Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния в области дирижаблестроения и эксплуатации дирижаблей в гражданской авиации России 14
1.1. Состояние разработок по созданию большегрузных дирижаблей для решения транспортных проблем России 14
1.2. Перспективы применения БГД различного назначения на транспорте 18
1.2.1. Направления разработок БГД как транспортных средств 18
1.2.2. Эксплуатационные требования к свойствам большегрузных дирижаблей с внешним подвесом грузов 20
1.2.3. Классификация летательных аппаратов по МКИ и классификатор типов дирижаблей 21
1.3. Оценка перспектив создания жестких (композитных) конструкций БГД 22
1.3.1. Схемы применения композитов 22
1.3.2. Сравнительные характеристики весовой отдачи аэростатических воздухоплавательных аппаратов разных типов 23
1.3.3. Оценка аэростатической силы газонаполненных оболочек и сплавной силы в традиционном дирижабле 24
1.3.4. Требования к структурно - параметрическому анализу эксплуатационных свойств дирижаблей 26
1.4. Задачи диссертационного исследования 27
Выводы-1 28
Глава 2. Разработка модели динамики движения дирижабля с грузом на внешней подвеске под дирижаблем 29
2.1. Анализ существующих математических моделей дирижаблей, применяемых при перевозке грузов на внешней подвеске 29
2.1.1. Общая характеристика динамической системы «БГД-груз» 29
2.1.2. Основные допущения в моделях динамики БГД с грузом 32
2.1.3. Методологическая основа принципов построения моделей динамики движения дирижаблей 34
2.2. Концепция построения математических моделей динамики дирижабля как элементов некоторых динамических систем 45
2.2.1. Классификация динамических и кинематических схем построения моделей движения дирижабля как взаимосвязанной системы с подвешенным грузом 45
2.2.2. Классификация динамических задач взаимодействия подсистем Бі-БГДиЗг-груз 50
2.3. Схемные варианты математических моделей динамики движения дирижабля грузом 53
2.4. Исследование колебаний системы «Дирижабль-груз» с учётом положений метацентра архимедовой силы 58
2.4.1. Расчетная схема системы «Дирижабль-груз» с учетом положений метацентра архимедовой силы 58
2.4.2. Колебания системы вокруг метацентра 58
2.5. Разработка модели динамики относительного движения груза на внешней подвеске под дирижаблем в системе координат переносного движения .: 61
2.5.1. Постановка задачи .* 61
2.5.2. Уравнения движения груза как твердого тела, подвешенного под дирижаблем, в относительной системе координат, связанной с центром масс дирижабля 62
2.5.3. Вывод уравнений движения груза при маневрировании дирижабля с учетом связи между дирижаблем и грузом по методу уравнений Лагранжа 2-го рода 73
2.5.4. Исследование колебаний груза при жестких или гибких связях на тросе 78
2.6. Численное моделирование движения груза по углу смещения от вертикали а на внешней подвеске под дирижаблем 80
2.7. Моделирование процессов гашения поперечных колебаний груза на внешней подвеске при боковом маневрировании дирижабля 84
2.7.1. Исходные предпосылки 84
2.7.2. Оценка эффективности маневрирования дирижабля с целью гашения колебаний груза 86
2.7.3. Результаты математического моделирования 87
2.7.4. Амплитуда бокового смещения дирижабля В0 при разных значениях давление внутри оболочки 91
2.8. Влияние соотношений эксплутационных параметров на динамику движения системы «Дирижабля-груз» 95
2.8.1. Влияние соотношения масс дирижабля и груза на характер колебаний системы «Дирижабль-груз» 95
2.8.2. Влияние длины подвеса тросовой системы на динамику колебаний 96
Выводы-2 97
Глава 3. Методика расчета эксплуатационных параметров большегрузных дирижаблей, применяемых в качестве транспортного средства 99
3.1. Методика расчета летно-тактических характеристик дирижаблей 99
3.2. Требования к функциональным свойствам БГД и выбору формы аппарата 100
3.3. Особенности расчёта корпуса жесткого дирижабля 102
3.4. Расчетные соотношения импульсной теории винта для подборе двигателей дирижаблей по мощности с учетом параметров режима полета 102
3.4.1. Постановки задачи 103
3.4.2. Схема решения 103
Выводы-3 107
Глава 4. Оценка и обеспечение безопасности полетов БГД 108
4.1. Оценивание безопасности полетов БГД на основе моделей рисков 108
4.1.1. Трактовки понятия рисков и их значения при оценке уровней опасности в различных системах 108
4.1.2. Два типа моделей риска и их разновидностей для 2-х мерного оценивания свойств риск 109
4.1.3. Характеристика и разновидности задач с моделями рисков 1-го типа 110
4.2. Условия безопасности транспортировки грузов на внешней подвеске на маршевом полете или при висении по методике программы CFIT по ИКАО (Методическая основа алгоритмов оценивания рисков и CFIT) Ill
