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

Сравнение расчетных и экспериментальных данных внесения характерных жидких и твердых РВ для винтокрылых ВС (Ми-2, Ка-26, Ми-8Т), самолетов (Ан-2, Ил-103, Су-38Л, Авиатика-МАИ-890 СХ) и МДП (МД-20, -50, Fо-2) показали их сопоставимость по ширине захвата, объемным и счетным распределениям, размерам частиц (СОД, ММД и другим показателям (на рис. 11 для примера показаны расчётные полное (Nкs) и усечённое (>25 мкм) и экспериментальные счётные распределение капель воды по волне осаждения для вертолета типа Ми-2 (а)), самолета Ил-103СХ (б)) и дельталета Fо-2 ( в))), что позволяет использовать этот пакет для решения задач по совершенствованию системы и технологий выполнения АРРВ.

На основании анализа экспериментальных данных и результатов моделирования авиационного распределения РВ в работе выявлены принципиальная общность процессов АРРВ для разных видов ВС с аэродинамическим принципом обеспечения полета и их основные закономерности, в частности :

тесная связь показателей осаждения с данными следа ВС, размерами частиц, свойствами и составом РВ и параметрами их выпуска, а также условиями АРРВ;

наличие при выпуске с ВС мелкодисперсных частиц центральной и периферийных зон, отличных по характеру движения и показателям осаждения частиц;

целесообразность выпуска РЖ из центральной зоны, размеры которой в пределах размаха несущей системы ВС определяются режимом полета и дисперсностью распыла и которая обеспечивает реализацию максимально возможной ширины захвата при минимизации времени осаждения и потерь веществ;

сильные отличия размеров и состава осевших капель от начальных, что особенно характерно для мелких и средних капель многокомпонентных жидкостей;

повышенная стабильность показателей движения и осаждения более крупных частиц (капель) РВ в сравнении с мелкими и средними;

сложные нелинейные зависимости координат выпуска и показателей осаждения частиц, требующие подбора закона выпуска РВ для каждого режима ВС;

превалирование для характерных на АРРВ твердых РВ влияния параметров выпуска частиц по скорости и направления на показатели их осаждения.

Главным результатом третьей главы является разработка и апробация методических подходов и программных средств оперативного адекватного описания индуктивного следа ВС в условиях АРРВ и процессов осаждения РВ в нем, позволяющих решать комплекс технических и технологических вопросов совершенствования системы выполнения разных видов АРРВ с учетом их целевых показателей.

4. Общие и частные вопросы оценки значимых для АРРВ показателей перспективных ВС разных видов

ВС является базовым элементом системы АРРВ и его характеристики определяют показатели используемых ТС и выполняемых работ. В этой связи для описания перспективной системы АРРВ необходимо использование ММ массовых, геометрических, аэродинамических, эксплуатационных, стоимостных и других показателей ВС. Для оценки этих показателей в работе использовались поэлементный подход, где показатели объекта (массовые, стоимостные и т.д.) определялись по совокупности параметров элементов объекта, и интегральные оценки показателей, например, летных данных, по значимым для них параметрам.

Анализ методов параметрического описания ВС определяет целесообразность использования для оценки их показателей степенных многофакторных зависимостей в виде:

(11)

где Хi - значимый фактор (параметр) соответствующей размерности, ;

аi - показатель степени (нелинейности) для i-го параметра;

А - свободный член уравнения,

которые позволяют просто и в явном виде оценивать нелинейные связи описываемой величины и ее относительные изменения при варьировании параметров ВС. Перечень значимых факторов в (11) индивидуален для каждого показателя и выявлялся при анализе целевых показателей объекта и его параметров с использованием сформированного в работе массива (базы данных) статистических характеристик отечественных и зарубежных ВС разных видов и их основных агрегатов и систем. При этом, в частности, была определена необходимость учета при описании ряда показателей, например, массовых и стоимостных, таких значимых факторов, как период создания и эксплуатационная долговечность (предельная наработка) объекта, для которых в условиях задачи степенная форма эквивалентна более точным и сложным выражениям ( логистическим S-кривым описания развития технических систем и т.д.). В свою очередь, указанные базы данных были использованы при модернизации существующих и разработке новых ММ описания отдельных показателей ВС разных видов, для которых в работе были выделены типовые, т.е. определяющие облик и принадлежность ВС к индивидуальному типу (фюзеляж, крыло, шасси и т.д.), и унифицированные ( покупные изделия, допускающие их применение на разных видах и типах ВС) элементы (агрегаты) конструкции.

