Методы и средства совершенствования системы и технологий авиационных работ по распределению веществ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность работы обусловлена наличием кризисных явлений и ряда нерешенных проблем в области авиационного обслуживания отраслей экономики страны в условиях объективной необходимости ее развития и повышения эффективности с учетом процессов глобализации и повышении конкуренции в мировой экономике. К ним можно отнести высокий износ занятого на авиационных работах (АР) парка воздушных судов (ВС) и несоответствие его структуры и показателей возросшим потребностям и требованиям заказчиков, низкий уровень технического и технологического обеспечения авиаработ и безопасности полетов (БП) на них, несовершенство сети авиапредприятий (АП) задачам обслуживания потребителей, противоречия интересов АП и заказчиков работ, сложности наземного обеспечения АР и межотраслевого взаимодействия при их организации и выполнении, недостатки регулирования выполнения работ и некоторые другие, существенно снижающие объемы и показатели производства АР в стране. Эти проблемы особенно остры для авиаработ по распределению веществ (АРРВ), показатели выполнения которых в России по численности занятого парка ВС, количеству их полетов и налету за год сопоставимы с данными воздушных перевозок при худших в 3-4 раза удельных величинах БП. Роста спроса на АРРВ со стороны отраслей экономики и федеральных ведомств дополнительно обостряет отмеченные проблемы и требуют их скорейшего разрешения ввиду сильного влияния этих работ на стабильность и эффективность функционирования разных отраслей экономики, включая гражданскую авиацию, и обеспечение продовольственной и экологической безопасности страны. В этой связи решение научно-практических вопросов совершенствования АРРВ является злободневной задачей, имеющей важное значение для развития гражданской и государственной авиации и экономики страны в целом, что определяет актуальность и значимость работ по созданию соответствующих методов и средств и темы диссертации.

Состояние проблемы научно-методического обеспечения совершенствования АРРВ связано с уровнем постановки задач и степенью учета в исследованиях сложного межотраслевого характера этих работ и многообразия влияющих на их показатели факторов. К настоящему времени проведено множество работ по исследованию различных аспектов использования гражданских ВС и выполнения АР (АРРВ), образующих теоретическую базу и определяющих направления исследований диссертационной работы.

В работах В.А. Назарова, М.А. Финикова, В.Б. Козловского и ряда других было показано, что АР являются специфическим видом деятельности АП, ориентированным на требования потребителей и во многом отличающимся от воздушных перевозок, что требует разработки и использования, наряду с общими подходами, специальных методов и средств решения задач в области АР с комплексным учетом их целей, эффективности и особенностей производства.

В части оценки эффективности использования ВС выделяются, в частности, труды Е.А. Овруцкого, Э.Д. Старика, С.А. Саркисяна, Э.С. Минаева, Р.В. Сакача, И.С. Голубева, Е.Ф. Косиченко, П.А. Нечаева, В.Б. Ромашкина, в которых были сформированы общие подходы и процедуры такой оценки , а также М.И. Славкова, С.С. Легкоступа, Н.В. Долбня, О.В. Худоленко и других ученых, развивающих методы оценки эффективности выполнения АР. Особенностью этих работ является отработка методов описания затрат по использование ВС, в т.ч. на базе нормативов и среднеотраслевых показателей, в то время как оценке эффекта АР и издержек на их выполнение со стороны АП и потребителей уделялось меньшее внимание, например, до настоящего время не разработаны методы и средства оценки целевого эффекта АРРВ, что ограничивает возможности и снижает достоверность анализа эффективности производства таких работ.

Задачам обоснования парка ВС для воздушных перевозок и обслуживания отраслей экономики посвящены работы Х.Г. Сарымсакова, А.А. Бадягина, В.С. Брусова, С.А. Пиявского, А.И. Плешакова и других специалистов. Эти задачи решались, как правило, с использованием критерия приведенных затрат, укрупненных статистических и полуэмпирических моделей описания ВС и принятых режимов их использования, что не в полной мере соответствует целям и особенностям выполнения АР. В этой связи основными направлениями развития решения парковых задач для АРРВ является использование адекватных их целям критериев оптимальности, моделей углубленного описания разных видов ВС, в т.ч. нетрадиционных (мотодельтапланы, автожиры), их оборудования для внесения веществ и режимов использования ВС в условиях АРРВ, а также связанных с эффектом работ показателей распределения веществ.

Моделирование характеристик ВС и выполнения ими полетов рассмотрено, в частности, в работах А.А. Бадягина, С.М. Егера, Н.К. Лисейцева, А.Г. Шнырева (самолеты), Ю.С. Богданова, В.Н. Журавлева, В.А. Касьяникова, М.Н. Тищенко (вертолеты), А.П. Клименко, И.В. Никитина (мотодельтапланы), И.П. Братухина, А.Г. Сатарова (автожиры). В настоящее время наиболее отработаны математические модели (ММ) описания самолетов и вертолетов, определяющие их показатели интегрально или поагрегатно на базе полуэмпирических выражений. Основным недостатком этих средств моделирования является "консервация" в них достигнутого на момент разработки ММ уровня развития ВС, а также слабая отработка моделей оценки стоимостных и эксплуатационных показателей ВС, что ограничивает их использование при обосновании характеристик перспективных ВС и требует корректировки. В свою очередь методы и средства моделирования мотодельтапланов и автожиров развиты недостаточно, что определяет необходимость их развития для оценки перспектив применения таких ВС.

Теоретические вопросы авиационного распределения веществ исследовались Ю.Г. Логачевым, В.С. Деревянко, А.И. Свининым, которые для ряда допущений использовали уравнения динамики движения изолированных частиц рабочего вещества (РВ) правильной и постоянной формы (материальной точки) и априорно заданные П-образные схемы вихревого следа самолетов и вертолетов, и впоследствии Б.Л. Артамоновым, А.Б. Евдокимовым, В.В. Дудник и другими специалистами, применявшими в этих задачах расчетные процедуры описания дальнего следа таких ВС на базе концевых вихрей их несущих систем (крыло, несущий винт) и органов управления, а также отдельных эффектов движения частиц. Указанные исследования по разным причинам проводились автономно от задач по совершенствованию методов и средств выполнения АРРВ и недостаточно отражают специфику таких работ. Эти недостатки могут быть устранены использованием на базе современных наработок (А.С. Белоцерковский, В.В. Вышинский, А.И. Желанников и другие) более совершенных методов описания индуктивного следа разных видов ВС в условиях АРРВ и дополнительного учета эффектов движения в нем частиц характерных жидких и твердых РВ.

