Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ видов транспортных и строительно-монтажных работ с использованием летательных аппаратов и средств их осуществления 20
1.1. Вводные замечания и постановка задачи 20
1.2. Виды грузов, перевозимых на внешней подвеске летательных аппаратов 25
1.3. Основные особенности и проблемы транспортировки крупногабаритных грузов большой массы и проведения строительно-монтажных работ с помощью летательных аппаратов в отраслях экономики 32
1.4. Возможности применения аэростатических летательных аппаратов для транспортировки крупногабаритных грузов большой массы и проведения строительно-монтажных работ 43
1.5. Выводы по главе 1 47
2. Методологические основы решения проблемы транспортировки грузов и проведения строительно-монтажных работ с помощью летательных аппаратов в отраслях экономики 49
2.1. Вводные замечания. 49
2.2. Обзор существующих теоретических и экспериментальных методов решения проблемы транспортировки грузов и проведения строительно-монтажных работ с помощью летательных аппаратов в отраслях экономики . 50
2.3. Выбор методов решения проблемы транспортировки крупногабаритных грузов большой массы и проведения строительно-монтажных работ в отраслях экономики с помощью летательных аппаратов. 54
2.4. Общие методологические положения построения математической модели полета летательного аппарата с грузом на внешней подвеске 60
2.5. Математическая модель полета вертолета с грузом на внешней подвеске 65
2.6. Адекватность результатов расчетов на математической модели полета вертолета с грузом на внешней подвеске 79
2.7. Выводы по главе 2 85
3. Теоретические и экспериментальные методы решения проблемы транспортировки крупногабаритных большой массы грузов с помощью аэростатических летательных аппаратов . 87
3.1. Вводные замечания. 87
3.2. Анализ теоретических и экспериментальных методов решения проблемы транспортировки тяжелых грузов с помощью аэростатических летательных аппаратов 87
3.3. Анализ схем комбинированных летательных аппаратов 93
3.4. Математическая модель полета вертостата при выполнении операций по транспортировке крупногабаритных грузов на внешней подвеске 97
3.5. Исследования особенностей управляемости и устойчивости вертостатов при транспортировке грузов на внешней подвеске и выполнении операций
строительно-монтажных работ 121
3.6. Оценка предельных режимов полета вертостатов различных схем 125
3.7. Выводы по главе 3 129
4. Технические средства для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения строительно-монтажных работ 133
4.1. Вводные замечания 133
4.2. Виды систем внешней подвески грузов и их анализ 133
4.3. Виды средств стабилизации грузов на внешней подвеске и их анализ 151
4.4. Основные требования к техническим средствам для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения строительно-монтажных работ и конструкции летательных аппаратов 169
4.5. Выводы по главе 4 175
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований проблемы транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения строительно-монтажных работ с помощью летальных аппаратов в отраслях экономики 177
5.1. Вводные замечания 177
5.2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований вопросов применения вертолетов для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведення строительно-монтажных работ в отраслях экономики 178
5.2.1. Результаты летных испытаний вертолета с грузом на внешней подвеске 178
5.2.2. Результаты теоретических исследований вертолета с грузом на внешней подвеске 184
5.3. Результаты трубных исследований н летных испытаний стабилизирующих устройств, используемых при транспортировке грузов на внешней подвеске вертолетов... 189
5.3.1. Результаты трубных исследований стабилизирующих устройств, используемых при транспортировке грузов на внешней подвеске вертолетов 189
5.3.2. Результаты трубных исследований и летных испытаний стабилизирующих устройств, используемых при транспортировке грузов на внешней подвеске вертолетов 194
5.4. Результаты трубных исследований и летных испытаний тех нических средств, установленных на вертолетах при выполнении транспортировки грузов на внешней подвеске и строительно-монтажных работах в отраслях экономики 201
5.5. Результаты исследований вопросов транспортировки грузов вертостатами на внешней подвеске 220
5.6. Выводы по главе 5 236
6. Разработка методик обеспечения эффективности и безопасности транспортировки грузов на внешней подвеске и при проведении строительно-монтажных работ 241
6.1. Вводные замечания. 241
6.2. Разработка методик транспортировки грузов на внешней подвеске и выполнения стронтелыю-монтажных работ 241
6.3. Решение вопросов обеспечения безопасности полетов при транспортировке грузов на внешней подвеске и проведении строительно-монтажных работ 281
6.4. Разработка рекомендаций и предложений по обеспечению безопасной эксплуатации вертостатов при транспортировке грузов на внешней подвеске и выполнении строительно-монтажных работ 290
6.5. Выводы по главе 6 293
Заключение 294
Список использованных источников 296
Приложение. Документы, подтверждающие внедрение результатов работы 317
- Основные особенности и проблемы транспортировки крупногабаритных грузов большой массы и проведения строительно-монтажных работ с помощью летательных аппаратов в отраслях экономики
- Обзор существующих теоретических и экспериментальных методов решения проблемы транспортировки грузов и проведения строительно-монтажных работ с помощью летательных аппаратов в отраслях экономики
- Математическая модель полета вертостата при выполнении операций по транспортировке крупногабаритных грузов на внешней подвеске
- Основные требования к техническим средствам для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения строительно-монтажных работ и конструкции летательных аппаратов
Введение к работе
Решение задач, поставленных перед транспортной системой страны, требует от эксплуатационных подразделений гражданской авиации (ГА) дальнейшего повышения эффективности летной эксплуатации (ЛЭ) и уровня безопасности полетов (БП) воздушных судов (ВС). Кроме этого, в настоящее время заметно возросли требования с точки зрения экономической, технической?и экологической эффективности применения» авиации в различных отраслях экономики.
