГСП-3, Москва, А-493, Кронштадтский бульвар, дом 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "______" ______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

доктор технических наук,

профессорКамзолов С.К.

летательный экстремальный экипаж вертолет

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Масштабы и глубина проблем, стоящих перед государством, в связи с происходящими природными и техногенными бедствиями убеждают, что одна из самых актуальных задач - создание комплексной системы предотвращения катастроф различного характера, разработка эффективных организационно-технологических методов и технических средств (ТС) для ликвидации их последствий, а также защиты населения и территорий от них. В реализации этих задач важное место отводиться гражданской авиации (ГА), как важной составной части единой транспортной системы страны. Летательные аппараты (ЛА) могут эффективно использоваться при тушении пожаров, предотвращении и локализации последствий нефтяного и промышленного загрязнения окружающей среды, мониторинге радиационного загрязнения, выполнении полицейских функций и при многих других авиационных работах (АР), отличных по своему целевому назначению и технологическому характеру.

Наиболее масштабной частью при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС) является восстановление объектов производственного и социального назначения, строительство жилья, восстановление дорожной сети, линий электропередачи и связи. Основную роль в решении данного вопроса, как правило, отводится строительному производству, которое вынуждено функционировать в экстремальных условиях, характеризующихся жесткими, а иногда и чрезвычайно жесткими сроками, а также внезапностью и непредсказуемостью постоянно меняющихся ситуаций. Кроме того, специфика организации работ в ЧС требует сосредоточения значительных материальных средств и людских ресурсов в очаге экстремальной ситуации в предельно сжатые сроки. Это с особой актуальностью диктует необходимость использования авиации для перевозки людей и оперативной доставки необходимых грузов к месту ликвидации ЧС.

Общепризнанно, что с позиции эффективности бесспорное преимущество среди альтернативных вариантов организации оперативной доставки (в т.ч. монтажа) грузов в труднодоступных, малонаселенных и слабоосвоенных регионах принадлежит вертолету. Для особых географических, климатических и экономических условий России эта авиационная техника (АТ) давно уже стала естественным компонентом высотного строительства, особенно в регионах Севера, Сибири, Дальнего Востока или районах с высокогорной местностью. Современные вертолеты могут не только качественно дополнить наземные грузоподъемные и транспортные механизмы, но и способствуют повышению эффективности проведения строительных, ремонтно-восстановительных и монтажно-демонтажных работ, особенно в условиях непрерывно действующих производств, за счет сокращения сроков их проведения, снижения затрат на перебазирование наземной грузоподъемной техники, сооружение временных подъездных путей и дорог.

Очевидно, что необходимость оперативного противодействия последствиям опасных природных или техногенных процессов создала условия для пересмотра и уточнения уже существующего подхода к использованию вертолетов на транспортных, авиационных строительно-монтажных (АСМР) и аварийно-восстановительных работах (АВР). Однако, целостная концепция решения рассматриваемой проблемы еще не сформирована. Что касается строительства экстренных (чрезвычайно срочных) и технологически сложных объектов (в том числе высотных зданий и промышленных объектов в экстремальных условиях) с применением ЛА, то соответствующие теоретические разработки и обобщение опыта такого строительства в отечественной практике проведения АСМР пока отсутствуют.

Первые теоретические и практические исследования возможности применения вертолетов на АР с использованием внешней подвески (ВП) проводились в середине пятидесятых годов коллективами ученых в вертолетных КБ М.Л.Миля и Н.И. Камова, а так же на базе кафедры «Конструкции и проектирования вертолетов» МАИ. В исследованиях этого направления принимали участие Братухин И.П., Вильдгрубе Л.С., Лесников Н.П., Маслов А.Д., Шайдаков В.И. В связи с широкими масштабами промышленно-территориального освоения труднодоступных районов Севера, Сибири и Дальнего Востока в семидесятые годы группой ученых МАИ под руководством В.И. Шайдакова и Ю.С. Богданова была успешно проведена работа по оптимизации параметров вертолетов различного назначения на основе многокритериальной оценки их эффективности.