Основные работы по оборудованию и технологиям для АРРВ (В.М. Шумилин, М.О. Гумба, Д.Г. Скалов, В.Г. Гусев, А.Г. Судаков, Э.П. Давыденко и другие) посвящены выбору показателей отдельных видов технических средств (ТС) и отработке технологических режимов их применения с учетом особенностей АР. До настоящего времени практически не исследованы вопросы структурно-функционального и аналитического описания ТС для АРРВ, формирования требований к ним и рекомендаций по выбору типа, состава и показателей оборудования для разных ВС и работ, а также обоснования качественных показателей и технологических режимов проведения АР заданным ВС с соответствующим ТС в различных условиях, что ограничивает возможности анализа и совершенствования выполнения АРРВ и требует ликвидации этого пробела.

Общими проблемами проведенных исследований в области выполнения АРРВ, как показывает анализ, являются низкий уровень системности методов и средств описания этих работ и отсутствие комплексного учета в них значимых для показателей АРРВ факторов и процессов, что определяет необходимость устранения этих недостатков.

Целью диссертационной работы является совершенствование принципов, методов и средств выполнения АР по распределению веществ для повышения их эффективности, конкурентоспособности и безопасности.

Для достижения этой цели в диссертации решались следующие взаимосвязанные задачи:

- провести анализ системообразующих факторов и процессов выполнения АРРВ и разработать методологические основы анализа и совершенствования их системы;

- выявить основные закономерности влияния на целевой эффект АРРВ показателей ВС, ТС, режимов полета, технологий и условий работ;

- оценить показатели индуктивного следа различных видов и типов ВС в условиях АРРВ и его влияния на процессы и объекты обработок;

- выполнить анализ процессов авиационного внесения веществ и разработать методы и средства их моделирования и повышения качества АРРВ; авиационный вертолет подвесной

- сформировать комплекс моделей параметрического описания значимых для АРРВ показателей перспективных ВС разных видов;

- провести структурно-функциональный анализ оборудования для АРРВ и разработать методические основы и модели оценки и выбора их показателей для разных видов ВС и работ;

- разработать методы и средства выбора технологических параметров и режимов полета ВС разных видов при выполнении АРРВ;

- оценить состав и основные показатели перспективной системы АРРВ и особенностей использования в ней ВС различных видов;

- провести анализ особенностей АРРВ в чрезвычайных ситуациях и разработать методы и средства повышения их эффективности и безопасности;

- разработать методы определения условий и режимов безопасного выполнения АРРВ вертолетами с подвесным оборудованием.

Методы исследований, используемые в диссертации, определяются её задачами и включают в себя метод системного анализа, в т.ч. методы описания систем и форм их анализа, статистические методы обработки фактических и расчётных данных, методы математического моделирования элементов и процессов АРВВ, экспериментальные методы определения отдельных показателей в процессе лётных испытаний ( ЛИ) и сопряженных наземных работ и методы прогнозирования развития систем и их элементов.

Достоверность результатов диссертации определяется использованием при разработке ММ экспериментальных и фактических данных, в т.ч. полученных автором при проведении ЛИ, сопоставимостью расчётных данных разработанных ММ и программных средств фактическим показателям и успешной реализацией на практике полученных рекомендаций, выводов и предложений.

На защиту выносятся:

методология системного анализа АРРВ, ориентированная на реализацию их конечных целей для потребителей с учетом расширенного перечня показателей организации, обеспечения, условий и выполнения таких работ;

методика и модели оценки целевого эффекта АРРВ на базе показателей их выполнения и распределения РВ, связанных с данными ВС, ТС, режима полета, технологии и условий работ;

обобщенная методика и средства моделирования вихревого следа ВС разных видов в условиях АРРВ и полученные на их базе модели, выводы и рекомендации по показателям и влиянию следа на осаждение РВ и объекты обработки;

методика и программы стохастического моделирования движения изолированных частиц твердых и жидких веществ в индуктивном следе ВС с учетом эффектов вращения, испарения и дробления частиц, свойств одно- и многокомпонентных веществ и состояния приземного слоя атмосферы , а также полученные с их использованием модели оценки показателей и рекомендации по совершенствованию процессов и качества распределения веществ на АР;

комплекс многопараметрических ММ массовых, аэродинамических, эксплуатационных, стоимостных и других показателей ВС разных видов для АРРВ;

типовая структурно-функциональная схема и классификационные признаки оборудования ВС для АРРВ;

методики поэлементного описания и модели показателей оборудования ВС для распределения жидких и твердых веществ;

метод обоснования и предложения по выбору типа, состава и показателей ТС для разных видов ВС и АРРВ;

требования к ТС для АРРВ и рекомендации по их созданию, модернизации и применению;

методика выбора технологических режимов выполнения АРРВ и рекомендации по рациональным диапазонам технологических параметров и режимов полета разных видов ВС на этих АР;

программные средства оценки показателей перспективных систем АРРВ и результаты обоснования размеров АП, состава, параметров и режимов использования ВС и их ТС для перспективной системы АХР;

концепция подвесного быстроразборного оборудования модульной полужесткой конструкции с гравитационным принципом выпуска веществ для АРРВ в чрезвычайных ситуациях и результаты ее реализации при создании оборудования для тушения пожаров и борьбы с загрязнениями окружающей среды вертолетами типа Ми-8, Ми-26 и Ка-32 и технологий их применения;

методика и средства моделирования движения внешней подвески вертолетов при использовании и аварийном сбросе подвесных ТС для распределения веществ на разных режимах полета в условиях возмущенной атмосферы;

базы статистических, экспериментальных и расчетных данных описания элементов системы и процессов выполнения разных видов АРРВ.