Высокая эффективность и БП летательных аппаратов (ЛА) неразрывно связаны друг с другом и непосредственно зависят от качеств самого ЛА и пилота, управляющего им. Качества любого ЛА характеризуются тремя» основными свойствами — устойчивостью, управляемостью и маневренностью, а также существенно зависят от надежной и безотказной работы конструкции, двигателей и систем ЛА. В свою очередь, качество пилотирования т определяется теоретической и практической подготовкой пилота, пониманием динамики ЛА в различных ситуациях и знанием соответствующих инструкций по эксплуатации ЛА.
Поскольку вопросы устойчивости, управляемости и БП для ЛА являются важнейшими и тесно связанными между собой, то методы как теоретических, так и экспериментальных исследований обеспечения необходимых показателей этих качеств ЛА, относятся к числу достаточно сложных проблем. Трудности в изучении и понимании этих проблем вытекают, с одной стороны, из-за большого числа параметров и эксплуатационных ограничений, влияющих на режим полета, а,, с другой стороны, из-за большого числа летных и эксплуатационных ограничений, предписываемых пилоту в нормативных документах по эксплуатации ЛА конкретного типа и определяющих предельные режимы полета, пилотирование на которых требует повышенного внимания. Эти проблемы получили достаточно подробное освещение в работах Пышнова B.C., Ветчинкина В.П., Остославского И.В,;, Федулова В.А., Бравермана А.С., Володко А.М. и др.
Вертолеты, давно стали неотъемлемой частью авиационного парка любого современного государства. Идея применения вертолетной техники при выполнении транспортных и строительно-монтажных работ (СМР) была выдвинута с самого момента создания вертолетов. Большой вклад в становление и развитие винтокрылой техники, в изучение и использование ее особенностей внесли такие ученые, как Юрьев Б.Н., Братухин И.П., Миль М.Л., Камов Н.И., Сикорский И.И., Тищенко М.Н., Михеев СВ.
Помимо вертолетов, в Ї истории авиации і известны и другие типы ЛА, - которые можно успешно использовать для транспортировки крупногабаритных грузов и проведения СМР. К таким ЛА необходимо отнести нетрадиционные аэростатические летательные аппараты (АЛА) — дирижабли, вертостаты, тепловые дирижабли (термопланы). И хотя решение этих задач много раз рассматривалось на государственном уровне, тем не менее, на сегодняшний день нет пока окончательных решений по определению места нетрадиционных АЛА в транспортной системе. Здесь пока идет процесс научно-технического поиска по определению оптимальных типов АЛА, выбору их компоновочных схем, конструктивных решений и технико-экономических обоснований. Исследованием этих задач занимаются многие научные и производственные организации авиационной промышленности и ГА, однако, эти исследования разобщены и не имеют концентрированных организационных форм.
В настоящее время уже известны примеры практического применения і дирижаблей и • вертостатов, проводятся теоретические изыскания по совершенствованию их компоновочных схем, конструктивных решений и поиску видов применения в различных отраслях экономики. В этой области наиболее известны работы последних десятилетий Ларина А.В., Горелова Ю.А., Рощина В.Ф., Ципенко В.Г., Журавлева В.Н., Чауса Э.Ф;, Арие М.Я., Пясецкого Ф.Н.
Среди активных организаций по проведению изысканий использования АЛА для выполнения транспортных операций можно отметить ЦАГИ; НПК «ПАНХ», МАИ, МГТУ ГА, КБ Авиационной Промышленности, а также отдельных энтузиастов в области воздухоплавания. Работа здесь, в основном, направлена на поиск конструктивных решений» АЛА, оценки возможностей их использования; в отраслях народного хозяйства, на транспортных работах и технико-экономическое обоснование их преимуществ перед традиционными ЛА. Из-за отсутствия финансирования работы в этом направлении еще далеки от завершения.
Весомый вклад в разработку методов транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР внесли такие известные ученые, как Логачев Ю.Г., Исаев С .А., Широков Н:А., Рощин В.Ф., Сумовский Н.А. Однако анализ, отечественной и зарубежной литературы, посвященной-как авиации вообще, так вертолетостроению и нетрадиционным АЛА в частности, позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время ощущается острый недостаток материалов, связанных с разработкой новых комплексных методов решения проблемы транспортировки і грузов на внешней подвеске и проведения СМР с помощью различных типов ЛА. Можно утверждать, что работ, в которых широко и полно освещались бы указанные вопросы с позиций системного подхода, явно недостаточно, хотя»потребность в них очень велика. Предлагаемая диссертационная работа должна восполнить серьезный пробел в рассматриваемой проблеме.
Таким образом, в предлагаемой работе решается важная и актуальная народно-хозяйственная проблема транспортировки грузов и проведения? СМР с помощью традиционных и нетрадиционных ЛА в І отраслях экономики за счет использования методов математического моделирования движения ЛА, создания новых и совершенствования современных комплексных теоретических и экспериментальных методов исследования.
Идея диссертационной работы состоит в том, чтобы при разработке рекомендаций и предложений по повышению эффективности транс портировки грузов на внешней подвеске и проведения CMP центр тяжести исследований переместить в область математических методов; как наиболее дешевых и доступных, и исследований в аэродинамических трубах (AT), а дорогостоящие летные испытания (ЛИ) использовать лишь для уточнения математических моделей (ММ), контроля их точности и непротиворечивости.
Необходимо отметить, что за последние десятилетия перевозка грузов на внешней подвеске в общем объеме вертолетных работ заметно возросла и в некоторых авиакомпаниях достигает 50% и более. Это объясняется широким применением таких авиатехнологий как вывозка леса из труднодоступных горных массивов, тушение лесных пожаров, проведение мониторинга окружающей среды, борьбы с последствиями стихийных бедствий и экологических катастроф.