4.3. Оценка рисков возникновения авиапроисшествий с БГД
в полете при сильном боковом ветре груза на внешней подвеске 113
4.3.1. Оценка безопасности полете БГД при порывах сильного бокового ветра 113
4.3.2. Оценка аэродинамических возмущений при боковом ветре 113
4.3.3. Динамика режимов крейсерского полёта и висения 114
4.3.4. Режимы причаливания и трелевки 115
4.3.5. Интегральная,оценка безопасности режимов полета БГД 116
4.4. Оценка рисков реализации инновационных проектов БГД 117
4.4.1. Общая постановка задачи 117
4.4.2. Общая методика оценивания рисков на основе моделей простых рисков 117
4.5. Обеспечение контроля перелетов БГД с помощью средств системы ОрВД России 124
Выводы-4 124
Заключение 125
Литература
- Состояние разработок по созданию большегрузных дирижаблей для решения транспортных проблем России
- Анализ существующих математических моделей дирижаблей, применяемых при перевозке грузов на внешней подвеске
- Методика расчета летно-тактических характеристик дирижаблей
- Оценивание безопасности полетов БГД на основе моделей рисков
Введение к работе
Актуальность темы. В данной диссертации дается теоретическое обобщение ряда работ в новой области транспорта - в дирижаблестроении. Предлагается целостное изложение расчетных методов и способов, которые могут обеспечить эффективную эксплуатацию дирижаблей при решении транспортных проблем гражданской авиации России и, в частности, при перевозке грузов на внешней подвеске под дирижаблем.
Диссертационные исследования проводятся в связи с разработкой перспективных инновационных проектов и соответствующих бизнес-планов, обусловленных потребностями гражданской авиация в создании систем транспортировки негабаритных и особых грузов с помощью большегрузных дирижаблей. К этому классу предварительно отнесены дирижабли с грузоподъемностью в виде полезной нагрузки с массой от 1,5 до 25 тонн и более от 25 тонн до 50 тонн. Известны сведения [4] о проектах дирижаблей с грузоподъемностью до 1000 т, предназначенных для полетов на высотах 18-20 км.
Перспективность рассматриваемого проекта определяют следующие факторы:
актуальность темы;
практическая возможность создания в настоящее время большегрузных дирижаблей, в которых используются новые принципы управления аэростатической силой и новых технологий создания жестких и полужестких конструкций корпуса;
существование развитой инфраструктуры системы организации воздушного движения (ОрВД) в России, необходимой для обеспечения сопровождения полетов дирижаблей и системы подготовки летного состава для управление аэростатическими аппаратами в рамках сети учебных заведений ГА РФ.
Актуальность темы определяется тем, что в транспортной системе России имеется еще одна незаполненная ниша: это перевозка грузов в районах бездорожья, в Северных регионах, в районах Ледовитого океана и северных рек в
период межсезонья. При транспортировке негабаритных грузов и технических конструкций различного назначения необходимо использовать транспортные средства с грузоподъемностью более 25-50 тонн и даже до 100 тонн, что в настоящее время невозможно обеспечить даже с помощью крупнотоннажных вертолетов.
Так, известно [14, 15], что вертолеты - краны обеспечивают транспортировку грузов с помощью внешней подвески массой до 25 тонн. Поэтому перспективным представляется использование в подобных случаях только дирижаблей. Кроме того, в настоящий момент имеется потребность в создании прежде всего дирижаблей в классе полезной нагрузки от 5 до 50 тонн. Основные проблемы создания таких дирижаблей - это выбор типа конструкции (жесткой, мягкой, комбинированной), обеспечение изменения подъемной силы без потери газа из оболочки в режиме висения, обеспечение безопасности полетов и эксплуатации при учете большой парусности и изменчивости метеоусловий, решение вопросов энергетики, трелевки внешних грузов, зависания дирижабля над заданной поверхностью, обеспечение управления при маневрировании дирижабля в пространства при малых скоростях перемещения.
Быстрое истощение природных запасов углеводородного топлива, катастрофическое нарастание экологических проблем, а также появление большого объема новых транспортных и специальных задач являются основными причинами возрождения воздухоплавательной техники как одного из видов перспективного транспортного средства. В настоящее время более 30 фирм ведут изыскания по трем основным направлениям развития современного дирижаблестроения [4, 5,30]:
- создание многофункциональных дирижаблей малого и среднего объема;
- конструирование и производство транспортных дирижаблей большой
(20-200 т) и сверхбольшой (до 1000 т) грузоподъемности;
- применение стратосферных дистанционно управляемых дирижаблей.