Весомый вклад в разработку современных методов транспортировки грузов на ВП и проведения АСМР внесли такие известные ученые, как Бутылкин И.П., Илькун В.В., Исаев С.А., Козловский В.Б., Логачев Ю.Г., Рощин В.Ф., Сухинин В.Н. Среди активных научных организаций по проведению исследований в области использования вертолетов для выполнения аварийно-спасательных работ (АСР), транспортных операций и АСМР можно отметить ОАО НПК «ПАНХ», МАИ, МГТУ ГА, СПб ГУ ГА и КБ авиационной промышленности, а также отдельных энтузиастов-изобретателей. Работа этих коллективов направлена на поиск новых конструктивных решений по созданию технических средств и технологий для проведения АР, оценки возможностей вертолетов при их использовании в различных отраслях народного хозяйства и технико-экономическое обоснование их преимуществ перед другими ЛА.

Отдавая должное значимости результатов уже проведенных исследований, нужно подчеркнуть, что дальнейшая разработка и оформление в научно-прикладную концепцию методологии, форм, методов и механизмов проведения экстренного строительства, восстановления объектов в экстремальных условиях и ликвидации последствий ЧС с применением ЛА остаются чрезвычайно значимыми и важными проблемами. Особенность их состоит в том, что в последние годы во всем мире наряду с ростом природных и техногенных катастроф происходит рост межнациональных конфликтов, проявлений международного терроризма и связанные с ними разрушительные воздействия на промышленные и гражданские объекты.

В этих условиях наиболее приоритетными становятся задачи разработки перспективных технологических методов и специальных ТС для проведения АВР, возведения экстренных и экономически важных объектов, модернизация существующих и создание новых образцов специальной АТ, а также получение объективной и всесторонней информации о специфике выполнения данного вида АР. Отсутствие подобных исследований являлось бы серьезным препятствием для развития перспективных вертолетных программ, привело бы к значительным экономическим потерям, а иногда и к возможному срыву своевременного решения важных государственных задач. Можно с уверенностью утверждать, что без новых фундаментальных исследований и учета уже опубликованных результатов, но пока не нашедших широкого применения, какого-либо существенного прогресса в решении этой проблемы не может быть вообще. Поэтому совершенствование существующих и разработка новых ТС, методов и технологий АВР, экстренных АСМР, АСР и медико-эвакуационных работ (МЭР) с более широкими рамками их применимости, повышение надежности, экономичности и безопасности их проведения является актуальной и своевременной задачей.

Предлагаемая работа должна восполнить серьезный пробел в рассматриваемой проблеме.

Таким образом, в диссертации решается важная научно-техническая и хозяйственная проблема, связанная с изучением особенностей летной эксплуатации (ЛЭ) вертолетов при проведении АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно-технологические или особые экономические условия проведения, путем применения математического моделирования движения ЛА, разработки новых и совершенствования современных теоретических и экспериментальных методов исследования.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы - экспериментальное и научное обоснование существующих и перспективных технических решений повышения безопасности полетов (БП) вертолетов при выполнении экстренны АР, совершенствование существующих и разработка новых методов и технологий их проведения.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:

-- системный анализ традиционных технологий, методов и моделей ТС, используемых для проведения АР с применением ВП вертолетов;

-- разработка методологических основ решения технических, технологических и организационных задач по применению вертолетов для проведения экстренных АСМР, АВР (АСР), МЭР и других видов АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно-технологические или особые экономические условия проведения;

-- определение границ безопасных условий полета ЛА при ТГВП в экстремальных условиях и возможности снижения действующих летных ограничений;

-- разработка теоретических методов исследования системы "экипаж - вертолет - объект монтажа (груз на ВП) - внешняя среда" («Э-ВС-ГВП-С»), позволяющих получить оценки возможности применения вертолетов для проведения экстренных АР с использованием ВП;

-- поиск путей повышения динамической устойчивости и надежности функционирования системы «Э-ВС-ГВП-С» в различных условиях эксплуатации;

-- совершенствование подходов к многовариантному созданию эффективных ТС, технологических методов, приемов и процедур проведения экстренных АР с применением ВП вертолетов;

-- определение рациональных путей улучшения основных аэродинамических характеристик (АХ) существующих ТС, применяемых для выполнения АР, и разработка предложений по максимальному приближению их значений к теоретически возможным значениям;

-- разработка требований, рекомендаций и предложений по ЛЭ вертолетов при проведении экстренных АР.