С появлением: в эксплуатации вертолетов с высокой весовой отдачей, таких как Ка-32 и?Ми-2б, масса перевозимого на внешней подвеске или при СМР груза стала соизмеримой с массой самого пустого вертолета (5 т груз и 6 т вертолет Ка-32,20 т груз и 32 т Ми-26). Такое соотношение «вертолет— груз на внешней подвеске» вызвало необходимость пересмотра многих аспектов летной и технической эксплуатации вертолетов, в первую очередь, с точки зрения БП; При этом одной из важной особенностей таких технологий как вывозки древесины, тушение пожаров и СМР является скоротечное изменение суммарной массы системы «вертолет — груз на внешней подвеске» на 35 — 45% при выполнении операций взятие-отцепка груза или забор-сброс воды. К этому необходимо добавить повышение экологических требований при перевозке грузов и СМР, что повлекло за собой увеличение длины внешней подвески до 50 м — 80 м.
По указанным причинам вопросы устойчивости, управляемости, маневренности и БП при перевозке крупногабаритных грузов соизмеримых по массе с массой пустого вертолета, также как и эффективности операций в целом, должны комплексно рассматриваться применительно к системе «вертолет — груз на внешней подвеске». Аналогичный подход представляется : правомерным при построении математических моделей в процессе работ по созданию нетрадиционных летательных аппаратов, предназначенных для перевозки крупногабаритных и сверхтяжелых грузов.
Таким образом, в диссертации предлагаются методологические основы исследования динамической системы «ЛА — груз. на внешней подвеске», поведения системы с точки зрения управляемости,. устойчивости и маневренности. Исследование проводилось путем • математического моделирования системы, проведения экспериментальных исследований в AT и ЛИі
Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором и под его научным руководством в НІЖ «ПАНХ» в период 1973—2003 г.г., а также результатах летных испытаний (ЛИ) в ГосНИИ ГА и НІЖ «ПАНХ» и результатах трубных испытаний в РО ГосНИИ ГА. Эти работы проводились на основании постановлений правительства, планов НИОКР министерств и ведомств, отдельных заданий Министерства ГА и МАП, в качестве поисковых работ НІЖ «ПАНХ», по заказу эксплуатационных предприятий ГА и предприятий — потребителей авиационных услуг в соответствии с планами и программами важнейших научно-исследовательских работ МГА (ГСГА) и МАП, в тесном содружестве с ЦАГИ; ГосНИИ ГА, МВЗ им. МЛ. Миля, ОАО«Камов»,,ММЗ им. В.М. Мясищева, МАИ, МГТУ ГА, РКИИ ГА, АГА и другими организациями в Москве, Новосибирске, Омске, а также с эксплуатационными предприятиями ГА.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы — повышение эффективности эксплуатации и обеспечение БП ЛА прш выполнении СМР и транспортировки грузов на внешней подвеске в отраслях экономики путем разработки и применения усовершенствованных комплексных методов исследования, включающих в себя математическое и натурное моделирование, а также летные испытания.
Главными задачами работы являлись:
— выявление основных эксплуатационных факторов и условий, влияющих на эффективность транспортировки І грузов и проведение СМР с помощью ЛА;
— разработка методологических основ транспортировки; грузов и проведение СМР с помощью традиционных и нетрадиционных ЛА;
— обоснование и разработка целевой обобщенной ММ движения системы «вертолет — груз Ї на • внешней (подвеске» на различных этапах полета;
— обоснование и разработка целевой обобщенной ММ движения системы «вертостат — груз на внешней подвеске» на различных этапах полета;:
—выбор и обоснование технических средств (ТС) для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР;
—разработка методик повышения эффективности и безопасности транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР.
Объект исследования — система эксплуатации ЛА с грузом на внешней подвеске при; выполнении транспортных и строительно-монтажных работ.
Методы исследований. В;работе использован комплексный?подход, включающий методы теоретических и экспериментальных исследований динамических систем, методы численных решений (дифференциальных уравнений, теории подобия; системного анализа, классификации и идентификации, теории вероятностей и математической статистики:.
Достоверность результатов исследований подтверждается:
1) непосредственным сопоставлением результатов расчетов с данными летных экспериментов и продувок в AT, проведенными в ГосНИИ ГА, НІЖ «ПАНХ» и РО ГосНИИ ГА;
2) оценкой адекватности полученных на ММ результатов расчетов экспериментальным данным с помощью статистических критериев.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые поставлены и решены следующие задачи:
- разработка методологии исследования системы "ЛА — груз на внешней подвеске" на основании комплексного применения методов математических, модельных и натурных исследований;
— разработка универсальной ММ! пространственного движения сложной динамической системы "вертолет — груз на внешней подвеске", учитывающей совокупность всех основных силовых факторов, действующих на вертолет и груз на внешней подвеске, и описывающей с высокой степенью адекватности движение системы на различных этапах полета с учетом функциональных отказов и атмосферного воздействия;
- обоснование г наиболее рациональной? аэродинамической компоновки вертостата и основных методологических принципов формирования ММ динамической системы "вертостат — груз на внешней подвеске", позволяющей определить предельные безопасные режимы полета;
— разработка и обоснование комплексных методик по повышению эффективности и безопасности выполнения І транспортировки грузов на; внешней подвеске и проведения СМР с помощью вертолетов.