По оценкам специалистов в ближайшие 20-30 лет на мировом рынке могут быть востребованы не менее 1000 дирижаблей различной размерности и грузо-
7 подъемности. Такая перспектива развития дирижаблестроения продиктована
тем, что летательные аппараты легче воздуха нового поколения будут обладать уникальными летно-техническими и эколого-экономическими характеристиками и некоторыми преимуществами в сравнении с летательными аппаратами тяжелее воздуха.
Среди экологических свойств применения дирижаблей могут быть указаны: малый удельный расход углеводородного топлива, низкий уровень шума и другие.
Важными энергетическими характеристиками рассматриваемых аппаратов являются такие, как низкая потребная энерговооруженность, высокая массовая эффективность конструкции, сравнительно низкие удельные эксплуатационные расходы и большие перспективы создания высокоэффективных аэростатических аппаратов сверхбольшой грузоподъемности (300-1000 т и более);
Среди важных эксплуатационных свойств дирижаблей могут быть отмечены большая дальность и продолжительность полета, отсутствие ограничений по маршрутам, возможность использования более доступных и дешевых видов топлива (автомобильные бензины и дизельное топливо), высокий уровень обеспечения комфортности полетов для пассажирских и туристических дирижаблей.
Одно из достоинств дирижаблей заключается в том, что они обладают естественной устойчивостью, т.к. их метацентрическая высота ненулевая (статически устойчивы в вертикальной плоскости), и аэростатическая подъемная сила не зависит от скорости полета и, следовательно, от силовой установки.
Возрождение дирижаблей в настоящее время происходит на фоне научно-технического прогресса во многих областях. Перспективные пути решения транспортных задач могут быть найдены в рамках теории и практики оптимизаций способов перевозки грузов с использованием большегрузных дирижаблей.
Цель работы. Целью диссертации является разработка методики расчета эксплуатационных характеристик режимов работы и способов перевозки грузов
8 с использованием большегрузных дирижаблей, совершенствование технологических процессов и способов эксплуатации дирижаблей, а также обоснование возможностей предотвращения возникновения опасных ситуаций и авиапроисшествий на земле и в полете, особенно в случае перевозки грузов на внешней подвеске.
Разработка научно-методического обеспечения способов выбора и оптимизация эксплуатационных параметров дирижаблей нового поколения производится на основе структурно-параметрического анализа и синтеза аэростатических летательных аппаратов как сложных технических систем путем формирования облика дирижабля с высокими летно-техническими и эколого-экономическими параметрами на этапе проектно-поисковых исследований и цифрового моделирования.
Сформулированная цель диссертации достигается путем решения ряда следующих основных задач:
проведение теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических характеристик дирижаблей различной конфигурации;
параметрическая оптимизация геометрических, энергетических, массовых, летно-технических и экономических характеристик дирижаблей с различными типами конструкции корпусов и вариантами силовых установок в классе задач для векторного критерия с параметрами на множестве Эджворта — Парето
[24, 25];
разработка новой конструктивно-силовой схемы дирижабля жесткого типа с высокой весовой и технико-экономической отдачей при решении транспортных и специальных задач, включая транспортировку крупногабаритных грузов на внешней подвеске,
разработка математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ для оценки характеристик систем и агрегатов и дирижабля в целом и использование их в разрабатываемых эксплуатационных схемах транспортировки грузов с учетом основных проектных параметров дирижаблей.
9 Методы исследования. Использования общая теория систем, композиция
и декомпозиция агрегированных комплексов на основе принципов модульного построение исследуемых систем. Вероятностный и статистический анализ процессов организации и управления перевозками. Применены основы математической теории рисков при оценивании безопасности полетов дирижаблей в сложных метеоусловиях при взлете и посадке и при полетах на эшелонах.
Состояние вопроса. Наибольшие достижения в области создания большегрузных дирижаблей нового поколения были получены всемирно известной фирмой «Картолифгер» в Германии [7, 16]. Кроме того, известны результаты разработки и эксплуатации созданных дирижаблей во Франции, в Канаде, Китае. Вопрос об использовании дирижаблей в народном хозяйстве РФ изучается также достаточно давно, но практическая необходимость в решении эксплуатационных и транспортных проблем при производстве авиационных работ возникла наиболее остро в связи с новыми экономическими условиями в России и во всем мире.