Показатели типовых элементов конструкции ВС находились на основании ММ существующих методик в виде (11) с их корректировкой посредством включения параметров периода создания и характерных показателей долговечности ВС и его агрегатов.

Для описания унифицированных элементов ВС в работе были построены аналитические ММ значимых показателей основных агрегатов (двигатели, винты, вспомогательные СУ и т.д.) и процедуры дискретного выбора интегральных показателей оборудования ВС (авиационного, радиоэлектронного, вспомогательного) в зависимости от вида и категории ВС согласно их норм летной годности (НЛГ).

Статистические модели описания основных агрегатов ВС в виде (11) строились на базе сформированных представительных выборок по выделенным значимым для показателей 4-7 параметрам агрегатов. Например, по данным зарубежных и отечественных поршневых (ПД) и турбовальных (ТВД) двигателей (более 700 типов) были выделены следующие выражения их масс ( кг, R2 > 0,90):

; (12)

, (13)

где Кс - метка производителя (1 и 2 для отечественных и зарубежных АД);

Nо - взлетная мощность двигателя, л.с.

nо - обороты выходного вала двигателя, мин-1;

Т0 - приведенный период создания (календарный год начиная с 1900 г.);

Ткр - межремонтный ресурс двигателя, час,

при этом другие показатели двигателей (геометрические, расходные, стоимость и т.д.) находились по аналогичным формулам, позволяющим сформировать замкнутую систему описания агрегата.

Состав и показатели оборудования ВС определяются его видом и категорией (взлётная масса, состав СУ, число членов экипажа, условия полетов ( правила визуальных полетов (ПВП) или полетов по приборам (ППП) и т.д.) и требованиями соответствующих частей НЛГ. В частности, для легких самолетов и вертолетов перечень оборудования по АП-23 и АП-27 в общем случае включает более 80 позиций, при этом минимальный перечень, масса и стоимость этого оборудования для заданного ВС обусловлены категорией НЛГ и эти показатели целесообразно оценивать интегрально для соответствующих категорий ( ниже для примера показаны средние показатели отечественного и зарубежного оборудования однодвигательных самолётов нормальной схемы категорий АП-ОЛС и АП-23).

Табл. 1. Средние интегральные показатели оборудования самолётов разных категорий

НЛГ	АП-ОЛС	АП-23
Тип двигателя	ПД	ТВД
Экипаж, чел.	1	1	2	2	1	2	2
Правила полетов	ПВП	ПВП	ПВП	ППП	ПВП	ПВП	ППП
Приборов всего	21	34	50	71	47	72	92
в т.ч. электрических	18	27	38	56	39	59	75
Масса комплекта, кг	9,2	27,8	41,3	83,5	33,1	47,3	91,5
Стоимость, тыс. $	9,4	46,4	86,0	192,6	56,0	99,9	206,6

Существующие НЛГ определяют поэтапный рост требований к составу оборудования и его показателям при "повышении" категории ВС, при этом увеличение экипажа и возможностей полётов приводит к росту массы и стоимости оборудования в 1,4-2,0 раза, замена ПД на ТВД равной мощности - на 15-20 % (расширение перечня контролируемых параметров) и т.д. Анализ показывает, что стоимость оборудования ВС в зависимости от их характеристик, назначения и категории может различаться более чем в 20 раз при отличиях ее нижних и верхних пределов для типовых вариантов до 3 раз. В этой связи в работе сформированы процедуры дискретной оценки средних интегральных массовых и стоимостных показателей оборудования разных видов и категорий ВС, которые были использованы в программных пакетах описания перспективных ВС для АР (АРРВ).

