Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обоснование направлений исследований 34
1.1. Вводные замечания и постановка задачи 34
1.2. Исследование различных подходов к проблеме обеспечения динамической устойчивости системы Э-ВС-ГП -С 36
1.2.1. Системы автоматической стабилизации вертолета в полете с грузом на внешней подвеске 36
1.2.2. Методы и приемы пилотирования вертолета с грузом на внешней подвеске 41
1.2.3. Роль технических средств в стабилизации груза на внешней подвеске вертолета и методы их исследования 55
1.3. Анализ технических решений проблемы проведения транспортных, аварийно-восстановительных (аварийно-спасательных) работ с применением летательных аппаратов 62
1.3.1. Устройства для транспортировки людей и грузов на внешней подвеске летательного аппарата 64
1.3.2. Устройства для ликвидации аварийных разливов нефти с применением летательных аппаратов 67
1.3.3. Технические средства и специальной оборудование летательных аппаратов для тушения пожаров с воздуха 79
1.4. Анализ состояния нормативно-провавой базы регулирования деятельности авиации при выполнении авиационных работ с грузом на внешней подвеске 92
Глава 2. Исследование динамики вертолета с грузом на внешней подвеске в особых ситуациях с применением метода математиеского моделирования 105
2.1. Вводные замечания 105
2.2. Проверка адекватности математической модели 106
2.2.1. Результаты проверки адекватности математической модели полета вертолета Ми-8 107
2.2.1.1. Оценка адекватности математической модели полета вертолета Ми-8 с помощью статистических критериев 109
2.2.1.2. Оценка адекватности математической модели полета вертолета Ми-8 эврестическим методом 115
2.2.2. Результаты проверки адекватности математической модели движения груза на внешней подвеске вертолета 120
2.3. Анализ динамики водосливного устройства на внешней подвеске вертолета одновинтовой схемы 125
2.3.1. Моделирование особых ситуаций при полете с водосливным устройством на внешней подвеске вертолета 125
2.3.1.1. Встречный порыв ветра 128
2.3.1.2. Боковой порыв ветра 132
2.3.1.3. Вертикальный восходящий порыв ветра 134
2.3.2. Разработка рекомендаций и предложений по летной эксплуатации вертолета одновинтовой схемы для тушения пожаров с применением водосливного устройства 141
2.4. Анализ динамики вертолетного контейнера быстрого реагирования на внешней подвеске вертолета одновинтовой схемы 144
2.4.1. Определение аэродинамических характеристик вертолетного контейнера быстрого реагирования 144
2.4.2. Анализ результатов вычислительных экспериментов по моделированию динамики вертолетного контейнера быстрого реагирования на внешней подвеске вертолета одновинтовой схемы 150
2.4.3. Рекомендации и предложения по повышению динамической устойчивости вертолетного контейнера быстрого реагирования на внешней подвеске вертолета одновинтовой схемы 164
Выводы по главе 2 166
Глава 3. Разработка методики моделирования процесса распределения жидких и твердых частиц из емкости технического устройства в процессе его транспортировки на внешней подвеске вертолета соосной схемы 169
3.1. Вводные замечания 169
3.2. Постановка задачи и формулировка физической модели распыления частиц с устройства на внешней подвеске вертолета 169
3.3. Моделирование индуктивного потока несущего винта и поля скоростей вокруг вертолета и устройства на его внешней подвески 173
3.4. Моделирование колебаний ВОП-3 на внешней подвеске вертолета 184
3.5. Модель турбулентной атмосферы 188
3.6. Модель расчета траекторий частиц 190
3.7. Проверка работоспособности предлагаемой методики моделирования разброса жидких и твердых частиц (элементов, контейнеров) с летательного аппарата 192
3.7.1. Оценка влияния турбулентности атмосферы и силы Магнуса на траектории частиц 192
3.7.2. Моделирование процесса обработки нефтяного пятна структурообразующей жидкостью из ВОП-3 на внешней подвеске вертолета соосной схемы 194
3.7.3. Расчет разброса зажигательных элементов типа Dragon Eggs из емкости технического устройства в процессе его транспортировки на внешней подвеске вертолета соосной схемы 209
Выводы по главе 3 210
Глава 4. Разработка технических средств для проведения экстренньгх авиационных работ с применением внешней подвески вертолетов 212
4.1. Вводные замечания 212
4.2. Системы для азимутальной ориентации и фиксации груза на внешней подвеске вертолетов 214
4.2.1. Ретроспективный анализ разработки технических средств для азмутальной ориентации и фиксации грузов на внешней подвеске вертолетов 216
4.2.2. Разработка принципиальной схемы аэродинамической системы азимутальной ориентации груза на внешней подвеске вертолета 239
4.2.3. Обоснование технических требований к разработке новых и модернизации существующих средств фиксации и азимутальной ориентации груза на внешней подвеске вертолета 248
4.2.4. Методики количественной оценки предела использования систем фиксации и азимутальной ориентации груза на бифилярной внешней подвеске вертолета 255
4.3. Методика оценки силы натяжения в системе внешней подвески вертолета при установке мобильной системы боновых заграждений на водной поверхности 260
4.4. Разработка универсальной подъемно-транспортной сети для проведения экстренных транспортных операций с применением летательных аппаратов 269
Выводы по главе 4 276
Глава 5. Экспериментальные исследования предельных режимов полета вертолета с грузом на внешней подвеске 278
5.1. Постановка задачи 278
5.2. Летные исследования параметров полета вертолета с грузом на внешней подвеске при отказе одного двигателя на режимах висения и горизонтального полета 278
5.2.1. Цели и объект летных исследований 278
5.2.2. Методика проведения летных исследований 280
5.2.2.1. Наземная подготовка 280
5.2.2.2. Методика выполнения полетов 284
5.2.3. Метеоусловия при проведении ЛИ и особенности выполнения полетов 286
5.2.4. Параметры полета вертолета Ми-8 АМТ при имитации отказа (дросселировании) одного двигателя в горизонтальном полете с грузом на внешней подвеске 287
5.2.5. Параметры полета вертолета Ми-8 АМТ при имитации отказа (выключении) одного двигателя в горизонтальном полете с грузом на внешней подвеске 293
5.2.6. Параметры полета вертолета Ми-8 АМТ при имитации отказа (дросселировании) одного двигателя на режиме висения 297
