Научные основы и практические методы проведения экстренных авиационных работ с применением внешней подвески вертолетов (29.06.2009)

Автор: Паршенцев Сергей Алексеевич

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены цель и содержание поставленных задач, выполнен обзор современного состояния объекта исследования, излагается краткое содержание диссертации и полученных результатов, приводятся положения, которые выносятся на защиту, сведения об апробации работы и публикациях.

Первая глава работы посвящена выбору схемы и методов проведения исследования, обоснованию авторской позиции по проблеме обеспечения динамической устойчивости объекта исследования в различных условиях эксплуатации, анализу подходов к разработке концептуальных основ решения широкого спектра практических задач по эффективной и безопасной эксплуатации вертолетов на АР, связанных с использованием ВП, в условиях ЧС. С позиций системного подхода рассмотрены основные группы факторов, влияющих на динамическую устойчивость системы «Э-ВС-ГВП-С» в экстремальных условиях; сделан вывод о том, что степень влияния экзогенных и эндогенных факторов во многом определяется уровнем организационно-технологического менеджмента, обеспечивающего эффективность управления экстренными АР; состоянием коллективной готовности (основного – экипаж и вспомогательного – специалистов наземных организаций) персонала к решению такого класса задач, его способностью оперативно учитывать влияние изменений внутренней и внешней среды в процессе выполнения работ; правильным выбором технологических методов, приемов и процедур, авиационных и наземных ТС, предназначенных для их проведения. В этой главе проанализированы теоретические взгляды по этому вопросу и обосновано положение о том, что

для решения задач стабилизации груза на ВП вертолетов представляется рациональным перенос центра тяжести исследований в область разработки относительно недорогих, но достаточно эффективных специальных ТС, позволяющих экипажу не только фиксировать положение груза на ВП, но и производить его разворот в полете на необходимый угол, компенсируя возможные отклонения ВС по курсу в момент висения над объектом. В самом общем случае создания таких ТС обуславливается необходимостью их применения в нестационарных, слабопредсказуемых, а зачастую и вовсе непредсказуемых условиях проведения экстренных АР с применением вертолетов.

В данной главе рассмотрены основные методологические подходы, на базе которых в мировой и отечественной практике выполнения АР формировались методы и модели анализа динамической устойчивости ЛА с грузом на ВП, и сделан вывод о необходимости их корректировки в части:

- установления границ безопасных условий полета ЛА при выполнении ТГВП и возможности снижения действующих летных ограничений;

- определения путей улучшения основных АХ существующих ТС, применяемых для выполнения экстренных АР, и разработки предложений по максимальному приближению их значений к теоретически возможным значениям;

- внедрения эффективных методов и приемов пилотирования вертолета с грузом на ВП.

В данной главе сформулированы задачи и методы исследования. Установлено, что основными методами исследования характеристик такой транспортной системы должны стать различные испытания и расчеты, наибольшую важность и сложность из которых имеют исследования динамики полета и безопасности функционирования системы при возникновении особых ситуаций в процессе выполнения экстренных АР (рис.1). В главе проведен анализ существующих технических решений проблемы ликвидации последствий ЧС с применением вертолетов. Приводится описание, тактико-технические характеристики, конструктивные и расчетные схемы различных ТС, размещаемых на ВП вертолетов. Рассмотрены сферы их применения, критерии рационального формообразования, проектирования и расчета.

Рис. 1. Цели, задачи и методы исследования

Указаны некоторые перспективные тенденции развития их конструктивных форм. Представлены требования, предъявляемые к таким ТС, рекомендуемые конструктивные материалы, нагрузки и воздействия. Определены критерии оценки целесообразности их выбора для проведения экстренных АР.

В качестве исходного материала использовались результаты исследований обеспечения безопасности и эффективности применения вертолетов при перевозке грузов на ВП, выполненных лично автором, а также опубликованные и фондовые материалы по исследуемой проблеме. Кратко анализируется состояние нормативно-правового механизма регулирования деятельности авиации при выполнении АР, связанных с необходимостью использования ВП вертолетов. В конце главы сформулированы основные выводы, вытекающие из поставленной цели и проведенного анализа проблемы.

Во второй главе работы с помощью ММ проводиться анализ динамики вертолета Ми-8 с отдельными категориями ТС на ВП в особых ситуациях, связанных с влиянием внешних воздействий среды на систему «Э-ВС-ГВП-С» при выполнении АР по тушению пожаров с воздуха и локализации аварийных разливов нефти (ЛАРН) на земной (водной) поверхности. Исследования проводились с целью определения условий динамической неустойчивости этих ТС в процессе выполнения экстренных АР, уточнения существующих и разработки новых требований, рекомендаций и предложений по их ЛЭ. При выполнении исследований использовались результаты ЛИ вертолетов Ми-26Т и Ка-32А с ВСУ-15 на ВП, Ми-8МТВ с ВКБР на ВП, материалы экспериментальных исследований в АДТ масштабной (1:4) модели ВСУ-15 и исследований масштабной (1:25) модели ВКБР, а также записи параметров полета вертолетов Ми-8АМТ и Ми-8МТВ, принадлежащих ОАО НПК «ПАНХ». Результаты получены с помощью ММ движения вертолета классической одновинтовой схемы с грузом на ВП, математическое описание и основные положения которой изложено в работах Ефимова В.В. (МГТУ ГА). Ее назначение – обеспечить достаточно простой расчет интегрального критерия «силовой фактор», который выражает одновременно величину и протяженность действий внешних возмущений на исследуемую систему. В качестве критериев оценки адекватности ММ движения воздушного судна (ВС) использовались два подхода, подробно описанных в работах профессора Кубланова М.С. На первом этапе оценивалась адекватность выбранной ММ при полете вертолета без груза путем сравнения результатов вычислительного эксперимента (ВЭ) с записями параметров полета вертолета Ми-8АМТ. На втором этапе та же ММ проходила проверку на адекватность моделирования поведения груза на ВП путем сравнения результатов ВЭ и ЛИ с пустым ВСУ-15.