На основании полученных ММ элементов конструкции ВС в работе были разработаны программные пакеты описания ВС разных видов, в которых:

массовые показатели ВС определялись на основании предварительно отобранного ограниченного набора его типоразмерных параметров ( для самолета, например, схема, максимальная взлётная масса mo, нагрузка р, удлинение и сужение крыла, расчётная перегрузка , удельная мощность и тип двигателя и т.д.);

оценки аэродинамических и лётных данных осуществлялись на базе метода потребных и располагаемых мощностей ВС с заданными параметрами в конфигурации выполнения АРРВ для характерных на них условий и режимов, при этом, в частности , получены обобщенные выражения оценки характерных скоростей автожиров с разными параметрами и выполнения ими взлета на АР;

эксплуатационные показатели (удельная трудоёмкость обслуживания и т.д.) для самолетов и вертолеты) находились по сформированным статистическим выражениям типа (11) и методами имитационного моделирования процессов (МДП), а сроки службы (ресурсы) систем и агрегатов принимались с учетом опыта и тенденций развития соответствующих видов ВС;

экономические показатели (стоимость ВС и его агрегатов) определялись по ММ, построенным по статистическим данным на базе отечественных и зарубежных разработках и предусматривающих оценку стоимости разработки ВС и его производства с серийностью, обеспечивающей выполнение потребного объема АР.

Разработанные ММ и программных средств описания показателей самолетов, вертолетов, МДП и автожиров, апробированные на примере известных отечественных и зарубежных ВС, позволяют комплексно решать широкий круг задач по совершенствованию существующей и созданию перспективной систем АРРВ и исследования других сопряженных вопросов. В частности, при комплексной реализации разработанных программных средств описания традиционных для АХР самолетов и вертолетов и оценки частных показателей выполнения ими в средних условиях авиаопрыскивания с годовым объемом 3-4 млн. га выявлено:

определяющей рациональный по себестоимости обработок типоразмер однотипного парка самолетов и вертолетов является их полезная нагрузка (загрузка РВ) в пределах 1000-1120 (900-1100) кг и 1100-1440 (830-1100) кг, при этом наблюдаются устойчивые соотношения оптимальных параметров ВС, например, нагрузка на крыло и НВ одновинтового вертолета - в пределах 110 ± 5 кг/м2 и 20 ± 2 кг/м2 , энерговооруженность - соответственно 0,21 ± 0,05 и 0,22 ± 0,01 л.с./кг и т.д.;

минимальные издержки отмеченных работ СХС и многоцелевыми вертолетами имеют место для их однотипного парка, причем 2 - и особенно 3-типный парк ВС при некотором улучшении отдельных показателей АР имеют большие издержки на выполнение годовой программы и затраты на формирование соответствующего парка;

при росте объема и дифференциации АХР оптимальным по расходам может стать 2-типный парк самолетов и вертолетов, включающий в себя легкие однодвигательные ВС с ПД для обработок с малыми нормами и полезной нагрузкой 130-240 кг (СХС) и 150-180 кг (вертолет) и более тяжелые ВС с ТВД;

изменение нормативов и технологических режимов способно изменять сопоставимые экономические показатели АХР до 20-30 %, поэтому выбор и отработка режимов использования ВС для выполнения АР является важнейшей задачей, сопоставимой по значимости с выбором оптимального для них ВС.

Аналогичные расчеты для нетрадиционных на АХР автожиров и МДП характеризуются качественной близостью с отмеченными выше данными и позволили выделить рациональные варианты этих ВС (для однотипного парка автожиров - однодвигательные ГП (=0,20±0,02 л.с./кг для ПД или ТВД) со взлетной массой 1900-2200 кг и загрузкой РВ 750-950 кг при использовании двухлопастного НВ с нагрузкой р = 10,2±0,3 кг/м2 и заполнением у = 0,023±0,002; для МДП при обработках с малыми (до 6-10 л/га) нормами небольших участков и использовании временных площадок - m0 ? 500-530 кг, лкр ? 6,2-6,9, мкр ? 4,1-5,0, р ? 19,5-19,8 кг/м2, ? 0,20 л.с./кг, mхим ? 95-105 кг).

Материалы главы по формированию информационной базы, методов и средств углубленной оценки показателей перспективных для АРРВ видов ВС и по результатам их апробации обеспечивают практическую возможность комплексного обоснования направлений совершенствования системы выполнения АРРВ и создают предпосылки для анализа целевой эффективности основных видов АР.

5. Специальные вопросы технического и технологического обеспечения и выполнения АХР в сельском и лесном хозяйстве и повышения целевой эффективности их системы

В части обеспечение качества АХР в диссертации рассмотрены вопросы влияния индуктивного следа ВС на растительные объекты и особенности распределения РВ при площадных обработках.