Научная новизна работы состоит в разработке автором теоретических положений и методологии совершенствования выполнения АРРВ и определяется:

системной постановкой задачи совершенствования выполнения АРРВ и сформированной методологией углубленного анализа межотраслевой системы их производства;

впервые выявленными связями целевого эффекта АРРВ и комплекса технических и технологических показателей их выполнения;

разработкой обобщенных процедур моделирования индуктивного следа ВС разных видов в условиях АРРВ и методов учета его воздействия на объекты обработок и распределения веществ;

созданием методов и средств стохастического моделирования процессов осаждения изолированных частиц твердых и жидких РВ при их авиационном внесении с учетом эффектов вращения, испарения и дробления частиц, свойств одно- и многокомпонентных веществ и состояния приземного слоя атмосферы и обоснованием на их базе путей повышения качества и эффективности АРРВ;

формированием комплекса уточненных и вновь разработанных многопараметрических моделей значимых для выполнения АРРВ показателей самолетов и вертолетов разных схем, автожиров и мотодельтапланов;

выполненным структурно-функциональным анализом ТС для АРРВ и сформированными на его базе методами поэлементного описания и выбора оборудования для разных видов ВС и работ;

впервые разработанной методикой комплексного выбора параметров полета и технологических режимов АРРВ с учетом качественных показателей обработок;

системным обоснованием стратегий формирования, состава и параметров перспективного парка ВС разных видов для выполнения АРРВ;

предложенной концепций создания и применения подвесного быстроразборного оборудования модульной полужесткой конструкции с гравитационным принципом выпуска веществ для выполнения АРРВ в чрезвычайных ситуациях;

разработкой расчетно-экспериментальной методики исследования и обоснования предельных режимов и условий БП вертолетов при транспортировании, целевом использовании и аварийном сбросе подвесных ТС в ожидаемых условиях выполнения АРРВ.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты обеспечивают:

расширенный комплексный учет выявленных значимых факторов при решении научно-практических задач по совершенствованию системы и технологий выполнения АРРВ для повышения их качества, эффективности и безопасности;

повышение качества и оперативности оценки предлагаемых промышленностью ВС и специального оборудования и уменьшение издержек при формировании и функционировании перспективной системы АРРВ;

формирование отвечающих потребностям авиапредприятий и потребителей АРРВ требований к вновь создаваемой авиационной технике;

обоснованный выбор вариантов оснащения ВС и рациональных параметров при создании новых и модернизации ТС для разных видов ВС и АРРВ;

сокращение времени и затрат на разработку и внедрение новых технологий АРРВ, в т.ч. при их регистрационных испытаниях;

повышение безопасности и снижение затрат по проведению ЛИ и отработке методов, ограничений и режимов полета ВС при выполнении АРРВ;

расширение возможностей, повышение эффективности и безопасности выполнения АРРВ в чрезвычайных ситуациях при использовании специального подвесного оборудования;

совершенствование нормативно-методического обеспечения выполнения АРРВ предприятиями гражданской и государственной авиации.

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы реализованы и внедрены в гражданской и государственной авиации РФ в части:

формирования требований к ВС и оборудованию для АРРВ (технические задания на технические предложения на создание самолётов и вертолётов с грузоподъёмностью соответственно 700-800 и 1000-1300 кг для АХР (1991, 2003), технические требования к перспективной авиасельхозаппаратуре и наземным средствам загрузки (1991), требования к техническим средствам распределения жидких веществ (2000), твёрдых веществ и биологических объектов (2001), технические требования к вертолётному комплексу тушения пожаров на базе вертолёта Ми-26Т с водосливным устройством ВСУ-15А (2007) и др.);

совершенствования нормативной базы выполнения АР (проекты и разделы ФАП "Общие правила выполнения авиационных работ" (1998), "Правила выполнения авиационных работ определённых видов в сельском хозяйстве" (2000), "Правила выполнения авиационных работ по борьбе с загрязнениями земной и водной поверхности" (2001), "Сертификация технических средств для выполнения авиаработ. Требования и процедуры сертификации" (2003) и др.);

обоснования требований к процессам АРРВ ("Агротехнические требования к распределению веществ в сельском и лесном хозяйстве" (2001));

отработки регламентов авиационного применения более 30 новых пестицидов и агрохимикатов в процессе их государственной регистрации и внедрения (1998-2009 г.г.);

обеспечения разработки и модернизации ТС для АРРВ (опрыскиватели ОС-1М и 4202.0691.000 самолёта Ан-2 и вертолёта Ми-2, водосливные устройства типа ВСУ-5 и ВСУ-15 вертолётов типа Ми-8, Ка-32 и Ми-26Т, подвесные опрыскиватели ВОП-3 и 4208.0479.00 вертолётов типа Ми-8 (Ка-32) и др.), а также приёмов и методов их использования на авиаработах;

подготовки пособий и рекомендаций по выполнению АРРВ ("Рекомендации по комплексной защите сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорной растительности в Краснодарском крае на 2001-2005 (2006-2012) гг." (2001, 2006), "Рекомендации по использованию самолётов Ан-2 на работах по защите зерновых колосовых культур от вредителей, болезней и сорняков в Северном Казахстане" (2006), "Методические рекомендации по технологии использования авиационными подразделениями МЧС России вертолётов с водосливными устройствами на внешней подвеске для тушения пожаров" (2007) и др.);

разработки инструкций выполнения АХР сверхлёгкими ВС "Авиатика-МАИ-890СХ", МД-20, МД-50, Х-32 "Бекас" в регионах Российской Федерации;

обеспечения выбора параметров проектирования и адаптации к применению перспективных для АРРВ типов ВС (вертолёты Ка-226 (-126) и Ми-34, самолёты Су-38Л, Ил-103СХ, Ан-3ТС, М-101Т, Бе-200);

