Введение к работе
Актуальность темы обусловлена проблемами в области применения вертолетов в народном хозяйстве. К ним можно отнести высокий износ занятого на авиационных работах (АР) парка воздушных судов (ВС) и несоответствие его структуры и показателей потребностям и требованиям заказчиков, низкий уровень технического обеспечения работ, противоречия интересов производителей и заказчиков АР, высокая стоимость работ и некоторые другие, снижающие объемы и качество производства АР в стране.
Эти проблемы особенно остры в связи с постепенным выводом из эксплуатации вертолетов Ми-2 и Ка-26, серийное производство которых давно прекращено. Данные ВС активно использовались на авиахимических работах (АХР), но в последнее время их количество резко сокращается. Их активно замещают на этих работах сверхлегкие самолеты и дельталеты, однако не имея индуктивного потока, и маневренности свойственной вертолетам они не могут выполнить часть АХР (в частности в пересеченной местности и на ограниченных площадях) с высоким качеством. Кроме того, отсутствие ВС с низкими эксплуатационными расходами и возможностью движения с малой скоростью, не позволяет выполнять наблюдение за объектами и аэрофотограмметрию, которые востребованы в сферах строительства, сельского хозяйства и ряде других отраслей экономики. Применение сверхлегких (СЛВ) и очень легких вертолетов (ОЛВ) для АХР и аэрофотосъемки (АФС) позволяет снять часть проблем. В этой связи решение задач, расширяющих сферу применения СЛВ и ОЛВ в различных отраслях, имеет важное значение для развития авиации и экономики страны, определяет актуальность и значимость работ по созданию соответствующих методов и средств, а следовательно и темы диссертации.
Состояние проблемы. Расширение сферы использования СЛВ и ОЛВ в экономике связано с решением задач сложного характера и необходимости учета различных факторов, влияющих на эффективность их применения и безопасность полетов. К настоящему времени известно множество работ по исследованию различных аспектов применения вертолетов более тяжелого класса и выполнения на них АР, образующих основы для теоретической базы и определяющих основные направления исследований диссертационной работы.
Основными областями экономики, в которых могут найти эффективное применение СЛВ и ОЛВ, являются авиахимические работы, наблюдение за объектами и аэрофотосъемка.
Решение задач эффективного применения СЛВ и ОЛВ для АХР стало возможным при использовании результатов ряда исследований, выполненных для других классов ВС. Огромный вклад в развитие теоретических основ применения летательных аппаратов для сельского хозяйства внесло ОАО «НПК ПАНХ». Ряд исследований выполнялся и специалистами других организаций, в том числе СКВ МГТУ ГА. Основы теории применения ВС для авиахимиче-
ской обработки полей разработаны С.А. Паршенцевым, B.C. Лагуточкиным, Ю.Г.Логачевым, которые для моделирования процесса использовали уравнения динамики движения изолированных частиц рабочего вещества правильной и постоянной формы и П-образные схемы вихревого следа самолетов и вертолетов. Впоследствии Б.Л.Артамонов, А.Б.Евдокимов и другие специалисты, применяли в этих задачах расчетные процедуры описания дальнего следа ВС на основе концевых вихрей их несущих систем, а также отдельных эффектов движения частиц. В исследованиях В.Б.Козловского, В. С. Деревянко, О.В.Худоленко показано, что АХР являются специфическим видом деятельности, ориентированным на требования потребителей и во многом отличающимся от воздушных перевозок, что требует разработки и использования специальных методов и средств. Структурно-функциональные и аналитические описания ВС для АХР, формирование 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 АХР заданным ВС в различных условиях выполнены В.П. Асов-ским.
Однако, в данных работах не рассмотрены возможности эффективного снижения сноса путем полета ВС по оптимальной траектории, компенсирующей снос химикатов в зависимости от атмосферных условий в режиме реального времени. В то время как такие маневры возможны для СЛВ и ОЛВ вследствие их высокой маневренности и наличия современных цифровых пилотажных приборов.