5.3. Экспериментальные исследования процесса транспортировки груза на внешней подвеске вертолета с применением универсальной подъемно-транспортной сети 300
5.3.1. Оценка прочности устройства под действием заданных нагрузок.. 300
5.3.2. Методика проведения летных исследований транспортировки груза на внешней подвеске с применением универсальной подъемно-транспортной сети 305
5.3.3. Параметры движения УПТС на внешней подвеске вертолета на режиме висения и при выполнении эволюции в горизонтальной плоскости 310
5.3.4. Параметры движения УПТС на внешней подвеске вертолета при выполнении маневров в вертикальной плоскости 314
5.3.5. Параметры движения порожнего УПТС на внешней подвеске вертолета 317
Выводы по главе 5 320
Глава 6. Разработка метода строительства экстренных объектов с применением летательных аппаратов 324
6.1. Вводные замечания 324
6.2. Анализ мотивов разработки методологии проведения экстренных ACMP 325
6.3. Организационно-технологическая подготовка к проведению экстренных АСМР 329
6.3.1. Принципы управления процессом экстренного возведения объектов с помощью ЛА 330
6.3.2. Принципы построения маршрутных схем движения ЛА в зоне проведения экстренных АСМР 337
6.3.3. Методика опроеделения оптимального маршрута ЛА с грузом на внешней подвеске в зоне проведения экстренных авиационных работ... 344
6.4. Разработка принципиальной схемы устройства для монтажа конструкций ЛА в ограниченные по размерам шахты или проемы перекрытий зданий 356
Выводы по главе 6 363
Заключение 365
Список использованных источников 368
Приложение
- Исследование различных подходов к проблеме обеспечения динамической устойчивости системы Э-ВС-ГП
- Проверка адекватности математической модели
- Постановка задачи и формулировка физической модели распыления частиц с устройства на внешней подвеске вертолета
- Системы для азимутальной ориентации и фиксации груза на внешней подвеске вертолетов
Введение к работе
Масштабы и глубина проблем, стоящих перед государством, в связи с происходящими природными и техногенными бедствиями убеждают, что одна из самых актуальных задач - создание комплексной системы предотвращения катастроф различного характера, разработка эффективных организационно-технологических методов и ТС по ликвидации их последствий, а также защиты населения и территорий от них.
В реализации этих задач важное место отводиться гражданской авиации (ГА), как важной составной части единой транспортной системы страны. ЛА могут эффективно использоваться на тушении пожаров, для предотвращения и локализации последствий нефтяного и промышленного загрязнения окружающей среды, мониторинга радиационного загрязнения, выполнения полицейских функций и многих других, отличных по своему целевому назначению и технологическому характеру, авиационных работ (АР). Наиболее масштабной частью при ликвидации последствий ЧС является проведение работ по восстановлению объектов производственного и социального назначения, строительству жилья, восстановлению дорожной сети, линий электропередачи и связи.
Основную роль в решении данного вопроса, как правило, отводится строительному производству, которое вынуждено функционировать в экстремальных условиях, характеризующихся жесткими, а иногда и чрезвычайно жесткими сроками, а также внезапностью и непредсказуемостью постоянно меняющихся ситуаций.
Очевидно, что традиционное строительное производство не обладает требуемой гибкостью и организационно-технологической мобильностью, -что обуславливает необходимость разработки новой, более эффективной методологии обеспечения его постоянных преобразований адекватно меняющимся ситуациям. Кроме того, специфика организации работ в ЧС требует сосредоточения значительных материальных средств и людских ресурсов в очаге экстремальной ситуации в предельно сжатые сроки. Это с особой актуальностью диктует необходимость использования авиации для перевозки людей и оперативной доставки необходимых грузов к месту ликвидации ЧС.
Общепризнанно, что с позиции эффективности бесспорное преимущество среди альтернативных вариантов организации оперативной доставки грузов в труднодоступных, малонаселенных и слабоосвоенных регионах принадлежит вертолету.
Сегодня вертолеты в качестве мобильных грузоподъемных механизмов эффективно используются при монтаже (демонтаже) сложных инженерных сооружений башенного типа, строительстве ЛЭП, установке промышленных дымовых труб, маяков, опор ветродвигателей, мачт сотовой связи и других объектов, расположенных в условиях плотной городской застройки или в районах с недостаточно развитыми наземными транспортными коммуникациями. Для особых географических, климатических и экономических условий России эта AT давно уже стала естественным компонентом высотного строительства, особенно в регионах Севера, Сибири, Дальнего Востока или районах с высокогорной местностью (экологические и инфраструктурные особенности которых, как правило, требуют доминирующего развития таких перспективных методов монтажа). Современные вертолеты могут не только качественно дополнить наземные грузоподъемные и транспортные механизмы, но и способствуют повышению эффективности проведения строительных, ремонтно-восстановительных и монтажно-демонтажных работ, особенно в условиях непрерывно действующих промышленных производств, за счет сокращения сроков их проведения, снижения затрат на перебазирование наземной грузоподъемной техники, сооружение временных подъездных путей и дорог. Очевидно, что необходимость оперативного противодействия последствиям опасных природных или техногенных процессов создала условия для пересмотра и уточнения уже существующего подхода к использованию вертолетов на транспортных, строительно-монтажных и аварийно-восстановительных работах (АВР). Однако целостная концепция решения рассматриваемой проблемы еще не сформирована. Что касается строительства экстренных (чрезвычайно срочных) и технологически сложных объектов (в том числе высотных зданий и объектов с массовым пребыванием людей) с применением ЛА, то соответствующие теоретические разработки и обобщение опыта такого строительства в отечественной практике проведения АСМР пока отсутствуют.
