Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ выполнения авиационных работ по распределению веществ 17
1.1. Особенности и виды авиационных работ 17
1.2. Система авиационных работ по распределения веществ 25
1.3. Воздушные суда для распределения веществ 34
1.4. Оборудование для авиационного распределения веществ 45
1.5. Технологии и обеспечение работ по распределения веществ 54
1.6. Выводы но разделу 59
2. Оценка показателей эффективности авиаработ по распределению веществ 61
2.1. Эффективность авиационных работ по распределению веществ 61
2.2. Оценка эффекта авиационного распределения веществ 66
2.3. Затраты на авиационные работы по распределению веществ 76
2.4. Частные показатели эффективности авиационных работ 89
2.5. Сравнительные оценки системы и ее элементов 95
2.6. Выводы по разделу 104
3. Моделирование авиационного распределения веществ 106
3.1. Описание движения частиц при авиационном распределении 106
3.2. Возмущения приземного слоя атмосферы 114
3.3. Аэродинамические возмущения воздушных судов 119
3.4. Моделирование индуктивного следа воздушного судна 130
3.5. Движение частиц вещества в индуктивном следе 146
3.6. Выводы но разделу 162
4. Описание воздушных судов для авиаработ 164
4.1 Модели описания перспективных воздушных судов 164
4.2 Показатели специализированных самолетов 173
4.3 Характеристики многоцелевых вертолетов 191
4.4 Описание автожиров ( гиропланов) 202
4.5 Мотодельтапланы для выполнения авиационных работ 213
4.6 Выводы по разделу 223
5. Авиационные работы но распределению пестицидов и агрохимикатов 226
5.1 Влияние индуктивного следа на объекты обработки 226
5.2 Обеспечение качества распределения веществ 237
5.3 Анализ средств авиационного опрыскивания 250
5.4 Описание и выбор средств распределения удобрений
5.5. Технологические режимы выполнения авиационных работ 284
5.6. Перспективная система авиационных работ 297
5.7. Выводы но разделу 310
6. Авиационное распределение веществ в чрезвычайных ситуациях 314
6.1. Особенности авиационных работ в чрезвычайных ситуациях 314
6.2. Показатели распределения сливаемых жидкостей 322
6.3. Система авиационного тушения пожаров 340
6.4. Авиационное распределение для борьбы с разливами нефти 355
6.5. Безопасность применения подвесных устройств 364
6.6. Выводы по разделу 379
Заключение 381
Список использованной литературы 384
Приложения 398
1. Математические модели описания основных унифицированных агрегатов воздушных судов 398
2. Модели описания основных типовых агрегатов воздушных судов различных видов 401
3. Модели показателей опрыскивателей воздушных судов 406
4. Модели описания оборудования воздушных судов для внесения твердых удобрений 4
- Воздушные суда для распределения веществ
- Затраты на авиационные работы по распределению веществ
- Моделирование индуктивного следа воздушного судна
- Анализ средств авиационного опрыскивания
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена наличием кризисных явлений и ряда нерешенных проблем в области авиационного обслуживания отраслей экономики страны в условиях объективной необходимости ее развития и повышения эффективности с учетом процессов глобализации и повышении конкуренции в мировой экономике. К ним можно отнести высокий износ занятого на авиационных работах (АР) парка воздушных судов ( ВС) и несоответствие его структуры и показателей возросшим потребностям и требованиям заказчиков, низкий уровень технического и технологического обеспечения авиаработ и безопасности полетов (БП) на них, несовершенство сети авиапредприятий (АП) задачам обслуживания потребителей, противоречия интересов АП и заказчиков работ, сложности наземного обеспечения АР и межотраслевого взаимодействия при их организации и выполнении, недостатки регулирования выполнения работ и некоторые другие, существенно снижающие объемы и показатели производства АР в стране. Эти проблемы особенно остры для авиаработ по распределению веществ (АРРВ), показатели выполнения которых в России по численности занятого парка ВС, количеству их полетов и налету за год сопоставимы с данными воздушных перевозок при худших в 3-4 раза удельных величинах БП. Роста спроса на АРРВ со стороны отраслей экономики и федеральных ведомств дополнительно обостряет отмеченные проблемы и требуют их скорейшего разрешения ввиду сильного влияния этих работ на стабильность и эффективность функционирования разных отраслей экономики, включая гражданскую авиацию, и обеспечение продовольственной и экологической безопасности страны. В этой связи решение научно-практических вопросов совершенствования АРРВ является злободневной задачей, имеющей важное значение для развития гражданской и государственной авиации и экономики страны в целом, что определяет актуальность и значимость работ по созданию соответствующих методов и средств и темы диссертации.
Состояние проблемы научно-методического обеспечения совершенствования АРРВ связано с уровнем постановки задач и степенью учета в исследованиях сложного межотраслевого характера этих работ и многообразия влияющих на их показатели факторов. К настоящему времени проведено множество работ по исследованию различных аспектов использования гражданских ВС и выполнения АР (АРРВ), образующих теоретическую базу и определяющих направления исследований диссертационной работы.
В работах В.А.Назарова, М.А.Финикова, В.Б.Козловского и ряда других было показано, что АР являются специфическим видом деятельности АП, ориентированным на требования потребителей и во многом отличающимся от воздушных перевозок, что требует разработки и использования, наряду с общими подходами, специальных методов и средств решения задач в области АР с комплексным учетом их целей, эффективности и особенностей производства.
В части оценки эффективности использования ВС выделяются, в частности, труды Е.А. Овруцкого, Э.Д.Старика, С.А.Саркисяна, Э.С.Минаева, Р.В. Сакача, И.С. Голубева, Е.Ф. Косиченко, П.А.Нечаева, В.Б.Ромашкина, в которых были сформированы общие подходы и процедуры такой оценки , а также М.И. Славкова, С.С.Легкоступа, Н.В.Долбня, О.В.Худоленко и других ученых, развивающих методы оценки эффективности выполнения АР. Особенностью этих работ является отработка методов описания затрат по использование ВС, в т.ч. на базе нормативов и среднеотраслевых показателей, в то время как оценке эффекта АР и издержек на их выполнение со стороны АП и потребителей уделялось меньшее внимание, например, до настоящего время не разработаны методы и средства оценки целевого эффекта АРРВ, что ограничивает возможности и снижает достоверность анализа эффективности производства таких работ.