Основополагающие результаты в области оптимизации расчётов по формированию типа размерного ряда и выбору основных параметров дирижаблей были получены в Московском авиационном институте им. С. Орджоникидзе, а также в МИИГА (теперь МГТУ ГА) под руководством профессоров Рощина В.Ф., Ципенко В.Г. и ст. науч. сотрудника Горелова Ю.А. [14, 15]. Основные идеи использования дирижаблей в народном хозяйстве были разработаны в ОКБ им. Мясищева В.Я. Эти идеи были положены в основу нескольких отраслевых НИР [19, 20], результаты которых были внедрены в гражданской авиации России.
В Академии ГА научную школу в самой широкой области по проблемам безопасности полетов воздушных судов представляют профессор Крыжанов-ский Г.А и его коллектив. В области теории рисков и ее применения при оценке надежности и безопасности дирижаблестроения использованы работы профессора Куклева Е.А. В Академии гражданской авиации (ныне СПб. Государственный университет ГА) решены вопросы организации воздушного движения,
10 планирования воздушного пространства и подготовки специалистов по обеспечению перевозок с помощью дирижаблей, что отражено в ряде публикаций Куклева Е.А. В прошлом совместно с Федеральной службой воздушного транспорта России (ныне ФАВТ) согласованы вопросы государственного регулирования деятельности с использованием дирижаблей, а также определены пути сертификации, лицензирования и оценки летной годности дирижаблей на базе Гос. НИИ ГА и Центра «Безопасности полетов» (Ген. дир. д.т.н. Люлько В.И.).
Разработкой большегрузных дирижаблей для решения транспортных проблем России занимаются коллективы научно-производственного объединения Северо-Запада и СПб. ГТУ («Военмех»), В круге перечисленных вопросов решается и проблема преодоления ряда трудностей по расчёту и конструированию дирижаблей, а также по подготовке персонала и обеспечения безопасности полетов.
Указанная выше научно-производственная фирма (НПФ) «ПИЛОТАЭРО-ЛИФТ», Санкт-Петербург, создана при Ассоциации экономического взаимодействия территорий Северо-Запада России с целью разработки, изготовления и эксплуатации большегрузных дирижаблей жесткого типа. Она объединяет специалистов из различных научно-исследовательских, учебных и промышленных организаций Санкт-Петербурга и Северо-Запада РФ, включая специалистов Северо-Западного Координационного НТЦ композиционных материалов (КНТЦ) [9]. Последнее особенно важно для решению задач по выбору микро-макромеханических композиционных материалов и применения их при разработке несущих конструкций и узлов дирижабля.
На основе обобщения ряда известных материалов автору настоящей диссертации удалось получить ряд новых результатов в области совершенствования методик расчётов эксплуатационных характеристик и совершенствование способов перевозки грузов с использованием большегрузных дирижаблей [11, 23].
Главным результатом диссертационного исследования является совершенствование способов перевозки грузов с использованием большегрузных дирижаблей и обоснование выбора эксплутационных параметров транспортных систем, ориентированных на применение средств аппаратов аэростатического типа таких, как большегрузные дирижабле различных классов.
Результаты и положения, выносимые на защиту, и их новизна:
Математические модели пространственного движения системы «дирижабль - груз на внешней подвеске» в классе многомерных нелинейных дифференциальных уравнений, вытекающих из уравнений Лагранжа 2-го рода с учетом соотношений Л. Эйлера для системы твердых тел с несколькими степенями свободы. Представленные уравнения отличаются от традиционных моделей тем, что методики, алгоритмы расчета эксплутационных характеристик и показателей качества транспортных систем, основанных на применении транспортных средств в виде большегрузных дирижаблей, учитывают полетов;
Структура и алгоритмы процедур для определения значения уровня безопасности полетов дирижаблей с грузами на внешней подвеске при оценивании опасности текущего состояния, получаемых к помощью методов теории рисков, отличаются от прототипов тем, что понятие опасного состояния системы основано на многофакторном представлении изучаемых процессов и определения термина «безопасность» по ИКАО [Д. 1,2];
Принцип управляемых рисков в системе управления и контроля безопасности полета дирижаблей при перевозке груза основан на теории рисковых цепей Дж. Ризона по ИКАО [Д. 3,4];
Модели и алгоритмы определения показателей качества в классе простых рисков основаны на теории экспертных систем, по рекомендация ИКАО и ИПУ РАН [Д. 5, 6].
Практическая ценность результатов диссертации состоит в том, что определены области изменения: эксплутационных параметров транспортных аэроста-
:Д - Дополнительный список.
12 тических систем в виде большегрузных дирижаблей. Доказана высокая эффективность применения БГД в качестве авиации общего назначения при их внедрении в транспортную систему с учётом критериев лётной годности.