Первые теоретические и практические исследования возможности применения вертолетов на АСМР и транспортных работах с использованием ВП проводились в середине пятидесятых годов коллективами ученых в вертолетных КБ М.Л.Миля и Н.И.Камова, а так же на базе кафедры «Конструкции и проектирования вертолетов» МАИ. В исследованиях этого направления принимали участие Братухин И.П., Вильдгрубе Л.С., Лесников Н.П., Маслов А.Д., Шайдаков В.И. В связи с широкими масштабами промышленно-территориального освоения труднодоступных районов Севера, Сибири и Дальнего Востока в 1970-е гг. группой ученых МАИ под руководством В.И. Шайдакова и Ю.С. Богданова была успешно проведена работа по оптимизации параметров вертолетов различного назначения на основе многокритериальной оценки их эффективности.
Весомый вклад в разработку современных методов транспортировки грузов на ВП и проведения АСМР внесли такие известные ученые, как Бутылкин И.П., Илькун В.В., Исаев С.А., Козловский В.Б., Логачев Ю.Г., Рощин В.Ф., Сухинин В.Н. Среди активных научных организаций по проведению исследований в области использования вертолетов для выполнения транспортных операций и АСМР можно отметить ОАО НПК «ПАНХ», МАИ, МГТУ ГА, СПб ГУ ГА и КБ авиационной промышленности, а также отдельных энтузиастов-изобретателей. Работа этих коллективов направлена на поиск новых конструктивных решений по созданию технических средств и технологий для проведения АСМР, оценки возможностей вертолетов при их использовании в различных отраслях народного хозяйства и технико-экономическое обоснование их преимуществ перед другими ЛА.
Отдавая должное значимости результатов уже проведенных исследований, нужно подчеркнуть, что дальнейшая разработка и оформление в научно-прикладную концепцию методологии, форм, методов и механизмов проведения экстренного строительства, восстановления объектов в экстремальных условиях и ликвидации последствий ЧС с применением ЛА остаются чрезвычайно значимыми и важными проблемами. Особенность состоит в том, что в последние годы во всем мире наряду с ростом природных и техногенных катастроф происходит рост межнациональных конфликтов, проявлений международного терроризма и связанные с ними разрушительные воздействия на промышленные и гражданские объекты.
В этих условиях наиболее приоритетными становятся задачи разработки перспективных технологических методов и специальных ТС для проведения АВР, возведения экстренных и экономически важных объектов с использованием ЛА, модернизация существующих и создание новых образцов специальной AT, а также получение объективной и всесторонней информации о специфике выполнения данного вида АР.
Отсутствие подобных исследований являлось бы серьезным препятствием для развития перспективных вертолетных программ, привело бы к значительным экономическим потерям, а иногда и к возможному срыву своевременного решения важных государственных задач [1, 21, 101]. Можно с уверенностью утверждать, что без новых фундаментальных исследований и учета уже опубликованных результатов, но пока не нашедших широкого применения, какого-либо существенного прогресса в решении этой проблемы не может быть вообще. Поэтому совершенствование существующих и разработка новых ТС, методов и технологий АВР, АСР, МЭР и экстренных АСМР с более широкими рамками их применимости, повышение надежности, экономичности и безопасности их проведения является актуальной и своевременной задачей.
Предлагаемая работа должна восполнить серьезный пробел в рассматриваемой проблеме.
Таким образом, в диссертации решается важная и актуальная народно-хозяйственная задача, связанная с изучением особенностей ЛЭ вертолетов при проведении АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно технологические или особые экономические условия проведения, путем применения ММ движения ЛА, разработки новых и совершенствования современных теоретических и экспериментальных методов исследования.
Анализ результатов, полученных качественным и объективным способами исследования данной проблемы на общей методической основе, позволит взаимно сопоставить аналитические оценки с количественными показателями и, следовательно, повысить достоверность рекомендаций и выводов по особенностям ЛЭ вертолета при проведении экстренных АР.
Исходными данными для разработки темы диссертационного исследования являются результаты ЛИ, выполненных автором и под его научным руководством в ОАО НПК «ПАЯХ», СПб ГУ ГА, НПО «Взлет», ГосНИИ ГА а также наукоемкие работы сотрудников МГТУ ГА в области ММ динамики полета ЛА и эксперименты в сертифицированной аэродинамической трубе МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы -экспериментальное и научное обоснование существующих и перспективных технических решений повышения безопасности полетов (БП) вертолетов при выполнении АР, совершенствование существующих и разработка новых методов и технологий проведения АВР, АСР, МЭР и экстренных АСМР.
В соответствии с поставленной целью в. диссертации решаются следующие задачи:
— системный анализ традиционных технологий, методов и моделей ТС, используемых для проведения АСМР и транспортных работ с применением ВП вертолетов;
— разработка методологических основ решения технических, технологических и организационных задач по применению вертолетов для проведения экстренных АСМР, АВР (АСР), МЭР и других видов АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно-технологические или особые экономические условия проведения;
— выявление границ безопасных условий полета ЛА при выполнении ТГВП в экстремальных условиях ЧС и возможности снижения действующих летных ограничений, используя возможности современных вычислительных методов и технических инструментов информатики;
— разработка теоретических методов исследования (функционирования) системы "экипаж - вертолет - объект монтажа (груз на ВП) - внешняя среда" («Э-ВС-ГВП-С»), позволяющих получить оценки возможности применения вертолетов для проведения экстренных АСМР, АВР, АСР, МЭР и транспортных работах с использованием ВП;
— поиск путей повышения динамической устойчивости и надежности функционирования системы «Э-ВС-ГВП-С» в различных условиях эксплуатации;
— совершенствование подходов к многовариантному созданию эффективных ТС, технологических методов, приемов и процедур проведения АР с применением ВП вертолетов; — определение рациональных путей улучшения основных аэродинамических характеристик существующих ТС, применяемых для выполнения АР, и разработка предложений по максимальному приближению их значений к теоретически возможным значениям;
— разработка требований, рекомендаций и предложений по ЛЭ вертолетов при проведении экстренных АР.