Теоретическая значимость результатов исследований. Предложенные результаты исследований в виде ММ и методологических основ эксплуатации ЛА при транспортировке грузов и проведении СМР использованы и могут быть применены в дальнейшем для изучения таких свойств динамики системы "ЛА — груз на внешней подвеске", которые ранее не исследовались и не обнаруживались, как, например, колебания при соизмеримых массах ЛА и груза, а также при разработке нормативных документов и рекомендаций по повышению эффективности и безопасности выполнения транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные комплексные методы исследования системы «ЛА — груз на внешней подвеске» позволяют:
1) более полно исследовать особенности ЛЭ ЛА с грузом на внешней подвеске, как в нормальных, так и в особых случаях полета;
2) обеспечивать экономию ресурсов за счет сокращения объема ЛИ;
3) проводить анализ особых условий эксплуатации ЛА с грузом на внешней подвеске на различных этапах полета за рамками ограничений с целью оценки предельных эксплуатационных возможностей ЛА;
4) находить оптимальные режимы полета ЛА с грузом на внешней подвеске для уточнения существующих Руководств по летной; эксплуатации (РЛЭ) и подготовки РЛЭ перспективных ЛА;
5) предлагать и обосновывать, TG для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения GMP;
6) использовать, результаты математического моделирования при разработке и совершенствовании Норм летной годности вертолетов. (Федеральных авиационных правил);
7) использовать результаты диссертационного исследования в процессе разработки новой авиационной техники;
8) проводить расследование авиационных происшествий (АП) и инцидентов с помощью решения обратных задач динамики полета ЛА с грузом на внешней подвеске и на этой основе обосновывать рекомендации по их профилактике;
9) разрабатывать рекомендации по обучению и тренировке экипажей ЛА при транспортировке груза на внешней подвеске в нормальных и особых случаях полета.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, использованы и внедрены в научных организациях и «эксплуатационных предприятиях FA в: виде: инструкций; и методик по обеспечению; эффективности і И безопасности выполнения транспортных и СМР с помощью ЛА, утвержденных руководящими органами ГА и авиационной промышленности, а также при обучении летного состава. Результаты диссертационной ра
боты.были использованы в лекциях и учебных пособиях по курсам эффективности систем FA, аэродинамики, динамики полета, безопасности полетов и летной эксплуатации в МАИ, МГТУ FA, AFA и УВАУ FA.
Апробация работы. Результаты, выполненных исследований докладывались. и получили положительную оценку на ежегодных форумах Хели-Экспо Международной вертолетной Ассоциации (1991— 2001- гг. в США), на форуме и технологической выставке Американского вертолетного Общества (1993 г.), на Совещаниях руководителей предприятий (организаций) стран — членов СЭВ, участников? соглашения по. вопросам сотрудничества в области применения авиации в народном хозяйстве (1981-—1990 гг.), на заседаниях научно-технических советов и коллегий; MFA (FCFA), а также обсуждались на \ отраслевых и ? вузовских научно-технических и летно-технических конференциях и семинарах.
Публикации. По материалам диссертационной работы; опубликовано 26 печатных работ, в том числе, одна монография и 3 патента." Полученные в период 1973 —2003 гг. результаты отражены в 24 отчетах по научно-исследовательской; работе НПК «ПАНХ», в которых автор является исполнителем или научным руководителем, а также в 22 инструкциях и правилах, утвержденных отраслевыми министерствами.
На защиту выносятся:
— методологические основы транспортировки грузов и проведения СМР с помощью ЛА;
— ММ движения системы «вертолет — груз на внешней подвеске»;
— ММ движения системы «вертостат — груз на внешней подвеске»;
— комплексные методики по повышению эффективности и безопасности транспортировки грузов на внеподвеске и проведения СМР.
Структура и объем диссертационной работы.,Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 176 наименований (из них 8 на иностранных языках) и приложения. Ос
новная часть работы изложена на 254 страницах машинописного текста. Общий объем работы составляет 390 страниц, 3 таблицы, 68 иллюстраций.
В первой главе работы рассмотрены различные виды транспортных и СМР, выполняемых вертолетами во многих отраслях экономики. Даны анализ и классификация видов грузов, перевозимых на внешней подвеске с учетом их поведения в полете. Выявлены основные особенности и проблемы транспортировки грузов и проведения СМР с помощью ЛА. Установлено что эффективность и безопасность процесса транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР определяется характеристиками груза, систем внешней подвески, вертолета и его систем управления. На основании рассмотрения основных проблем транспортировки крупногабаритных грузов большой массы и проведения СМР с помощью ЛА обосновывается возможность применения АЛА для данного класса работ. Обоснована рекомендация по проведению всесторонних комплексных исследований динамической системы«ЛА — груз на внешней, подвеске» и поведения системы с точки зрения •управляемости, устойчивости и маневренности, которые должны включать ЛИ продувки в AT, испытания на натурных стендах и математическое моделирование. В конце главы сформулированы, основные выводы, вытекающие из поставленной цели и проведенного анализа проблемы.
Вторая глава предложены методологические основы решения проблемы; транспортировки крупногабаритных грузов с помощью ЛА. Проведені анализ существующих методов решения проблемы транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР с помощью ЛА. Предлагается использовать метод математического моделирования динамики полета системы «ЛА — груз на внешней подвеске» в качестве основного. Разработана ММ системы с традиционным ЛА «вертолет — груз на внешней подвеске». Определена степень универсальности разработанной базовой ММ и проведен анализ адекватности. В третьей главе проведен анализ эволюции АЛА от начала их развития до сегодняшних дней. Выявлены особенности АЛА, которые явились стимулятором разработки таких АЛА, как вертостаты. Отмечены факторы, сдерживающие развитие и применение вертостатов. Обоснована наилучшая компоновка вертостата. Разработана ММ системы «вертостат — груз на внешней подвеске». Приведены результаты исследований особенностей; управляемости и устойчивости отечественных и зарубежных проектов гибридных АЛА при транспортировке грузов; на внешней подвеске и выполнении СМР. Даны оценки предельных режимов полета вертостатов различных схем и возможностей их ЛЭ в FA по критериям БП и экономической эффективности.