Другими задачами, на которые может быть расширена зона применимости СЛВ и ОЛВ, является аэрофотосъемка и наблюдение. В настоящее время СЛВ и ОЛВ практически не применяются для таких задач. В то же время в этой области было сделан ряд исследований, которые позволяют обосновать возможность расширения сферы применения СЛВ и ОЛВ для таких видов работ как аэрофотограмметрия и видеотеплосканирование. В этой связи наиболее интересны работы А.С. Назарова и Ю.Н. Корнилова, посвященные теории фотограмметрии. В классической теории фотограмметрии предполагается априорное знание базы снимков и использование двух фотоаппаратов, что для СЛВ и ОЛВ сложно осуществить ввиду малых размеров фюзеляжа ВС. Исследования в области видеотеплосканирования во многом основываются на опыте специалистов конструкторского бюро ОАО «Азовский оптико-механический завод». Теория работы сканирующих тепловизионных устройств на воздушных судах активно развивалась такими специалистами как Д.С. Гавриловым, Г.А. Падалко, С.А. Покотило. Их исследования показывают возможность создания интегрированного сканера, адаптированного для СЛВ и ОЛВ.
В целом расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве может быть осуществлено после определения границ применимости воздушного судна. В последнее время особенно актуальными стали задачи беспилотных испытаний ВС на опасных режимах. Большое количество исследова-
ний в данном направлении выполнено в НИИ Проблем физического моделирования ХАИ. Работы его ученых А.И. Рыженко, В.О., Черановского, В.П. Максимова направлены на создание алгоритмов и принципов выполнения экспериментов с летательными аппаратами в беспилотном режиме. Однако в связи с тем, что в большинстве работ описаны беспилотные испытания самолетов, особенностям вертолетов в работах данных ученых уделяется мало внимания.
Целью работы является расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве на основе новых методов и средств их эксплуатации.
В процессе достижения этой цели решены задачи:
расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ для АХР;
расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ при выполнении задач видеонаблюдения и АФС;
разработки методов определения эксплуатационных ограничений для СЛВ и ОЛВ.
Методы исследования использованные в работе включают в себя методы летного эксперимента, вычислительной математики, теории несущего винта вертолета, теоретической механики и динамики полета, методы идентификации летных параметров, продувки в аэродинамической трубе и эксперименты на проливной установке, а также программирование алгоритмов на ЭВМ.
Достоверность результатов исследований подтверждается сравнением теоретических и фактических данных, в т.ч. полученных автором при проведении летных испытаний, сопоставимостью расчётных данных фактическим величинам и успешной реализацией на практике полученных рекомендаций, выводов и предложений.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в полученных автором результатах и определяется:
научным обоснованием расширения сферы возможного использования СЛВ и ОЛВ для решения экономических задач;
разработанными методами экспериментального определения летных характеристик СЛВ и ОЛВ, учитывающими особенности этих классов ВС;
разработанной методикой определения эксплуатационных ограничений для СЛВ и ОЛВ, совмещающей в себе выполнение пилотируемых полетов и полетов в беспилотном режиме;
разработанным методом активного снижения вибрации на борту СЛВ и ОЛВ, базирующимся на использовании многослойных модулей из сегнетоэлектри-ческого материала;
разработанной методикой выбора оптимальных азимутов встречи соосных двухлопастных НВ работающих в противофазе;
установлением новых эффектов применения интерцепторов хвостовой балки, позволяющих не только улучшить путевую управляемость и снизить потребную мощность на режимах малой скорости, но и снизить вибрацию на хвостовой балке и педалях пилота;
разработанным методом измерения потребной мощности на винтах СЛВ и ОЛВ, предусматривающим использование цифрового радиоканала для передачи данных с вращающихся элементов валов;
разработанной методикой маловысотного адаптивного сканирования, использующей данные бортового оборудования СЛВ и ОЛВ для ориентации снимков;
разработанной методикой определения площадей пропусков, двойной, несанкционированной обработки поля во время выполнения АХР;
разработанным методом снижения сноса частиц рабочего вещества при выполнении АХР с использованием СЛВ и ОЛВ учитывающим реальное движение ВС над полем и параметры ветра.
Теоретическая значимость результатов исследований. Предложенные результаты исследований в виде методик могут быть использованы для расчета параметров СЛВ и ОЛВ, для определения оптимальных методов авиахимической обработки и качества АХР, теоретического обоснования использования оборудования наблюдения на СЛВ и ОЛВ.
Практическая ценность. Результаты представленных в диссертационной работе исследований могут использоваться для расширения сферы использования и повышения эффективности применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве.