Задачам обоснования парка ВС для воздушных перевозок и обслуживания отраслей экономики посвящены работы Х.Г.Сарымсакова, А.А.Бадягина, В.С. Брусова, С.А.Пиявского, А.И.Плешакова и других специалистов. Эти задачи решались, как правило, с использованием критерия приведенных затрат, укрупненных статистических и полуэмпирических моделей описания ВС и принятых режимов их использования, что не в полной мере соответствует целям и особенностям выполнения АР. В этой связи основными направлениями развития решения парковых задач для АРРВ является использование адекватных их целям критериев оптимальности, моделей углубленного описания разных видов ВС, в т.ч. нетрадиционных (мотодельтапланы, автожиры), их оборудования для внесения веществ и режимов использования ВС в условиях АРРВ, а также связанных с эффектом работ показателей распределения веществ.
Моделирование характеристик ВС и выполнения ими полетов рассмотрено, в частности, в работах А.А.Бадягина, С.М.Егера, Н.К.Лисейцева, А.Г. Шнырева (самолеты), Ю.С.Богданова, В.Н.Журавлева, В.А.Касьяникова, М.Н. Тищенко (вертолеты), А.П.Клименко, И.В.Никитина (мотодельтапланы), И.П. Братухина, А.Г. Сатарова (автожиры). В настоящее время наиболее отработаны математические модели (ММ) описания самолетов и вертолетов, определяющие их показатели интегрально или поагрегатно на базе полуэмпирических выражений. Основным недостатком этих средств моделирования является "консервация" в них достигнутого на момент разработки ММ уровня развития ВС, а также слабая отработка моделей оценки стоимостных и эксплуатационных показателей ВС, что ограничивает их использование при обосновании характеристик перспективных ВС и требует корректировки. В свою очередь методы и средства моделирования мотодельтапланов и автожиров развиты недостаточно, что определяет необходимость их развития для оценки перспектив применения таких ВС.
Теоретические вопросы авиационного распределения веществ исследовались Ю.Г.Логачевым, В.С.Деревянко, А.И.Свининым, которые для ряда допущений использовали уравнения динамики движения изолированных частиц рабочего вещества (РВ) правильной и постоянной формы (материальной точки) и априорно заданные П-образные схемы вихревого следа самолетов и вертолетов, и впоследствии Б.Л.Артамоновым, А.Б.Евдокимовым, В.В. Дудник и другими специалистами, применявшими в этих задачах расчетные процедуры описания дальнего следа таких ВС на базе концевых вихрей их несущих систем (крыло, несущий винт) и органов управления, а также отдельных эффектов движения частиц. Указанные исследования по разным причинам проводились автономно от задач по совершенствованию методов и средств выполнения АРРВ и недостаточно отражают специфику таких работ. Эти недостатки могут быть устранены использованием на базе современных наработок (А.С.Белоцерковский, В.В.Вышинский, А.И.Желанников и другие) более совершенных методов описания индуктивного следа разных видов ВС в условиях АРРВ и дополнительного учета эффектов движения в нем частиц характерных жидких и твердых РВ.
Основные работы по оборудованию и технологиям для АРРВ (В.М.Шумилин, М.О.Гумба, Д.Г.Скалов, В.Г.Гусев, А.Г.Судаков, Э.П. Давыденко и другие) посвящены выбору показателей отдельных видов технических средств (ТС) и отработке технологических режимов их применения с учетом особенностей АР. До настоящего времени практически не исследованы вопросы структурно-функционального и аналитического описания ТС для АРРВ, формирования требований к ним и рекомендаций по выбору типа, состава и показателей оборудования для разных ВС и работ, а также обоснования качественных показателей и технологических режимов проведения АР заданным ВС с соответствующим ТС в различных условиях, что ограничивает возможности анализа и совершенствования выполнения АРРВ и требует ликвидации этого пробела.
Общими проблемами проведенных исследований в области выполнения АРРВ, как показывает анализ, являются низкий уровень системности методов и средств описания этих работ и отсутствие комплексного учета в них значимых для показателей АРРВ факторов и процессов, что определяет необходимость устранения этих недостатков.
Целью диссертационной работы является совершенствование принципов, методов и средств выполнения АР по распределению веществ для повышения их эффективности, конкурентоспособности и безопасности.
Для достижения этой цели в диссертации решались следующие взаимосвязанные задачи:
провести анализ системообразующих факторов и процессов выполнения АРРВ и разработать методологические основы анализа и совершенствования их системы;
выявить основные закономерности влияния на целевой эффект АРРВ показателей ВС, ТС, режимов полета, технологий и условий работ;
оценить показатели индуктивного следа различных видов и типов ВС в условиях АРРВ и его влияния на процессы и объекты обработок;
выполнить анализ процессов авиационного внесения веществ и разработать методы и средства их моделирования и повышения качества АРРВ;
сформировать комплекс моделей параметрического описания значимых для АРРВ показателей перспективных ВС разных видов;
провести структурно-функциональный анализ оборудования для АРРВ и разработать методические основы и модели оценки и выбора их показателей для разных видов ВС и работ;
разработать методы и средства выбора технологических параметров и режимов полета ВС разных видов при выполнении АРРВ;
оценить состав и основные показатели перспективной системы АРРВ и особенностей использования в ней ВС различных видов;
провести анализ особенностей АРРВ в чрезвычайных ситуациях и разработать методы и средства повышения их эффективности и безопасности;
разработать методы определения условий и режимов безопасного выполнения АРРВ вертолетами с подвесным оборудованием.
Методы исследований, используемые в диссертации, определяются её задачами и включают в себя метод системного анализа, в т.ч. методы описания систем и форм их анализа, статистические методы обработки фактических и расчётных данных, методы математического моделирования элементов и процессов АРВВ, экспериментальные методы определения отдельных показателей в процессе лётных испытаний ( ЛИ) и сопряженных наземных работ и методы прогнозирования развития систем и их элементов.
Достоверность результатов диссертации определяется использованием при разработке ММ экспериментальных и фактических данных, в т.ч. полученных автором при проведении ЛИ, сопоставимостью расчётных данных разработанных ММ и программных средств фактическим показателям и успешной реализацией на практике полученных рекомендаций, выводов и предложений.