Апробация результатов и публикации по теме диссертации. Результаты диссертации, отражающие научные проблемы использования большегрузных дирижаблей в народном хозяйстве и схемы оценки уровня безопасности полетов с учетом рисков возникновения авиапроисшествий докладывались на межвузовских конференциях и академических семинарах. Автором опубликовано по теме диссертации 5 печатных основных работ [31, 34].
Краткое содержание диссертации по главам следующее.
В главе 1 - «Анализ современного состояния в области дирижаблестроения и эксплуатации дирижаблей в России» представлен анализ современного состояния дирижаблестроения, выявлены направления исследований по рассматриваемой проблеме. Оценены возможности использования дирижаблей, как транспортных средств с учетом тенденции роста потребностей в перевозке грузов с использованием большегрузных дирижаблей.
В главе 2 - «Разработка математической модели движения груза, подвешенного под дирижаблем, в форме дифференциальные уравнения Лагранжа 2-го рода», являющейся основной теоретической частью исследуемых вопросов, рассмотрены уравнения движения груза на внешней подвеске под дирижаблем, и решена задача о поперечных колебаниях груза. Дан анализ влияния характера выполнения бокового, маневра дирижабля на процессы колебаний груза. Приведены результаты математического моделирования по оценке влияния отдельных параметров маневра дирижабля на гашение колебаний по аналогии с подобными процессами при эксплуатации вертолетов и вертостатов. Описан общий принцип системного анализа характеристик процессов перевозок грузов на дирижаблях при выполнении транспортных операций и авиационных работ. Важным результатом является разработка классификатора динамических режимов движения системы «БГД-груз» с учетом положения метацентра и центра масс системы.
Состояние разработок по созданию большегрузных дирижаблей для решения транспортных проблем России
В данном подразделе рассмотрены вопросы оценки перспектив создания большегрузных дирижаблей в связи с меняющейся экономической коньюкту-рой в России и появлением новых технологий производства аэростатических аппаратов [1-3].
Известно, что вертолеты - краны обеспечивают транспортировку грузов с помощью внешней подвески массой до 25 тонн. Вертостаты могут обеспечить больший эффект (их производство, видимо, временно приостановлено). Тем не менее в настоящий момент имеется потребность в создании дирижаблей в классе полезной нагрузки от 5 до 50 тонн [4, 5], о чем во введении шла речь.
Основные проблемы создания таких дирижаблей - это выбор типа конструкции (жесткой, мягкой, комбинированной), обеспечение изменения подъемной силы без потери газа из оболочки, обеспечение безопасности полетов и эксплуатация при учете большой парусности и изменчивости метеоусловий, решение вопросов энергетики, трелевки, зависания, управления и т.д. [5, 6].
Сравнение дирижаблей с другими видами транспорта (рис. 1.1.1) показывает, что они занимают в транспортной системе промежуточное положение, как по скорости передвижения, так и по топливной эффективности. Но так как показатели топливной эффективности и удельной стоимости транспортировки грузов для водного, железнодорожного, автомобильного и воздушного транспорта между собой хорошо согласуются, то следует ожидать, что транспортные дирижабли большой грузоподъемности по критерию «стоимости тонно-километра» будут занимать промежуточное положение в ряду основных видов транспорта. Сравнительно низкая удельная стоимость транспортировки грузов в сочетании с отсутствием ограничений по маршрутам передвижения,
каковыми для других видов транспорта являются аэродромы, шоссейные и железные дороги, реки, моря и океаны, открывает перед дирижаблями большие перспективы. Особенно это относится к перевозке тяжелых и крупногабаритных грузов, что видно из сравнения характеристик потенциальных областей применения дирижаблей на транспорте (рис. 1.1.2). По оценкам холдинга CargoLifter и консорциума Airbus (рис. 1.12d) ежегодный рынок подобных особых грузов составляет 30 млн. тонн. В период с 1999 по 2018 годы этот рынок практически будет расширяться в 5 раз, при этом около 70% объема предполагаемых работ будет связано с перевозкой отдельных грузов массой более 80 тонн. Так, в пределах лишь 10% существующего рынка перевозок тяжелых и крупногабаритных грузов (3 млн. тонн), фирма CargoLifter планирует построить и эксплуатировать 200 дирижаблей грузоподъемностью 160 тонн. Более перспективные планы намерена воплотить в жизнь английская фирма Advanced Technologies Group [7, 8]: ATG разрабатывает семейство транспортных дирижаблей SkyCat-20, SkyCat-200, SkyCat-1000.