Объект исследования — система "экипаж - вертолет - объект монтажа (груз на ВП) - внешняя среда" при выполнении экстренных АСМР, АВР (АСР), МЭР и других видов АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно технологические или особые экономические условия проведения.
Методы исследований. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, используется широкий спектр методов ММ динамики полета, методы линейного и дифференциального программирования, теории вероятностей и математической статистики, методы летного эксперимента и математической обработки результатов.
Научная новизна исследования. Научная новизна диссертации в целом состоит в разработке и комплексном обосновании концептуальных подходов к проведению экстренных АР в условиях ликвидации последствий ЧС, в том числе к возведению чрезвычайно срочных и технологически сложных объектов с применением ЛА.
Наиболее существенные научные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем:
— определены основные системообразующие факторы развития методов экстренного строительства объектов с применением ЛА, предложены методологические подходы к решению широкого спектра практических задач по эффективной и безопасной эксплуатации вертолетов на АСМР и работах, связанных с использованием ВП, в условиях ЧС; — разработана совокупность принципов, форм и процессов управления авиационным соединением при использовании ЛА для возведения экстренных объектов. Все эти компоненты, составляют систему организационно-технологического менеджмента и обеспечивают эффективность управления экстренными АР, адекватно меняющегося экстремальным условиям;
— исследована и предложена классификация ТС для проведения АСМР, АВР и транспортных работ с применением ВП вертолетов. Определены критерии оценки целесообразности их выбора для проведения экстренных АР;
— сформирована единая концепция разработки систем для стабилизации (азимутальной ориентации, фиксации) груза (объекта монтажа) на ВП в воздушном потоке на различных режимах полета при выполнении строительных, ремонтно-восстановительных и монтажно-демонтажных работ с применением вертолетов, которая открывает возможности глубокой унификации семейства САО (САФ) при одновременном полном обеспечении необходимых индивидуальных свойств каждой модификации;
— разработан метод количественной оценки предела использования САО груза, транспортируемого на бифилярной ВП, по максимальному его моменту инерции, что в условиях крайне ограниченных сроков выполнения экстренных АСМР (АВР) является чрезвычайно важной практической задачей;
— разработана расчетно-экспериментальная методика определения потока от НВ, основанная на использовании экспериментальных данных об индуктивном потоке НВ на различных режимах полета и известных зависимостях вертикальной скорости от радиуса под плоскостью НВ;
— предложен подход к разработке ТС, ориентирующих (стабилизирующих) груз на бифилярной ВП, основанный на принципе использования свободной кинетической энергии воздушного потока, индуцированного НВ вертолета;
— разработан метод моделирования разброса жидких и твердых частиц (элементов, контейнеров) формы шара малого диаметра с ЛА, позволяющий оценивать размеры зоны их выпадения и концентрацию с приемлемой для расчетов точностью (до 10%). В работе показано, что применение «замороженного» поля скорости в зоне ЛА позволяет на порядок сократить время расчета (примерно в 10 раз) практически без потери точности;
— разработан расчетный метод определения параметров полета вертолета с грузом на ВП при отказе одного двигателя;
— получены новые экспериментальные данные о динамики полета вертолета с отдельными категориями грузов на ВП в особых ситуациях, связанных с влиянием на систему «Э-ВС-ГВП-С» воздействий внешней среды; в частности, с применением метода ММ получены параметры движения ВСУ-15А (максимального угла отклонения синтетического каната ВП от вертикали, балансировочного положения в ГП и на режиме висения вертолета) для различных значений интенсивности и направления ветрового порыва при различных скоростях полета вертолета классической одновинтовой схемы;
? определены условия возникновения явлений динамической неустойчивости вертолетного контейнера быстрого реагирования (ВКБР) при его транспортировке на ВП вертолета-носителя и сформулированы основные рекомендации по повышению его динамической устойчивости;
— разработаны принципиальные схемы ТС, предназначенных для выполнения транспортных и АСМР с использованием ВП вертолетов, обладающие новизной конструктивных решений;
— разработаны рекомендации и предложения по эффективному использованию вертолетов для проведения экстренных АР с соблюдением требований эффективности и БП.
Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Достоверность результатов исследований обеспечивается непосредственным сравнением численных расчетов с результатами ЛИ и продувок в аэродинамических трубах.
Практическая значимость результатов исследования.
Диссертационная работа содержит концептуальную разработку искомой проблемы, включающей в себя теорию, методологию, формы и методы проведения экстренных АСМР, транспортных работ с применением ВП вертолетов и других видов АР, которые объединяет чрезвычайная срочность, непредвиденность, экстремальные организационно технологические или особые экономические условия проведения.
Практическая ценность работы заключается в использовании предложенных методов, ММ и алгоритмов для разработки рекомендаций и предложений по эффективному использованию вертолетов для проведения экстренных АР с соблюдением требований эффективности и БП. Результаты выполненных численных и натурных экспериментов продемонстрировали возможность установить условия возникновения явлений динамической неустойчивости отдельных категорий грузов и ТС при их транспортировке на ВП вертолета-носителя, а также сформулировать основные рекомендации по повышению их динамической устойчивости.