На защиту выносятся:
методология системного анализа АРРВ, ориентированная на реализацию их конечных целей для потребителей с учетом расширенного перечня показателей организации, обеспечения, условий и выполнения таких работ;
методика и модели оценки целевого эффекта АРРВ на базе показателей их выполнения и распределения РВ, связанных с данными ВС, ТС, режима полета, технологии и условий работ;
обобщенная методика и средства моделирования вихревого следа ВС разных видов в условиях АРРВ и полученные на их базе модели, выводы и рекомендации по показателям и влиянию следа на осаждение РВ и объекты обработки;
методика и программы стохастического моделирования движения изолированных частиц твердых и жидких веществ в индуктивном следе ВС с учетом эффектов вращения, испарения и дробления частиц, свойств одно- и многокомпонентных веществ и состояния приземного слоя атмосферы , а также полученные с их использованием модели оценки показателей и рекомендации по совершенствованию процессов и качества распределения веществ на АР;
комплекс многопараметрических ММ массовых, аэродинамических, эксплуатационных, стоимостных и других показателей ВС разных видов для АРРВ;
типовая структурно-функциональная схема и классификационные признаки оборудования ВС для АРРВ;
методики поэлементного описания и модели показателей оборудования ВС для распределения жидких и твердых веществ;
метод обоснования и предложения по выбору типа, состава и показателей ТС для разных видов ВС и АРРВ;
требования к ТС для АРРВ и рекомендации по их созданию, модернизации и применению;
методика выбора технологических режимов выполнения АРРВ и рекомендации по рациональным диапазонам технологических параметров и режимов полета разных видов ВС на этих АР;
программные средства оценки показателей перспективных систем АРРВ и результаты обоснования размеров АП, состава, параметров и режимов использования ВС и их ТС для перспективной системы АХР;
концепция подвесного быстроразборного оборудования модульной полужесткой конструкции с гравитационным принципом выпуска веществ для АРРВ в чрезвычайных ситуациях и результаты ее реализации при создании оборудования для тушения пожаров и борьбы с загрязнениями окружающей среды вертолетами типа Ми-8, Ми-26 и Ка-32 и технологий их применения;
методика и средства моделирования движения внешней подвески вертолетов при использовании и аварийном сбросе подвесных ТС для распределения веществ на разных режимах полета в условиях возмущенной атмосферы;
базы статистических, экспериментальных и расчетных данных описания элементов системы и процессов выполнения разных видов АРРВ.
Научная новизна работы состоит в разработке автором теоретических положений и методологии совершенствования выполнения АРРВ и определяется:
системной постановкой задачи совершенствования выполнения АРРВ и сформированной методологией углубленного анализа межотраслевой системы их производства;
впервые выявленными связями целевого эффекта АРРВ и комплекса технических и технологических показателей их выполнения;
разработкой обобщенных процедур моделирования индуктивного следа ВС разных видов в условиях АРРВ и методов учета его воздействия на объекты обработок и распределения веществ;
созданием методов и средств стохастического моделирования процессов осаждения изолированных частиц твердых и жидких РВ при их авиационном внесении с учетом эффектов вращения, испарения и дробления частиц, свойств одно- и многокомпонентных веществ и состояния приземного слоя атмосферы и обоснованием на их базе путей повышения качества и эффективности АРРВ;
формированием комплекса уточненных и вновь разработанных многопараметрических моделей значимых для выполнения АРРВ показателей самолетов и вертолетов разных схем, автожиров и мотодельтапланов;
выполненным структурно-функциональным анализом ТС для АРРВ и сформированными на его базе методами поэлементного описания и выбора оборудования для разных видов ВС и работ;
впервые разработанной методикой комплексного выбора параметров полета и технологических режимов АРРВ с учетом качественных показателей обработок;
системным обоснованием стратегий формирования, состава и параметров перспективного парка ВС разных видов для выполнения АРРВ;
предложенной концепций создания и применения подвесного быстроразборного оборудования модульной полужесткой конструкции с гравитационным принципом выпуска веществ для выполнения АРРВ в чрезвычайных ситуациях;
разработкой расчетно-экспериментальной методики исследования и обоснования предельных режимов и условий БП вертолетов при транспортировании, целевом использовании и аварийном сбросе подвесных ТС в ожидаемых условиях выполнения АРРВ.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты обеспечивают:
расширенный комплексный учет выявленных значимых факторов при решении научно-практических задач по совершенствованию системы и технологий выполнения АРРВ для повышения их качества, эффективности и безопасности;
повышение качества и оперативности оценки предлагаемых промышленностью ВС и специального оборудования и уменьшение издержек при формировании и функционировании перспективной системы АРРВ;
формирование отвечающих потребностям авиапредприятий и потребителей АРРВ требований к вновь создаваемой авиационной технике;
обоснованный выбор вариантов оснащения ВС и рациональных параметров при создании новых и модернизации ТС для разных видов ВС и АРРВ;
сокращение времени и затрат на разработку и внедрение новых технологий АРРВ, в т.ч. при их регистрационных испытаниях;
повышение безопасности и снижение затрат по проведению ЛИ и отработке методов, ограничений и режимов полета ВС при выполнении АРРВ;
расширение возможностей, повышение эффективности и безопасности выполнения АРРВ в чрезвычайных ситуациях при использовании специального подвесного оборудования;
совершенствование нормативно-методического обеспечения выполнения АРРВ предприятиями гражданской и государственной авиации.