В четвертой главе выявлены направления обеспечения і безопасности и эффективности использования ЛА при транспортировке грузов на внешней подвеске за счет оснащенияих специальными ТС. Основное внимание уделено теоретическому и экспериментальному обоснованию применения различных видов ТС и их компоновки на ЛА. Проанализированы наиболее распространенные в нашей стране и за рубежом схемы крепления груза к вертолетам. Показаны преимущества одноточечных и многоточечных подвесок, связанные с колебаниями грузов и пилотажными характеристиками ЛА. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований предложен; ряд ТС стабилизации грузов при; транспортировке на внешней подвеске, позволяющий повысить БП, разработаны основные требования к ТС, используемым. при транспортировке грузов на внешней подвеске ЛА. Представлены разработанные системы азимутальной ориентации грузов на внешней подвеске вертолетов Ми-26 и Ка-32.
В пятой главе работы представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований транспортировки; грузов на внешней подвеске и проведения. СМР, полученные на основании предложенных методов исследований. С помощью трубных исследований и летных ис пытаний экспериментально подтверждена эффективность использования стабилизирующих устройств различного типа. Приведены результаты теоретического исследования поведения вертолета и вертостата с грузом на внешней подвеске с помощью ММ; позволившие выявить ряд особенностей эксплуатации.
В шестой главе изложены основные положения методических, разработок нормативных документов по транспортировке грузов на внешней подвеске и проведению СМР различными типами ЛА с применением ТС. На конкретных примерах показана возможность и высокая эффективность применения вертолетов при монтаже различных крупногабаритных конструкций. Полученные результаты! использованы при внедрении дополнений к РЛЭ нескольких типов вертолетов в части выполнения GMP, а также при разработке «Руководства по выполнению строительно-монтажных работ».
В заключении отмечается, что - проведенные в диссертации исследования и полученные результаты позволяют повысить эффективность эксплуатации и обеспечить БП ЛА при; транспортировке грузов: на внешней подвеске и проведении СМР с помощью ЛА в отраслях экономики путем применения усовершенствованных комплексных методов исследования, включающих в себя математическое и натурное моделирование; а также ЛИ. Эти цели достигнуты при использовании результатов исследований в ГСГА, ГосНИИ ГА, НПК ПАНХ, эксплуатационных предприятиях ГА, организациях авиационной промышленности и отраслей — заказчиков ; авиационных услуг, учебных заведениях, что подтверждается актами о внедрении.
В приложении содержатся документы, подтверждающие внедрение результатов работы.
Основные особенности и проблемы транспортировки крупногабаритных грузов большой массы и проведения строительно-монтажных работ с помощью летательных аппаратов в отраслях экономики
Очень часто приходиться выполнять СМР с длинномерными грузами, особенно при электросетевом строительстве [17, 24]. Особенностями операции подъема таких конструкций в вертикальное положение является: а) необходимость информации о текущем значении угла наклона конструкции и высоте ее нижнего конца над землей в процессе подъема, что позволяет корректировать действия пилота в процессе подъема груза; б) требование постоянства темпа (скорости) подъема конструкции без остановок; в) гашение вертикальной скорости набора высоты до нуля при уг ле наклона поднимаемой конструкции к горизонту 70 (больше не до пускается); г) отрыв нижнего конца: конструкции от земли должен происхо дить до момента занятия ею вертикального положения, для чего после достижения угла наклона конструкции 70 необходимо выдерживать го ризонтальное положение вертолета в плоскости подъема; продолжая; производить набор высоты; д) перевод вертолета в режим: набора высоты и скорости после подъема конструкции на безопасную высоту (15—20 м над поверхностью земли) должен производиться по команде наземного радиооператора; е) при отрыве нижнего конца конструкции; от земли необходимо зафиксировать показания радиовысотомера, определив при этом высоту положения вертолета, знание которой необходимо при последующей ук ладке конструкции; ж) подъем конструкции необходимо производить путем переме щения вертолета влево или вперед. Особенности укладки конструкции, перевозимой на внешней подвеске вертолета в вертикальном положении, являются: а) обязательное наличие наземного радиооператора, передающего на борт вертолета информацию о высоте над землей нижнего конца кон 35 струкции при заходе вертолета на точку укладки и опускания ее до момента касания земли; б) необходимость участия - в процессе укладки наземной бригады, которая должна с помощью і фал развернуть конструкцию относительно вертикальной оси в необходимое для укладки положение и оттянуть ниж ний конец конструкции в плоскости укладки для придания ей наклона; в) опускание конструкции і необходимо выполнять по командам бортоператора, получая одновременно- информацию от наземного ра диооператора о текущем значении высоты нижнего конца конструкции! над землей; опускание производить только после придания- монтажни ками наклона конструкции равного 10—15; г) место і укладки нижнего конца конструкции должно быть обо значено флажком, операцию производить при угле наклона конструкции 45—60; д) І укладку конструкции предпочтительно производить путем пе ремещения вертолета вправо, вперед или назад. Конструкции длиной до 45 м! в диапазоне скоростей горизонтального полета от нуля до 145 км/час ведут себя устойчиво, не вращаются и не раскачиваются; при большем увеличении скорости одновременно с консольными вибрациями конструкции начинается- ее поперечная раскачка. Скоростные характеристики и поведение конструкции на внешней подвеске зависит от ее формы, размеров и массы. Транспортировка длинномерных грузов на внешней подвеске вертолета Ми-8 чаще всего возможна на скоростях полета до 440 км/ч. Наибольшее развитие использования вертолетов в строительстве получило благодаря появлению первого отечественного вертолета-крана Ми-ЮК, реальная грузоподъемность; которого? на монтажных работах 8,5 т. Практика показала, что компоновочное решение вертолета Ми-ЮК в сочетании с системой ловителей и новыми технологическими приема 36 ми монтажа обеспечивают возможность установки конструкций с крановой точностью, как методом поворота, так w методом наращивания. Вертолетный монтаж высотных мачтово-башенных сооружений до 3 60 м с использованием вертолета Ми-10К ранее не производился из-за необходимости непосредственного участия людей в монтажном; цикле. Основой безлюдной технологии явилась разработанная система. азимутальной