Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы началось восстановление рынка вертолетных авиауслуг. По прогнозу отечественных экспертов годовой налет всех легких вертолетов к 2030 году составит 600 тыс. часов, по сравнению с современным налетом в 80 тыс. часов. Для занятия приемлемых рыночных позиций легкие вертолеты следующего поколения должны обеспечить улучшение экономических показателей, повышение точности навигации, снижение метеоминимумов, организацию зависимого наблюдения, увеличение автономности эксплуатации, увеличенную дальность полета, улучшение комфортности пассажирских перевозок и повышение безопасности при возникновении на борту аварийной ситуации. Одним из главных компонентов обеспечения безопасности перевозок является возможность выполнения посадки на режиме авторотации при возникновении аварийной ситуации в воздухе.
Легкие вертолеты гражданской специализации, в основном, оснащаются шасси полозкового типа. Данный тип шасси наименее требователен к техническому обслуживанию. На этапе проектирования вертолета должна быть обеспечена возможность прогнозирования его поведения при посадке, и тем самым – возможность выполнения подбора необходимых конструктивных и методологических параметров обеспечения безопасности. Для этого необходима разработка математической модели процесса посадки вертолета с полозковым шасси на режиме авторотации. Достоверность такой математической модели должна быть подтверждена как опытом эксплуатации, так и опытом проведения стендовых и натурных летных испытаний. При отсутствии возможности подробного анализа опыта эксплуатации на первый план выступает необходимость проведения подробного моделирования условий нагружения вертолета в процессе авторотационной посадки с учетом всех возможных состояний посадочной поверхности.
В части требований АП-29 (параграф 29.473) в процессе анализа условий посадки вертолета предписано задание постоянной величины тяги несущего винта, проходящей через центр тяжести вертолета и направленной вертикально вверх. Формализованные требования АП-29 не предполагают возможности учета нестационарного характера изменения тяги несущего винта и предписывают рассмотрение постоянной величины тяги несущего винта в процессе посадочного удара.
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению проблемы фактического изменения сил и моментов на втулке несущего винта в процессе авторотационной посадки вертолета и изучению их влияния на закономерности параметров нагружения вертолета и траекторию его движения в процессе посадочного удара. Актуальность данной работы заключается в необходимости учета фактического изменения величин аэродинамических сил и моментов на втулке несущего винта вертолета в процессе посадочного удара с целью определения параметров безопасности выполнения посадки и последующего допуска вертолета до проведения летных испытаний на режиме авторотации.
Цель работы
Решение научной задачи: разработка математической модели, воспроизводящей условия натурной посадки вертолета с полозковым типом шасси и позволяющей выполнить численное моделирование процесса посадки и нагружения вертолета с учетом влияния аэродинамических сил и моментов на втулке несущего винта.
Решаемые задачи
1. Разработка математической модели посадки вертолета, основанной на использовании специализированной математической модели полозкового шасси (разработанной на базе теории больших перемещений стержней крыльевого профиля Павлова В.А., Михайлова С.А. и Гайнутдинова В.Г.) и математической модели аэроупругого несущего винта бесшарнирного типа.
2. Уточнение математической модели несущего винта, позволяющей определить мгновенные значения аэродинамических сил и моментов на втулке за один оборот несущего винта, с целю расчета параметров процесса посадочного удара вертолета вблизи экранирующей посадочной поверхности.
3. Исследование устойчивости вертолета с полозковвым типом шасси при выполнении им авторотационной посадки.
4. Определение напряженно-деформированного состояния полозкового шасси вертолета в процессе посадочного удара.
Научная новизна
В диссертации представлены следующие основные результаты:
1. Разработана и верифицирована математическая модель посадки вертолета, оснащенного полозковым шасси трубчатого типа, учитывающая наличие упруго-пластического деформирования материала рессор, больших перемещений консолей рессор, изменение сил и моментов на втулке несущего винта в процессе посадочного удара, а также влияние близости земли на изменение аэродинамических параметров, характеризующих посадку. Модель разработана применительно как к бесшарнирным несущим винтам, так и к классическим винтам шарнирного типа, и позволяет выполнить расчет мгновенных значений аэродинамических сил и моментов на втулке за один оборот несущего винта.
2. На основании разработанной математической модели натурной посадки выполнен параметрический анализ процесса авторотационной посадки вертолета АНСАТ и определена зона устойчивости посадки вертолета по условию отсутствия капотирования при различных начальных углах тангажи и вертикальных посадочных скоростях.
3. Выполнен параметрический анализ влияния угла наклона тарелки автомата перекоса, закона изменения силы тяги несушего винта, параметров сечения трубы задней рессоры полозкового шасси на диапазон устойчивости посадки вертолета по условию отсутствия капотирования.
Практическая ценность
Использование разработанной математической модели посадки вертолета позволяет выполнить исследование условий нагружения и поведения вертолета в процессе посадочного удара с учетом аэродинамических сил и моментов на втулке несущего винта на этапе проектирования вертолета. Использование предлагаемой математической модели посадки вертолета позволяет определить напряженно-деформированное состояние полозкового шасси и провести численное исследование безопасности выполнения посадки вертолета с различными коэффициентами трения полозков о посадочную поверхность.
Основные результаты диссертационной работы использованы для определения условий безопасности выполнения посадки вертолета «АНСАТ» на бетонную поверхность взлетно-посадочной полосы.
Достоверность результатов
Достоверность математической модели динамического нагружения трубчатого полозкового шасси при посадке подтверждена (на базе теории больших перемещений стержней крыльевого профиля) сравнением результатов расчета по данной модели с результатами расчета по МКЭ и анализом физического смысла результатов расчета.
Достоверность математической модели посадки вертолета подтверждена: сравнением результатов расчета с результатами натурного летного эксперимента и анализом физического смысла результатов расчета.
Положения, выносимые на защиту:
1) Математическая модель посадки вертолета, основанная на использовании специализированной модели полозкового шасси (разработанной на базе теории больших перемещений стержней) и модели аэроупругого несущего винта бесшарнирного типа;
2) Математическая модель нагружения несущего винта на режиме авторотации в процессе посадки вертолета с учетом влияния близости экранирующей посадочной поверхности;
3) Исследования устойчивости вертолета с полозковым типом шасси при выполнении им авторотационной посадки.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развитии авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-07» (г. Казань, 2007 г.), на 8-ом и 9-ом форумах Российского вертолетного общества (г. Москва), на международной молодежной научной конференции «XVI Туполевские чтения» (г. Казань, 2008 г.), на научно-практической конференции АКТО-2010 (г. Казань, 2010 г.), на 37-ом Европейском вертолетном форуме (Ticino Park, Italy, 2011 г.).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 работах. В их числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 1 публикация в зарубежном научном издании, тезисы и материалы научно-технических конференций.
Объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и содержит 129 страниц машинописного текста, 3 таблицы, 94 рисунка. Библиография включает 55 наименований.
Похожие диссертации на Численное моделирование процесса посадки и нагружения вертолета с полозковым шасси с учетом аэродинамических сил и моментов на втулке несущего винта