Полностью оправдал себя предложенный подход к определению потока от НВ, основанный на использовании экспериментальных данных об индуктивном потоке НВ на различных режимах полета вертолета и известных зависимостях вертикальной скорости от радиуса под плоскостью НВ. При этом подходе не требуется решать задачу обтекания НВ и вертолета в общем виде, с учетом обтекания лопастей, несущих поверхностей планера и т.д., что значительно сокращает время расчета и позволяет существенно снизить требования к системным ресурсам, используемым ЭВМ.
Численное моделирование распределения специальных структурообразующих жидкостей из ВОП-3 на ВП Ка-32, разброса компактных зажигательных элементов типа Dragon Eggs [163], разработанных канадскими фирмами SEI Industries Ltd и Field Support Services позволяет оценивать размеры зоны их распределения и концентрацию с приемлемой для расчетов точностью (до 10%). Путем ММ выявлены основные факторы, определяющие распределение частиц на земной поверхности, даны рекомендации по усовершенствованию конструкции распределяющих устройств.
Автором разработаны ТС для эффективной стабилизации и азимутальной ориентации груза на ВП (разворота крупногабаритных конструкций в полете по установочным осям возводимого объекта), а также системы дистанционного управления ТС с борта ЛА для проведения сложных технологических операций.
Основные результаты диссертации вошли в научное издание «Вертолет с грузом на внешней подвеске».
Апробация работы.
Автором успешно апробирован поточно-скоростной метод возведения высотных объектов с помощью вертолетов, в том числе и в условиях непрерывно действующих производств, при реконструкции Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) в 2004г., при выполнении АВР вертолетом Ми-26 на высокогорном участке трассы высоковольтной линии (ВЛ) 500кВ Россия - Турция в 2004 г. и трассы ВЛ 220 кВ Псоу-Поселковая в 2008 г. в Краснодарском крае, при блочном монтаже промышленного оборудования массой до 20 т с помощью вертолета Ми-26 при реконструкции ряда предприятий пищевой промышленности (сахарных заводов) Ставропольского и Краснодарского краев в 1999г, при возведении телекоммуникационных систем с применением вертолетов Ми-8МТВ и Ка-32 в Южном федеральном округе РФ в период с 2003 по 2007г.г. Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на VI Форуме «Российского вертолетного общества» (г. Москва, 2004 г.), на 4-й, 5-й Международной конференции «Авиация и космонавтика» (г. Москва, 2005, 2006 гг.), на XV (г. Алушта, 2007 г.) Международной конференции по механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС 2007), на заседании XIX школы-семинара «Аэродинамика летательных аппаратов» (г. Жуковский, ЦАГИ, 2008г.), на Международной научно-технической конференции (МНТК) «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г. Москва, МГТУ ГА, 2006, 2008 гг.), на 5-й МНТК «Гражданские металлические конструкции: современное состояние и перспективы развития» (г. Киев, НИИ «Укрстальконструкция», 2006 г.) на заседаниях кафедральных семинаров МГТУГА, на НТС ОАО НПК «ПАНХ», а также обсуждались на отраслевых, региональных научно-технических и летно-технических конференциях.
Результаты исследований были продемонстрированы на Международной выставке вертолетной индустрии HELIRUSSIA-2008 (г. Москва, 2008 г.) и на 7-й Международной выставки и научной конференции по гидроавиации "Гидроавиасалон-2008" (г. Геленджик, 2008 г.).
Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, использованы и внедрены в научных организациях и эксплуатационных предприятиях ГА в виде инструкций и методик по обеспечению эффективности и безопасности выполнения транспортных и АСМР с помощью вертолетов, утвержденных руководящими органами ГА и авиационной промышленности, а также при обучении летного состава. Результаты диссертационной работы были использованы в учебных пособиях по курсам эффективности систем ГА, аэродинамики, динамики полета, безопасности полетов и летной эксплуатации в СПб ГУГА, МГТУ ГА, ОАО «СПАРК» и ГосНИИГА. Реализация результатов работы подтверждается актами внедрения, Сертификатами о соответствии разработанных ТС ФАП «Технические средства для выполнения авиационных работ. Требования и процедуры сертификации», утв. приказом МТ РФ от 29.10.2003г. №202.
Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 46 печатных работах, в том числе в 1 научном издании, 30 статьях, 2 патентах и 1 заявке на изобретения. Материалы исследования отражены в 5 отчетах по научно-исследовательской работе НПК «ПАНХ», в которых автор является исполнителем или научным руководителем.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 170 наименований (из них 15 на иностранных языках) и приложения. Основная часть работы изложена на 386 страницах машинописного текста. Общий объем работы составляет 444 страниц, 65 таблиц, 176 иллюстраций.
Благодарности. Автор выражает признательность В.Б.Козловскому, М.С. Кубланову, В.В. Ефимову, А.В. Ципенко за консультации и поддержку автора в ходе работы. Хочу выразить признательность научным сотрудникам и летчикам-испытателям НГПС «ПАНХ» без участия которых не удалось бы провести экспериментальные исследования: О.В. Худоленко, В.П. Асовскому, Ю.М. Солуянову, В.В. Рощупкину, Ф.И. Корнишеву, С.А. Агрову, В.Т. Трутько, СБ. Редченко, СВ. Фоминцеву и др.
Исследование различных подходов к проблеме обеспечения динамической устойчивости системы Э-ВС-ГП
Эта группа позиций характеризуется тем, что во главу угла повышения динамической устойчивости системы «экипаж-вертолет-груз» ставятся технические решения в области создания эффективных систем автоматической стабилизации вертолета в полете с грузом на ВП.