отработки программ и проведения ЛИ авиационной техники для АРРВ (1992-2009 г.г.).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были представлены и докладывались (более 20 докладов) на 16 всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах (6 Конференция по использованию авиации в народном хозяйстве стран-членов СЭВ (г. Злин, 1990 г.), 6 Всесоюзная научно-практическая конференции по безопасности полетов (г. Ленинград, 15-17.10.1991 г.), 4 научные чтения памяти академика Б.Н.Юрьева (г. Москва, 23-24.04.1992 г.), 6 (25-26.02.2004 г.) и 7 (22-23.03.2006 г.) Форумы Российского вертолетного общества (г. Москва), 4 и 5 Международная конференция "Авиация и космонавтика-2005 (2006)" (г. Москва, 10-13.10.2005 г. и 22-26.10.2006 г.), Научно-техническая конференция "Проблемы разработки, производства, повышения качества и конкурентоспособности аварийно-спасательных средств и средств пожаротушения" (г. Балашиха, 10.11.2005 г.), Международная научно-техническая конференция "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (г. Москва, 18-19.05.2006 г.), Международная научно-практическая конференция "Проблемы подготовки специалистов для гражданской авиации" (г. Ульяновск, 20-21.11.2008 г.) и др.), обсуждались на заседаниях Научно-технического совета НПК "ПАНХ" и других организаций.

По материалам проведённых автором исследований в российских и зарубежных изданиях опубликованы 58 научных работ, в т.ч. монография (36,2 печ. листов) и 14 печатных работ в изданиях, включённых ВАК РФ в перечень изданий для опубликования материалов докторских диссертаций. Полученные в 1985-2009 годах результаты исследований также отражены в 62 отчётах о научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и актах ЛИ, в которых автор является научным руководителем, ответственным исполнителем или ведущим инженером по ЛИ.

1. Анализ особенностей и общих вопросов выполнения АР по распределению веществ

Производство АР в интересах отраслей экономики и реализации других целей имеет важное экономическое, социальное и политическое значение для развития страны. В настоящее время АР выполняются половиной эксплуатантов России и по своим валовым показателям сопоставимы с перевозочной деятельностью, причем по мере развития отраслей и экономики в целом наблюдается тенденция опережающего роста объемов АР.

Особое место среди этих работ занимают АРРВ, на которых реализуется до 40 % налета и 70 % полетов проводимых авиаработ. АРРВ отличаются большим разнообразием и являются наиболее сложным видам АР с точки зрения их обеспечения и выполнения со стороны АП и потребителей. Конечной целью АРРВ является достижение посредством воздействия распределяемых в полете веществ необходимого потребителю изменения состояния объекта обработки, при этом полет ВС, в отличии от воздушных перевозок, является не целью АР, а необходимым элементом обеспечения целевого эффекта работ.

Как показывает анализ состояния и тенденций развития экономики и производства АРРВ, к наиболее массовым и значимым видам этих работ можно отнести АР по распределению пестицидов и агрохимикатов в сельском и лесном хозяйстве (АХР) и работы в чрезвычайных ситуациях по тушению лесных, техногенных и других пожаров, а также по авиационному внесению жидких РВ с целью предотвращения и ликвидации последствий загрязнений земных и водных поверхностей. Указанные виды работ подлежат первоочередному рассмотрению при решении задач совершенствования выполнения АРРВ.

Анализ показывает, что возможность выполнения АРРВ обусловлена наличием определенной совокупности материальных объектов и связанных с ними целенаправленных процессов, реализуемых в рамках некоторой организационной схемы (рис. 1), т.е. АРРВ обладают основными свойствами системы (целенаправленность, целостность, структурность, иерархичность и т.д.). В этой связи АРРВ могут рассматриваться как сложная антропная организационно-техническая система, представляющая собой организованную совокупность характерных объектов и функциональных связей между ними и предназначенную для целевой реализации распределения веществ в заданных внешних условиях.

Особенностью системы АРРВ является ее межотраслевой характер, что позволяет выделить в системе две взаимосвязанные подсистемы : авиационную, относящуюся к деятельности АП (выделенные элементы на рис. 1), и отраслевую (наземную), связанную с объектами и процессами потребителей (заказчиков), причем в этих подсистемах реализуется деятельность и других отраслей, например, авиапромышленности, создающей авиационную технику и обеспечивающей ее эксплуатацию, химической промышленности, поставляющей РВ и т.д.

Определяющими объектами авиационной подсистемы АРРВ являются ВС и установленное на нем ТС, функционирование которых обеспечивает выполнение полета и распределение требуемых РВ по заданным объектам в рамках соответствующей технологии работ. Эти объекты и процессы непосредственно связаны с целевыми показателями и эффективностью системы АРРВ, в связи с чем для решения задачи совершенствования выполнения таких работ первоочередными являются вопросы комплексного описания и выбора характеристик ВС, ТС и технологий АРРВ и выявления их связей с целевым эффектом выполняемых АР.

ВС при выполнении АРРВ реализуют целевую функцию, связанную с размещением на них РВ и их доставкой к объекту обработки с последующими, как правило, циклическими проходами над объектом с заданными параметрами полета при использовании размещённых на них ТС. Анализ опыта и особенностей производства АРРВ и сформированного массива статистических данных применяемых при этом ВС показывает, что для выполнения основных видов АРРВ могут быть использованы различные виды многоцелевых, транспортных и специализированных ВС с аэродинамическим принципом обеспечения полета (самолеты, вертолеты, мотодельтапланы (МДП), автожиры), характеристики которых определяются потребными показателями АР. Примечательно в этой связи, что беспилотные и аэростатические ЛА в силу специфики своих летно-технических и экономических показателей имеют ограниченные возможности для массового выполнения таких АРРВ.