Проведенное моделирование вынужденного движения растений под воздействием обдувки от пролетающего ВС с использованием сформированного в работе расчетного комплекса показало, что растительные объекты при пролете ВС находятся в сложном пространственном нестационарном движении, параметры которого определяются полем индуктивных скоростей ВС и свойствами растений. Это движение оказывает сильное влияние на показатели осаждения на растения частиц РВ и при определенных условиях может вызвать разрушения растений. Первое обстоятельство иллюстрирует рис. 12, на котором для примера показано изменение по скорости обдувки Us коэффициента осаждения капель Кор, отражающего степень покрытия объектов каплями, для озимой пшеницы в целом ("растение") и ее колоса ("колос"), а также кукурузы ( "стебель") и ее верхнего початка ("початок") при варьировании углов падения капель (Апк) для горизонтальной обдувки (бu?0).

Рис. 12

Расчеты показывают подтвержденное практикой положительное влияние обдувки растений на их покрытие каплями в сравнении с гравитационным осаждением на неподвижные растения, характерным для наземных обработок (Кор ?0,5-0,6), а также наличие для каждого растения оптимальных для обработки условий обдувки ( для пшеницы (ржи, ячменя) Us = 6-10 м/с, кукурузы Us ? 20 м/с и т.д.), причем для разных частей растений оптимальные по Кор соотношения Us и Апк могут отличаться, что нужно учитывать при выборе ВС и отработке технологий АХР для разных культур. Примечательно, что величины Кор тесно коррелируют с уровнем индуктивных скоростей в следе ВС, описываемым, в частности, их максимальной величиной на уровне h растений, которая на АХР не должна превышать предельного по разрушению растений значения [Up], для основных культур соответствующего диапазону 15-50 м/с.

Для оценки влияния параметров и режимов полета ВС на скорость обдувки в работе были выполнены расчеты полей скоростей обдувки с последующей обработкой результатов и формированием на их базе многофакторных ММ в виде (11) для разных видов ВС. В частности, выражение для вертолетов одновинтовой (ВОС) и сосной (ВСС) схем (mo = 500-20000 кг, р =15-65 кг/м2, у = 0,03-0,10, U= 170-220 м/с) и средней высоты полевых культур (0,5 м) при горизонтальном полёте (Vp = 40-200 км/ч, hp = 2-50 м) в условиях АХР имеет вид (R2 ? 0,7):

м/с, (14)

где КВ - метка вертолёта (1 и 2 соответственно для ВОС и ВСС);

Кw =1+/W/ - коэффициент учёта бокового ветра со скоростью W (м/с).

Это выражение при фиксированном значении [Up] позволяет сформировать условие безопасности обрабатываемых объектов под воздействием ВС в виде:

< = Квер, (15)

где коэффициент режима полёта определяется скоростями, высотами и условиями полёта, т.е. является эксплуатационным показателем, а коэффициент Квер для заданного [Up] является интегральным техническим показателем вертолёта. Сформированные аналогично (14) и (15) выражения для самолетов, гиропланов и МДП в этой связи описывают технические и эксплуатационные условия безопасного для объектов обработки проведения этими ВС АРРВ (АХР).

Для обеспечения качества АХР, прежде всего равномерности внесения РВ при площадных обработках, в работе проведен анализ процессов внесения РВ и сделаны выводы и рекомендации по рациональной форме эпюры волны осаждения, влиянию внешних возмущений, выбору схем установки и параметров РУ и другим факторам. Для оценки неравномерности показателей внесения на АХР при некотором расстоянии перехода (ширине захвата Zp) предложено выражение:

Kv ? Kvo + Kvp + Kvpу + Kvq + Kvzo + Kvz , (16)

где слагаемые являются коэффициентами вариации базовой эпюры волны осаждения, выпуска веществ РУ, случайного изменения количества вещества по размаху и ширине волны осаждения, точности выдерживания требуемой ЛП при обработках, которые определяются по полученным в работе формулам. Типовая структура Кv для рекомендуемой эллипсовидной эпюры волны осаждения для разных приведенных к общему захвату Zо расстояний перехода (Zр/ Zо ) представлена на рис. 13, при этом анализ показывает возможность за счет выделенных в работе мероприятий снижения значений Кv авиаопрыскивания для базовой эпюры на 8-10 % (с характерных на АХР 30-35 % до 20-25 %), что может обеспечить значительный рост целевого эффекта и эффективности АР.