Так, по мнению В. Смелова и О. Холявина «...необходимость разработки специализированных систем автоматического управления вертолетом диктуется все более увеличивающимся объемом работ с использованием вертолетов на АСМР, в геологии и других отраслях экономики» [141]. Отметим, что для повышения динамической устойчивости рассматриваемой системы эти исследователи считают необходимым использовать «...полностью автоматизированные системы управления, осуществляющие наилучшее выполнение поставленной задачи на данных видах АР». Уточняя свою позицию в этом отношении, В. Натальин [80] также указывает, что «наиболее полное и радикальное решение указанных проблем обеспечивается при использовании специальных автоматов, улучшающих пилотажные характеристики ЛА и помогающих летчику (а временами — заменяющих его) в пилотировании вертолета. К таким устройствам относятся автопилоты и системы автоматического управления (САУ)», которые, по его мнению, в основном и обеспечивают стабилизацию пространственного положения вертолета в полете с грузом на ВП с целью сохранения заданного режима полета.
Очевидно, что пилотирование вертолета на АСМР, АВР, МЭР связано с использованием режимов малых скоростей полета, на которых вертолет статически неустойчив как в продольном, так и в путевом отношении. Поэтому летчик, выполняющий операции по монтажу конструкций на высотном объекте или спасательную операцию, связанную с продолжительным использованием режима висения вертолета, вынужден постоянно воздействовать на рычаги управления, обеспечивая создание необходимых сил и моментов, под влиянием которых вертолет сохраняет заданный режим полета. Дифференциальное включение автопилота в основную проводку управления в значительной мере разгружает летчика, выполняющего такие АР, и освобождает его от функций стабилизатора углового положения вертолета. Однако, как показывает практика, управление вертолетом на режиме висения и малых перемещений, когда летчик вынужден действовать как некоторое условное «самонастраивающееся звено системы управления» [55, 92], чтобы удержать ошибку пилотирования на монтаже в заданных пределах, остается достаточно сложным процессом. В этом случае действия пилота по управлению вертолетом подобны самонастраивающемуся автопилоту, автоматически изменяющему свои «передаточные числа» в зависимости от динамики управляемого объекта [165]. Как показывают результаты исследований [102] автора и анализ материалов зарубежных исследований [160], пилот «настраивает» свои «передаточные числа» таким образом, чтобы обеспечить в полете по ТГВП постоянство основных характеристик системы «экипаж-вертолет-груз».
Практическая реализация законов управления дифференциального автопилота наталкивается на ряд трудностей, требующих поиска компромиссных решений. Это происходит вследствие того, что требования к характеристикам устойчивости и управляемости вертолета в некотором смысле противоречивы. Известно, чем больше запас устойчивости у системы, тем сложнее перевести ее в новое состояние. По мнению В. Пухватова «...поиск некоторой «середины» между устойчивостью и быстродействием и является по существу оптимизацией управляемости, требования к которой зависят от назначения вертолета» [122].
Следует отметить, что при проектировании современных вертолетов этот принцип в той или иной мере используется с целью облегчения процесса пилотирования вертолета, особенно на режимах висения и малых перемещений. Например, в структурную схему автопилота вертолета-крана, кроме обычного автопилота, стабилизирующего углы отклонения планера, в последнее время устанавливаются дополнительные автоматические устройства, такие как: система гашения колебаний груза на ВП; система стабилизации вертолета на режиме висения относительно заданной точки с помощью доплеровского измерителя составляющих путевой скорости, угла сноса и радиовысотомера; система стабилизации заданной высоты висения вертолета по сигналам датчиков глубины погружения (ДТП) или длины троса (ДТ) ВП [33]. Для выполнения этих задач в схему автопилота добавляются специальные траекторные вычислители.
При реализации автоматического управления в проводку управления, в отличие от включения по дифференциальной схеме автопилота, ограничивающей ход соответствующего органа управления диапазоном шириной 20 — 25 % полного хода, включают параллельные рулевые машины с 100 % диапазоном отклонения органов управления, которые подсоединены через пружинные тяги к основной проводке и перемещают ее с малой скоростью [33]. Такие САУ особенно распространены за рубежом [170], а также реализованы на модернизированном отечественном вертолете Ми-8МТВ [133].
Проверка адекватности математической модели
Очевидно, что для математического описания движения ЛА полную информацию о поведении объекта исследования в каждом конкретном случае собрать практически невозможно. Кроме этого, многие характеристики ЛА и груза при выполнении ТГВП определяются с невысокой точностью, например: взлетная масса ЛА, тяга и расход топлива, моменты инерции ЛА и груза, их аэродинамические характеристики.
Отсюда следует, что не все результаты, полученные в ходе ЛИ, могут быть использованы для оценки адекватности ММ. По нашему мнению, для этого следует использовать только те данные ЛИ, которые достаточно полно описывают движение хотя бы в одном канале, и в которых не обнаруживаются внутренние рассогласования данных в результате внешних незарегистрированных воздействий и погрешностей СРППИ.
В качестве критериев оценки адекватности ММ движения ВС использовались два подхода, подробно описанных в работах [61, 62] профессора Кубланова М.С. В обоих из них учитывается, что уравнения движения не нуждаются в проверке, так как реальное ВС подчиняется именно им.
На первом этапе оценивалась адекватность выбранной ММ при полете вертолета без груза путем сравнения результатов ВЭ с записями параметров полета вертолета Ми-8АМТ. На втором этапе та же ММ проходила проверку на адекватность моделирования поведения груза на внешней подвеске путем сравнения результатов ВЭ и ЛИ с пустым ВСУ-15.
С использованием методик [59, 60] был проведен комплекс ВЭ по идентификации ММ движения вертолета. В качестве данных ЛИ использованы результаты записи параметров одного из полетов вертолета Ми-8АМТ RA-24025 НІЖ «ПАНХ», состоявшегося 30.08.2005 по маршруту Краснодар - н/п Темижбекская (см. Прил.А).
В рассматриваемом полете взлет выполнялся в зоне влияния эффекта воздушной подушки. Профиль полета вертолета представлен на рис.2.1. После выполнения контрольного висения на высоте Н я 4 м с целью определения запаса мощности СУ и достаточности управления вертолет выполнил горизонтальный разгон скорости с набором заданной условием полетного задания высоты полета//» 120 м.