Отечественный парк ВС для АРРВ по своим показателям не отвечает современным и перспективным требованиям, что с учетом потребностей экономики России определяет необходимость его обновления и актуальность решения для этого ряда научно-практических задач. К ним относятся развитие методов и средств описания и обоснования параметров и структуры парка перспективных ВС, объективного учета влияния ТС на характеристики ВС и технологические режимы их применения на АРРВ, совершенствование системы и процедур поддержания летной годности таких ВС, уточнение и гармонизация требований к ВС для АРРВ, обновление правил и процедур их испытаний и допуска к АР, создание организационно-финансовых механизмов создания и внедрения в эксплуатацию новых ВС и некоторые другие.

Специальное оборудование (ТС) является обязательным элементом системы АРРВ, определяющим возможность и показатели их выполнения, однако вопросы его создания, эксплуатации и использования исследованы недостаточно.

ТС представляет собой совокупность взаимосвязанных агрегатов и узлов, устанавливаемую на ВС и предназначенную для размещения РВ, обеспечения требуемого состояния РВ в полете и их выпуска с заданными параметрами. Целевое назначение ТС обеспечивается реализацией им множества основных и вспомогательных функций, каждая из которых связана с соответствующим элементом его конструкции. На рис. 2 показана принципиальная функционально-структурная схема оборудования для АРРВ, определяющая общий состав ТС и взаимосвязь его элементов и функций с ВС.

Функционально-структурная схема ТС в общем случае не зависит от размещения оборудования на ВС и его конструктивного исполнения, для которого наиболее распространенными являются варианты бортового (съемного, навесного, в составе ВС) и подвесного (на гибкой подвеске вертолетов) оборудования. Общим для всех ТС является выпуск РВ в поток, в связи с чем устройства выпуска (диспергирования) должны выходить за пределы конструкции ВС, в то время как положение других элементов ТС может быть "произвольным" при обеспечении требований по применению ВС и его БП на АРРВ. Наряду с отличиями ТС по размещению на ВС важными факторами являются виды используемых РВ и принципы их внесения. Анализ этих факторов показал, что определяющими классификацию и состав ТС видами веществ являются твёрдые и жидкие РВ и особенности их выпуска, при этом перспективными для внесения твердых РВ являются механические и аэродинамические распылители, а жидких - выливные устройства и напорные опрыскиватели. Ввиду сильного влияния ТС на возможность и показатели выполнения АРРВ при решении задач совершенствования системы этих АР вопросам системного описания и выбора характеристик перспективных и модернизируемых ТС для заданных ВС и АРРВ разных видов, рациональных приемов его эксплуатации и целевого применения должно уделяться повышенное внимание.

Функционирование ВС с соответствующим видом ТС при выполнении АРРВ осуществляется в рамках определенных технологий и необходимого обеспечения этих работ, связанных с показателями системы и общей эффективностью авиаработ.

Технология АРРВ как совокупность способов, методов, количественных параметров и ограничений внесения РВ при функционировании выделенной системы является сложным многофакторным и межотраслевым синтетическим явлением, обеспечивающим достижение необходимого целевого эффекта АРРВ для заданного состава системы, при этом характерно, что весомости влияния на эффект авиационной и наземной подсистем АР практически эквивалентны. На основании практического опыта и проведенных исследований для реализуемых в виде технологических инструкций технологий АРРВ в диссертации определены общие правила и процедуры комплексной отработки и межведомственного введения в действия технологий, минимально необходимый перечень сведений инструкций, необходимость создания двухуровневой системы технологического обеспечения разных видов АРРВ, а также разработки методов и средств системной оценки влияния технологических параметров на целевую эффективность выполнения АРРВ. Обеспечение АРРВ со стороны АП и потребителей работ (основной и вспомогательный персонал, рабочие площадки, наземные средства и процессы обслуживания ВС, приготовления и загрузки РВ и т.д.) неразрывно связано с реализацией технологий и показателями выполнения АРРВ. Вопросам обеспечения АРРВ традиционно уделяется недостаточное внимание и за последние годы сформированная ранее система кадрового и наземного обеспечения АР пришла в упадок и нуждается в скорейшем и коренном обновлении. Это касается вопросов отбора и подготовки авиационного и наземного персонала для выполнения АР, аэродромного обеспечения и правил использования воздушного пространства для этих работ, разработки современных требований к наземной технике приготовления и загрузки РВ и некоторых других. В свою очередь реальное состояние обеспечения должно учитываться при решении задач совершенствования АРРВ на ближайшую перспективу, в т.ч. при формировании необходимых для этого методов и средств.

По результатам проведенного анализа в заключении главы сформулированы общие выводы о перспективах и проблемах выполнения АРРВ как сложной межотраслевой организационно-технической системы и по основным направлениям и особенностям исследований, ориентированных на совершенствование системы и технологий выполнения таких работ.

2. Вопросы и процедуры оценки общих и частных показателей эффективности АРРВ с учётом их межотраслевого характера

Показателем целевой эффективности АРРВ за некоторый характерный период является соотношение величины формируемого у потребителя эффекта Еs и необходимых для его получения затрат Zs:

(1)

где Eij , Zij - эффект и затраты выполнения i - го вида АРРВ j - ым типом ВС;

- удельный вес затрат на выполнение i - ой АРРВ;

- удельные затраты по j-му типу ВС на i - ой АРРВ;

Kij - показатель эффективности выполнения i - го вида АРРВ j - ым ВС,

т.е. эффективность выполнения АРРВ определяется параметрами распределения АР, стратегией использования на них ВС и величиной каждой работы.

Эффект Eij обусловлен характерным для АРРВ их физическим объемом Aij (площадь обработок, объем РВ и т.д.), связанным с налетом Tлij и производительностью Плij полетов ВС, и качественным удельным показателем eij, а затраты Zij складываются из затрат АП (Zаij) и потребителя (Zпij). В этой связи показатель эффективности отдельной АРРВ может быть записан в обобщенном виде:

, (2)

где Слаij, Слпij - себестоимость выполнения АРРВ для АП и потребителя.

Величина удельного эффекта АРРВ определяется средней степенью реализации в ней максимально возможного для заданного объекта, РВ и способа его внесения значения eoi и при допущении о независимости влияющих факторов находится как:

, (3)

где - вероятность обеспечения при АРРВ требуемого для достижения еoi значения [Уim] по m - му фактору (своевременность АР, количеством, дисперсностью и свойствами РВ и состоянием объекта при обработке), каждый из которых определяется выявленной совокупностью технических, технологических и организационных характеристик системы АРРВ и описывается сформированными ММ.