ориентации (САО) груза в пространстве, которая заменила на монтажных работах штатную одноканатную внешнюю подвеску вертолета Ми- 10К, что позволило создать необходимые условия безопасности работ на высотном? монтаже. Система стабилизирует монтажный груз относительно Ї вертолета с точностью 10—15 в плане, а окончательную наводку груза выполняют «ловители», расположенные В; зоне стыков. Применение системы ориентации позволило сократить продолжительность монтажного цикла, оплачиваемое летное: время и расход авиационного топлива. В электросетевом строительстве используются вертолеты Ка-32 и Ми-26 для транспортировки различных типов опор или их элементов. Типичным примером таких конструкций являются промежуточные опоры ПП-750, геометрические размеры которых составляют: высота 42 м, ширина-30 м, общая масса опоры 11,0—11,5 т, масса стойки — 2,5 т, траверсы —5,6 т. Транспортировка элементов этой конструкции не выявила особенностей в технике, пилотирования вертолета Ка-32Т,„ а скорость полета была рекомендована 100 км/ч, при этом, отмечалось устойчивое поведение груза: Однако при транспортировке барабанов с проводом в горизонтальном положении они ведут себя неустойчиво, возникают значительные переменные нагрузки на внешнюю подвеску вертолета; что усложняет пилотирование. Транспортировка барабанов в вертикальном положении, а также в горизонтальном со стабилизацией не представляет сложности и возможна во всем диапазоне скоростей. Приме 37 нение стабилизатора при транспортировке барабанов с проводом в горизонтальном положении позволяет увеличить скорость полета до 170 км/ч. При транспортировке на внешней подвеске как компактных конструкций, так и пакетированных грузов, пилотирование вертолета не представляет большой особенности и сложности. В настоящее время в отраслях экономики применяются вертолеты Ми-2, Ка-26, Ми-6, Ми-8, Ми-10, Ми-26 и Ка-32. Состояние эксплуатируемого парка большинства типов вертолетов характеризуется: — несоответствием ЛТХ и потребительских свойств современным рыночным требованиям; — ограниченным количеством типоразмеров вертолетов и их модификаций; — недостаточной укомплектованностью- пилотажно-навигацион-ным оборудованием, средствами механизации погрузочно-разгрузочных работ и ТС для выполнения транспортных работ.
Обзор существующих теоретических и экспериментальных методов решения проблемы транспортировки грузов и проведения строительно-монтажных работ с помощью летательных аппаратов в отраслях экономики
На І протяжении многих. лет как у нас в стране, так и за рубежом ЛА используются для транспортировки; грузов на внешней подвеске, а также для! выполнения; строительно-монтажных работ. Эффективное решение этих задач стало возможным: благодаря проведению научно-технических исследований; по вопросам повышения безопасности; и определения технико-экономических показателей этих операций.
Методы исследования видов транспортных и строительно-монтажных работ с использованием ЛА подразделяются на экспериментальные и теоретические. Экспериментальные методы г исследования включают в себя ЛИ и модельные испытания в -. аэродинамических трубах и на І стендах. Теоретические методы подразделяются на аналитические и математическое моделирование с помощью моделирующих стендов и вычислительной техники [14; 29; 65].
Характерной чертой современного этапа развития методик ЛИ является широкое внедрение в практику вычислительной техники,, применение которой позволяет автоматизировать процесс определения і характеристик устойчивости и управляемости \ ЛА при значительно большем объеме перерабатываемой информации : сложными алгоритмами [14]. В1 последние годы большое распространение получили системы;управления летными экспериментами; которые позволяют: — повысить зачетность результатов ЛИ (полнота и достоверность);; — повысить безопасность проведения ЛИ (обеспечивается «допус-ковой» контроль, контроль конфигурации ЛА, контроль наличия отказов и проявления особенностей в характеристиках ЛА); — снизить сроки проведения ЛИ; Следует отметить связь расчетных методов и летных испытаний, которая имеет две стороны: — проведение ЛИ, в особенности, в сложных условиях полета всегда предваряется расчетами, на основании которых составляется программа ЛИ; — в процессе ЛИ невозможно смоделировать все возможные варианты особых ситуаций в полете как из-за условий безопасности, так и из-за невозможности «заказать» определенные внешние условия; Кроме того, пилотируемый полет ЛА является результатом взаимодействия элементов сложной 5 системы «человек — машина», и от согласованности характеристик такой комплексной системы зависит БП и эффективность использования ЛА. Изучение всех аспектов деятельности такой сложной системы в полете представляет собой чрезвычайно сложную и дорогостоящую задачу, поэтому проведение таких исследований весьма затруднительно как из экономических соображений; так ив связи с необходимостью сохранения целостности ЛА и экипажа. Особый интерес представляют экспериментальные исследования влияния или взаимодействия отдельных частей ЛА с НВ в аэродинамических трубах и на радиоуправляемых моделях. Проведение испытаний на моделях для этих целей требует преодоления целого ряда трудностей теоретического плана, среди которых наиболее сложной является проблема сохранения основных критериев подобия. Так как их оказывается слишком много для одновременного их соблюдения: (геометрическое подобие, числа Маха и Рейнольдса), то приходится увеличивать в геометрической прогрессии объем эксперимента. Однако и это не позволяет в полной мере решить проблему адекватности эксперимента натурному поведению объекта. Именно по причине указанных трудностей выделяют три основных взаимно дополняющих инструмента теоретических и экспериментальных наземных исследований летных характеристик ЛА [29]: — аналитические методы; — пилотажные стенды с участием человека-оператора и — математические модели на вычислительной технике. Аналитические методы имеют следующие преимущества: — позволяют простыми средствами установить основные закономерности; — оценить основные летные характеристики ЛА и — определить влияние различных факторов на летные характеристики ЛА. Серьезным недостатком аналитических методов является существенное упрощение модели объекта; следовательно, применение их результатов весьма ограничено. Кроме того, нелинейный характер аэродинамических характеристик ЛА, сложные законы работы автоматических систем, включенных в контур управления ЛА, и т.п. в большинстве случаев не позволяют получить аналитические выражения, адекватно описывающие особенности движения ЛА. Именно поэтому в последнее время основное развитие получили методы исследования полета ЛА с помощью пилотажных стендов и компьютеров [14, 90; 165]!