Рис. 13

Значительное место в структуре АХР занимает авиационное опрыскивание (более 70 % объемов), для которого в работе выявлена тесная связь параметров, режимов и условий полетов ВС с его основными показателями.

К ним относятся общая ширина захвата Lgo (Zo) и обеспечивающие ее начальный размер "несущих" капель Dko, а также размах штанги опрыскивателя Lшт, непосредственно влияющие на показатели АХР и нуждающиеся в обязательной оценке для существующих и перспективных ВС и видов работ.

Для общности формирования и удобства использования выражения оценки этих показателей строились аналогично по данным многовариантных расчетов с расширенным учетом условий АХР, описываемых коэффициентами бокового ветра, поперечного уклона поверхности обработки (>0 при уклоне справа по полёту) и их совместного влияния (- характерный для ВС коэффициент), причем для сопоставимости ММ в качестве модельной РЖ в расчетах использовался водный раствор "среднего" пестицида при его массовом содержании 10 %. Примером таких выражения для типовых вертолетов (ВОС) с диаметром НВ Dнв (м) и числом его лопастей nл для отмеченных ранее диапазонов варьирования являются (=0,62-0,90,= - 0,16):

 м; (17)

мкм; (18)

, м. (19)

Анализ построенных для других видов ВС аналогичных ММ показывает, что для каждого ВС с учетом взаимосвязей и ограничений его параметров и режимов полета имеются зоны "существования" этих показателей в ожидаемых условиях АХР. На рис. 14 для примера показаны расчетные верхние ("макс") и нижние ("мин") границы этих зон для относительной Lgo(а)), величины Dko модельного раствора (б)) и приведенного размаха Lштo (в) для основных видов и схем ВС (монопланов - МП, бипланов - БП, ВОС - 1В, ВСС - 2В, автожиров - АВ и МДП; приведение по размаху несущей системы ВС (Lкр, Dнв )) в зависимости от их взлетных масс.

Рис. 14 Расчётные диапазоны относительной общей ширины захвата (а)), размеров несущих капель модельного раствора пестицида (б)) и относительного размаха штанги (в)) разных видов ВС в зависимости от их взлетной массы для авиационного опрыскивания

Исследования показывают, что внесение РЖ на основе пестицидов характеризуются сложным многофакторным и нелинейным влиянием параметров ВС, режима полета, внешних условий и свойств жидкостей, при этом:

ввиду общности процессов осаждения влияние сопоставимых параметров разных ВС, режимов и условий опрыскивания на показатели АХР имеет аналогичный характер, причем отличия обусловлены особенностями конструкции ВС;

основное влияние на показатели опрыскивания оказывают параметры ВС, связанные с интенсивностью и конфигурацией его вихревого следа, причем наибольшая ширина захвата и минимальный относительный размах опрыскивателя обеспечиваются тяжелыми ВС с повышенной нагрузкой на их несущую систему, а наилучшие удельные показатели достигаются легкими ВС с умеренной нагрузкой на крыло ( НВ ) при наличии специфических для ВС соотношений;

винтокрылые ВС имеют более высокие показатели ширины захвата и эффективности опрыскивания в сравнении с СХС и МДП равной массы, причем по этим показателям ВСС аналогичны бипланам, ВОС-монопланам, а автожиры - МДП;

бипланная схема ВС легкой и средней категории имеет преимущество перед монопланной, которое нивелируется при росте масс, скоростей и высот полета ВС;

показатели опрыскивания в одинаковых условиях для ВС одного вида могут сильно отличаться, что определяет необходимость оптимизации параметров ВС;

спектр капель при опрыскивании изменяется и его характерные параметры "смещаются" в сторону меньших значений тем больше, чем выше испаряемость РЖ;

диапазон "несущих" капель для авиаопрыскивания составляет 100-300 мкм и сильно отличается для легких ВС, что необходимо учитывать в технологиях АХР;

отличия свойств РЖ на основе характерных пестицидов изменяют показатели их внесения до 40 %, что требует применения реальных РЖ или аналогов при отработке технологий АХР и проведении испытаний ТС, в т.ч. сертификационных;