Объект исследования -- система «Э-ВС-ГВП-С» при выполнении экстренных АСМР, АВР (АСР), МЭР и других видов АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно-технологические или особые экономические условия проведения.

Методы исследований. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, используется широкий спектр методов математического моделирования динамики полета, методы линейного и дифференциального программирования, теории вероятностей и математической статистики, методы летного эксперимента и математической обработки результатов.

Научная новизна исследования. Научная новизна диссертации состоит в разработке и комплексном обосновании концептуальных подходов к проведению экстренных АР в условиях ликвидации последствий ЧС, в том числе к возведению чрезвычайно срочных и технологически сложных объектов с применением ЛА.

Наиболее существенные научные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем:

-- определены основные системообразующие факторы развития методов экстренного строительства объектов с применением ЛА, предложены методологические подходы к решению широкого спектра практических задач по эффективной и безопасной эксплуатации вертолетов на АР, связанных с использованием ВП;

-- разработана совокупность принципов, форм и процессов управления авиационным соединением при использовании ЛА для возведения экстренных объектов. Все эти компоненты составляют систему организационно-технологического менеджмента и обеспечивают эффективность управления экстренными АР, адекватно меняющегося экстремальным условиям;

-- исследована, предложена классификация ТС и определены критерии оценки целесообразности их выбора для проведения экстренных АР с применением ВП вертолетов;

-- сформирована единая концепция разработки систем для азимутальной ориентации (САО), фиксации (САФ) груза на ВП вертолета в воздушном потоке при выполнении АСМР (ТГВП), которая открывает возможности глубокой унификации семейства САО (САФ) при одновременном полном обеспечении необходимых индивидуальных свойств каждой модификации;

-- разработан метод количественной оценки предела использования САО груза на бифилярной ВП по максимальному его моменту инерции, что в условиях крайне ограниченных сроков выполнения экстренных АСМР (АВР) является чрезвычайно важной практической задачей;

-- разработана расчетно-экспериментальная методика определения скорости потока от несущего винта (НВ), основанная на использовании экспериментальных данных об индуктивном потоке НВ на различных режимах полета и известных зависимостях вертикальной скорости от радиуса под плоскостью НВ;

-- предложен метод разработки ТС, ориентирующих (стабилизирующих) груз на бифилярной ВП, основанный на принципе использования свободной кинетической энергии воздушного потока, индуцированного НВ вертолета;

-- разработан метод моделирования разброса с ТС на ВП вертолета жидких и твердых частиц формы шара малого диаметра, позволяющий оценивать размеры зоны их выпадения и концентрацию с точностью до 10%. Применение «замороженного» поля скорости в зоне ЛА позволяет на порядок сократить время расчета (примерно в 10 раз) практически без потери точности;

-- разработан расчетный метод определения параметров полета вертолета с грузом на ВП при отказе одного двигателя;

-- получены новые экспериментальные данные о динамики полета вертолета с отдельными категориями грузов на ВП в особых ситуациях, связанных с влиянием на систему «Э-ВС-ГВП-С» воздействий внешней среды. В частности, с применением метода математического моделирования получены:

§ параметры движения водосливного устройства (ВСУ-15А) (угла отклонения каната ВП от вертикали, балансировочного положения ВСУ в горизонтальном полете (ГП) и на режиме висения вертолета) для различных значений интенсивности и направления ветрового порыва при различных скоростях полета вертолета классической одновинтовой схемы;

§ определены условия возникновения явлений динамической неустойчивости вертолетного контейнера быстрого реагирования (ВКБР) при его транспортировке на ВП вертолета-носителя и сформулированы основные рекомендации по повышению его динамической устойчивости;

-- разработаны принципиальные новые схемы ТС, предназначенные для выполнения транспортных и АСМР с использованием ВП вертолетов и обладающие новизной конструктивных решений;

-- разработаны рекомендации и предложения по эффективному использованию вертолетов для проведения экстренных АР с соблюдением требований эффективности и БП.

Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Достоверность результатов исследований обеспечивается непосредственным сравнением численных расчетов с результатами летных испытаний (ЛИ) и продувок в аэродинамических трубах (АДТ).

Практическая значимость результатов исследования. Диссертационная работа содержит концептуальную разработку искомой проблемы, включающей в себя теорию, методологию, формы и методы проведения экстренных АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно-технологические или особые экономические условия проведения.