Однако, несмотря на очевидную практическую значимость авиаперевозок грузов на внешней подвеске, до недавнего времени было проведено небольшое число теоретических исследований, посвященных математическому описанию движений системы «ЛА— груз» [18, 19, 27]. Начальные попытки в этом направлении наткнулись на целый ряд трудностей: неточность в определении аэродинамических характеристик системы «ЛА — груз», сложность в правильном задании законов управления ЛА, корректность замыкания системы дифференциальных уравнений; что приводило к вычислительной неустойчивости математических моделей (ММ).
Позднее появились работы [94]; которые были посвящены приведению общей системы дифференциальных уравнений движения системы «ЛА — груз» к вертолетному виду и усовершенствованию алгоритма . решения динамики полета ЛА с грузом на внешней подвеске. Наряду с этим были проведены серии І летных экспериментов на і вертолетах с грузами І на внешней подвеске, выпущены соответствующие инструкции. Однако, полученных экспериментальных данных явно было недостаточно для создания достоверных ММ движения ЛА с грузом на внешней подвеске, поскольку эксперименты проводились с малым количеством изменений исследуемых параметров.
Создание ММ движения вертолета с; грузом на внешней подвеске представляет собой довольно: сложную задачу. В работе [155] была разработана приближенная? ММ динамики; полета вертолета с грузом на внешней подвеске. Полученные результаты и выводы легли в основу дальнейших исследований по разработке уточненной ММІ Вобщем случае управляемый вертолет с грузом на внешней подвеске представляет собой связанную систему движущихся твердых тел, взаимодействие между которыми осуществляется через внешнюю подвеску. Движение отдельных элементов этой системы определяется не только внешней- нагрузкой, но и внутренними силовыми воздействиями.
Математическая модель полета вертостата при выполнении операций по транспортировке крупногабаритных грузов на внешней подвеске
В теории математического моделирования [42, 46, 88, 89, 91] под адекватностью результатов понимают их соответствие поведению реального объекта. Это соответствие следует оценивать с: точки зрения целей исследования. Поэтому возможны различные подходы к оценке адекватности различных моделей. Однако в любом случае для этого необходимо иметь: — исчерпывающую информацию о поведении объекта исследования в конкретном случае; — исчерпывающие: данные результатов з вычислительного эксперимента; воспроизводящего тот же случай поведения объекта; — критерии оценки адекватности. Очевидно, что для ММ движения ВС исчерпывающую информацию о поведении объекта исследования в конкретном случае собрать практически невозможно; Так, например, в каждый і момент времени в: каждой точке траектории невозможно зафиксировать скорость и направление движения атмосферы относительно Земли..
Кроме этого, множество характеристик самого ВС определяются с невысокой точностью, как-то: масса, моменты инерции, тяга и расход топлива, аэродинамические характеристики планера.
Отсюда следует, что не все данные ЛИ могут быть использованы; для оценки адекватности, а критерии необходимо J выбирать сообразно точности имеющейся информации..С этой точки зрения следует использовать для оценки г адекватности только те данные ЛИ, которые достаточно полно описывают движение хотя бы в одном канале ив которых не обнаруживаются внутренние рассогласования данных в результате погрешностей регистрирующей аппаратуры.
Для оценки адекватности выбранной ММ динамики полета необходимо сравнивать отдельные параметры движения (такие, как координаты, скорости, угол атаки, перегрузка, крен, угловые скорости), полученные в расчетах и зарегистрированные в ЛИ в тех же условиях полета. При таком сравнении необходимо убедиться в достаточной точности и непротиворечивости ММ.
Точность означает, что обобщенная характеристика рассогласования соответствующего параметра модели и оригинала должна быть не больше, чем заранее заданное значение приемлемой погрешности.
Однако одной точности для характеристики адекватности ММ динамики полета недостаточно. Действительно, если, например, для сравнения значений угловой скорости достаточно точности в 0,2%, то при сравнении значений этой величины в течение минуты, постоянно различающихся на 0,2%, говорить об адекватности нельзя. Необходимо еще одно условие, характеризующее отсутствие закономерности в таком рассогласовании, называемое непротиворечивостью.