Реализация и внедрение результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы реализованы и внедрены в гражданской и государственной авиации РФ в части:
формирования требований к ВС и оборудованию для АРРВ (технические задания на технические предложения на создание самолётов и вертолётов с грузоподъёмностью соответственно 700-800 и 1000-1300 кг для АХР (1991, 2003), технические требования к перспективной авиасельхозаппаратуре и наземным средствам загрузки (1991), требования к техническим средствам распределения жидких веществ (2000), твёрдых веществ и биологических объектов (2001), технические требования к вертолётному комплексу тушения пожаров на базе вертолёта Ми-26Т с водосливным устройством ВСУ-15А (2007) и др.);
совершенствования нормативной базы выполнения АР (проекты и разделы ФАП "Общие правила выполнения авиационных работ" (1998), "Правила выполнения авиационных работ определённых видов в сельском хозяйстве" (2000), "Правила выполнения авиационных работ по борьбе с загрязнениями земной и водной поверхности" (2001), "Сертификация технических средств для выполнения авиаработ. Требования и процедуры сертификации" (2003) и др.);
обоснования требований к процессам АРРВ ("Агротехнические требования к распределению веществ в сельском и лесном хозяйстве" (2001));
отработки регламентов авиационного применения более 30 новых пестицидов и агрохимикатов в процессе их государственной регистрации и внедрения (1998-2009 г.г.);
обеспечения разработки и модернизации ТС для АРРВ (опрыскиватели ОС-1М и 4202.0691.000 самолёта Ан-2 и вертолёта Ми-2, водосливные устройства типа ВСУ-5 и ВСУ-15 вертолётов типа Ми-8, Ка-32 и Ми-26Т, подвесные опрыскиватели ВОП-3 и 4208.0479.00 вертолётов типа Ми-8 (Ка-32) и др.), а также приёмов и методов их использования на авиаработах;
подготовки пособий и рекомендаций по выполнению АРРВ ("Рекомендации по комплексной защите сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорной растительности в Краснодарском крае на 2001-2005 (2006-2012) гг." (2001, 2006), "Рекомендации по использованию самолётов Ан-2 на работах по защите зерновых колосовых культур от вредителей, болезней и сорняков в Северном Казахстане" (2006), "Методические рекомендации по технологии использования авиационными подразделениями МЧС России вертолётов с водосливными устройствами на внешней подвеске для тушения пожаров" (2007) и др.);
разработки инструкций выполнения АХР сверхлёгкими ВС "Авиатика-МАИ-890СХ", МД-20, МД-50, Х-32 "Бекас" в регионах Российской Федерации;
обеспечения выбора параметров проектирования и адаптации к применению перспективных для АРРВ типов ВС (вертолёты Ка-226 (-126) и Ми-34, самолёты Су-38Л, Ил-103СХ, Ан-3ТС, М-101Т, Бе-200);
отработки программ и проведения ЛИ авиационной техники для АРРВ (1992-2009 г.г.).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были представлены и докладывались (более 20 докладов) на 16 всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах ( 6 Конференция по использованию авиации в народном хозяйстве стран-членов СЭВ (г. Злин, 1990 г.), 6 Всесоюзная научно-практическая конференции по безопасности полетов (г. Ленинград, 15-17.10.1991 г.), 4 научные чтения памяти академика Б.Н.Юрьева (г. Москва, 23-24.04.1992 г.), 6 (25-26.02.2004 г.) и 7 (22-23.03.2006 г.) Форумы Российского вертолетного общества (г. Москва), 4 и 5 Международная конференция "Авиация и космонавтика-2005 (2006)" (г. Москва, 10-13.10.2005 г. и 22-26.10.2006 г.), Научно-техническая конференция "Проблемы разработки, производства, повышения качества и конкурентоспособности аварийно-спасательных средств и средств пожаротушения" (г. Балашиха, 10.11.2005 г.), Международная научно-техническая конференция "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (г. Москва, 18-19.05.2006 г.), Международная научно-практическая конференция "Проблемы подготовки специалистов для гражданской авиации" (г. Ульяновск, 20-21.11.2008 г.) и др.), обсуждались на заседаниях Научно-технического совета НПК "ПАНХ" и других организаций.
По материалам проведённых автором исследований в российских и зарубежных изданиях опубликованы 58 научных работ, в т.ч. монография (36,2 печ. листов) и 14 печатных работ в изданиях, включённых ВАК РФ в перечень изданий для опубликования материалов докторских диссертаций. Полученные в 1985-2009 годах результаты исследований также отражены в 62 отчётах о научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и актах ЛИ, в которых автор является научным руководителем, ответственным исполнителем или ведущим инженером по ЛИ.
Структура и объем диссертационной работы.
Воздушные суда для распределения веществ
Основной сферой деятельности ГА, т.е. авиации, предназначенной для обеспечения потребностей граждан и экономики, являются воздушные перевозки (ВП) и выполнение АР [1].
Перевозочная деятельность, связанная с транспортировкой на регулярной и нерегулярной основе пассажиров и грузов, является основной для отечественной и зарубежной ГА, при этом воздушным транспортом ежегодно перевозятся миллионы пассажиров и тысячи тонн разнообразных грузов ( в ГА СССР в середине 1980-ых годов годовой объем перевозок пассажиров и грузов превышал 100 млн. пассажиров и 3 млн. тонн грузов [2]). Содержанием ВП является перемещение с использованием ВС объекта транспортировки в заданное время по определенному маршруту при обеспечении требований но условиям размещения и транспортирования объектов и требований безопасности, прежде всего БП. Маршруты ВП строятся на имеющихся постоянных (стационарных) аэродромах, оснащенных в основном искусственными взлетно-посадочными полосами (ВГШ) и развитой аэропортовой инфраструктурой для обслуживания пассажиров и грузов и базового и транзитного обеспечения ВС. Объем ВП на внутренних и международных воздушных линиях связан с уровнем развития экономики страны и рядом других значимых факторов. В частности, в исследованиях ГосНИИ ГА [3,4] показано, что объем транспортной работы ГА РФ определяется в основном валовым внутренним продуктом (ВВП) и уровнем тарифов, при этом отмечена нелинейная опережающая связь объемов ВП с величиной ВВП. В этой связи, с учетом динамичного развития экономики России в последние годы и имеющейся задачи удвоения ВВП страны, прогнозируется увеличение спроса и объемов ВП ГА страны в среднем до 70-80 млн. пассажиров и 3,3-4 млн. тонн грузов.