Постоянная величина скорости полета в промежутке времени от 0 с до 30 с, чуть менее 40 км/ч, на рис. 2.1 объясняется наличием зоны нечувствительности датчика скорости.
Углы крена, тангажа и рыскания на рассматриваемом участке полета изменялись, как показано на рис. 2.2. Необходимо отметить, что углы тангажа и рыскания при построении графиков были скорректированы таким образом, чтобы в момент времени 0 их величины также равнялись бы нулю. Это вполне допустимо, т.к. начальные величины этих углов могут в определенном диапазоне корректироваться пилотом произвольно.
Поскольку информация о внешних условиях (точные значения величины и направление ветра в точке старта) отсутствовала (экипаж располагал только действующим прогнозом погоды на момент взлета вертолета и неустойчивыми показаниями ветроуказателя на площадке старта), то воспроизвести с достаточной точностью и непротиворечивостью угловые колебательные процессы практически невозможно. Поэтому было принято решение сосредоточиться на медленно меняющихся величинах, т.е. на высоте и скорости полета. Для составления наиболее полной картины состояния адекватности ММ проверка проведена с помощью статистических критериев и с помощью эвристического метода, изложенных в работах [59, 60].
Оценка адекватности ММ полета вертолета Ми-8 данным ЛИ по методике обобщенной проверки основывается на статистических критериях и не учитывает физические особенности сравниваемых параметров. Поэтому к результатам такой проверки следует относиться с определенной осторожностью ввиду неполноты информации о самом летном эксперименте.
Сравнение результатов ВЭ и ЛИ проводилось в зависимости от времени по следующим параметрам: - высота; - продольная скорость; - угол крена; - угол тангажа; - угол рыскания. Общее количество анализируемых дискретных точек данных параметров определялось величиной 61 по числу зарегистрированных в ЛИ узлов через 1 с в течение рассматриваемого периода времени в 60 с. Результаты статистической оценки адекватности представлены в таблицах 2.1 — 2.5.
Отличие наблюдаемого распределения рассогласования по высоте полета (табл. 2.1) от нормального расценивается как значимое, т.е. разница между ВЭ и ЛИ по данному параметру не может считаться незакономерной. Это означает с формальной точки зрения, что наблюдается противоречие между ВЭ и ЛИ. Однако принятый пороговый уровень значимости в рассматриваемых обстоятельствах допустимо понизить. С другой стороны, результат проверки критерия значимости для гипотезы о нулевом математическом ожидании рассогласования дает основания считать, что систематическая погрешность между ВЭ и ЛИ отсутствует. Кроме того, полученный 90 % доверительный интервал для рассогласования настолько мал, что свидетельствует о весьма высокой точности соблюдения в ВЭ изменения высоты в ЛИ. В пределах этой погрешности (менее 0,8 м) на недостаточную непротиворечивость не имеет смысла обращать внимание. Таким образом, можно сделать вывод об удовлетворительной степени адекватности результатов ВЭ данным ЛИ по высоте полета.
Постановка задачи и формулировка физической модели распыления частиц с устройства на внешней подвеске вертолета
Рассмотрим ситуацию, когда ТС с веществом расположено на ВП вертолета. Движение частиц, покидающих устройство, определяется полем тяжести Земли и взаимодействием с окружающим воздухом, поэтому распределение частиц по земной поверхности будет зависеть от: - скорости вертолета относительно воздушного потока, - скорости и турбулентности атмосферного воздуха, - скорости индуктивного потока несущего винта (НВ), - пространственного положения точек старта частиц (то есть от положения и конструкции форсунок или выходного отверстия ТС), - начальных пространственных и угловых скоростей частиц. Таким образом, при разработке алгоритма расчета распределения специальных биологических веществ, абсорбирующих элементов, компактных зажигательных веществ (жидких или сосредоточенных в контейнерах формы шара малого диаметра) при распылении с устройства, размещенного на ВП вертолета, на режиме установившегося ГП и полета с малыми значениями поступательной скорости, необходимо решить следующие проблемы: - моделирование индуктивного потока НВ; - моделирование колебаний ТС (в частном случае ВОП-3) на ВП; - моделирование турбулентности атмосферы; - расчет траекторий частиц.
Наиболее сложная проблема - получить поле скоростей от НВ. Решить её можно, например, непосредственно рассчитав обтекание воздухом лопастей НВ и фюзеляжа вертолета. Однако, на современном этапе, задача моделирования такого трехмерного нестационарного потока не по силам даже супер-ЭВМ, поэтому автор предлагает другой путь, а именно расчетно-экспериментальную методику определения потока от НВ, основанную на использовании экспериментальных данных об индуктивном потоке НВ на различных режимах полета и известных зависимостях вертикальной скорости от радиуса под плоскостью НВ. Подробно этот подход излагается в п.3.3. Так как речь идет всего о нескольких типах вертолетов, то этот способ является наиболее быстрым, относительно недорогим и максимально учитывающим реальную форму ЛА и положения лопастей НВ. Здесь можно использовать методику и данные ЛИИ им. М.М.Громова [5]. В открытой печати публиковались результаты экспериментов для вертолета Ка-32, поэтому ниже будем рассматривать распределение веществ именно с этого ЛА.
Проблему моделирования колебаний груза или ТС на ВП необходимо решать с учетом индуктивного потока НВ, так как распределение (далее распыление) происходит, чаще всего, на малых скоростях полета, когда ТС находится в зоне влияния струи НВ. В п.3.4 эта задача решается при равномерном прямолинейном движении вертолета.