В первой части главы проводится анализ динамики пустого (без воды или водных растворов) ВСУ-15 на ВП вертолета при ветровом воздействии различного направления и интенсивности с целью уточнения результатов исследований попадания ВСУ-15, транспортируемого на ВП из синтетического высокомолекулярного материала СВМ (ЛС-15), в рулевой винт (РВ) одновинтового вертолета. Была проведена серия экспериментов (работа проводилась Гувернюк С.В. и др.) по исследованию поведения ВСУ-15 на тросовой ВП вертолета. Установлено, что при небольших скоростях полета вертолета (менее 100 км/ч) конфигурация вихревого следа от НВ такова, что в районе расположения ВСУ-5А (ВСУ-15А) на ВП длинной 30…40 м поток отличается существенной нестационарностью и неравномерностью. Значения подъемной силы при его движении в области вихревого цилиндра принимают большие отрицательные значения. С ростом скорости положение такого легкого и парусного груза на ВП вертолета может меняться произвольным образом и в условиях турбулентной атмосферы, возможно сближение ленточной стропы (ЛС) с опасной зоной РВ одновинтового вертолета. При проведении исследований были приняты существенные допущения. Например, изучалось только отклонение ВСУ от вертикали на угол ( под действием набегающего потока воздуха, в том числе ветра. Полет же вертолета считался установившимся горизонтальным. При этом угловое движение вертолета не рассматривалось. Для оценки опасности попадания троса подвески в РВ логичнее оценивать не угол отклонения троса от вертикали (, а угол ( между тросом и плоскостью OXZ связанной системы координат вертолета. Для этого необходимо моделировать угловое движение вертолета, что позволяют сделать ММ и соответствующее программное обеспечение (ПО). В ВЭ изучалось влияние ветра, имеющего различное направление и интенсивность, на поведение ВСУ-15 во всем эксплуатационном диапазоне скоростей полета вертолета, в том числе на режимах ГП с ВСУ-15 на ВП при значениях Vгп>160 км/ч (за пределами действующих летных ограничений). Определены значения предельных углов отклонения троса ВП от вертикали, между тросом и плоскостью OXZ вертолета при воздействии встречного (табл. 1), бокового, вертикального восходящего порывов ветра. ВЭ установлено, что при скоростях вертикального восходящего порыва свыше 20 м/с увеличение скорости ГП приводит к уменьшению максимального угла (, в то время как при меньших скоростях порыва наблюдается обратная картина (рис. 2). При увеличении скорости встречного порыва влияние скорости полета на максимальный угол ( уменьшается (например, при скорости порыва 40 м/с это влияние практически незаметно (рис. 3)). Таким образом, на больших скоростях полета ВСУ-15 ведет себя устойчивее, чем на малых, поэтому при возникновении продольного раскачивания ВСУ-15 следует рекомендовать производить увеличение скорости полета.

Таблица 1

Предельные углы отклонения троса от вертикали и между тросом и плоскостью OXZ вертолета при воздействии встречного ветра

Применение ММ предоставило возможность рассмотреть динамику процесса изменения угла (, что позволило определить минимальные значения этого угла при колебательных движениях троса. Проведенные ВЭ показали, что при больших скоростях порыва ветра (20 м/с и более) для любого из рассмотренных выше его направлений существует тенденция к увеличению минимального угла между плоскостью OXZ и тросом ( (.

Во второй части главы проводится анализ динамики ВКБР на ВП вертолета Ми-8. Описание конструкции и массово-габаритные характеристики ВКБР приведены в главе 1 диссертационного исследования, а схема его подцепки к системе ВП вертолета представлена на рис. 4.

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 Rт превышает максимально допустимое значение 3000 кгс табл.2).

Таблица 2

Результаты вычислительных экспериментов без воздействия ветра

Скорость полета, км/ч Угол отклонения троса от вертикали, град Сила натяжения троса, кгс Угол атаки ВКБР, град

Пустой С грузом Пустой С грузом Пустой С грузом

60 11,3 4,1 946 2460 13,7 8,0

80 17,6 6,4 970 2454 7,3 5,6

100 22,3 9,0 1030 2479 2,7 3,0

120 27,6 11,6 1200 2545 -2,5 0,4

140 36,6 17,7 1675 2822 -11,6 -5,7

160 40,3 24,0 2065 3250 -15,3 -12,0

180 43,2 27,6 2515 3655 -18,2 -15,6

200 45,6 31,0 3041 4165 -20,6 -19,0

220 48,4 34,4 3595 4690 -23,3 -22,4

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-? 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.

???????¤??????

а с наблюдаемой экспериментально струей от НВ при соответствующей полетной скорости. Расчеты показали хорошее

Рис. 7. Результаты ВЭ полета вертолета Ка-32 с ВОП-3 массой 3000 кг на ВП со скоростью 50,6 км/ч («мгновенный снимок» вид сбоку): а) стрелками показано поле скоростей в продольной плоскости симметрии; б) заливкой показано поле модуля скорости.

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

Рис. 8. Зависимость скорости газа, вытекающего вертикально вниз из нижней плоскости лопасти НВ, от расстояния до оси НВ:


загрузка...