Практическая ценность работы заключается в использовании предложенных методов, математической модели (ММ) и алгоритмов для разработки рекомендаций и предложений по эффективному использованию вертолетов для проведения экстренных АР с соблюдением требований эффективности и БП.

Результаты выполненных численных и натурных экспериментов продемонстрировали возможность установить условия возникновения явлений динамической неустойчивости отдельных категорий грузов и ТС при их транспортировке на ВП вертолета-носителя, а также сформулировать основные рекомендации по повышению их динамической устойчивости.

Полностью оправдал себя предложенный подход к определению потока от НВ, основанный на использовании экспериментальных данных об индуктивном потоке НВ на различных режимах полета вертолета и известных зависимостях вертикальной скорости от радиуса под плоскостью НВ. При этом подходе не требуется решать задачу обтекания НВ и вертолета в общем виде, с учетом обтекания лопастей, несущих поверхностей планера и т.д., что значительно сокращает время расчета и позволяет существенно снизить требования к системным ресурсам, используемым ЭВМ.

Численное моделирование распределения специальных структурообразующих жидкостей из ВОП-3 на ВП вертолета Ка-32, разброса компактных зажигательных элементов типа Dragon Eggs, разработанных канадскими фирмами SEI Industries Ltd и Field Support Services, позволяет оценивать размеры зоны их распределения и концентрацию с приемлемой для расчетов точностью (до 10%). Путем ММ выявлены основные факторы, определяющие распределение частиц на земной поверхности, даны рекомендации по усовершенствованию конструкции распределяющих устройств.

Автором разработаны ТС для эффективной стабилизации и азимутальной ориентации груза на ВП, а также системы дистанционного управления ТС с борта ЛА для проведения сложных технологических операций.

Основные результаты диссертации вошли в научное издание «Вертолет с грузом на внешней подвеске».

Апробация работы. Автором успешно апробирован поточно-скоростной метод возведения высотных объектов с помощью вертолетов, в том числе и в условиях непрерывно действующих производств: при реконструкции Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) в 2004г.; при блочном монтаже промышленного оборудования массой до 20 т с помощью вертолета Ми-26 в процессе реконструкции ряда предприятий пищевой промышленности (сахарных заводов) Ставропольского и Краснодарского краев в 1999-2001г.г.; при выполнении АВР вертолетом Ми-26 на высокогорном участке трассы высоковольтной линии (ВЛ) 500кВ Россия - Турция в 2004 г. и трассы ВЛ 220кВ Псоу?Поселковая в 2008 г. в Краснодарском крае; при возведении телекоммуникационных систем с применением вертолетов Ми-8МТВ и Ка-32 в Южном федеральном округе РФ в период с 2003 по 2007г.г.

Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на VI Форуме «Российского вертолетного общества» (г. Москва, 2004 г.), на 4-й, 5-й Международной конференции «Авиация и космонавтика» (г. Москва, 2005, 2006 гг.), на XV (г. Алушта, 2007 г.) Международной конференции по механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2007), на заседании ХIХ школы-семинара «Аэродинамика летательных аппаратов» (г. Жуковский, ЦАГИ, 2008г.), на Международной научно-технической конференции (МНТК) «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г. Москва, МГТУ ГА, 2006, 2008 гг.), на 5-й МНТК «Гражданские металлические конструкции: современное состояние и перспективы развития» (г. Киев, НИИ «Укрстальконструкция», 2006 г.), на заседаниях кафедральных семинаров МГТУГА, на НТС ОАО НПК «ПАНХ», а также обсуждались на отраслевых, региональных научно-технических и летно-технических конференциях.

Результаты исследований продемонстрированы на Международной выставке вертолетной индустрии HELIRUSSIA-2008 (г. Москва, 2008 г.) и на 7-й Международной выставки и научной конференции по гидроавиации "Гидроавиасалон-2008" (г. Геленджик, 2008 г.).

В 2003 г. Указом Президента РФ за успешное выполнение аварийно-спасательных работ с использованием вертолета Ми-8МТВ в период ликвидации последствий наводнения в Краснодарском крае автор был отмечен медалью «За спасение погибавших» (№ 20639).

Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, использованы и внедрены в научных организациях, эксплуатационных предприятиях ГА в виде инструкций и методик по обеспечению эффективности и безопасности выполнения АР с помощью вертолетов, утвержденных руководящими органами ГА. Результаты диссертационной работы были использованы в учебных пособиях по курсам эффективности систем ГА, аэродинамики, динамики полета, безопасности полетов и летной эксплуатации в СПб ГУГА, МГТУ ГА, ОАО «СПАРК» и ГосНИИГА.

Реализация результатов работы подтверждается актами внедрения, Сертификатами о соответствии разработанных ТС ФАП «Технические средства для выполнения авиационных работ. Требования и процедуры сертификации», утв. приказом МТ РФ от 29.10.2003г. №202.

Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 47 печатных работах, в том числе в 1 научном издании, 31 статье, 2 патентах и 1 заявке на изобретения. Материалы исследования отражены в 5 отчетах по научно-исследовательской работе НПК «ПАНХ», в которых автор является исполнителем или научным руководителем.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 170 наименований (из них 15 на иностранных языках) и приложения. Основная часть работы изложена на 386 страницах машинописного текста. Общий объем работы составляет 444 страниц, 65 таблиц, 176 иллюстраций.

Содержание работы

Рис. 4. Схема размещения ВКБР на ВП вертолета - носителя

ВЭ установлено, что в эксплуатационном диапазоне скоростей 60…140 км/ч для загруженного контейнера виртуальный ВКБР ведет себя в соответствии с летными оценками. На скорости ГП, превышающей 140 км/ч, для загруженного контейнера вступает в силу ограничение, связанное с прочностью подвесной системы (при скорости ГП 160 км/ч R_т превышает максимально допустимое значение 3000 кгс табл.2).

Таблица 2. Результаты вычислительных экспериментов без воздействия ветра

На скорости ГП меньшие 60 км/ч система «Вертолет - ВКБР на ВП» в продольном движении имеет слабую динамическую устойчивость, а в боковом движении она динамически неустойчива как в загруженном варианте, так и без груза.

На основе выполненного анализа в работе определен круг научных и практических задач, решение которых позволяет уточнить существующие и разработать новые требования, рекомендации и предложения по ЛЭ исследуемых ТС.

В третьей главе работы на основе анализа современных технологий и ТС для экстренной ЛАРН с применением АТ, выполненных в предыдущих разделах, разработана методика моделирования разброса жидких и твердых частиц (крупных гранул (~ 0.01 м) или капель, биологических веществ, контейнеров и т.д) формы шара малого диаметра с ТС, расположенных на ВП вертолета. Обработка нефтяного пятна специальными структурообразующими жидкостями позволяет существенно уменьшить вероятность проникновения нефтепродуктов в грунт прибрежной зоны водоема или устранить нефтяную плёнку на водной поверхности. В НПК «ПАНХ» разработано подвесное устройства ВОП-3, предназначенное для нанесения на загрязненные нефтепродуктами участки земной (водной) поверхности жидкостей-диспергентов и биопрепаратов с вертолетов Ми-8МТВ или Ка-32. При разработке алгоритма расчета распределения таких компактных веществ с устройства, размещенного на ВП вертолета, на режиме установившегося ГП и полета с малыми значениями поступательной скорости, необходимо решить следующие проблемы: моделирование индуктивного потока НВ; моделирование колебаний ТС (в частном случае ВОП-3) на ВП; моделирование турбулентности атмосферы; расчет траекторий частиц.

Расчетно-экспериментальная методика определения потока от НВ. Наиболее сложная проблема - получить поле скоростей от НВ. Эта задача решалась с использованием прикладных программных пакетов Flow Vision (ППП FV). Система уравнений включает трехмерные уравнения Навье-Стокса для несжимаемого потока и стандартную k-е модель турбулентности. Расчеты выполнены для вертолета Ка-32 с ВОП-3 (масса 3 т, расстояние от фюзеляжа до верхней кромки емкости 13 м) на ВП при значениях Vгп: 138 км/ч, 106 км/ч, 50,6 км/ч (рис.7), 37,6 км/ч, 5 км/ч.