Непротиворечивость подразумевает идентичный характер изменения соответствующих параметров, т.е. идентичный вид основных свойств функциональных зависимостей на отдельных участках- траектории, как-то: возрастание, убывание, экстремумы, выпуклость и т.п. Для этого достаточно, чтобы рассогласование между моделью и оригиналом имело характер простой ошибки измерений, т.е. нормальное распределение. Эти два условия можно проверить с помощью статистических критериев по следующему алгоритму, предварительно задав допустимую погрешность, исходя из целей исследования. Г. Выбирается один из параметров ; движения, для которого есть полетная запись U(t) в точках (ti,t2,...,tN), и соответствующий параметр u(t), вычисленный на ММ в тех же точках. 2. Вычисляются разности Auj = u(t j) - U(tj). 3. Вся область значений Au разбивается на г 5 интервалов таким образом, чтобы в каждый из них попало не менее пяти значений Auj. — энергичное отклонение ручки управления в продольном направлении доходило до 30% от общего хода и удерживалось в течение 3—8 с; — заявлена точность экспериментальных данных до 10%. Перечисленные особенности ЛИ! приводят к необходимости . введения некоторых упрощений в ММ, загрубляющих ее, и детального отбора пригодной для оценки адекватности информации. Неконкретизированная величина скорости ветра оказывает существенное влияние прежде всего на боковое движение системы, именно поэтому параметры этого движения нельзя сравнивать. Об этом свидетельствуют зарегистрированные данные отклонений угловой скорости крена вертолета от нулевой, доходящих до 5%, и углов крена и рыскания, достигающих 2.. Оговоренная единая длина троса 26 м: привела к необходимости полагать в ММ равенство нулю двух векторов гк и гг, что существенно снижает точность ММ; не позволяя учесть влияние груза на вращение вертолета. Начальные условия расчета на ММ соответствовали моменту после дачи руля, в который отклонение оси «тюльпана» вперед составляло 3 для режима висения и 5 для горизонтального полета. Длительность периода времени, на котором сравнение данных ЛИ с результатами расчетов корректно, составлял 3 с. После этого в эксперименте отклонения троса крепления груза достигали неприемлемых значений и пилот вынужден был выводить вертолет из пикирования. На рис.2.2 показано сравнение значений угла тангажа вертолета в режиме висения, полученных в ЛИ (ЛИ — сплошная линия) и расчетами; на ММ (пунктирная линия), а на рис.2.3 — в режиме горизонтального полета. Очевидна достаточная близость результатов, обеспечивающая точность не хуже 12%. В свете обсужденных выше проблем оценки адекватности и особенностей проведения ЛИ такую точность следует признать удовлетворительной.
Основные требования к техническим средствам для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения строительно-монтажных работ и конструкции летательных аппаратов
Вместе с тем, штатная подвеска вертолета Ка-32 не обеспечивала сохранение исходного (имевшегося при подцепке) положения осей груза даже в течение короткого отрезка пути при транспортировке груза от места подцепки до места монтажа: Это не позволяло применять известную технологическую схему монтажа, при: которой; груз на земле устанавливают в положении с проектным расположением осей, а затем. вертолетом например, Ми-10К, переносят и устанавливают груз на проектные отметки с сохранением исходного расположения осей.
Для реализации этой схемы вертолет Ка-32 необходимо было оснастить такой системой; внешнеш подвески, которая бы обеспечивала стабилизацию груза в і полете, т.е. сохранение исходного положения его осей. Решением этих задач НІЖ «ПАНХ» занимался в последующие годы под руководством соискателя [149].
В результате анализа отечественного и зарубежного опыта применения С АО и стабилизации грузов на внешней -, подвеске вертолетов и проведенных исследований в НПК «ПАНХ» был создан эксперимен 164 тальный образец САО для вертолета Ка-32, удовлетворяющий следующим основным требованиям (рис.4.20 [78]): — максимальное использование элементов узлов штатной подвески вертолета; — отсутствие необходимости внесения изменений в конструкцию вертолета для установки и использования САО; — возможность взлета и посадки вертолета с установленной на борту САО. Кроме того, созданный экспериментальный образец САО отвечал следующим функциональным требованиям: — грузоподъемность соответствовала разрешенной РЛЭ максимальной массе груза (5 т) на внешней подвеске; — была обеспечена возможность поворота груза вокруг верти кальной оси (по азимуту) на полный оборот в двух направлениях (±360) из любого исходного положения. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению эксплутационных параметров созданных экспериментальных образцов САО: — длин тросов и углов между ними, обеспечивающих стабильное положение груза при транспортировке и управляемость груза при мон таже; —динамических нагрузок на звенья САО; — характеристик подобранного привода. Результаты теоретических расчетов экспериментальных образцов САО хорошо согласовались с результатами экспериментов. (по различным параметрам от 70 до 36%), т.е. с приемлемой точностью для расчетов динамических систем. Было установлено, что параллельные тросы бифилярной подвески при длине от 5 до 15 м обеспечивают стабильное положение грузов с моментом инерции до 4000 кгхм? при транспортировке со скоростью до 100 км/ч и возможность управления ими при монтаже. При работе с грузами, момент инерции которых превышает указанное значение, параллельный бифилярный подвес не обеспечивает возможности стабилизации и управления им. Поэтому была выявлена необходимость увеличивать угол между тросами в разрешенном диапазоне (до; 90). Однако при этом возросли динамические нагрузки на элементы САО. В этих случаях для предотвращения разрушение внешней подвески при транспортировке груза и маневрировании вертолета в процессе монтажа в конструкцию САО была введена пробуксовочная муфта, рассчитанная на предельный момент, величина которого (150 кгсхм) меньше разрушающего момента для элементов штатной подвески вертолета Ка-32. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных работ были разработаны исходные требования к созданию опытного образца САО. Выполнение СМР с применением вертолета Ка-32 подтвердило работоспособность САО, которая обеспечила стабилизацию груза в полете при заходе на монтаж, а также ориентацию груза по азимуту в процессе монтажа [93]. Хронометражные наблюдения показали, что применение САО обеспечивает сокращение времени на выполнение операций по монтажу не менее чем на 10%. При этом исключается необходимость присутствия наземной бригады в опасной зоне стыка монтируемых конструкций. Кроме того, облегчается пилотирование вертолета при висении на монтажной оси, т.к. не требуется смена ориентиров. Большой объем летных исследований и производственной проверки при монтаже различных грузов с использованием вертолета Ми-26 также показал работоспособность САО, экспериментальный образец которого выполнен в НПК «ПАНХ» (рис.4.21,4.22) [79, .92]. По результатам ЛИ вертолетов Ка-32 и Ми26, оборудованных созданной системой ориентации, были разработаны рекомендации для летного состава и специалистов, участвующих при выполнении CMP; а также внесены дополнения в РЛЭ вертолетов Ка-32 и Ми26 и другие нормативные документы [149,162]. Проведенные исследования показали, что в общем случае в целях увеличения; производительности полетов и экономии авиатоплива все грузы и оборудование необходимо перевозить с использованием средств стабилизации.