Выполнение АР является не менее важным направлением деятельности ГА, на котором в России занято более половины эксплуатантов и парка ВС (в настоящее время 28 % АП выполняют только АР, а 29 % - совмещают ВП и АР). Главной особенностью АР является то, что полет ВС при выполнении АР является одним из элементов реализации потребности заказчика (потребителя), обусловленной часто не связанной с полетом как таковым целью (обработка сельскохозяйственных угодий, монтаж и демонтаж конструкции, получение информации и т.д.), т.е. для АР важен не только полет ВС между аэродромами взлета и посадки, которые могут совпадать, но и техническое и технологическое обеспечение в полете целей потребителя. В соответствии с действующим классификатором [5], гармонизированным с нормами ИКАО [6,7], выделяются 7 видов, 18 классов и 88 подклассов АР, при этом к АРРВ относятся 3 класса (16,7 %) и 22 подкласса (25 %) АР. Относительно невысокий удельный вес АРРВ в силу особенностей классификатора не отражает реального уровня распространённости и объёмов их производства у пас в стране и в мире. В частности, в СССР в 1981-1985 гг. при общем налёте ГА по обслуживанию отраслей экономики 72,95 млн. приведенных летных часов (л.ч.) налёт на АХР в сельском и лесном хозяйстве составлял 15 % [2], что с учётом отличий по классам и типовых режимов полёта ВС соответствует примерно 40 % фактического налёта и около 70 % выполненных на АР полётов. В последующие годы эти соотношения остались примерно неизменными и можно констатировать что АРРВ по удельному весу налёта и количества полётов а также числу занятых на них ВС составляют не менее половины всех АР в отраслях экономики и являются важнейшим элементом авиационной деятельности в России.
Необходимым условием выполнение АР является наличие на борту ВС специального оборудования или технических средств (ТС). ТС дня АРРВ обеспечивают размещение на ВС необходимых РВ и их выпуск с заданными параметрами, при этом показатели ТС определяют возможность выполнения АРРВ и их безопасность и эффективность. Разнообразие АРРВ, видов используемых РВ и требований потребителей по их внесению определяет многообразие ТС по принципам функционирования, показателям и областям применения с учетом параметров ВС. Особенностью АР в целом и АРРВ в частности является наличие технологии АР, связывающей ее целевое назначение и характеристики ВС с размещенным на нем ТС. Технология АР, т.е. совокупность методов, способов, приёмов и режимов использования ВС и его ТС с обеспечением лётной и экологической безопасности является неотъемлемой частью производства АР Назначение технологии состоит в обеспечении наивысшего эффекта или эффективности АР при максимальном удовлетво-рении потребностей заказчика этих шбот Проблемам технологического обеспечения АР
В настоящее время и в ближайшей перспективе, как показывает анализ, основными отраслями-потребителями АРРВ в России являются: агропромышленный комплекс (АПК) в части проведения АХР с целью повышения плодородия почв и подкормки сельскохозяйственных культур (СХК) и работ по защите растений от сорняков, вредителей и болезней; лесное хозяйство для охраны и защиты лесов от вредителей и болезней; службы предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (тушение пожаров, дезактивация химических и других загрязнений и т.д.); отрасли, связанные с разработкой, переработкой и транспортировкой полезных ископаемых (рекультивация ландшафтов, пылеподавление и др.); гидрометеорологические службы (вызывание осадков, лавин и т.д.).
Проведение АР в отраслях экономики тесно связано с уровнем и динамикой развития отраслей, при этом замедление развития отдельных отраслей вне зависимости от общего состояния экономики вызывает аналогичные процессы для объемов потребляемых ими авиауслуг со всеми присущими рыночной экономике последствиями для занятых их производством АП, В этой связи интерес представляют состояние и тенденции развития наиболее значимых видов АРРВ и их потребителей, к которым в условиях РФ можно отнести:
АХР по внесению жидких и твердых РВ и биологических объектов преимущественно в сельском и лесном хозяйстве и их аналоги в других отраслях; авиаработы по тушению лесных и других пожаров при ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС); работы по авиационному внесению в основном жидких РВ для предотвращения и ликвидации загрязнений земных и водных поверхностей.
АХР в сельском и лесном хозяйстве получили свое развитие на рубеже 20-ых годов прошлого столетия [8] и дальнейшем стали неотъемлемой частью технологических процессов этих отраслей. АХР имеют ряд очевидных достоинств, к основным из которым применительно к сельскому хозяйству относятся максимальное использование целевых показателей агрохимикатов (внесение удобрений повышают урожайность на 10-25 %) и пестицидов (авиаобработки гербицидами, фунгицидами и инсектицидами сохраняют 12-18, 10-30 и 12-30 % урожая), высокая производительность обработок (в 6-15 раз выше наземных машин), что обеспечивает выполнение работ в сжатые сроки и экономию трудовых и материальных ресурсов, отсутствие неблагоприятного воздействия на почву и механических повреждений растений (при обработке наземными машинами за счет колеи до 6-8 % площади угодий выводится из оборота), возможность проведения при любом состоянии почвы (весной и осенью наземные машины не могут выполнить многие агро-приемы из-за размокшего грунта) и ряд других ([9]). Объёмы АХР в России до конца 1980-х годов имели положительную динамику развития, которая была нарушена на рубеже 1990-х годов. Изменение социально-политического и экономического уклада в России в последующий период привели к падению ежегодных объёмов АХР, минимум которых был "достигнут 1 в 1998 году ( -1,8 млн. га). После 1998 года по мере стабилизации и оживления экономики России в целом и АПК в частности наблюдается рост объёмов АХР ( 7-9 млн. га. к 2009 г.). В последние годы по мере роста экономики РФ, в т.ч. АПК, аналогично ВП происходит рост площадей АХР, потребность в которых в целом по России оценок могут составить к 2010 году 10-15 млн. га, а к 2015 году -13-23 млн. га. [6]..
АПК является одним из основных нотребителей АРРВ, применяемых в процессах растениеводства с целью основного и дополнительного внесение минеральных (МУ) и жидких комплексных (ЖКУ) удобрений, защитных обработок пестицидами по борьбе с сорняками (гербициды), вредителями (инсектициды) и болезнями (фунгициды) методами ультрамалообъемного (УМО), мелкоканельного (МКО) и круннокапельного (ККО) опрыскивания, а также дефолиации и десикации отдельных СХК.
Затраты на авиационные работы по распределению веществ
Эти достоинства определяют перспективы использования ГП разных типов и весовых категорий в экономике России. Характеризуя вопросы перспективного использования автожиров для АР (АРРВ) необходимо отметить, что в данной области отсутствует практический опыт и теоретические исследования специальных вопросов. В этой связи в целях научно-методического обеспечения применения автожиров на АР необходимо решение ряда задач, связанных, в частности, с формированием ММ описания перспективных автожиров, обоснованием перспективных сфер их применения и выбором рациональных режимов выполнения ГП разных видов АРРВ.
В последние годы в качестве перспективных для использования на разных АР рассматриваются беспилотные летательные аппараты. Интерес к БПЛА обусловлен снижением стоимости и относительной массы их конструкции, приростом массы полезной нагрузки, расширение возможностей полета ввиду отсутствия физиологических ограничений экипажа и некоторыми другими факторами ([38,39 и др.]). Несмотря на это, использование БПЛА в настоящее время имеет ограниченный характер и осуществляется в основном в военных целях, хотя имеются случаи их успешного гражданского использования. Причиной этому в сфере деятельности ГА являются ([39,40 и др.]): отсутствие НЛГ к БПЛА, что ограничивает возможности их регистрации и использования (в рамках ЕС начата разработка норм и процедур сертификации БПЛА); низкая БП существующих БПЛА (аварийность наиболее надежного американского БПЛА "Predator" в 25 раз выше, чем у пилотируемых самолетов и вертолетов ВВС США, и более чем в 100 раз - в сравнении с пассажирскими ВС); нерешенность вопросов использования воздушного пространства и гражданского применения (районы полетов, УВД, страхование ответственности и т.д.); громоздкость и затратность наземной инфраструктуры (взлетно-посадочные комплексы, операторы и обслуживающий персонал и т.д.); отсутствие процедур подготовки и лицензирования обслуживающего персонала, а также сложности в обеспечении общественной и авиационной безопасности. Для использования БПЛА на АРРВ характерно: проведение большинства АРРВ отличается высокой изменчивостью, что делает практически невозможным программирование полета на них и требует либо расширения возможностей отслеживания обстановки в полете (рост числа каналов приема и обработки информации), либо размещения наземного комплекса управления в зоне АР со всеми негативными последствиями ( рост численности нерсонала и затрат на его обеспечение, невозможность в ряде случаев "приблизить" комплекс управления в зону работ и т.д.); использование для защитных обработок опасных РВ в совокупности с высокой аварийностью БПЛА в целом представляет реальную угрозу для ОС; срок службы современных БПЛА при многократном применении как правило невысок, что при цикличности АРРВ даже при малой стоимости БПЛА приводит к росту удельных затрат и делает эти АР экономически нецелесообразными.
Последнее обстоятельство иллюстрируют оценка перспектив применения на АХР проекта БПЛА "Нарт" (НПЦ "Антиград-Авиа"), представляющего собой выполненный по нормальной симметричной схеме многоцелевой самолет-высокоплан с V- образным оперением и силовой установкой, включающей в себя по два ПД и тянущих двухлопастных ВВ ([41]). Заявленные показатели производительности обработок этого БПЛА существенно выше легких ВС с сопоставимой взлетной массой и примерно соответствуют показателям традиционной для АХР более тяжелой AT (Ап-2, Ми-2). При невысокой стоимости БПЛА "Нарт" (около 1,5 млн. руб.) и заявленном ресурсе 300 л.ч. и 100 циклов применения затраты на его эксплуатацию, как показывает анализ, составляют примерно 8,5 тыс. рубУл.ч. для отработки "летного" ресурса (при средней длительности полетов более 3 ч., т.е. при мониторинге, разведке, съемочных полетах) и превышают 35 тыс. рубУл.ч. для "циклового" ресурса для характерных при опрыскивании с нормой 3 л/га обработках. Соотношение себестоимости полетов и производительпости АХР при этом показывает, что стоимость обработки БПЛА без учета наземного обеспечения превысит 300 рубУга, т.е. максимальной величины тарифов АХР в настоящее время. Принимая во внимание, что стоимость БПЛА в его комплексе составляет около 20 % ([41]), полная себестоимость АХР на базе БПЛА "Нарт" для этих показателей превысит 600 рубУга, т.е. несмотря на высокие ЛТХ и широкие возможности комплекса, в современных условиях его использование на АХР экономически нецелесообразно. С учетом отмеченных обстоятельств можно констатировать, что в ближайшей перспективе коммерческое применение БПЛА на АРРВ по оргапизационно-техническим и экономическим причинам является малореальным и в дальнейшем не рассматривается. Аналогичное замечание относится и к другим нетрадиционным для АР видам ВС, таким как аэростатические летательные аппараты (АЛА). Как показывают исследования ([6,42 и др.]), АЛА в перспективе могут занять рыночную "нишу" в производстве АР по транспортированию грузов, крановым операциям, аэровизуальным и съёмочным полётам, однако, несмотря на теоретическую возможность проведения ими АРРВ, в частности, при тушении пожаров и внесении МУ ([42]), использование АЛА на АРРВ в ближайшие годы маловероятно, что связано с присущим этому виду ЛА большим габаритам, малой маневренностью, сложностями в обеспечении их полётов и рядом других факторов.
Парк ВС российской ГА в настоящее время значительно изношен и представлен в основном отечественными самолетами и вертолетами, разработанными в 1960-70-е годы. Внедрение новых пассажирских самолетов (Ту-204, Ту-334, Ил-114 и др.), а также многоцелевых вертолетов (Ка-226, "Ансат", Ми-38) сопряжено со многими сложностями и имеет практически единичный характер, при этом уменьшение провозных мощностей ГА в последние годы компенсируется зарубежными, как правило, подержанными ВС. В свою очередь, ситуация с ВС для АР при росте спроса на них в этой связи еще более критична. В частности, основной на сегодняшний день для АРРВ самолет Ан-2, разработанный почти 60-ти лет назад (производство прекращено), испытывает серьезные проблемы с технической эксплуатацией и по большинству показателей не отвечает современным требованиям и рыночным условиям , причем парк Ан-2 за последние 15 лет, несмотря на значительные остаточные ресурсы уменьшился практически в 2 раза. Сокращение парка без сопоставимой замены имеет место и для вертолетной техники, используемой в основном для обслуживания отраслей экономики.
Моделирование индуктивного следа воздушного судна
Решение оптимизационной задачи (2.3) с учётом системы условий и ограничений типа (2.4)-(2.9) определяет оптимальные параметры и показатели производства АРРВ за некоторый период в масштабах экономики страны или отдельного региона с учётом комплекса данных существующей или перспективной системы таких работ, используемых схем организации и нормирования АР и множества других значимых факторов.
В свою очередь, фиксация отдельных параметров оценки критерия эффективности и условий (ограничений) выполнения АРРВ позволяет на базе (2.3) решать ряд частных задач, представляющих практический интерес. Например, можно отметить, что в силу определённой инерционности экономических процессов соотношения потребных объёмов АР и необходимых на их выполнение затрат, а также имеющийся парк ВС в краткосрочный период изменяются незначительно и могут быть приняты постоянными, т. е. ZS{i.,j.iJm) « const. При итом Мопущении иля ВВ С заданными иараметрами иостановка (2.3) эквивалентна частной задаче оптимизации критерия эффективности выполнения ВС т -го типа у -го вида АРРВ: Kijm = — — max x (2.10) Cmijm +Cnomijm решение которой позволяет найти, например, оптимальные параметры эксплуатации ВС, обеспечивающие максимальную эффективность выполнения определённого вида АР. Следует заметить, что постановка (2.10), наряду с определением оптимальных параметров применения, даёт возможность изолированно или в комплексе с оптимальными режимами найти и оптимальные для выполнения заданной АР параметры самого ВС и его ТС, а также (при принятых для у-го виду АР параметров ВС и их эксплуатации) в предположении о независимости от Kijm и относительных затрат подобрать рациональные значения последних, обеспечивающих наивысшие значения общей эффективности Ks но периодам, видам работ и типам ВС, т. е. по организационно-техническим факторам. Это указывает на возможную схему решения полной задачи (2.3) высокой размерности, связанную с её агрегированием на отдельные уровни и последовательным выявлением локальных максимумов по группам технических, технологических и организационных факторов системы выполнения АРРВ.
Таким образом, характеризуя вопросы оценки и показателя (критерия) эффективности АРРВ, можно выделить следующие обстоятельства:
эффективность АРРВ тесно связана с целевым назначением работы и ее конечным эффектом, формируемым у потребителя, и определяется параметрами функционирования авиационной подсистемы и показателями объектов и обеспечения обработок; значение эффективности АРРВ онределяется приведёнными стоимостными показателями полученного в результате АР эффекта и понесённых при этом затратами исполнителя работ и расходами на их обеспечение со стороны заказчика работ; в качестве показателя эффективности АРРВ целесообразно использовать алгебраическое отношепие величин эффекта и затрат, реализованного в виде отношения аддитивных величин или свертки по относительным затратам частных показателей эффективности.
Экономический эффект производства АРРВ, как было показано ранее, может быть выражен через обеспечиваемый при этом удельный экономический эффект и общий объем физически выполненной работы.
Величина удельного эффекта АРРВ на площадке dS объекта обработки обусловлена воздействием множества факторов и в общем случае определяется: своевременностью внесения РВ на объект обработки; количеством вещества (дозой) РВ, внесенного на объект обработки; параметрами диспергированной вышеназванной дозы; состоянием объекта в момент проведения обработки. С учётом этого при допущении о независимости названных факторов вероятность достижения присущего АРРВ максимально возможного эффекта ето равняется: Рвз=ПР (2Л1) /=1 где/ (У, [У;])-вероятность обеспечения требуемого значения [У,] но і-щ фактору. В этом случае величина достигнутого по dS эффекта может быть записана как dE = ето PES dS или в приведении ко всему объекту и переходу к удельной величине : ео = - \dEs = $S [рш dS = ето PES , (2.12) где P,,s - средняя яп объекту уероятность ьостижения яаксимального оэфекта. Значение ето онределяется для каждого вида АРРВ отдельно и может быть принято с учётом экснериментальных (статистических) данных и отраслевых разработок. Например, на АХР величина ето для і -ой СХК и у-го агроприёма находится как: emiJ = Coi АУи= Сы АУи У,„ (2.13) где Сoi - средняя закупочная цена г-ой СХК, руб/ц; АУу, АУи - прибавка или сохраненный урожай в результате АХР и ее относительное значение при средней урожайности УоЬ ц/га. причем значения средних закупочных цен и урожайностей СХК практически не зависят от параметров АХР и для анализируемого периода времени могут быть приняты из статистических данных , в т.ч. в региональном разрезе, а величины АУ, для соответствующих культур, видов работ и РВ определяются при регистрационных испытаниях веществ и могут быть приняты по их результатам или справочным данным.
Средняя величина вероятности PES находится аналогично (2.11) для осреднённых значений Pi соответствующего фактора. Принимая во внимание, что каждый фактор имеет собственные составляющие, его осреднённое значение вероятности находится по (2.11) и (2.12) в разрезе каждой составляющей. В частности, для своевременности выполнения АРРВ вероятность Pt можно определить как: РІ=РПР,ІР Р,А (2.14) где сомножители относятся соответственно к своевременности выявления необходимости обработок, выдаче задания исполнителю на АР (заключение договора), обеспечения заказчиком АР и готовности ВС исполнителя к их выполнению в заданные сроки. Вероятности первых трёх сомножителей находятся из соотнощения фактических сроков и предельных с точки зрения обеспечения плановых (оптимальных) сроков и для больщинства АРРВ РЛ « Ра « Р13 1,0, а вероятность готовности находящегося в состоянии лётной годности ВС к АР в заданные сроки , как было показано в [60], соответствуют величине коэффициента готовности ВС, т.е. где Кгп - коэффициент готовности л-ой системы ВС, определяющий возможность полёта и зависящий от наработки на отказ (Тт) и времени его устранения (Тотп). Значимыми с точки зрения внесения дозы РВ параметрами являются соответствие используемых РВ физическим, химическим и иным требованиям, обеспечивающим максимальный эффект (Рт1), выдерживание соотношений при использовании смесей различных ДВ, наполнителей и добавок (Рт2), стабильность состава РВ при их выпуске (Рт3), точность массовой (объёмной) )одачи вещества аРт4) ) ибеспечение ееобходимого распределения РВ по объекту (Рт5), т.е. аналогично (2.14)
Анализ средств авиационного опрыскивания
Слагаемые (3.31) могут быть отнесены к двум группам, отличающихся источниками возникновения возмущений. Первая группа связана с аэродинамическими возмущениями поверхпостей ВС, зависящих от их конфигурации и условий обтекания набегающим потоком, т.е. имеет пассивный характер. Вторая группа возмущений обусловлена активным влиянием на поток агрегатов ВС, прежде всего его силовой установки (СУ), которое определяются в основном параметрами и режимом работы агрегатов и практически не зависит от других показателей. Указанные отличия источников возмущения приводят к различиям в процедурах оценки "поверхностных" и "агрегатных" возмущений.
Для задачи оценки "поверхностных" и основными вопросами являются рациональное выделение N - элементов на поверхностях ВС и их "разбивка" на панели моделирование (замена) поверхностей этих панелей источниками аэродинамических возмущений (источники (стоки), диполи, вихревые комбинации и т.д.), формирование процедур определения скоростей среды от панелей-источников и синтез расчетных алгоритмов реализации вышеназванных процедур для ВС в целом с учетом граничных условий и "агрегатных" возмущений. К настоящему времени обоснованы и апробированы на практике различные расчетные схемы выделения панелей и их "замены" источниками возмущений, таких как источники (стоки), диполи и вихревые комбинации ([80,100 и др.]), особенности использования которых при моделировании процессов АР были рассмотрены, в частно 120 сти, в [101]. При заданном типе источников и геометрических параметрах панелей скорости их возмущений определяются интенсивностью источников и в основе расчета и лежит выявление интепсивностей источников для каждой панели с учетом имеющих место ограничений, к которым относятся условие непротекания на поверхностях "жестких" панелей, отсутствии перепада давлений на задних кромках и некоторые другие ([80,100]). Определяющей процедурой для расчета интепсивностей источников панелей является решение обобщенной системы JV х N линейных уравнений вида : где Qj,rj,Mk - интенсивности соответственно источников (стоков), вихрей и диполей, размещенных в панелях (i = un,j = \jn,k - IJ ); V /A " коэффициенты уравнений для р - ой контрольной точки панели (p = lJV,iV = n+m + / ); ипр - нормальная составляющая скорости потока нар -ой панели. Коэффициенты уравнений системы (3.32) для контрольной точки панели рассчитываются по соответствующим источникам аэродинамических возмущений единичной интенсивности, при этом с учётом особенностей АРРВ (близость земной (водной) поверхности) алгоритм расчёта коэффициентов дополняется процедурами зеркального отображения источников возмущений (экранирование) и оценки возмущений сошедших с поверхности ВС свободных вихрей с учетом их диффузии. Зеркальное отображение источников возмущений в соответствии с правилом Прандгля моделирует экранирующий эффект поверхности и, как показывает расчётная практика, наиболее актуально для вихревых комбинаций. Расчётная реализация этой схемы при определении коэффициентов (3.32) методически не вызывает никаких трудностей и связана только с дополнительным объёмом вычислений. Значения vnp для панелей, расположенных на "жестких" поверхностях ВС ( крыло, фюзеляж и т.д.), в (3.32) находятся из условия непротекания по скорости набегающего потока V в проекции на внешнюю нормаль панели Я как п, а для несущих винтов (НВ) принимаются равными индуктивным скоростям v в контрольных точках диска винта, определяемым для его параметров и режима работы по известным методикам, например [102].
Характеризуя аэродинамические возмущения конструкции ВС, описываемых источниками и диполями, следует отметить, что их влияние для характерных для АРРВ режимов полета относительно невелико и проявляется в основном в искажении поля скоростей в непосредственной близости от ВС, т.е. эти возмущения требуют учета на начальном этапе формирования следа ВС и при выпуске с него РВ. В свою очередь, значительных удалениях за ВС, как показывает анализ ([101]), возмущениями источников и диполей можно пренебречь, что упрощает формирование и решение системы (3.32) посредством рассмотрения единственного типа источников возмущения - вихревых комбинаций, определяющих параметры индуктивный следа ВС и поле скоростей в нем ([103-105 и др.]).
Вихревые комбинации, т.е. система связанных между собой элементарных вихрей (вихревых жгутов) различных видов хорошо описывают несущие и управляющие поверхности ВС. Для решения задач АРРВ удобно использование такой разновидности вихревых комбинаций, как П-образная вихревая система (вихрь), включающая в себя присоединенный вихрь и два свободных вихря, которые "начинаются" на конце присоединенного вихря и "уходят" в бесконечность в направлении набегающего потока с учетом взаимодействия с другими источниками возмущений, в т.ч. с другими вихрями.
Скорость, индуцированная элементом вихря с циркуляцией Г0 и длиной dL в точке А пространства находится из общей формулы Био-Савара [80]: dvA = r0.RAxdL/47rR3A, (3.33) где RA - вектор, проведенный из точки А к заданному элементу вихря и для их координат соответственно (ХА, У А , ZA) и (Ху, yv, Zv) имеющий длину : RA = -J(xv-xA)2+(yv-yA)2+( v-zA)2 , (3.34) которая позволяет разложить элементарную скорость по осям принятой ДСК и в результате интегрирования но длине жгута Р найти индуцируемую им скорость.
При использовании формулы (3.33) необходимо учитывать особенности, связанные с ее математической реализацией и физической сущностью распространения вихрей в вязкой среде. В частности, потенциальный источник погрешностей расчета оА, связан ный с обратной связью скорости от куба расстояния до элемента вихря (иА - со при RA -+ 0), может быть "устранен" использованием зависимости между размером (диаметром) и циркуляцией вихревого жгута, например, полученной ранее в [101] в виде : ro « Гъл]р/Р лА/8л" -arctS (0,05 Го) , (3.35) что обеспечивает, как показывают расчеты, приемлемую точность и сходимость результатов (при RA г0 иА находится по формуле линейной скорости вращения твердого тела [80]. В свою очередь, влияние с вязкости воздуха и нестационарности приземного слоя атмосферы, связанное с диффузией свободного вихря, в задачах моделирования вихревого следа ВС при АР в (3.33) может быть учтено введением поправочного множителя Кб, с учетом[74,102, 106] для времени диффузии t вихря равного: K8=l-exp(-r2A/4rt), (3.36) где ГА - расстояние расчетной точки до оси элемента вихря dL ; у К- приведенная вязкость среды (воздуха). Проведенные расчеты влияния диффузии вихрей на поле их скоростей в типовых условиях АР ([9]) показывают, что влияние диффузии на ноле скоростей свободного вихря чрезвычайно велико и сильно зависит от турбулентности среды , при этом по мере удаления свободного вихря от ВС и "расползания" его завихренности происходит уменьшение индуцируемых вихрем скоростей, которые в дальнем следе ВС могут быть в несколько раз меньшими, чем для вихря без учета его диффузии.
Похожие диссертации на Методы и средства совершенствования системы и технологий авиационных работ по распределению веществ