Наибольший из подобных БГД может иметь объем 2 млн. м3 и нести массу полезной нагрузки до 1000 тонн. В США, Японии, Южной Корее и в ряде стран Европы ведутся интенсивные работы по созданию аэростатических платформ, которые могли бы длительное время функционировать на больших высотах (18-22 км), находясь над заданными районами поверхности земли. Стратосферные дистанционно управляемые дирижабли являются перспективной частью инфраструктуры для коммуникаций будущего, прогнозов погоды, обзора земной поверхности и мониторинга техногенных и природных явлений 21-го века. Их стоимость может быть в несколько раз меньше существующих спутников связи. Потенциальный рынок таких дирижаблей оценивается в 250-300 аппаратов на ближайшие 5-Ю лет (с учетом сроков их разработки) [9]. Область их применение дана на рис. 1.1.26.
Исследования по обоснованию тактики и технико-экономических обосно вания применения аэростатических летательных аппаратов в интересах укрепления обороноспособности государства, проведенные в последние годы рядом научно-исследовательских учреждений Министерства обороны РФ (ЦНИИ-30, ГЛИЦ, Военная академия тыла и транспорта, ГосНИИИ военной медицины), показали, что использование дирижаблей позволит в ряде боевых задач многократно снизить затраты на их выполнение по сравнению с применением существующих технических средств и комплексов.
Анализ существующих математических моделей дирижаблей, применяемых при перевозке грузов на внешней подвеске
Во время транспортировки груза, подвешенного под дирижаблем, возможно возникновение недопустимого аварийного раскачивания груза. Критическим является случай динамического взаимодействия дирижабля и груза при соизмеримых массах или при соизмеримой аэростатической силе и массовой силы тяжести груза [32, 33].
Далее, коэффициенты аэродинамических сил и моментов сил, действующих в потоке на несимметричное плохообтекаемое тело, нелинейно зависят от углов ориентации тела относительно направления средней скорости воздушного потока, что может объяснить возникновение раскачивания груза под дирижаблем. Груз представляет собой тело малого удлинения, поэтому его обтекание приходится изучать как трехмерное течение газа. При этих колебаниях силы упругости сравнительно невелики, что может приводить к низкочастотным колебаниям системы, а также к резонансу. В связи с этим динамику движения дирижабля необходимо изучать с учетом влияния на это движение колебаний груза [34].
До недавнего времени было выполнено сравнительно небольшое число теоретических исследований, посвященных математическому описанию движения [33, 35] дирижаблей как динамических систем с грузом на внешней подвеске. В основном такие работы были проведены для случая большегрузных вертолетов. Начальные попытки в этом направлении были сопряжены с трудностями: неточностью определения аэродинамических характеристик системы «ЛА-груз», сложностью правильного задания законов управления ЛА; корректностью замыкания системы дифференциальных уравнений, что приводило к численной неустойчивости математических моделей (ММ).
Позднее в области.дирижаблестроения появились работы, которые были посвящены приведению общей системы дифференциальных уравнений движения системы «ЛА-груз» к системе применительной к вертолетам и усовершенствованию алгоритма решения динамики полета ВС с грузом на внешней подвеске. Наряду с этим были проведены серии летных экспериментов на вертолетах с грузами на внешней подвеске [36], выпущены соответствующие инструкции. Однако, полученных экспериментальных данных недостаточно для создания достоверных ММ для случая движения дирижабля с грузами и даже для случаев аппаратов других типов, снабженных внешней подвеской, поскольку известные эксперименты проводились с малым числом измерений и недостаточными вариациями значений исследуемых параметров.
Возможные схемы внешней подвески грузов под дирижаблем при транспортировке представлены на рис. 2.1.1, где а - традиционная (проверенная) схема с малым плечом I, от центра масс груза до точки подвеса, б - вертолетная (трелевочная) схема, как в случае вертолетов.
Вертолетная схема более простая в практической деятельности, т.к. подвес осуществляется только через одну связь (трос) для того, чтобы обеспечить оперативную транспортировку грузов, подготовленных заранее для перевозки из труднодоступных мест. схемы транспортировки, груза с помощью БГД. Однако это более опасно, что следует из экспертных оценок. Поэтому необходимо проведение дополнительных исследований обеих схем для случая дирижаблей. В развитии методов численного моделирования движения воздушных судов с грузом на внешней подвеске в последнее время наметился определенный прогресс [37]. Тем не менее, разработка полных ММ движения системы «ЛА - груз» еще не завершена в отличие от того, что достигнуто при математическом описании движения изолированного летательного аппарата (самолет, вертолет, вертостат и т.п.).