С использованием предложенных методов решен ряд прикладных задач, частности:
выполнение испытаний, подготовка к эксплуатации и создание беспилотной версии СЛВ «Роторфлай»;
расчет характеристик и подготовка к испытаниям ОЛВ «Брат»;
подготовка проекта сельскохозяйственного ОЛВ «Игрек»;
- подготовка проекта низковысотного тепловизионного двухспектрального
сканера с неохлаждаемой матрицей;
создание комплекса для выполнения аэрофотограмметрии с использованием сверхлегких летательных аппаратов;
разработка пилотажного стенда легкого вертолета Ru-Mas-240;
При выполнении НИР:
- разработка унифицированной системы вибродиагностики и мониторинга
силовых установок и трансмиссий воздушных судов, 2002-2003г, инв. №
02050501017;
разработка и создание опытного образца твердотельного авиагоризонта для сверхлегких летательных аппаратов на чувствительных элементах нового поколения, 2006-2007г, инв. № 02200705609;
теоретические исследования систем инерциальной навигации с разработкой новых математических методов фильтрации для безопасных испытаний сложных подвижных объектов, 2008-2010г, инв. № 02201153409;
исследование влияния геометрии на аэродинамику и аэроакустику лопасти турбины ветроэнергетической установки, 2010-2011г, инв. № 02201161097;
- математическое моделирование полета сверхлегких вертолетов, для оценки
летной годности по параметрам устойчивости, управляемости и летно-
техническим характеристикам 2011г, инв. №022012251365.
В учебном процессе представленные результаты были реализованы в курсах «Аэродинамика» и «Конструкция вертолетов» кафедры "Вертолетострое-ние" ДГТУ, в программах повышения квалификации Института управления и инноваций Авиационной промышленности.
Предложенные методики использовались при выполнении оценки экологического ущерба АХР и подготовки программ мониторинга состояния окружающей среды.
Апробация работы. Основные положения работы, научные и практические результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Европейском вертолетном форуме (2007 г.), форуме Российского вертолетного общества (2006), конференции «Исследования и образование в конструировании летательных аппаратов» (Варшава, 2010 г.) и других международных, всероссийских, отраслевых и вузовских научно-технических конференциях и семинарах (УГАТУ 2008; МАИ 2010, МГТУ ГА, 2011 гг.). Отдельные результаты выполнения работы были отмечены призами нескольких научно-технических конкурсов, в частности в конкурсе Южно-Российского отделения Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (1998 г.), в конкурсе Ростовского отделения Российской инженерной академии (2000 г.), в конкурсе молодых ученых им. акад. И.И. Воро-вича (2002 г.), на всероссийском конкурсе научно-исследовательской и инновационной деятельности «Иннов 2007» (2007 г.), в конкурсе «Высокие технологии 21 века» (2010г.). В 2006 г. работа была удостоена гранта фонда СРМФПНТС.
Публикации. Отдельные результаты диссертации опубликованы в одной монографии, 82 научных статьях, 19 из которых входят в перечень рекомендованный ВАК и 5 отчетах о НИР, в которых автор являлся ответственным исполнителем или научным руководителем. По результатам работы официально зарегистрированы 3 программы и получено 5 патентов.
На защиту выносятся:
методы расширения сферы применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве;
концепция маловысотного сканера с адаптивным сканированием, интегрированного с бортовым оборудованием СЛВ и ОЛВ;
методика определения оптимального азимута встречи лопастей двухлопастных соосных несущих винтов по величине экстремумов сил НВ;
методика определения качества АХР посредством определения обработанной площади поля, площади пропусков, площади поля с повышенной плотностью обработки, площади несанкционированной обработки (выход за границу поля).
методика определения границ эксплуатации СЛВ и ОЛВ в беспилотном режиме, включающая способы создания системы автоматического управления и определения передаточных функций для беспилотных испытаний СЛВ и ОЛВ;
методы совмещения ручной системы управления и электрических исполнительных механизмов;
принципы создания оборудования регистрации параметров СЛВ и ОЛВ, методика определения крутящего момента на валах СЛВ посредством цифрового радиоканала;
метод снижения вибрации на режимах эксплуатации СЛВ и ОЛВ путем использования активной системы снижения вибрации, базирующейся на твердотельном исполнительном устройстве, совмещающем прямой и обратный электрострикционный эффект;
метод улучшения характеристик одновинтовых СЛВ и ОЛВ путем установки дополнительных устройств - гребней хвостовой балки;
базы статистических, экспериментальных и расчетных данных, описания элементов программного обеспечения необходимого для определения эксплуатационных ограничений СЛВ и ОЛВ.
Структура работы. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, шести глав, заключения, списка литературы из 247 наименований. Общий объем диссертации 377 страниц, содержащих 228 рисунков и 34 таблицы. Основная часть изложена на 349 страницах.
