ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ
АБ — аэростатические баллоны;
АЛА — аэростатические летательные аппараты;
АЛ — авиационное происшествие;
БП — безопасность полета;
В Л — воздушные линии;
ВО — вертикальное оперение;
ВС — воздушное судно;
ВСУ — водосливное устройство;
ГА — гражданская авиация;
ГО — горизонтальное оперение;
ГосНИИ ГА — Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации
ГСМ — горюче-смазочные материалы;
КТГ — крупногабаритные и сверхтяжелые грузы;
ЛА — летательный аппарат;
ЛИ — летные испытания;
ЛТХ — летно-технические характеристики;
ЛЭ — летная эксплуатация;
ЛЭП — линии электропередачи;
МАИ — Московский авиационный институт;
МВЗ — Московский вертолетный завод;
МГА — Министерство гражданской авиации;
МГТУ ГА — Московский государственный технический университет гражданской авиации;
МИИГА — Московский институт инженеров гражданской авиации;
ММ — математическая модель;
НВ — несущий винт;
НПК «ПАНХ» — Открытое акционерное общество Научно-производственная компания «Применение авиации в народном хозяйстве»;
ОКБ — опытно-конструкторское бюро;
ОЛАГА — Ордена Ленина Академия гражданской авиации;
ОУЭ — ожидаемые условия эксплуатации;
РКИИГА — Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации;
РЛЭ — руководство по летной эксплуатации;
САО — система азимутальной ориентации;
САФ — система азимутальной фиксации;
СМР — строительно-монтажные работы;
ТС — техническое средство;
УВЗ — Ухтомский вертолетный завод им. Н.И.Камова;
ЦКП — целевая комплексная программа;
ЭВМ — электронно-вычислительная машина.
ВВЕДЕНИЕ
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; 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 доста-
точно подробное освещение в работах Пышнова B.C., Ветчинкина В.П., Остославского И.В,;, Федулова В.А., Бравермана A.G., Володко А.М. и др.
Вертолеты, давно стали неотъемлемой частью авиационного парка любого современного государства. Идея применения вертолетной техники при вьшолнении 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 ¦ истории авиации i 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 > 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.
10
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 \ 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 i 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-
и
портировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР 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-26, 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
12
«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 ЛИ;
Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором и под его научным руководством в НПК «ПАНХ» в период 1973—2003 г.г., а также результатах летных испытаний (ЛИ) в ТосНИИ ГА и НПК «ПАНХ» и результатах трубных испытаний в РО ГосНИИГА. Эти работы проводились на основании постановлений правительства, планов НИОКР министерств и ведомств, отдельных заданий Министерства ГА и МАП, в качестве поисковых работ НПК «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.
13
Главными задачами работы являлись:
— выявление основных эксплуатационных факторов и условий, влияющих на эффективность транспортировки; грузов и проведение GMP 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 \ на •* внешней к 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, НПК «ПАНХ» и РО ГосНИИ ГА;
2) оценкой адекватности полученных на ММ результатов расчетов экспериментальным данным с помощью статистических критериев..
14
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 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:
15
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 СМР;
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^ ш безопасности выполнения транспортных и СМР с помощью ЛА, утвержденных руководящими органами ГА и авиационной промышленности, а также при обучении летного состава. Результаты диссертационной ра-
16
боты.были использованы в лекциях и учебных пособиях по курсам эффективности систем ГА, аэродинамики, динамики полета, безопасности полетов и летной эксплуатации в МАИ, МГТУ ГА, АГА и УВАУ ГА.
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; МГА (ГСГА), а также обсуждались > на i 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 внешней подвеске 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-
17
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. Проведен;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. |