В расчетах нижние плоскости лопастей являлись источниками воздушных струй, а верхние - стоками газа (чтобы компенсировать прирост массы воздуха). Распределение скорости по радиусу лопасти подбиралось так, чтобы итоговая струя совпадала с наблюдаемой экспериментально струей от НВ при соответствующей полетной скорости. Расчеты показали хорошее

совпадение (ошибка менее 10%) по средним и максимальным скоростям под нижним НВ с экспериментальными данными, представленными, например, в работах Акимова А.И. (рис.8).

Моделирование колебаний ВОП-3 на ВП. На основании известных данных о конструкции ВОП-3 были определены координаты центра масс (ЦМ), массовый расход и скорость истечения воды, как функции времени, для двух вариантов слива: через распылители и без распылителей. С учетом действия на ВОП-3 сил тяжести и аэродинамического сопротивления расчеты, моделирующие колебания ВОП-3 на ВП вертолета-носителя, выполнялись для различных масс устройства (3000, 2540, 2080, 1640 и 1240 кг). Предельные положения ВОП-3 показаны на рис. 9. Расчеты показали, что амплитуда колебаний такого ТС не превышает 0.5 м, поэтому, с учетом плоскости колебаний, в рассматриваемых случаях (слив воды или разброс частиц с Ка-32 при равномерном прямолинейном движении) колебания ВОП-3 на ВП не оказывают сколько-нибудь значительного влияния на распределение капель или частиц по земной поверхности.

Рис. 9. Крайние положения ВОП-3 при движении Ка-32 с Vгп= 37.5 км/ч.

Моделирование турбулентности атмосферы. Основная роль атмосферной турбулентности сводится к увеличению рассеивания частиц. Турбулентность атмосферы моделировалась в соответствии с методикой, изложенной в справочнике (Атмосфера: справочник. Л. Гидрометеоиздат, 1991, - 510с.).

В проводимых исследованиях предполагалось известными: скорость ветра на высоте 10 м ( U₁₀, м/с); класс устойчивости атмосферы (Р); параметр шероховатости (z₀, м); параметр Кориолиса (k=2w·sin(f) 1/c; w - скорость вращения Земли; f - географическая широта). По этим величинам устанавливалась динамическая скорость воздуха (U*, м/с):

U*=0.4·U₁₀/[ln(10/z₀)+A_p],

где А_р определяется по табличным данным в справочной литературе, z₀ - параметр шероховатости подстилающей поверхности (полагался равным 10^-2, что соответствует открытой равнине с травой высотой до 0.2 м и небольшим числом отдельных препятствий).

По значению U* определялись величины л=0.4·U*/k (м); ћ=z/л, и по полученным значениям ћ величины U и S. Между табличными значениями использовалась линейная интерполяция. По значениям U и S для заданной высоты z рассчитывалась скорость и коэффициент турбулентного обмена

U=2.5·U*·U; K=0.4·U*·S·л , где K=н_t=C_м·k²/е.

В соответствии с теорией подобия Монина-Обухова для приземного слоя атмосферы все характеристики высокочастотной турбулентности являются универсальными функциями т=z/L и определяются по известным формулам:

L=T·C_p·с·U*/(ч·g·H₀) - масштаб высоты Монина-Обухова,

у_u=U*ц_u(т); у_v=U*ц_v(т); у_w=U*ц_w(т).

Модель расчета траекторий частиц. В данном разделе (следуя Вараксину А.Ю.) проведена оценка величины сил, действующие на частицу (каплю воды диаметром 2 мм) на основном участке траектории их падения (без учета силы турбофореза), которая показала, что наибольшие значения имеют сила аэродинамического сопротивления и сила тяжести, причем сила тяжести в несколько раз меньше силы аэродинамического сопротивления (табл. 3).

Таблица 3. Сравнение сил аэродинамического сопротивления, тяжести, Сэфмена и Магнуса, действующих на каплю воды диаметром 2 мм

На основании сделанных оценок было принято допущение о воздействии на частицу в процессе ее движения после выхода из ТС только сил аэродинамического сопротивления и тяжести. Для жидкости размер капель определяется по критическому числу Вебера: D_р = We_крит·у/(_g·|u_g-u_p|²), здесь у - коэффициент поверхностного натяжения вещества капли (для воды у = 0.075 Н/м), а We_крит, - число Вебера.

Движение частиц описывается известными уравнениями, изложенными в ряде работ Шрайбера А.А., Гавина Л.Б.:

dW_p/dt=F_А+g; dR/dt=W_p.