Исходные гипотезы о свойствах динамической системы
В общем случае управляемый дирижабль с грузом на внешней подвеске представляет собой, как было отмечено выше, связанную систему движущихся твердых тел, взаимодействие между которыми осуществляется через конструктивные элементы внешней подвески (не через грузовую кабину). Движение отдельных элементов этой системы определяется не только внешней нагрузкой, но и внутренними силовыми воздействиями (реакциями связей). Отличительной особенностью движения аппарата типа дирижабля является аэростатический принцип получения подъемной силы в режимах движение с грузом на маршруте полета и при висении.
Условие устойчивости динамической системы и остойчивости по аналогии с морскими судами
На висении и при малой скорости полета необходимым условием статической продольной и поперечной устойчивости дирижабля должно быть расположение центра тяжести (Ц.Т.) аппарата ниже центра приложения аэростатических сил баллона. Необходимо иметь в виду, что управляемый дирижабль с грузом в свободном полете в условиях реального возмущенного движения является твердым телом, вращение которого происходит не вокруг центра масс этого тела, а вокруг некоторого центра вращения, являющегося центром тяжести (масс) системы тел.
Методика расчета летно-тактических характеристик дирижаблей
Расчет и анализ летно-технических характеристик перспективных дирижаблей. Разработаны алгоритмы решения прямой, обратной и оптимизационной задач по определению проектных параметров дирижабля. В качестве примера приведена подробная сводка летно-технических характеристик одного из расчетных вариантов. Разработанный комплекс массовых моделей, а на более ранних стадиях геометрических, аэростатических и энергетических, дал возможность впервые в мировой практике провести сравнительный структурно параметрический анализ дирижаблей с различными типами конструкции силовой установки в широком диапазоне объемов (от нескольких сотен до 5 млн. м3), что позволило выявить влияние основных проектных параметров на весовую отдачу, топливную эффективность и ЛТХ дирижаблей, влияние размерности на выбор предпочтительного типа АЛА. Анализ летно-техиических характеристик АЛА производился на основе совместного решения уравнений параметрических связей конструкции и уравнений движения дирижабля. Для классических дирижаблей с небольшим перетяжелением (переоблегчением) определяющим режимом является горизонтальный полет на крейсерской скорости. Поэтому в качестве уравнений динамики движения дирижабля правомерно принять систему уравнений для .случае установившегося горизонтального полета с кресерской скоростью Укр.
Исходные статическое соотношения равновесия сил в статике при условии, что архимедова сила (плавучесть) уравновешивает силы тяжести элементов дирижабля будет: 100 (pB-Pr)UU+ Y-g(mnyCT-mCJT H-mK0M-m6ajI-mT) = 0, «T-X-Amg-sina=0, (3.1.1) Y-Am-g-cosa = 0, где Am - массовое статическое перетяжеление дирижабля, a - угол атаки, Т -потребная тяга движителей, X - сила сопротивления дирижабля, Y - аэродинамическая подъемная сила дирижабля; U - объем баллона.
Как показывают расчеты и опыт эксплуатации дирижаблей с малой степенью перетяжеления (Am 0,15(-pd-pu)UU) балансировочный угол атаки на крейсерской скорости не превышает 5-70. В этом случае можно допустить, что sin a « a, а COS a «1, и тогда уравнения системы (3.1.1) могут быть записаны в следующем виде: тд=(рв-Рг)ии/ё+Ат Т = СхЯ (3.1.2) Am = Cyq/g, Щд = "V + тсл „ + тком + тбал + тТ; где Під - масса снаряженного дирижабля, q = р VKp /2 - скоростной напор на крейсерской скорости полета; Сх = Сх„ (V) и Су = Су a + Су" 8В - безразмерные коэффициенты аэродинамических сил, зависящие от скорости полета V, угла атаки а и отклонения рулей высоты ов.
Для обеспечения перемещения с помощью БГД различных грузов БГД должен иметь определенье эксплуатационные характеристики [43, 61, 62]: - подъем и перемещение негабаритных и сверхтяжелых грузов на малые расстояния; \Щ\ - перемещение «негабаритных» (или) сверхтяжелых грузов на большие расстояния (до 2-3 тысяч км и более); - обеспечение вертикального взлета и посадки, а также зависания на заданной высоте неподвижно в воздухе.
Выбор формы БГД зависит от аэродинамических свойств несущего объема. Для этого должны быть известны основные характеристики вида [63,64] da dp К = = ґ2({1і.кі}.Х„т,Хцл,а,р), m; = =f,({ll,kj},X„,X„,a,P), да Зр где Ij— характерные размеры корпуса БГД; Хц д - координаты центра давления (фокус); кд- коэффициент формы корпуса (эллипс, диск, «Цеппелин» и т.п.); С", Cz- несущая эффективность избранной формы в виде производных от коэффициентов подъемной силы по углам атаки (X и скольжения (3; m" , rriy - аналогичные аэродинамическим характеристика моментов аэродинамических сил с учетом расположения центра тяжести (Хц т ) и центра давления (фокуса).
