Введение к работе
Актуальность. В настоящее время, характерное ускорением технических и социальных процессов, все большую актуальность приобретает оперативное использование вертолетной техники во всех сферах обеспечения жизнедеятельности человека. Наиболее перспективными областями ее применения работы, связанные с мониторингом экологических и технических объектов, ликвидацией чрезвычайных ситуаций, развитием систем оказания экстренной медицинской помощи на удаленных расстояниях, обслуживание буровых платформ прибрежного шельфа. Наиболее подходящим типом винтокрылых аппаратов для решения задач указанного класса являются многоцелевые вертолеты нормальной или транспортной категории с максимальным взлетным весом 1,5...5 тонн, проектированием которых в настоящее время начинают интенсивно заниматься отечественные конструкторские бюро.
Перспектива широкого применения и массовой эксплуатации вертолетов указанных классов возводит в ранг особой значимости задачу повышения уровня безопасности разрабатываемой вертолетной техники. Для этого, в том числе, необходимо применение всесторонних мер к обеспечению безопасной посадки вертолета (на режиме авторотации или при одном отказавшем двигателе) как на сушу, так и на водную поверхность, в случае непредвиденного отказа какой-либо функциональной системы. Под отказом функциональной системы понимается ситуация, при которой произошел отказ одной из основных систем вертолёта, обеспечивающих его поддержание в воздухе (топливная система, электрооборудование, одна из гидросистем и т.д.). В данном рассматриваемом случае отказа функциональной системы вертолета единственным средством обеспечения безопасности является возможность выполнения безопасной посадки вертолета на сушу или на водную поверхность. В последнем случае вертолет должен быть снабжен системой аварийного приводнения - АПВ. Как уже было указано выше, при этой ситуации рассматривается управляемая посадка на режиме самовращения несущего винта (НВ), или управляемая посадка при одном отказавшем двигателе.
Наиболее наукоемкой и наиболее сложной задачей комплексного обеспечения безопасности современной вертолетной техники является проблема исследования и моделирования управляемой посадки вертолета на режиме авторотации (или при одном отказавшем двигателе). Под авторотацией, в классическом смысле, понимается режим полета со снижением, в процессе которого несущий винт выходит на самовращение под действием набегающего потока воздуха, без подвода мощности от двигателя. Главной задачей пилота при этом является четкое и методически отработанное управление авторотирующим несущим винтом с целью максимального гашения вертикальной и продольной скорости снижения вертолета к моменту касания посадочной поверхности (ПП). Разумеется, что при этом должна быть обеспечена надлежащая прочность вертолета и его основных агрегатов (несущей системы, системы управления и шасси) для восприятия посадочных нагрузок и надлежащая энергоемкость шасси для снижения пиковых значений
посадочных нагрузок. Если совершается посадка на водную поверхность, то также должна быть обеспечена надлежащая плавучесть и устойчивость приводнения вертолета. Отметим, что в терминологии АП-29 приводнение сухопутного вертолета, оснащенного системой АПВ, называется вынужденным приводнением.
Перечисленные аспекты безопасности посадки (или вынужденного приводнения) вертолета в целом регламентируются комплексом нормативных требований Авиационных правил АП-29 или АП-27 и должны быть отработаны на этапе разработки и сертификации летательного аппарата. Однако в современные нормы проектирования вертолетов заложен в целом формализованный подход к обеспечению безопасности при авторотационной посадке, который является универсальным и не учитывает индивидуальные конструктивные особенности вертолета. К числу таких особенностей в качестве примера можно отнести бесшарнирный тип несущего винта. При этом очевидно, что на современном уровне развития техники должен быть выполнен учет влияния всех факторов, в том числе влияния вращающегося несущего винта и маховых колебаний каждой лопасти несущего винта на динамический процесс посадки или приводнения вертолета.
Анализ требований безопасности, предъявляемых к современному сертифицированному вертолету и относящихся ко всем видам его авторотационной посадки, свидетельствует об однозначной взаимосвязи вопросов проектирования и прочности, как вертолета в целом, так и его отдельных агрегатов. Причем только комплексным подходом к процессу обеспечения прочности и процессу проектирования вертолета может быть обеспечен соответствующий уровень безопасности авторотационной посадки.
При проведении исследования в настоящей диссертационной работе учтено, что для подавляющего большинства вертолетов легкой и транспортной категорий в общемировой практике вертолетостроения применяется шасси полозкового типа. При этом ограниченное распространение шасси данного типа среди отечественных вертолетов также в свою очередь возводит в ранг актуальности исследования особенностей посадки вертолета с таким типом шасси.
Отечественные исследования проблем безопасности посадки вертолета на режиме авторотации были направлены, как правило, на усовершенствование методик аэродинамических расчетов таких процессов и имели четкую направленность только на классические типы несущих винтов с шарнирным креплением лопастей. К числу таких исследований можно отнести известные работы Акимова А.И., Бравермана А.С, Володко A.M., Лисса А.Ю. Изучению проблем моделирования процесса посадки вертолета с полозковым типом шасси были посвящены работы известных российских инженеров и ученых Александрина Ю.С., Бирюка В.И., Тимохина В.П. Причем в исследованиях Александрина Ю.С. и Тимохина В.П. впервые для отечественного вертолетостроения был поднят вопрос о влиянии тяги несущего винта на процесс посадки вертолета с полозковым типом шасси и была обозначена проблема устойчивости вертолета в процессе посадки. Однако следует
отметить, что в настоящее время в открытой научно-технической печати работы, посвященные проблемам посадки и приводнения вертолетов, и тем более вертолетов с полозковым типом шасси, встречаются достаточно редко.
Отечественные исследования процессов посадки на водную поверхность сухопутных летательных аппаратов были ограничены, как правило, только моделированием приводнения самолетов. Лишь в небольшой своей части исследования ученых ФГУП «ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского» Шорыгина О.П., Гонцовой Л.Г., Беляевского А.Н. и Осьминина Р.И. касались вертолетной тематики. При этом отдельных научных исследований процесса приводнения вертолета, оснащенного АПВ, до настоящего времени какими-либо другими авторами не проводилось.
В зарубежных публикациях проблемы исследования безопасности посадки вертолета с полозковым типом шасси поднимаются относительно чаще. Однако следует заметить, что все они направлены на подробное моделирование стендовых копровых испытаний. Основной методической базой при проведении таких исследований служит метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в современных расчетных системах LS-DYNA и MSC.Dytran. Также на основе указанных расчетных комплексов зарубежными учеными выполняются исследования процессов посадки вертолета на водную поверхность. Необходимо заметить, что при этом ни в одной из зарубежных работ не обсуждаются вопросы моделирования различных видов посадки вертолета с учетом влияния вращающегося несущего винта, тем более с учетом маховых движений лопастей.
Для разработки методов моделирования процессов посадки и приводнения вертолета с полозковым типом шасси с учетом всех основных значимых факторов необходимо привлечение результатов современных исследований из различных отраслей знаний авиационной науки: аэродинамики, гидродинамики, механики деформирования авиационных конструкций и физики нелинейного деформирования материалов конструкций. Сложность поставленных задач, в свою очередь, требует также привлечения современных численных методов и методов имитационного моделирования. На основе разработанных моделей и методов должны быть определены методики выбора конструктивных параметров агрегатов вертолета с учетом требований безопасности его последующей эксплуатации. По результатам выполненных исследований должно быть выполнено обобщение наиболее значимых факторов, влияющих на безопасность выполнения вертолетом авторотационной посадки с целью дальнейшего совершенствования нормативно-методической базы для последующего проектирования современной вертолетной техники. В качестве нормативно-методической базы в данном случае рассматриваются рекомендательные циркуляры (РЦ) и методы определения соответствия (МОС) к соответствующим параграфам Авиационных правил АП-29. Обозначенный круг вопросов представляет собой комплексную научно-техническую проблему, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы. Разработка математических моделей и методов исследования нагружения вертолета с полозковым шасси и его основных
агрегатов при выполнении посадки на сушу и вынужденном приводнении. Обоснование, на базе данных моделей и методов, необходимости уточнения существующей нормативно-методической базы для проектирования современной вертолетной техники с целью повышения уровня безопасности указанных выше видов посадок.
Научная новизна. Для решения обозначенных проблем разработана комплексная математическая модель нагружения вертолета с бесшарнирным несущим винтом при посадке, учитывающая индивидуальные маховые колебания лопастей несущего винта и позволяющая выполнить корректное определение параметров переменного и постоянного нагружения каждой лопасти аэродинамическими и инерционными нагрузками при быстроменяющемся во времени процессе посадки. При этом использовано моделирование упруго-махового движения лопасти и разработана имитационная модель нагружения полозкового шасси на основе искусственной нейронной сети. Также разработан метод решения задач контакта вертолета и его посадочного устройства (шасси или баллонетов АПВ) с произвольной посадочной поверхностью, на базе которого разработана математическая модель вынужденного приводнения вертолета. В основе разработанной модели лежат известный метод плоских сечений и теория глиссирования цилиндрического тела, которые ранее применялись при моделировании процесса приводнения сухопутного самолета и впервые были применены для решения задачи приводнения вертолета. На основе перечисленных математических моделей разработаны методы обеспечения проектирования полозкового шасси вертолета.
В диссертации выносятся на защиту следующие основные результаты:
1) Метод решения задач контакта вертолета с произвольной посадочной
поверхностью и разработанная на его основе математическая модель
вынужденного приводнения вертолета;
2) Комплексная математическая модель нагружения вертолета на
полозковом шасси при посадке, учитывающая индивидуальные маховые
колебания лопастей несущего винта и позволяющая выполнить корректное
определение параметров переменного и постоянного нагружения каждой
лопасти аэродинамическими и инерционными нагрузками при
быстроменяющемся во времени процессе посадки;
-
Имитационная модель полозкового шасси вертолета, основанная на применении искусственной нейронной сети;
-
Методы обеспечения проектирования полозкового шасси: методика определения характеристик энергоемкости рессор (на основе показателя энергопоглощающей способности рессоры полозкового шасси) и способ определения параметров усталостной долговечности конструкции полозкового шасси в эксплуатации с учетом возможного числа «грубых» посадок, характерных наличием остаточных деформаций рессор;
-
Предложения в части уточнения требований параграфов 29.563, 29.801 АП-29, а также предложения по формированию РЦ и МОС к параграфам 29.501, 29.563, 29.571, 29.801 АП-29.
Теоретическая и практическая значимость.
Теоретическая значимость заключается: 1) в дальнейшем развитии методов расчета нагружения вертолета с бесшарнирным НВ на режиме посадки; 2) в разработке методики расчета процесса вынужденного приводнения вертолета, основанной на теории глиссирования цилиндра; 3) в применении методов имитационного моделирования для численной реализации процесса нагружения полозкового шасси вертолета при посадке.
Практическая значимость заключается: 1) в адаптации разработанных методик и математических моделей к задаче выбора конструктивных параметров вертолета и его агрегатов на этапе проектирования по условию безопасности посадки и вынужденного приводнения; 2) в формировании научно обоснованных предложений для разработки и уточнения нормативно-методической базы, гармонизированной с современной редакцией Авиационных правил АП-29 (АП-27).
Реализация работы. Соответствующими актами подтверждено, что результаты настоящей диссертационной работы внедрены:
-
в ОКБ ОАО «Казанский вертолетный завод» при проектировании и разработке вариантов модификаций вертолета АНСАТ;
-
в ФГУП «ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского» при выполнении научно-исследовательских работ и разработке проектов сертификационной документации в части:
методики расчета условий гидродинамического контакта вертолета с водной поверхностью при выполнении им вынужденного приводнения;
методов расчета внешних нагрузок на вертолет с полозковым типом шасси при выполнении посадки на режиме авторотации несущего винта.
Также соответствующим актом внедрения подтверждено, что результаты данной диссертационной работы могут быть использованы в опытно-конструкторских бюро ОАО «Вертолеты России» при проектировании перспективных образцов вертолетной техники.
Результаты настоящей диссертационной работы также использованы при выполнении Государственного контракта № П665 от 19 мая 2010 г. в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (регистрационный номер работы в ЦИТиС: 01201059752 от 21.07.2010 г.). Название работы по государственному контракту: «Повышение уровня безопасности эксплуатации летательных аппаратов».
В рамках исследований настоящей диссертационной работы оформлен Патент РФ № 120225 на полезную модель «Стенд для копровых испытаний трубчатых полозковых шасси вертолетов» от 04.05.2012 г. (авторы: Гарипов А.О., Неделько Д.В., Коротков Л.В., Алимов С.А., Денисов Ю.А., Наумов В.П.).
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается строгой постановкой задач исследования с использованием апробированного математического аппарата, тестированием алгоритмов и сравнением результатов полученных решений с результатами модельных, натурных стендовых и летных испытаний.
Апробация работы. Основные разделы диссертационной работы докладывались на международных и отечественных конференциях: «Гидоравиасалон-2008» и «Гидроавиасалон-2012» (г. Геленджик), «РосВО--2006», «РосВО-2008», «РосВО-2010» «РосВО-2012» (г. Москва), «Авиакосмические технологии и оборудование АКТО-2010», «XVI Туполевские чтения 2008» и «АНТЭ-07» (г. Казань), а также:
- на расширенном научно-техническом совете НИО-5, НИО-12 и НИО-19
ФГУП «НАГИ им. А.Н. Жуковского»;
- на научно-техническом совете отдела прочности трансмиссий
летательных аппаратов ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»;
- на научно-техническом совете вертолетного отдела НИЦ ЭР AT 4 ЦНИИ
МО РФ (г. Люберцы).
По материалам диссертационной работы сделаны доклады на 37-ом форуме Европейского вертолетного общества (2011 г.) и на конференции Европейского агентства авиационной безопасности (Helicopter Ditching, Water Impact & Survivability Workshop 5&6 December 2011, Cologne, Germany).
Объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 135 наименований и содержит 355 страниц машинописного текста.