Сила аэродинамического сопротивления F_A и коэффициент аэродинамического сопротивления C_D определяются формулами, приведенными в табл. 3, где D_p - диаметр частицы, R - координата частицы, с - плотность. Скорость газа берется в результате расчета потока с использованием прикладных программных пакетов Flow Vision (ППП FV). После каждого интервала времени пролета, равного характерному времени турбулентного движения ф, выбирается новое значение величины W_g. Величина ф равна наименьшему из двух значений: времени жизни турбулентного вихря ф_e или времени пребывания частицы в вихре ф_r:

ф_e =0.164·k^3/2/(W_g·е) ; ф_r =0.164·k^3/2/(|W_g-W_p|·е).

При моделировании прослеживается движение некоторого числа тестовых частиц до поверхности земли и анализируется их распределение. Полагается, что тестовая частица представляет не одну, а множество частиц. Оценка максимального разброса частиц проводится с учетом сил аэродинамического сопротивления, тяжести и Магнуса (табл.3). При этом полагалось, что: dW_p/dt=F_А+g+F_M, где щ_p - угловая скорость вращения частицы; коэффициент K_M =р если Re_щ= с_g?D_p²?|щ_p|/м_g<<1, Re_p= с_g?D_p²?|0.5rotW_g|/м_g<<1 или K_M =0.534?Re_p^0.715/Re_щ^0.64 при 590<Re_щ<45000,360<Re_p<13500; (W_gxщ_p) - векторное произведение скорости газа на угловая скорость вращения частицы. В рамках данных исследований было проведено моделирование работы ВОП-3, размещенного на ВП вертолета Ка-32, при скорости V_ГП?38км/ч (рис. 10 и 11).

Опыт расчетов показал, что предлагаемая методика дает гарантированную максимальную оценку. Использование «замороженного» поля скорости в зоне ЛА позволяет значительно сократить время расчета (примерно в 10 раз) практически без потери точности.

В четвертой главе работы на основе проведенного ММ полета вертолета с грузом на ВП, выполненного в предыдущих разделах, обосновывается разработка ТС для выполнения экстренных АР с применением вертолетов. Уточняется содержание существующих требований к модернизации отдельных ТС и рассматривается методика количественной оценки предела их использования. Критерием оценки целесообразности выбора указанных ТС является их полное соответствие функциональному назначению и удовлетворению выбранным критериям оптимизации (минимальная масса, стоимость производства, надежность и эксплуатационная технологичность). Опыт выполнения АСМР (ТГВП) показывает, что «плоский» (педальный) разворот является основным маневром для быстрого изменения направления движения вертолета на режиме висения в целях занятия необходимого положения над точкой висения в процессе выполнения АР. Поэтому чрезвычайно важно обеспечить системе «Э-ВС-ГВП-С» в целом возможность безопасно выполнять такое маневрирование с грузом, размещенным на САО или САФ, с изменением направления своего движения в горизонтальной плоскости. Расчетным путем было установлено, что при движении вертолета с грузом на ВП с угловой скоростью не превышающей 10 град/с, величина _y не превышает 3.6 град/с². С учетом этого обстоятельства для обеспечения безопасных условий работы таких ТС в условиях дефицита времени необходимо правильно определить предел его использования по максимальному моменту инерции груза. Для этого необходимо рационально выбрать параметры и размеры основных узлов, например, длину поворотной траверсы, мощность привода (для САО) или суммарное усилие от компенсирующих амортизаторов (для САФ). Чаще на практике возникает обратная задача, когда необходимо определить предельный (по моменту инерции) груз для правильного выбора уже существующего устройства. Для решения обоих типов задач построена номограмма. Схемы, представленные на рис. 12, иллюстрируют содержание и взаимосвязи расчетных процедур, определяющих последовательность решения указанных задач.