Значение еoi для каждого вида АРРВ специфично и связано со свойствами объекта и способа обработок. В частности, для АХР по k - ой сельскохозяйственной культуре (СХК) эта величина равняется:

, (4)

где Cok , Yok - средняя закупочная цена и урожайность k -ой СХК;

ДУki, - максимальные абсолютная и относительная прибавка или сохраненный урожай СХК в результате i - ой АРРВ.

Как показали проведенные исследования, величина удельного эффекта АРРВ отличается существенной изменчивостью от внешних условий производства АР(Cok, Yok), особенностей объекта обработки, способа внесения и свойств РВ (ДУki,), организационных и технико-технологических показателей АР, в частности, параметров внесения и распределения веществ ( на рис. 3 для примера показано изменение вероятности обеспечения дозы РВ в зависимости от коэффициента вариации KV и превышения средней дозы распределения над требуемой), нуждающихся в обязательном учете при совершенствовании системы и технологий АРРВ.

Рис. 3

Летная производительность АРРВ в (2) определяется массой mрв распределенного в полете РВ и продолжительностью производственного полета tл:

Пл = Кв mрв / tл, (5)

где Кв - функционал приведения массы вещества к объему работ, причем mрв определяется грузоподъёмностью ВС и находится из его массового баланса с учетом допустимой полётной массы ВС в условиях АРРВ, массы снаряженного ВС, установленного ТС и топлива на борту ВС с учетом схемы выполнения работ, а tл находится суммированием времени характерных для АР элементов производственного полета (взлета, перелетов, разворотов и т.д.), зависящих от показателей ВС, ТС, условий и режимов полетов на этих работах. Сформированный в работе комплекс ММ оценки Пл разных видов АРРВ, отличающийся учетом особенностей и ограничений, переходных процессов элементов полета и технологических параметров работ, обеспечивает сопоставимость расчетных и фактических данных и позволяет найти пути повышения Пл АРРВ для разных ВС. ( На рис. 4 для примера использования ММ показаны расчетные величины Пл АХР самолетов Ан-2 и "Авиатика-МАИ-890", вертолета Ми-2 при использовании способа стандартного разворота и разворота на горке (Трф), а также дельталета МД-20 и ГП "Авиатика-МАИ-890А" в зависимости от норм опрыскивания).

Рис. 4

Величина Пл связана со значениями рабочей Пр и дневной Пдн производительностей АРРВ, определяющих возможный годовой налет ВС Тгод и равных:

, (6)

Пдн = Пл [tл]дн= Пр [tр]дн, (7)

где - удельный вес времени полета в производственном цикле;

[tл] дн и [tр]дн - предельные за день налет ВС и время работы,

при этом время tр наземной части производственного цикла АРРВ включает время руления, загрузки РВ, обслуживания ВС и ТС и продолжительность подготовительно-заключительных операций, которые аналогично летному циклу находятся по данным ВС, ТС и выполняемой АР. В свою очередь, возможность использования ВС за сутки to определяется многими факторами и в работе определялась как:

(8)

где бi(t) =Рi (Ri (t) ? (?) [Ri]) - вероятность выдерживания значения i-го показателя по предельной величине [Ri] в текущий момент времени t, причем в качестве значимых для АРРВ факторов выступают метеопараметры , техническая готовностью ВС и ТС к полетам в процессе их обслуживания, ограничения РЛЭ и нормирование рабочего времени экипажа ВС, учет которых повышает адекватность оценок показателей АР.

Себестоимость полетов ВС на АРРВ оценивалась по сформированному на базе существующих методик комплексу ММ, ориентированных на детальный учет технических и эксплуатационных показателей ВС и ТС и организационных аспектов деятельности АП при обеспечении и выполнении АРРВ в заданных условиях. На рис. 5 для примера использования комплекса показаны расчетные величины прямых Спр (зарплата, ГСМ, техобслуживание), капитальных Скап (амортизация и реновация ВС и ТС) и организационно-технических Сот (административный и вспомогательный персонал, страхование, сертификация АП и экземпляров ВС, подготовка персонала, транспорт и т.д.) групп расходов ($/л.ч) в структуре Сла при выполнении АР рядом ВС коммерческой ГА в одинаковых условиях (АП с парком из 10 ВС при Тгод = 300 л.ч.).

Апробация разработанных ММ на примере отечественных и зарубежных ВС разных видов показала их адекватность и чувствительность моделей к показателям системы выполнения АРРВ, в частности, к годовому налету (отличия Сла при Тгод = 100-1000 л.ч. до 5 раз), численности парка АП (отличия до 2 раз), правовому статусу эксплуатанта (отличия для коммерческих и "нелегальных" АП в 1,3-1,6 раза). В этой связи для одинаковых условий примечательны сопоставимость Сла легких ВС разных видов, их нелинейный рост для более тяжелых ВС, отличия Сла для разных режимов и видов АРРВ соответственно до 3 и 10 % и другие особенности.

Рис. 5

Себестоимость обеспечения АРРВ складывается из затрат потребителей на приобретение, обработку и хранение РВ, их доставку к месту работ, приготовление и заправку РВ в ВС, содержание при необходимости рабочего аэродрома, потребного персонала, а также общехозяйственных расходов по организации и обеспечению АР. Сформированные в работе ММ указанных расходов для типовых условий базируются на комплексе показателей ВС, требований и параметров АРРВ позволяют достаточно точно оценивать величину и структуру Слп ( на рис. 6 показано характерные соотношения затрат потребителя при выполнении АХР разными ВС без учета стоимости приобретения и обработки РВ, достигающих на АХР 70-90 % Слп).

Как показывает анализ, каждый вид АРРВ и ВС разных категорий на них имеют определенные соотношения расходов потребителей работ и величины Слп часто превосходят значения Сла, что делает обя- зательным учет этих расходов при оценке эффективности АРРВ и предпочтений по- требителей по использованию разных ВС.

Рис. 6

Общая форма (2) эффективности АРРВ позволяет для решения ряда задач при некоторых допущениях выделить ряд частных показателей, отражающих отдельные аспекты этих АР. Например, при eij = 1 и Слпij = 0 форма Kij эквивалентна традиционному для ГА показателю себестоимости обработок, отражающему экономические предпочтения АП на АРРВ, однако не связанному прямо с интересами их потребителя. Вариант показателя при eij =1 определяет полную себестоимость АРРВ для потребителя и учитывается им при выборе исполнителя АР, хотя и не дает возможности оценить их экономическую целесообразность ввиду неопределенности конечного результата работ. Для предварительных оценок этот недостаток может быть устранен использованием (2) при фиксации ожидаемого уровня реализации удельного эффекта eij =Ki eoi (Ki ? 1), что однако нивелирует качественную составляющую АРРВ и может существенно исказить результаты оценок и выбора предпочтений. В этой связи очевидна целесообразность применения обобщенного показателя (2) для комплексного анализа системы АРРВ и определения путей ее совершенствования. В частности, проведенные оценки выполнения АХР в России показывают их экономическую целесообразность для потребителей (рентабельность более 30 %) , в то время как их рентабельность для АП на практике не превышает 8-10 %, т.е. основной объем прибыли "перераспределяется" в сторону потребителя, что должно учитываться в договорной политике производства АРРВ, например, посредством дополнительных выплат АП за качество и конечный результат выполненных работ. В свою очередь, величины удельного эффекта АХР конечны, что с учетом необходимых затрат на обеспечение работ лимитирует оплату услуг АП, например, при борьбе с сорняками на зерновых культурах на уровне 8,5 $/га. Это, с одной стороны, ограничивает выплаты АП и, с другой, определяет экономические пределы мероприятий по совершенствованию системы и технологий АХР.

Показатель целевой эффективности (2) и сформированный комплекс ММ оценки его составляющих позволяет для принятой глубины детализации решать широкий круг задач сравнительной оценки показателей системы АРРВ, например, при выборе путей ее модернизации. Эта оценка может проводиться на базе сравнительного по (2) уровня вариантов , в котором сравнительное приращение уровня системы в результате линеаризации исходных ММ и объединения в группы показателей разных элементов системы имеет вид:

= + + + +, (9)

где слагаемые относятся к сравнительному уровню ВС, ТС, технологии АРРВ, организации работ и внешним условиям их проведения. Полученные в работе выражения поэлементных приращений показывают, что их влияние на уровень системы отличается для разных видов АРРВ и базового варианта сравнения. В частности, для выполнения АХР сельскохозяйственными самолетами (СХС) средней грузоподъемности это влияние для ВС, ТС, технологии, организации и внешних условий соотносятся примерно как 1,0 : 0,8 : 1,5 : 1,8 : 0,5, т.е. можно отметить повышенную чувствительность эффективности АРРВ к уровню технологического и организационного обеспечения, а также совершенства используемых ТС. Примечательно, что сравнительная эффективность системы АРРВ определяется комплексом взаимосвязанных потребительских, технических, эксплуатационных и стоимостных показателей, нуждающихся в учете при анализе и сравнении системы и ее элементов, при этом решение некоторых локальных задач может быть значительно упрощено использованием (9) при фиксированных показателях ряда элементов системы.

Таким образом, во второй главе сформирована общая методология оценки эффективности АРРВ, ориентированная на конечные результаты работ, разработаны укрупненные методы и средства определения связанных с эффективностью показателей и выявлены их значимые факторы и особенности, а также указана необходимость углубленного анализа и учета процессов АРРВ, влияющих на их эффект.

3. Исследование процессов АРРВ, определяющих количественные и качественные показатели внесения РВ и связанных с эффектом АР

Показатели внесения АРРВ обусловлены показателями осаждения совокупности выпущенных с ВС частиц РВ, что определяет необходимость оценки параметров движения частиц в процессе их осаждения в характерных для АРРВ условиях. На основании общего уравнения движения материальных частиц в работе сформирована система уравнений описания осаждения с ВС частиц жидких и твердых одно- и многокомпонентных РВ в поле индуктивного следа ВС с учетом градиентных сил и вращения частиц, испарения различных фаз рабочих жидкостей (РЖ ) и дробления частиц потоке, а также случайной природы движения малоразмерных частиц РВ в приземном слое атмосферы. Для решения этой системы рассмотрены процессы движения частиц и сформированы ММ их описания, при этом с учетом особенностей приземного слоя атмосферы для разных условий ее стратификации и состояния подстилающей поверхности в уравнениях движения выделены базовые процессы осаждения и их стохастические составляющие, определяющие параметры и особенности рассеивания частиц относительно базовых величин.

Анализ показывает, что при заданных условиях выпуска (координаты, скорости) с ВС частиц определенного РВ соответствующей размерности показатели движение частиц определяются полем скоростей в следе ВС, обусловленного аэродинамическими возмущениями его конструкции и воздействием его силовой установки (СУ). Аэродинамические возмущения среды от ВС и их параметры могут быть найдены по конечному числу N элементов конструкции (панелей) ВС с заданными геометрическими параметрами и интенсивностями возмущений, связанных с режимом и условиями полета ВС. В диссертации интенсивности возмущений панелей, связанных с конструкцией ВС, находились в рамках сформированного на языке высокого уровня Pascal программного комплекса при итерационном решении обобщенной системы линейных уравнений:

, (10)

где - матрица коэффициентов частных возмущений, ;

- вектор-строка неизвестных интенсивностей возмущений;

- вектор-столбец нормальных скоростей по панелям.

Коэффициенты kij для контрольных точек панелей в работе находились для принятых видов источников возмущений (вихревых комбинаций, распределенных стоков, диполей) единичной интенсивности, причем ввиду близости на АРРВ земной (водной) поверхности расчёт проводился с учетом зеркального по правилу Прандтля отображения источников. Величины kij для П-образных вихревых комбинаций, используемых при моделировании несущих поверхностей и органов управления ВС, рассчитывались по формуле Био-Савара с учетом диффузии вихрей и их предварительно заданной пространственной конфигурации. Значения для панелей, расположенных на поверхности ВС (крыло, фюзеляж и т.д.), рассчитывались по скорости набегающего потока в проекции на внешнюю нормаль панели как , а для несущих винтов (НВ) принимались равными индуктивным скоростям в контрольных точках диска винта, определяемым по известной методике Л.С. Вильдгрубе. Решение (10) для N источников возмущений при известных координатах панелей и точек схода с них свободных вихрей позволяет реализовать пошаговую () процедуру оценки координат этих вихрей с учетом их взаимодействия между собой на заданном удалении от ВС, т.е. определить конфигурацию вихревого следа ВС для соответствующей итерации. Сравнение параметров вихревого следа ВС для двух последовательных итераций при заданной точности расчетов обеспечивает условие останова итерационных процедур программного комплекса с фиксацией в нем текущих параметров следа как окончательных, используемых для определения поля скоростей в следе ВС. Следует отметить, что основное влияние на поле скоростей в дальнем следе ВС оказывают вихри несущей системы (НВ, крыло) и органов управления, при том что возмущения конструкции и СУ, хотя и оказывают влияния на формирование вихревого следа, проявляются только в непосредственной близости от ВС.

Применимость такого подхода и сформированных в диссертации программных средств иллюстрирует рис. 7, на котором показана экспериментальная (а)) и расчетная ( б), дисплейный вариант, цена деления осей равна радиусу НВ) картина вихревого следа вертолета типа Ми-2 с полетной массой 2850 кг при выполнении в безветрии полета со скоростью 95 км/ч при высоте над плоским горизонтальным участком 7,75 м.

Рис. 7. Общая картина визуализации ( а)) и расчета ( б)) вихревого следа вертолета Ми-2

Расчеты с использованием разработанных программ вихревого следа разных ВС на базе 10-20 их характерных свободных вихрей в широком диапазоне режимов и условий полета ВС и сравнение результатов с данными по визуализации следа показали адекватность и приемлемую точность разработанных методов и средств описания дальнего вихревого следа ( на рис. 8 для примера показаны расчетные координаты Zv (Xv) концевых свободных вихрей и экспериментальные данные центров вращения следа для одновинтового ( а)) и соосного (б) вертолетов типа Ми-2 и Ка-26 при безветрии и МДП типа Fо-2 при боковом ветре (в)), что позволяет использовать их при моделировании процессов АРРВ при варьировании режимов (масса, высота, скорость) и условий (ветер, склоны, стратификация, растительность и т.д.) полета разных видов ВС.



Рис. 8

По результатам моделирования вихревого следа разных видов ВС в условиях АРРВ выявлены следующие характерные особенности:

вихревой след ВС на типовых для АРРВ режимах полёта может быть приближенно описан двумя сходящими с несущих поверхностей ВС преимущественно вниз и в стороны интенсивными концевыми вихрями сложной конфигурации и другими вихрями, осуществляющими с учетом их циркуляции сложное пространственное движение во взаимодействии со смежными и более мощными вихрями;

циркуляции сходящих с ВС вихрей зависят от режима его полёта и параметров управления, в связи с чем показатели и конфигурация вихревого следа ВС могут существенно отличаться для разных режимов и условий полёта;

уменьшение высоты полёта в зоне "экрана" приводит к сильному начальному вертикальному "поджатию" следа и его "расползанию" по поверхности;

рост скорости ВС в условиях экранного эффекта связан с уменьшением "расползания" вихрей и более "компактной" конфигурации следа, при этом на повышенных скоростях конфигурация следа близка к П-образной схеме;

при полётах вблизи экрана при боковом ветре вихревой след смещается от линии пролета (ЛП) в направлении ветра, при этом "наветренный" концевой вихрь дополнительно приближается к экрану и ЛП, что приводит к ограниченному влиянию следа на движение частиц РВ против ветра и дополнительному - по ветру;

при полёте над склоном в безветрии след "сползает" по склону, причём более "высокий" относительно него концевой вихрь приподнимается, а "низкий" - "прижимается" к экрану и сползает по нему вниз, а воздействие бокового ветра существенно изменяет и усложняет конфигурацию следа ВС.

Воздействие СУ на поле скоростей в следе ВС имеет, как показал анализ, локальный характер и в основном проявляется на малых удалениях от ВС. Влияние воздушного винта связано с начальной "закруткой" вихревого следа ВС, которая приводит к асимметричности следа и поля скоростей в нем, что должно учитываться на АРРВ. Воздействие узконаправленных неизотермических струй двигателей ВС не приводит к существенному искажению вихревого следа и процессов осаждения РВ, однако на некоторых режимах может сказаться на объектах обработки. В частности, моделирование наложения таких струй на подстилающую поверхность при выполнении ВС с турбореактивным двигателем набора высоты на АХР и распределение скоростей и температур в таких зонах указывает на негативное влияние струй на объекты и необходимость использования таких ВС на АРРВ при высотах более 20 м.

Сформированная система описания движения частиц РВ и следа ВС позволила разработать программный пакет расчета показателей осаждения частиц в широком диапазоне варьирования условий и видов АРРВ, режимов полета разных ВС, характеристик РВ, технологических параметров обработок и других факторов. Для примера использования пакета на рис. 9 показаны расчетные траектории капель воды с начальным диаметром d0 = 200 ( a)) и 400 (б)) мкм при выполнении опрыскивания вертолётом типа Ми-2 с полётной массой 3500 кг при скорости и высоте полёта соответственно 60 км/ч и 5 м в условиях МСА в "традиционной" постановке (без учёта градиентных сил и эффекта Магнуса, а также испарения и дробления капель), а на рис. 10 - аналогичные траектории для 10-процентного раствора типового пестицида с учетом отмеченного комплекса эффектов (дисплейный вариант).

...