Отличие аэродинамики БГД от аэродинамики самолетов состоит в том что, здесь наряду с влиянием скоростного напора (р V 12), добавляется действие гидростатических сил, определяющих свойства устойчивости плавающих тел. В связи с этим возникло отдельное направление проектирования формы и конструкции БГД на основе рекомендаций по проектированию формы и обводов кораблей. Для подбора эксплутационных параметров двигателей для БГД разработана приближенная импульсная теория винта (пропеллера).
Оценивание безопасности полетов БГД на основе моделей рисков
Предварительные исследования показали, что при полете БГД на малых высотах возникают более значимые столкновений с препятствиями, чем, например, в случае вертолетов. Это следствие большой флюгерности и значительных размеров аэростатических аппаратов: длина «баллона» будет не менее 150-250 метров, скорости полетов небольшие, но площадь, обтекаемая потоком, и соответственно моменты сил будут значимыми. Поэтому можно рекомендовать выбирать элементы конструкции БГД и параметры эксплу-тационных режимов полета по показателям «рисков» в виде «рисков возникновения ущербов». Использование только вероятностных показателей оценки безопасности полетов могут здесь оказаться неэффективными. Наиболее приемлемым подходом к решению названных задача может быть использование моделей рисков предложенным Куклевым Е.А. [37]. Это дает основание для использования методов программы CFIT [76] при экспертной оценке безопасности полетов БГД.
Наблюдается широкое внедрение терминологии, связанной с понятиями риска, в разных сферах деятельности общества:
В общепринятом смысле риск трактуется как «большая» и «малая» опасность в повседневной деятельности: - в страховой деятельности и в финансах - это обозначение платежей для покрытия убытков от проявления неблагоприятных, но застрахованных факторов; - в бизнес - планах - это обозначение финансовых компенсаций за неоправдавшиеся результаты, приводящие к ущербам и неблагоприятным результатам с крупными потерями.
В гражданской авиации - в идеологии обеспечения безопасности полётов происходит переход от понятий надёжности систем к понятиям рисков опасных ситуаций, особенно при оценке опасности посадки самолётов в особых случаях. Так, надо отметить, что известные концепции CFIT, ALAR приняты практически в качестве официальных идеологий обеспечения БП в ГА России. Вместе с тем приходится отметить, что унификация положений «безопасности полётов» в рамках моделей рисков по ИКАО пока ещё не достигнута по ряду причин [76]:
1. Имеется неоднозначность понятий рисков и моделей рисков в зависимости от области применения моделей рисков (финансы, экология, техника и т.д.).
2. Перенесение почти без разъяснений методов теории надежности на обла редких маловероятных событий.
Ниже развиваются идеи [76, 77] о том, что классификацию моделей рисков и особенностей их применения можно построить на основе принципов и формул определения показателей 2-х мерной оценки риска на основе моделей предложенных выше.
Согласно [76, 77], различные модели рисков отражают только способы и методику вычисления следующих двух показателей риска в исходной формуле 2-х мерной оценки: - оценивание степени риска или меры неопределённости возникновение опасного события; - оценивание ущерба от риска, при этом иногда цена риска, равное величине ущерба, называется упрощенно, как величина риска.
Вводятся модели [37]: Тип 1 - модели с различными степенями риска: Тип 1а - с нечёткой мерой р, степени риска и интегральной оценкой ве личины риска по классификатору РАН (для 3-х ситуаций, где U = const, HR = const): - многоуровневые модели с нечёткой мерой степени и цены риска в форме таблиц Risk Assessment Tool (по «Боингу»), например, три уровня нечёткой меры степени ц(1), (1(2),ц(3) и три уровня нечёткой меры ущерба HR(1), HR(2), HR(3). При этом может быть введена и многоуровневая модель Risk Matrix для нескольких уровней \х и ущербов HR.
В моделях риска первого типа в качестве меры степени риска могут быть заданы конкретные числа в виде вероятностей событий и соответствующие значения ущербов, но всегда рассматриваемые в совокупности раздельно, если не указаны условия свертки к скаляру.
В качестве меры степени риска могут быть взяты нормированные коэффициенты риска, получаемые апостериорно на основе статистики в виде коэффициентов опасности (например, по ИКАО, по сводке ГИБДД, по сводке железнодорожного транспорта и т.д.).