В данной главе представлен вариант управляемой в полете аэродинамической стабилизации и ориентации груза на ВП. Принципиальная конструктивно-кинематическая схема (ККС) такой САО груза на ВП вертолета соосной схемы приведена на рис. 13. Эта разработка автора была признана изобретением и на нее был получен патент. Сам подход к разработке ККС ориентирующих систем базируется на принципе использования свободной кинетической энергии воздушного потока, индуцированного НВ вертолета. В работе представлена разработка ТС, предназначенного для перевозки грузов на ВП вертолетов укрупненными грузовыми единицами (УГЕ). В результате анализа известных технических решений в области разработки указанных ТС и проведенных автором исследований, был создан экспериментальный образец универсальной подъемно-транспортной сети (УПТС-5,5) грузоподъемностью 5,5т, предназначенной для перевозки обширной номенклатуры пакетированных и тарно-штучных грузов, строительных материалов и техники, сыпучих материалов в мелкой таре общей массой 5500 кг на ВП вертолетов, а также выполнения погрузочно-разгрузочных операций с помощью наземных грузоподъемных механизмов (рис. 14). Наличие в конструкции УПТС несущих кольцевых строп, соединенных между собой в восьми точках под углом 90⁰ и служащих основной опорой сетному полотну, увеличивая его жесткость, выгодно отличают предлагаемое устройство от иностранных аналогов. Результаты сравниваются с известными экспериментальными данными.

В пятой главе работы представлены результаты экспериментальных исследований основных режимов полета вертолета при выполнении экстренных АР, полученные на основании предложенных методов исследований. Приводятся результаты наземных статических испытаний и контрольных ЛИ (для целей сертификации) разработанного образца УПТС-5.5. В ходе выполненных экспериментов были определены параметры движения загруженной балластом и пустой УПТС на ВП вертолета Ка-32 на режиме висения при выполнении маневров в горизонтальной (рис.15) и вертикальной плоскостях.

Установлено, что максимальная скорость ТГВП с применением УПТС-5.5 соответствует 180 км/ч. При выполнении полета с пустой УПТС-5.5 в спокойней атмосфере угол между тросом внешней подвески и вертикальной осью не превышает величину < во всем диапазоне скоростей ГП вертолета от V_ГП=60 км/ч до V_ГП?170 км/ч. Величина остаточной деформации полиэфирных кольцевых стропов при воздействии максимальной эксплуатационной нагрузки 5000 кг не превысила 1,07 %. Федеральным агентством воздушного транспорта (ФАВТ) был выдан Сертификат № 2021081064 от 01.10.2008г. о соответствии УПТС-5.5 ФАП «Технические средства для выполнения авиационных работ. Требования и процедуры сертификации», утв. приказом МТ РФ от 29.10.2003г. №202.

Приведены результаты ЛИ параметров полета вертолета Ми-8 АМТ с особо важным грузом (ОВГ) на ВП при отказе одного двигателя на режимах висения и в ГП (рис.16).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 16. Параметры полета вертолета Ми-8АМТ при имитации отказа (выключении) одного двигателя в горизонтальном полете

В рамках поставленной цели было выполнено 4 полета общей продолжительностью 1ч 05 мин при метеоусловиях близким к МСА. Полетная масса вертолета в каждом полете ограничивалась значением 9800 кг, при котором, согласно выполненных расчетов, обеспечивалась возможность перехода вертолета из режима ГП к снижению по пологой глиссаде и его уверенное зависание в течении 10 ч 15 с на высоте 50 м, характерной для безопасной укладки (установки) груза, перевозимого на ВП длинной 45 м. В результате летного эксперимента была доказана возможность выполнения режима висения вертолета Ми-8АМТ вне зоны влияния эффекта «воздушной подушки» с полетной массой 9,8 т и одним работающим на ЧР двигателем, что обеспечивает реализацию основного условия безопасного завершения полета вертолета с ОВГ на ВП в случае отказа одного двигателя в ГП, на режимах висения и вертикального маневрирования.

Шестая глава является обобщающим итогом исследований диссертационной работы. В главе рассмотрена структура экстремальных условий выполнения экстренных АСМР (АВР) и определены основные системообразующие факторы, которые важно учитывать при разработке методологии их проведения. Обосновывается определение экстренного строительства объектов с помощью ЛА (экстренных АСМР). Излагаются основные принципы организационно-технологической подготовки и управления экстренными АСМР (АВР). Установлено, что в самом упрощенном виде эффективное управление процессом экстренного возведения объектов с помощью ЛА строится на двух основных принципах: системном и ситуационном. При выполнении экстренных АСМР (АВР), когда показатель эффективности зависит от множества факторов, его изменение во времени будет определяться линейной зависимостью вида: