Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работе области критериальной оценки ЛА 16...20
Глава 2. Критерии конструктивного совершенства ЛА ГА по транспортным перевозкам U, М 21...44
2.1. Критерий U
2.2. Критерий М
Глава 3. Грузопоток и взлетная масса ЛА ГА, определение прототипов 45...49
Глава 4. Критерий энергетического совершенства ЛА ГА - BaF 49...61
4.1. Общие положения
4.2. Мощность As по схеме «полезный груз - ЛА-модель»
4.3. Мощность As по схеме «полезный груз - эквивалентное аэродинамическое тело (ЭТ)»
4.4. Сравнение оценки идеальной потребной мощности А5 предложенных схем
4.5. Затраты мощности W
4.6. Критерий BaF в целом
Глава 5. Критерий оценки транспортных возможностей ЛА ГА V 62...66
Глава 6. Области и особенности использования комплексной критериальной оценки ЛА ГА, методологии расчета взлетной массы и перспективы развития 67...68
6.1. Области использования
6.2. Критерии U, U, М
6.3. Методология расчета взлетных масс ЛА ГА
6.4. Критерий BaF
6.5. Критерий V
Глава 7. Оценка максимальной высоты ветровой волны в зоне эксплуатации ЛА ГА 69...74
Глава 8. Оценка состояния атмосферы в зоне взлета-посадки и дрейфа 74...80
8.1. Ветер
8.2. Температура атмосферного воздуха и обледенение
8.3. Интенсивность туманов и видимость
8.4. Определение допустимой глубины моря
Глава 9. Мореходность ЛА ГА по ветровой волне 83...87
Глава 10. Определение взлетной скорости 88. 90
10.1. Общие положения
10.2. Определение взлетной скорости
Глава 11. Основные положения по синтезу облика ЛА ГА, характеристика сведений в Приложении 91
11.1. Алгоритмы оценки параметров и синтеза облика ЛА ГА по требованиям Заказчика 91...108
11.1.1. Общие положения
11.1.2. Алгоритм определения параметров и синтеза облика обычного ЛА ГА контактного взлета и посадки
11.1.3. Алгоритм определения параметров и синтеза облика обычного ЛА ГА контактного взлета и посадки с повышением мореходности за счет увеличения взлетной массы
11.1.4. Алгоритм определения параметров и синтеза облика обычного ЛА ГА контактного взлета и посадки с повыщением мореходности за рчет уменьшения крейсерской скорости
11.1.5. Алгоритм определения параметров и синтеза облика ЛА ГА контактного взлета и посадки с повышением мореходности за счет использования дополнительной подъемной силы 159
11.2. Примеры расчетов 109...122
11.2.1. Общие положения
11.2.2. Пример 1
11.2.3. Пример 2
11.2.4. ПримерЗ
11.2.5. Пример4
11.2.6. Результаты расчетов и синтеза облика ЛА ГА 123... 124
11.3. Некоторые соображения по оценке аэрогидродииамического макрооблика ЛА ГА 125. 135
11.3.1. Общие соображения
11.3.2. Границы возможного использования традиционного облика СА кт ВП
11.3.3. Анализ возможности использования средств повышения подъемной силы
Выводы
Заключение
Литература
Содержание
Приложение
- Критерий М
- Мощность As по схеме «полезный груз - ЛА-модель»
- Методология расчета взлетных масс ЛА ГА
- Интенсивность туманов и видимость
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современная экономическая обстановка в мире характеризуется уменьшением запасов минерального и органического сырья, снижением уровня обеспеченности человечества пищей и энергией.
Анализ перспектив развития экономики, выполненный многими исследователями мира, свидетельствует о дальнейшем углублении негативных процессов на Земле, ведущем в конечном счете к политической нестабильности, к обострению отношений между добывающими сырье странами и промышленными странами с развитой обрабатывающей промышленностью. Вместе с тем, у человеческой цивилизации имеется возможность решить упомянутые экономические и политические проблемы за счет использования безграничных богатств Мирового океана и его дна, занимающего 71% поверхности планеты. Некоторые шаги в этом направлении уже предпринимаются: к примеру, согласно оптимистическим прогнозам добыла нефти в зоне континентального шельфа в первой половине 21-го века может составить 50-60 процентов, что почти вдвое превысит 35 процентов на начало 90-х годов прошлого века. Если соотношение запасов углеводородного сырья в океане в сравнении с сушей по данным некоторых исследователей оценивается как 3,7:1, то по запасам перспективного метаносо-держащего сырья это соотношение составляет 9:1, что также свидетельствует о жизненной необходимости освоения этих богатств.
Однако развитие промыслов в Мировом океане должно быть гораздо грандиознее упомянутой добычи энергетического сырья, поскольку необходимо будет организовывать на всем необъятном пространстве океана пункты по добыче полезных ископаемых, по выращиванию и добыче биопродуктов, по использованию интегральной энергии солнца, заключенной в морских течениях, ветрах, приливах и отливах и т.п.
Но до разворота работ по освоению богатств Мирового океана и его дна необходимо решить первостепенную важнейшую задачу - обеспечить его экологическую сохранность путем постоянного мониторинга и оперативной ликвидации последствий природных или техногенных катастроф и аварий на поверхности, в глубинах, на побережьях и водоемах, имеющих водосток в моря и океаны.
Для реализации указанных задач человечеству необходимы технически совершенные морские скоростные транспортные средства, незаменимую нишу среди которых занимают скоростные средства транспортировки людей, оборудования и грузов, объединенные в особую отрасль авиации -гидроавиацию. Гидросамолеты, самолеты-амфибии, экранолеты и экрано-планы безусловно будут востребованы наряду с судами морских флотов, трубопроводными магистралями, космическими летательными аппаратами, дирижаблями и, возможно, ракетами. И, естественно, решение задачи создания летательных аппаратов гидроавиации (ЛА ГА в дальнейшем) должно обеспечивать их совершенство, предусматривающее наличие соответствующих критериев и методологий создания.
Кроме упомянутых глобальных задач, на Земле имеются немало обводненных районов и зон, где строительство дорог и аэродромов либо невозможно, либо слишком дорого, множество прибрежных и островных по-
селений, не имеющих дорожных сетей, но требующих обеспечения транспортных связей на довольно больших, недоступных вертолетам расстояниях. И здесь уже сегодня, не говоря о будущем, могут быть востребованы амфибийные ЛА ГА, способные использовать различные виды поверхности для взлетов и посадок.
Перевозка пассажиров, экипажей эксплуатирующихся объектов для их оперативной смены, доставка срочных грузов, оборудования, врачей и медикаментов в экстремальных случаях, мониторинг и защита поверхности, атмосферы и глубин океанов, морей и других водоемов, запуск баллистических и космических ЛА из экваториальной зоны Земли — вот далеко не полный перечень мирных возможностей ЛА ГА при освоении Мирового океана и обводненных районов суши.
К военным функциям относятся снятие и установка минных заграждений, поиск и спасение экипажей потерпевших катастрофу или аварийных судов, смена экипажей атомных судов в отдаленных районах^^ океана, поиск и уничтожение подводных и надводных целей противника,^9 высадка и эвакуация десантов, патрульная и пограничная служба и многое другое.
При этом, учитывая темпы расходования сырья на суше при росте народонаселения Земли, ясно, что осуществление комплекса работ по защите и сохранению Мирового океана и по его освоению не является отдаленной перспективой для человечества, а требует уже сегодня достаточно энергичных мер по организации работ в планетарном масштабе. И, естественно, для осуществления всего комплекса возникнет необходимость в широкой гамме ЛА ГА, различающихся как по величине грузопотоков, так и по условиям эксплуатации в различных районах мира. Поскольку темпы создания каждого ЛА ГА до его внедрения в практику исчисляются десятилетиями, становится очевидным необходимость уже в настоящее время произвести анализ вариантов облика многих ЛА ГА. Если это сделать, к моменту начала разворота работ можно будет определять очередность разработок конкретных ЛА ГА, уточняя лишь некоторые параметры. Такой подход является залогом значительной экономии средств и — главное — времени для обеспечения успешного процесса освоения Мирового океана и своевременного решения задач создания оптимальных транспортных систем, где это целесообразно.
Следовательно, проблемы синтеза облика многих вариантов высоко- ^_ классных ЛА ГА для решения разнообразных задач актуальны и важны ^Р не только для гидроавиации, но и для экономики стран мира, особенно России. Об этом ярко свидетельствует включение большинства перечисленных выше задач гидроавиации в «Перечень критических технологий РФ» (Пр-578) и в «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ» (Пр-577), утвержденные Президентом России 31 марта 2002г.
Актуальность проблем, стоящих перед гидроавиацией, подтверждается также систематическим обсуждением их на Международных научных конференциях по гидроавиации в рамках «Гидроавиасалонов» 1996, 1998,
2000 и 2002 г.г. и совместными научно - исследовательскими работами ТАНТК им. Г. М. Бериева, Гос НИЦ ЦАГИ и ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского.
В качестве цели диссертационной работы была определена разработка методологии синтеза облика ЛА ГА на начальных этапах проектирования, которая обеспечивала бы их высокий технический уровень.
Из всего многообразия проблем, вытекающих из названной цели, в диссертации рассмотрены и решены две крупные группы задач, стоящих перед создателями технически совершенных дозвуковых ЛА ГА с диапазоном взлетных масс от 10 до 600 т:
1)разработка методологии комплексной оценки технического уровня ЛА ГА с помощью интегральных критериев;
2)разработка методологии синтеза внешнего облика ЛА ГА на начальном этапе проектирования, когда с Заказчиком обсуждаются требования по параметрам грузоперевозок (масса груза, скорость и дальность беспосадочной перевозки) и по условиям эксплуатации в открытом море (месту эксплуатации на поверхности воды, времени года и требуемой вероятности обеспечения транспортных операций).
Таким образом, поставленная цель и перечисленные выше группы задач, включенные в научные разработки диссертации, в историческом и в техническом отношениях являются актуальными для гидроавиации. Они требуют возможно более быстрого решения и становятся востребованными при создании и сертификационной оценке ЛА ГА. Методы исследования, использовавшиеся в работе:
историко-технический анализ развития авиационной техники, основанный на принципах диалектической логики и фундаментальных физических и философских законов развития природы и техники;
исследование множества критериев оценки технического уровня летательных аппаратов с целью выявления наиболее общих, интегрирующих совокупности положительных качеств в небольшом количестве компонентов;
исследование разнообразных статистических параметров летательных аппаратов, волнения моря в различных районах Мирового океана и климатической инфраструктуры при их эксплуатации с целью получения аналитических описаний, приемлемых для использования при автоматизированном проектировании;
исследование закономерностей и приоритетов для использования при создании методологий синтеза облика ЛА ГА на основании получаемых основных параметров на базе банка данных существующих ЛА и перспективных проектов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методологии комплексной оценки технического уровня летательных аппаратов гидроавиации с помощью интегральных критериев и создании с ее использованием методологии синтеза облика ЛА ГА на базе требований заказчика и банка данных существующих летательных аппаратов и их проектов.
В результате диссертационных исследований получен ряд новых результатов. В качестве основных следует отметить:
разработаны критерии конструктивного, энергетического совершенства и оценки территориальных транспортных возможностей ЛА ГА, алгоритмы определения которых включают установление достигнутых в авиации статистических границ и расчет технического уровня ЛА по отношению к ним; при этом в критерии конструктивного совершенства учтена мореходность ЛА ГА, дающая возможность их сопоставления между собой и показывающая преимущества над сухопутными самолетами при освоении Мирового океана;
разработана методология мобильного расчета взлетных масс ЛА ГА на основании требований к грузопотоку, сокращающая процедуру в 30...40 раз в сравнении с существующими методологиями и дающая возможность определять прототипы и аналоги, чего в них нет;
разработаны модели и методологии определения идеальных значений мощности на перевозки грузов и пассажиров, что отсутствует в современной науке о транспорте;
предложено для полной энергетической оценки ЛА ГА ввести учет затрат на всех этапах их жизни, включая взаимодействие с окружающей средой, эквивалентными расходами топлива, суммирующимися с расходами силовых установок;
разработана методология обработки данных Регистров морей и океанов и аналитического описания волнения и климатических условий в районах эксплуатации ЛА ГА, сокращающая в 30...50 раз существующие затраты на оценку условий эксплуатации;
разработана мобильная методология расчета параметров и синтеза облика ЛА ГА, позволяющая в 40...50 раз снизить продолжительность и затраты на начальных этапах проектирования, благодаря чему открывается возможность многовариантного анализа и поиска с заказчиком оптимальных требований к ЛА ГА, определяющих дальнейшие длительность и стоимость создания ЛА.
Научная новизна подтверждена многочисленными публикациями и докладами на различных международных научных конференциях и симпозиумах [1...41], а также рядом патентов и авторских свидетельств на изобретения.
В совокупности перечисленные результаты выполненных исследований существенно развивают научное направление в области создания новых и модификации существующих ЛА ГА.
Достоверность исследований подтверждается объемными сравнениями получаемых по методологиям результатов с данными реальных самолетов. Как показано в диссертации, к примеру, расчетные параметры амфибий, полученные для грузопотоков и условий эксплуатации А-40 и Бе-200 практически полностью соответствуют их реальным значениям. Аналогичные подтверждения получены для волнения моря, ветра в океане, а расчетные значения взлетных масс 115 гидросамолетов и самолетов -
амфибий мира в 107 случаях по относительной погрешности не превысили 10%.
Эффективность результатов следует из того, что: а) комплекс интегральных критериев позволяет объективно, в относительных величинах, сравнивать ЛА ГА с мировым техническим уровнем, что дает возможность также сопоставлять ЛА по уровню между собой; кроме этого, он может использоваться для сравнения различных типов ЛА и видов транспортных машин; б) мобильность разработанных методологий, сокращающая в десятки раз время и стоимость выполнения расчетов определяющих облик ЛА параметров, позволяют обеспечивать многовариантный анализ ЛА ГА на предварительном этапе проектирования, когда с Заказчиком могут быть найдены компромиссные решения, обеспечивающие оптимальность создания новых ЛА ГА, возможность применения модификации, или вообще использования существующих ЛА ГА.
Корректность разработанных методологий расчета определяющих критериев и параметров ЛА ГА подтверждается однозначностью результатов обработки статистических параметров, достигнутых оптимизацией процесса поиска решений, результаты которых широко используются в методологиях.
Автор защищает разработанные в диссертации методологию комплексной оценки технического уровня летательных аппаратов гидроавиации с помощью интегральных критериев и созданную (с ее использованием и с привлечением авторской методологии аналитического описания условий базирования ЛА на поверхности океана) методологию синтеза облика ЛА ГА на базе банка данных существующих летательных аппаратов и их проектов.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработанные на базе большого количества статистического материала, корректно обработанного на основании выполненных исследова-
-G>
ний, методологии оценки технического уровня и синтеза облика ЛА ГА доведены до рекомендаций по практическому использованию и иллюстрированы примерами.
Методология оценки технического уровня ЛА ГА с помощью интегральных критериев позволяет: а) корректно обрабатывать их статистические параметры, выявляя максимальные значения, достигнутые современной гидроавиацией; б) весьма просто рассчитывать критерии для конкретных ЛА ГА; в) сравнивая критерии конкретных ЛА с максимальными, оценивать в относительных единицах их технический уровень, позволяющий судить об их совершенстве по рассматриваемому критерию. Получаемые результаты дают возможность, во-первых, предметно говорить, достигнут ли прогресс при создании ЛА ГА, а, во-вторых, выявлять параметры, которые наиболее полезно улучшить для повышения технического уровня ЛА. Кроме этого, уже на достигнутом уровне анализа технического уроппя некоторых типов самолетов появляется перспектива рассмотрения возможности нормирования технического уровня ЛА ГА.
Методология синтеза облика ЛА ГА, основывающаяся на учете требуемой вероятности совершения транспортных операций, величины грузопотока и территориальных, климатических и инфраструктурных требованиях по месту базирования на море, позволяет мобильно определять параметры и синтезировать облик ЛА ГА. Это дает возможность на этапе предварительного проектирования, при обсуждении технического задания (ТЗ) с Заказчиком решать, необходима ли разработка нового ЛА ГА, либо достаточна модификация прототипа, либо возможно использование существующего ЛА, если он согласится на рассчитываемое и предлагаемое изменение требований в технических заданиях (ТЗ).
Благодаря сведению результатов теоретических исследований к достаточно простым аналитическим зависимостям, обе методологии пригодны для расчетов с использованием компьютерных математических моделей, а также к мобильному выполнению расчетов без них.
В целом, разработанные методологии и подходы к решению поставленных задач, содержащиеся в диссертации, представляют практическую ценность для авиационных специалистов не только в области ЛА гидроавиации (ТАНТК им. Г. М. Бериева, ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского и Заказчиков ЛА ГА), но и в области ЛА других типов авиации (АНТК «Ильюшин», АНТК'ЯуЛОЛеЬиЦНИИ им. А. Н. Крылова, ЦКБ СПК им. Р. Е. Алексеева, ХАИ, МАИ, СГАУ и др.).
Внедрение результатов работы. Материалы диссертации прежде всего были внедрены в отечественном центре гидроавиастроения — на ТАНТК им. Г. М. Бериева — в виде руководства для конструкторов конструкторского бюро предварительного проектирования (отчет №01-1991/ 2001-07-13) и использовались при синтезе облика модификаций реактивных самолетов-амфибий А-40 и Бе-200 повышенной мореходности, а также других ЛА ГА, включая А-2500 со взлетной массой 2500т. Основные поло-жеиня диссертации послужили основой решений международных научных конференций по гидроавиации в рамках «Гидроавиасалона» в
1996,1998,2000 и 2002 гг., а также совместного ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, Гос НИЦ ЦАГИ, ТАНТК им. Г. М, Бериева, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и в.ч.26923 «Протокола №1-07-98 Гжк о намерениях научного сотрудничества в области морских авиационных транспортных средств», во исполнение которого и выполнен ряд исследований диссертации.
Материалы диссертации использованы в учебных процессах филиала кафедры 101 МАИ И КАФЕДРЫ «Летательные аппараты» ТРТУ при курсовом и дипломном проектировании.
На основании разработанных методологий выполнены оценки технического уровня ЛА ГА ТАНТК им. Г. М. Бериева, АК «Ильюшин» и АНТК « Антонов», докладывавшиеся на научных конференциях.
Акты внедрения приложены к работе.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций и научных чтений (см. таблицу 1).
Таблица 1
Публикации материалов диссертации насчитывают 41 наименование. 17 патентов и авторских свидетельств также относятся к материалам диссертации, как содержащие конструктивные и схемные решения по ЛА ГА.
Личный вклад соискателя заключается в том, что все научные положения от формирования целей работы и задач до разработки методологий, алгоритмов, их проверки и иллюстрации выполнялись автором.
Вместе с тем, автор считает необходимым выразить глубокую признательность коллегам из ТАНТК им. Г. М. Бериева Г. С. Панатову, В. С. Бе-лоусову, В. К. Анастасову, П. М. Дробязко, из Гос НИЦ ЦАГИ В. П. Соко-лянскому, из АК «Ильюшин» Н. Д. Таликову, из АНТК «Антонов» В. А. Привалихину, из ТРТУ В. Г. Захаревичу, В. В. Василовскому, Е. Е. Буб-лсю, из ;468ВП МО В.Н. Григорьеву, В. О. Терешко, В. Л. Панцыреву, из ТЛ1ШЛ В. Н. Какуркину и В. Ф. Моргачу и другим, чье внимание к работе и участие помогали ее выполнять. Особенно искреннюю благодарность автор выражает профессорам МАИ Б. В. Бойцову, В. В. Мальчевскому, М. Ю. Куприкову, Н. К. Лисейцеву и сотрудникам кафедры 101, чьи замечания и требовательные, но благожелательные рекомендации существенно помогли придать диссертации должный вид.
Развитие основных положений, полученных в диссертации, другими авторами осуществлялась в основном соискателем ученой степени кандидата технических наук В. О. Терешко, аспирантами кафедры ЛА ТРТУ В. В. Хруленко и А. А. Парфеновым. Обработка статистических данных по состоянию поверхности моря и атмосферы, а также методологии определения облика новых разработок ЛА ГА практикуются специалистами бригады гидродинамики ТАНТК (начальник бригады Гломбинский Е. Н.). Методологии используются при выполнении дипломных проектов студентами ТРТУ и МАИ, представлялись на конкурсы и отмечались во всероссийском масштабе.
Структура и объем диссертации
Критерий М
Приведенный в разделе 2.1 метод оценки уровня технического совершенства ЛА ГА
по транспортным перевозкам U, очевидно, справедлив для любых видов ЛА и других видов транспорта. При этом, подчеркнем, в методе имеется два основных элемента - возможность "натуральной" оценки удельного грузопотока U, приходящегося на 1т взлетной массы, и возможность получения отношения к максимально возможному значению для данной взлетной массы, достигнутому в мире уровню U.
В аппарате оценки ЛА в настоящее время, к сожалению, нет различия между сухопутными ЛА и ЛА гидроавиации, в связи с чем естественное отставание ЛА ГА от сухопутных, являющееся "данью" за способность работать на воде, представляет ЛА ГА отсталыми. Вместе с тем, мы знаем, что ни один сухопутный самолет не способен выполнить контактную транспортную операцию с посадкой на воду и взлетом с нее. Поэтому для установления действительной весомости ЛА ГА для транспортных контактных операций в открытом море необходим учет не только удельной величины транспортных перевозок, но и учет способности эксплуатации с воды. Иначе говоря, критерий, учитывающий указанные особенности должен четко отвечать на вопросы, когда ЛА ГА способен садиться на воду и взлетать с нее, а когда - при неспособности посадок и взлетов (к примеру, при бурной непогоде) - он превращается в ущербное в сравнении с сухопутными ЛА их подобие.
Самолеты-амфибии, способные взлетать и садиться как на сухопутные аэродромы, так и на гидродромы, по средствам обеспечения взлета и посадки практически подобны сухопутным самолетам. Поэтому интерес к оценке влияния аэродромных ограничений на облик ЛА представляет определенный интерес для решения задачи критериальной оценки ЛА ГА. Достаточно основательно этот вопрос рассматривается в работах М. ТО. Куприкова [59 и др.] В них показано существенное влияние длины взлетно-посадочной полосы (ВПП) на концепцию облика ЛА: при ВПП малой длины ЛА должен приближаться к самолетам КВЇЇ или ВВП.
Однако гидросамолеты и самолеты-амфибии при взлете и посадке с воды жестких ограничений по длине ВПП обычно не испытывают( хотя иногда - при эксплуатации на малых водоемах - длина ВПП определяет количество приемлемых для ЛА ГА водоемов и, следовательно, площадь поверхности региона, обслуживаемую ЭТИМИ аппаратами). Попытка оценки такого типа ЛА ГА была осуществлена на ТАНТК ранее (см., к примеру, [34, 49]). Но сказанное относится в основном к ЛА ГА малых размеров и тоннажа, в то время, как предметом рассмотрения настоящей работы являются магистральные ЛА ГА, потенциально пригодные для освоения и экологического мониторинга Мирового океана. Поэтому поиск новых методов учета возможностей ЛА ГА совершать транспортные операции в открытом море привел исследователей задачи к двум основным концепциям: 1) концепции учета возможности преодоления ветровой волны ЛА ГА в сравнении с максимально высокой волной в заданном регионе или в Мировом океане в целом; 2) концепции учета вероятности совершения транспортной операции в сравнении с параметрами моря в заданном районе.
Как вьиснилось позднее, обе эти концепции по сути своей тесно взаимосвязаны, но в данном разделе мы остановимся только на первой из них, отнеся рассмотрение второй к разделам оценки мореходности ЛА ГА. Если эту максимальную высоту принять за эталон стопроцентной возможности использования ЛА ГА в Мировом океане, то при возможности ЛА ГА преодолевать ветровую волну высотой h можно учесть уровень совершенства по мореходности, использовав критерий U и отношение реальной высоты h к максимальной [Н]:
Но для определения высоты преодолеваемой ЛА ГА ветровой волны В. П. Соколян ским была предложена [9,34, 60, 61, 77, 78] зависимость: в которой: А - постоянный коэффициент (для САктВП с ДТРД - 4360, с ТВД - 3960), VE - взлетная скорость ЛА ГА. Учитывая, что уровень соотношения между крейсерской и взлетной скоростями определяются возможностью механизации крыла, установкой подъемных, бустериых двигателей или другими конструктивными решениями, направленными на обеспечение приемлемой минимальной скорости взлета и посадки, введем в (32) отношение скоростей в виде коэффициента Z и представим VB как:
Но, поскольку высота преодолеваемой ЛА ветровой волны для Мирового океана составляет долю от 10 м, величина относительного грузопотока рассматриваемого как степень конструктивного совершенства ЛА ГА, будет соответственно меньше максимального. Выполнив расчеты по некоторым реактивным ЛА ГА, включая самолет-амфибию вертикального взлета-посадки ВВА-14 конструктора Р. Л. Бартини [63], мы получим наглядную иллюстрацию эффективности специальных мероприятий по уменьшению взлетно-посадочных скоростей - за счет выдува воздуха на выпущенный закрылок на японском ЛА ГА PS-1 и за счет установки подъемных двигателей на амфибии ВВА-14 авиаконструктора Р. К. Бартини (см. таблицу 7).
Критерий М является тем самым «натуральным» мерилом транспортных возможностей ЛА ГА, учитывающим реальную мореходность по отношению к принятой за Юм максимальную высоту ветровой волны в открытом море.
Примечание к таблице 9: высота допустимой ветровой волиы h = 3,5 м для PS-1 является расчетной для скорости посадки 122 км/ч; в проспектах фирмы «Шин-Мэйва» ограничение для длин волн до 170 м составляет 2 м, а допустимая величина 3,5 м разрешается только при длинах волн более 240 м, что, вероятнее всего, является следствием неустойчивости самолета и заливаемости винтов при столкновениях самолета с короткими, но более крутыми волнами.
Как видим, «натуральные» значения критерия М существенно уступают значениям критерия U, которое в принципе определено и для сухопутных самолетов. Применение специальных конструктивных мер по уменьшению взлетно-посадочных скоростей ЛА ГА у PS-1 (выдув воздуха на выпущенные закрылки) и ВВА-14 (установка подъемных двигателей для вертикального взлета при горизонтальной скорости 70 км/ч) четко фиксируется при использовании критерия М. Вместе с тем, на примере самолета PS-1 видно, что потери дальности за счет затрат топлива на перевозку и работу газогенератора системы УПС не позволили этому самолету разительно превзойти средний уровень, хотя этот самолет получил преимущество над остальными ГС и СА кт ВП. Рассчитанные при массовой отдаче 0,32 данные для самолета-амфибии вертикального взлета-посадки ВВА-14 свидетельствуют, что его параметры почти в пять раз превышают максимальньш средний уровень по транспортным перевозкам с учетом мореходности по преодолению ветровой волны и почти соответствует максимальному уровню, не превосходя его из-за малой массовой отдачи, определившей уровень критерия U, вполовину меньшим максимального. Величина h = 12,4 м этого самолета для Мирового океана с максимальной высотой волны в 10 м является избыточной. Если бы даже массовая отдача этого самолета была вдвое меньшей, то и тогда бы эта удивительная машина более, чем вдвое, превосходила бы средний уровень остальных ЛА ГА!
Мощность As по схеме «полезный груз - ЛА-модель»
Существовавшие до работ исследователей ТАНТК взгляды характеризовали полезную работу в виде валовой производительности [41,43,45 и др.]: средняя крейсерская скорость полета. Однако совершенно ясно, что валовая производительность могла бы считаться полезной мощностью, если бы mg была силой, т.е. если бы груз поднимался в поле тяжести Земли вертикально со скоростью V, что явно не соответствует действительности (по словам Р. Л. Бартини он принимал подобную трактовку в работе 1942-1943 гг. "Оценка самолетов методом виртуальных перемещений", но впоследствии от нее отказался [37]).
Рассматривая полезный груз в виде ЛА, представляющего собой модель современного лучшего ЛА, имеющего массу, равную массе этого полезного груза и перемещающегося в атмосфере в условиях горизонтального крейсерского полета, и сравнивая процесс движения с перемещением твердого тела по горизонтальной плоскости (рис.20), легко вывести по подобию процессов значение коэффициента трения, определяющего силу трения при перемещении и, следовательно, требуемую мощность.
Действительно, при перемещении груза по твердой поверхности (рис, 20, а) при пренебрежении его аэродинамическим сопротивлением величина усилия для перемещения будет равняться силе трения, равной произведению массы груза пь на коэффициент трения ц.:
При полете модели ЛА с массой mg усилие для перемещения в воздухе, преодолеваемое тягой, будет равняться частному от деления массы на аэродинамическое качество К: циент трения ее о воздух в сумме равен:
Но произведение сил трения на скорость есть потребная мощность. Следовательно, в принятой нами первой схеме, где груз представлен ЛА, масса которого равна массе груза:
Первая схема для оценки величины полезной мощности, строго говоря вытекала из стремления показать, что валовая производительность в анализе энергетического совершенства ЛА может иметь право на существование, если ее закономерно уменьшать в — раз (62).
Но схема «ЛА-модель» с точки зрения строгой теории выглядит искусственной, поскольку не в полной мере отвечает на вопрос «Какая мощность на перевозку груза массой mg со скоростью V в атмосфере на режиме крейсерского полета является идеально минимальной при дозвуковых режимах?»
По предложению Л. Г. Фортинова на ТАНТК была рассмотрена, проанализирована и принята другая схема, названная условно «полезный груз - эквивалентное аэродинамическое тело (ЭТ)». Смысл этой схемы состоит в том, что неделимый объем полезного груза заключается в невесомую оболочку обтекаемого аэродинамического тела, имеющего минимальное сопротивление при полете в атмосфере с заданной скоростью V. Если полезный груз состоит из множества неделимых тел (к примеру, перевозимых пассажиров), то их суммарный объем определяет объем и размеры оболочки аэродинамического тела, как размеры неделимого груза определяют его габариты. Указанная оболочка названа эквивалентным аэродинамическим телом - ЭТ. В качестве такого тела было выбрано каплеобразное тело И-721 [66], у которого в широком диапазоне чисел Рейнольдса на дозвуковых скоростях полета, особенно в зоне автомодельности, коэффициент удельного лобового сопротивления Сх минимален в сравнении с другими телами и практически постоянен в достаточно широком диапазоне чисел Re, Данные по ЭТ приведены в таблицах 18 и 19.
Так как объем ЭТ, естественно, есть функция кубической степени диаметра, на основании данных таблицы 19 находим постоянную величину, связывающую объем и диаметр миделя, и определяем зависимость диаметра от любого объема ЭТ: d диаметр миделевого сечения ЭТ. Если неделимый объем груза, который может быть вписан в ЭТ, или составляющие которого могут быть в эту форму уложены, Eg, на основании (63)...(65), приравняв объем ЭТ объему груза и использовав данные таблицы 19 по удлинению, мы получим размеры ЭТ:
Лобовое сопротивление такого ЭТ будет минимальным на режиме крейсерского полета: На основании его определения, помножив на крейсерскую скорость полета, мы получаем идеальную мощность, необходимую для перевозки полезного груза, уложенного в ЭТ, в атмосфере на крейсерской высоте с заданной скоростью:
Для получения значения минимально потребной для перевозки полезного груза массой п% мощностиА5в размерности валовой производительности - тс км/ч- величины, входящие в (70):
Её - неделимый или укладываемый для сохранения формы объем груза, м3, V - крейсерская скорость полета, км/ч, С - удельный коэффициент лобового сопротивления ЭТ на режиме крейсерского полета, р - массовая плотность воздуха на высоте полета, кГ сек2/м4 в системе СГС, Аа - минимальная потребная мощность на перевозку груза в крейсерском полете, определенная по схеме ЭТ, тс км / час.
Полученное значение As вполне пригодно для использования в зависимости (38). Любопытным является сравнение размеров грузовых кабин некоторых транспортных реактивных самолетов, которое приведено на рис. 21. (На этом рисунке соответствующим масштабированием размеров выполнено сравнение продольных сечений грузовых кабин с единым ЭТ, что позволяет наглядно оценивать соответствие их идеальным значениям - размерам ЭТ).
Методология расчета взлетных масс ЛА ГА
Здесь, во-первых, также представляется необходимость продолжения исследований для усовершенствования методологии с учетом разбежки значений mo. Впрочем, следует сказать, что и сегодня имеется возможность определения рядов значений коэффициентов С и показателей степени у для таблиц типа 5 и зависимостей (19),(20) для различных значений
Во-вторых, отмешу-, что предложенная методология, базирующаяся на показателях ЛА ГА со средней массой рекомендованного диапазона, выход на большие взлетные массы приводит к тому, что значения удельных километровых расходов топлива становятся намного меньше реальных. Для компенсации этого несоответствия и была введена корректировка по статистическим контрольным удельным расходам, позволяющая корректировать и значения максимальных грузоподъемностей, и максимальных расчетных дальностей ЛА ГА, о чем более подробно рассказывается в разделе 11.1 главы И диссертации. Это явление особенно заметно при расчетах взлетной массы супертяжелых ЛА ГА, не вписывающихся в оговоренные диссертацией диапазоны. К примеру, попытка использовать методологию для расчетов по амфибии типа Бе-2500 [13] - при тк=700т; Lg = 7Tbic.KM; V = 800 км/час - позволяет получить значение взлетной массы т0 = 1966,3 т, что меньше приведенных в [13] массы 2500 т. Расчетный удельный километровый расход топлива для такого самолета получается очень малым - 12,4 т/тыс. км. Корректировка по статистическому удельному расходу, в которой используется полученное по методологии первоначальное значение т0= 1966,3 т, дает значение контрольного расхода в 43,9 т/ тыс. км, Вследствие этого существенно корректируются и становятся соответствующими полученным «академическим» методом проектирования максимальная грузоподъемность, максимальная расчетная дальность и взлетная масса ЛА (последняя становится равной 2517,25 т, что соответствует 2500т в[13]).
Как упоминалось, критерий оценки энергетического совершенства BaF, связав воедино технические, эксплуатационные, экономические и экологические параметры ЛА ГА, стал ценным комплексным критерием, применимым для анализа и оценки самоходных транспортных машин любого типа. Использование в нем идеальных значений мощности для грузоперевозок и эквивалентных затратам энергии расходов топлива сделало его безразмерным, объективно позволяющим сравнивать транспортные машины между собой и учитывать взаимодействие с окружающей средой в отношении влияния на нее. Этот критерий может быть трансформирован при упрощениях во многие существующие энергетические критерии (удельные расходы топлива на км пути, расходы топлива, приходящиеся на одного пассажира и т.п.), что свидетельствует о его всеобъемлемости.
Перспективы работы над этим критерием весьма многообещающи и здесь, подобно рождению методологии расчета взлетной массы из критерия конструктивного совершенства можно ожидать не менее интересной отдачи. Это особенно важно, если в дальнейшем анализировать системы транспортных машин, а не только единичные образцы.
В диссертации была показана наглядность комплексного объемного критерия V применительно к охвату Земли ЛА различных типов (ЛА ГА и транспортными самолетами), имеющих одинаковую взлетную массу, В части 4 будет показана практическая инвариантность от взлетной массы значений параметров учета транспортной эффективности. Это дает возможность сравнения крупных транспортных машин различных видов в случаях, когда необходим поиск оптимальных решений при создании транспортных систем для различных регионов. Кроме того, подобная оценка может стать основой для открытия новых видов транспортных машин.
Как уже упоминалось, заказчик ЛА ГА для контактных транспортных операций в море наряду с требованием по обеспечению количественных параметров грузоперевозок определяет место в океане (море), время года (сезон) и вероятность полетов с посадкой на воду и взлетами с нее.
Вторая - эксплуатационная часть требований - вызывает необходимость вначале рассмотреть метеорологические и гидрологические условия в зоне взлетов-посадок, а затем так определить параметры и облик ЛА ГА, чтобы требуемая вероятность транспортных операций была обеспечена.
Иными словами, для удовлетворения в полной мере требований заказчика о посадках и взлетах ЛА ГА в заданном районе моря (океана) в заданное время года (зимой, летом и т.п.), в определенное время суток (днем, ночью), в дождь, в снег, в туман, при приливах и отливах и др. нами должен быть выявлен из числа имеющихся или создан соответствующий им ЛА ГА, обладающий комплексом средств для обеспечения должной мореходности, т.е. способности двигаться по морю, включая паузы между посадкой и взлетом.
Таким образом, эксплуатационная часть требований является определяющей при выборе состава приборного оборудования ЛА ГА, его аэрогидродипамической компоновки, при закладке запасов прочности, не говоря уже о коррозионной стойкости, выборе средств обслуживания гидродромов (включая схемы наблюдения, очистки поверхности от плавающих препятствий, организации средств навигации и связи, аварийных средств).
Из всего многообразия требований по обеспечению мореходности ЛА ГА на предварительном этапе разработки, чтобы ие увязнуть в проблемах, решаемых только в процессе рабочего проектирования и последующих этапах создания ЛА, выделим наиболее важную, поддающуюся научному учету особенность - требования и меры по обеспечению мореходности ЛА ГА по высоте преодолеваемой ветровой волны. Затем попробуем учесть влияние других параметров состояния атмосферы и поверхности воды в месте эксплуатации ее корректировкой.
(Вопросы взаимодействия ЛА ГА с волнами зыби, требующие особого анализа, в работе не рассматриваются). Для получения представления о сложности картины волнения водной поверхности океанов и морей достаточно даже бегло ознакомиться с работами отечественных и зарубежных ученых по вопросам физики моря, океанографии и метеорологии [66, 67, 68, 69 и др.]. Это ознакомление позволит понять всю сложность процессов, происходящих при взаимодействии ветра, воды и диа, при взаимовлиянии процессов термического и химического характера, влияющих на волнение моря. В задачу настоящей работы подобный анализ никоим образом не входит, в связи с чем для решения задачи определения высоты ветровой волны в заданных условиях мы воспользуемся статистическими материалами, ценность которых заключается в том, что они концентрируют все многообразие процессов, представляя конечный достоверный результат.
Из упомянутых трудов остановимся на [68], В этом справочнике поверхность океанов размечена на учтенные зоны и районы (рис. 25, 26), для которых приводятся таблицы календарной статистической информации о волнении и ветрах. (Данные соответствуют 97% обеспеченности, т.е. достоверности. В 3%, когда возможны волны несколько большей высоты, мы считаем, что ЛА ГА работает в зоне эксплуатационной перегрузки, коэффициент запаса прочности и обеспеченности по незаливаемости для которой должен закладываться в конструкцию ЛА).
Интенсивность туманов и видимость
Оба фактора, достаточно уверенно представляемые метеорологами в виде статистических, расчетных и других прогнозов, могут считаться угрожающими для ЛА ГА, не оборудованных аппаратурой слепой посадки с контролем состояния поверхности и глубины моря в зоне возможной посадки, маневрирования на воде и взлета. Для оборудованных ЛА ГА туманы и плохая видимость являются факторами, переводящими уровень работ в категорию работ в сложных гидрометеорологических условиях, к которым пилоты и экипажи тщательно подготавливаются.
Действительно, маневрирование ЛА ГА по акватории в целях выполнения задачи, дрейф с выключенными двигателями, взаимодействие с различными плавсредствами ставит этот тип ЛА в особые условия, поскольку в общем-то исключительно нежная по прочности и по жесткости конструкция ЛА ГА не способна противостоять ударам жестких тел, а последствия пробоин, несмотря на принимаемые меры по непотопляемости, могут сказываться гораздо ощутимее, чем у надводных кораблей флотов. Полученная в полете информация бортовой аппаратуры о состоянии водной поверхности в силу наличия течений и волнения не может долго оставаться стабильной. Поэтому в зоне стационарных операций на плаву должны находиться какие-то минимальные плавсредства, способные подготавливать (тралить) поверхность, постоянно наблюдать ее, контролировать перемещение ЛА ГА самостоятельно или на буксире, обеспечивать безопасность работ. При этом полная картина операций на акватории должна иметься как у берегового руководителя полетов, так и у руководителя на одном из плав-средств. Для примера приведем минимальный перечень плавсредств обеспечения эксплуатации поисково-спасательного самолета-амфибии А-42 на стационарном гид-родроме:
Наличие этих плавсредств, а также руководителя полетами на берегу или на крупном судне обеспечивает контроль за всем происходящим на акватории, обеспечивая работу ЛА ГА в условиях допустимости по туману и видимости с учетом прогнозирования хода их изменения.
В случае работы одиночных ЛА ГА на неподготовленных гидродромах предусматриваются комплексы аппаратурной оценки акватории, подготовительных работ (включая воз можный сброс осветительных авиабомб), контроль волнения моря и метеоусловий бортовой аппаратурой, а также непременное использование информации от различных средств (береговых, судовых, спутниковых и т. п.) центров.
При известной вероятности допустимых туманов и видимости TTV следует выполнять сопоставление с заданной вероятностью Ts и принимать решение аналогично решениям при опасности обледенения и ветров - не допускать при отсутствии необходимой аппаратуры эксплуатацию ЛА ГА в периоды недопустимых метеоусловий. В случаях крайней необходимости выполнения требований заказчика по вероятности совершения транспортных операций выход можно обеспечивать либо увеличением количества ЛА ГА, используемых в допустимых условиях, либо несколько увеличивать мореходность ЛА для расширения времени работы при этом.
Недостаточная глубина моря в районе работы создает не только опасность повреждения днища при волнении или при просадке самолета во время посадки. Она опасна тем, что отбрасываемая вниз днищем при взлете или при посадке вода при недостаточной глубине, отражаясь от дна, как от экрана, способна существенно исказить картину гидродинамики, вызывая порой неустойчивость движения ЛА, сопровождаемую большой раскачкой ЛА в вертикальной плоскости. При этом возможны случаи, когда отразившаяся от редана струя возвращается вверх за задним реданом, так что хвостовая часть самолета повисает в образующейся за лодкой впадиной, почти не имея опоры о воду.
Определение минимальной допустимой глубины может оцениваться путем сравнения ее с высотой преодолеваемой ЛА ГА волны, рассчитываемой по формуле В. П. Соколянско-го (95) с учетом величины взлетной скорости. Рекомендации по этому отношению должны приниматься по статистическим данным, полученным в результате исследования моделей и натурных ЛА ГА в виде рекомендуемых отношений: В (99): ho -рекомендуемое отношение; hD - глубина моря; h - высота ветровой волны, преодолеваемой ЛА ГА при взлетной скорости ЛА. По данным В. К. Анастасова, ведущего специалиста по гидродинамике на ТАНТК,
Стремление к разработке нового ЛА может побуждаться двумя основными причина ми: 1) обострением необходимости обеспечения грузоперевозок в заданном районе, ко орые ;# не удовлетворяются существующими ЛА; 2) стремлением к продолжению эволюции ра тия авиационной техники на основании достигнутых и прогнозируемых передовых научно-технических решений.
В рыночных условиях, естественно, преобладает первая причина, хотя проработки вариантов эволюции ЛА ГА, предвидимые при анализе системосхемы или революционных г научно-технических находок (вспомним появление реактивных двигателей в авиации) в гда служат фундаментом для быстрой реализации новых ЛА по призыву рынка. В качестве иллюстрации представляется уместным напомнить классический пример работы артиллерийского КБ Петрова, которое накануне второй мировой войны выполнило ряд разработок новых орудий, доведя их буквально до рабочих чертежей. Это был типично эволюционный шаг. Но, когда во время войны возникла острая необходимость в одном из орудий, это, благодаря «заделу», удалось сделать в считанные месяцы. {Такой темп внедрения нового для несведущих чиновников от техники послевоенного поколения послужило, как ни странно, поводом для всяческого противостояния реальным срокам, предлагаемым разработчиками, -«А вот Петров во время войны...». И это нанесло немалый вред развитию отечественной техники, поскольку не давало возможности многовариантному поиску оптимальных решений на самом начальном этапе разработки, когда определяется основа - облик машины, без чего даже самые талантливые коллективы не в состоянии были обеспечить исключительность нового).
При централизованном субсидировании большинства ОКБ со стороны государства финансирование новой техники велось в основном на основании госзаказа, формировавшегося потребителями. Поскольку этап создания новых крупных ЛА занимает большей частью более десятилетия, нынешние попытки разработчиков найти инвестора в рыночной системе РФ и Запада весьма затруднительны, поскольку владельцы капиталов предпочитают вложение средств в быстро окупающиеся предприятия, уходя от риска возможных неудач. Но научный подход к созданию авиатехники настоятельно требует использования эволюционного пути по выработке предложений со стороны ОКБ для потенциальных заказчиков и инвесторов. Поэтому, оставив в стороне вопросы финансирования, в качестве наиболее дешевого метода предварительных разработок, пригодного для обоих путей создания новых ЛА ГА, предлагается определение облика ЛА с использованием в качестве первого компонента поиска обоснованную возможность определения взлетной массы, а в качестве второго - определение необходимой взлетной и посадочной скоростей.
Поясним это положение подробнее. Действительно, заказчик ЛА большей частью не является эрудированным авиационным специалистом, знающим особенности процесса проектирования