Турбулентность атмосферы необходимо учитывать при движении частицы вне области влияния индуктивного потока НВ. Это происходит при распылении на больших скоростях или с большой высоты. Основная роль атмосферной турбулентности сводится к увеличению рассеивания частиц. Здесь не рассматриваются очень мелкие частицы, у которых скорость витания близка к пульсационной скорости воздуха и которые практически не падают на землю.
Скорость витания, согласно работе [147] Требина Ф.А. и др., рассчитывается по формуле: где g - ускорение силы тяжести, Dp - диаметр частиц, рр и pg - плотности частиц и газа, CD - коэффициент сопротивления частицы.
Турбулентность атмосферы моделировалась (см. п.3.5) в соответствии с методикой, изложенной в справочнике [19].
Ещё одна проблема - расчет траекторий движения частиц с целью получить их распределение на земной (водной) поверхности. Так как объемная доля частиц на основном участке траектории их падения (за исключением малой области вблизи форсунки или выходного отверстия контейнера) не превышает 10"3, можно рассчитывать движение каждой частицы отдельно, не учитывая их влияние друг на друга [153, 79]. Так как размеры вихрей определяются размерами характерных элементов конструкции подсистемы «ВС-ГВП» (например, конструкцией ТС, лопастей НВ, и т.п.), то ясно, что размеры частиц много меньше характерных масштабов турбулентных пульсаций, поэтому движение частиц можно рассматривать без учета силы турбофореза1. В нашем случае основные силы, действующие на частицу - это аэродинамического сопротивления, тяжести, Сэфмена (вызывается неравномерностью скорости воздуха) и Магнуса (вызывается вращением элемента). Оценка величины этих сил, следуя А.Ю. Вараксину [27], проведенная для средних параметров потока (см. табл.3.1) показала, что наибольшую роль играют сила аэродинамического сопротивления и сила тяжести, причем сила тяжести в несколько раз меньше силы аэродинамического сопротивления. В итоге далее в подробных расчетах учитываются только силы аэродинамического сопротивления и тяжести, другие силы учитываются толькопри оценке максимального разброса частиц. Модель расчета траекторий частиц приведена в п.3.6.
Системы для азимутальной ориентации и фиксации груза на внешней подвеске вертолетов
Доказано, что динамика вертолета и груза на его ВП взаимосвязаны [115]. Эти связи проявляются через силы и моменты, которые передаются с ВП на вертолет, и через силы, которые создаются на ВП при движении вертолета. В общем случае на груз, размещенный на ВП вертолета, действуют те же физические силы, что и на вертолет (сила тяжести, аэродинамическая сила, сила натяжения троса), силы инерции, а также продольный момент аэродинамических сил (рис.4.2).
Силу натяжения троса в этом случаи следует рассматривать как результат взаимодействия вертолета и груза. Она зависит от силы тяжести груза, аэродинамической силы, действующей на груз, а также от инерционных сил, возникающих при раскачивании груза относительно точки подвеса и из-за ускоренного перемещения самой точки подвеса [91]. Необходимо заметить, что в целом исследование этого процесса отличается достаточной сложностью, поскольку груз на ВП движется в существенно нестационарном возмущенном потоке воздуха со скоростью, как правило, соизмеримой с индуктивными скоростями потока в окрестности НВ вертолета, что приводит, в свою очередь, к его нестационарному аэродинамическому нагружению.
Установлено, что колебания груза относительно точки подвеса, его вращение в горизонтальной плоскости на режиме висения вертолета и в полете с поступательной скоростью вызвано, как правило, изменением силы лобового сопротивления груза при различных углах его скольжения, а также периодическим сходом вихрей, обусловленных индивидуальной аэродинамической формой груза [43].
С ростом скорости это положение может меняться самым произвольным образом и к моменту выхода груза из области струи НВ его продольная ось может находиться практически под любым углом к направлению полета вертолета (рис.4.3а, 4.36). При этом возрастающие аэродинамические силы приводят к возникновению колебательного движения груза относительно точки его подвеса (рис.4.3в).
С дальнейшим увеличением скорости возможно развитие его незатухающих колебаний на ВП, что может явиться источником появления дополнительных нестационарных нагрузок на вертолет и НВ, а также причиной возбуждения автоколебаний в системе «груз-НВ-вертолет». Очевидно, что в таких условиях центральной задачей экипажа на АСМР является
Как уже отмечалось выше для успешного решения этой задачи, кроме высоких профессиональных навыков экипажа, необходимо применение специальных ТС, размещаемых как на ВС, так и на транспортируемом на ВП объекте, которые позволят существенно сократить этап пилотирования вертолета на режиме висения, снизить психофизические нагрузки на экипаж и в целом обеспечить повышение безопасности полетов на АСМР (ТГВП).
Изучение известных технических решений в области разработки способов, технологий и ТС для выполнения АСМР с применением показывает, что существующие ВП вертолетов, в основном, предназначены для стабилизации объекта монтажа (груза) на ВП или его фиксации в плоскости параллельной плоскости вращения НВ под наиболее удобным углом к направлению набегающего потока. Такие системы стабилизации отличаются простотой конструкции и позволяют значительно повысить степень устойчивости поведения грузов на ВП и скорость их транспортировки вертолетами. Основной функцией таких устройств является успокоение крутильных колебаний груза относительно оси подвеса (вертикали), возникающих под действием аэродинамических сил в полете при ТГВП или ударных нагрузок при монтаже. Однако они не решают основную задачу АСМР - согласование по азимуту строительных осей груза с проектными отметками на монтажном объекте и не обеспечивают устойчивости груза на ВП при турбулентных воздушных потоках. Специальные ориентирующие подвески, являясь более сложными по конструкции техническими устройствами, по нашему мнению, достаточно успешно обеспечивают решение этих проблем.
Из динамики движения твердого тела известно, что мерой инертности груза при его вращении является момент инерции относительно некоторой оси вращения (вертикали) [154], поэтому эффективная стабилизация груза на ВП вертолета может быть обеспечена при условии