изменение скоростей и высот полета при выполнении опрыскивания в сопоставимых условиях изменяет абсолютные и относительные показатели внесения жидкостей, в связи с чем эти параметры полета нуждаются в оптимизации;

показатели опрыскивания могут отличаться до 30 % от нормальных условий при малых (до 100) уклонах обрабатываемых поверхностей и умеренных (до 3-4 м/с) скоростях ветра и до 2 раз при предельных для АХР внешних параметрах;

при усилении ветра, росте температур и неустойчивости приземного слоя целесообразно использовать распылительные РУ и режимы внесения, обеспечивающих переход к более крупному спектру начального диспергирования РЖ;

перспективными путями совершенствования опрыскивателей ВС является применение РУ с диапазоном диспергирования 100-400 мкм, использование переменного по размаху штанги спектра распыла и обеспечение дифференцированных по размаху дисперсности и объёма выпуска жидкости слева и справа по полету.

Полученные данные по процессам авиаопрыскивания использовались при исследовании путей совершенствования средств их выполнения. В части применяемых для авиаопрыскивания РЖ был проведен ретроспективный анализ ассортимента и физико-химических свойств пестицидов, позволивший выделить основные соотношения параметров (мольная масса, плотность, вязкость и т.д.) и характерные по ним группы пестицидов, а также сформировать дополнительные требования к веществам для АХР (пожаробезопасность, коррозионная активность, испаряемость и др.). Выделение групп пестицидов позволяет при отработке приёмов АХР использовать метод аналогий для ряда показателей внесения, что позволяет уменьшить объём и затраты на летные и регистрационные испытания без снижения их достоверности и адекватности. В свою очередь, анализ ТС для авиаопрыскивания позволил сформировать требования к составу и конструктивному исполнению их элементов, для которых на базе поэлементного подхода, положений прочности и эмпирических данных с учетом параметров ВС и условий АХР впервые были разработаны ММ массовых, геометрических, стоимостных и эксплуатационных показателей ТС.

Рис. 15

Апробация этих ММ показала их приемлемую точность (отклонения до + 5 %) и возможность оптимизации показателей перспективных ТС, прежде всего по типу привода и размерам системы подачи ( на рис. 15 для примера показано изменение сравнительного показателя уровня по (9) штангового опрыскивателя самолета Ан-2 с блочными РУ в зависимости от диаметра штанги dшт для принятого в качестве базы dшто = 50 мм разных вариантов ТС при норме Н=25 л/га (№ 1 - ветропривод (ВП), № 2 - электропривод (ЭП), № 3 - сравнение вариантов с ЭП и ВП, № 4 - № 1 при Н = 50 л/га, № 5 - тоже при росте стоимости ГСМ в 1,6 раза, № 6 - сравнение ТС с ЭП и ВП при росте цен ГСМ). Оценки показывают, что для авиаопрыскивания целесообразно оснащение ВС штанговым опрыскивателем, который отвечает сформированным в работе требованиям и предусматривает круглую нержавеющую штангу с размахом 0,3-1,0 Lкр ( Днв) ВС и диаметром, связанным с нормой внесения (от 12 (16) мм для малых норм и до 53(60) мм для больших), оснащение блочными РУ 3-4 типоразмеров и их размещение с принятым для обеспечения качества внесения шагом и систему ЭП для рабочих скоростей ВС до 120 км/ч и ВП для больших скоростей полета с мощностью, определяемой максимальным выпуском жидкости, при этом вариант его оснащения вращающимися распылителями жидкости для специальных видов АХР является дополнительным и может быть реализован с использованием элементов конструкции базового опрыскивателя.

Аналогичные исследования разных видов механических и аэродинамических ТС для внесения на АХР минеральных удобрения (МУ) с заданными свойствами позволили получить соответствующие ММ наиболее перспективных для этого центробежных разбрасывателей ( ЦБР) и туннельных распылителей (ТР) и сформировать выводы и рекомендации по оснащению ими ВС и их использованию. В частности, показано, что для внесения МУ целесообразно использование СХС повышенной грузоподъемности, оснащенных в основном аэродинамическими ТР или в отдельных случаях механическими ЦБР , показатели которых связаны с параметрами ВС, вида работ и используемых МУ и могут быть оценены по предложенным ММ, а другие виды ВС для этих АР рационально оснащать ЦБР.

Важнейшим вопросом АХР является выбор их технологических режимов, поскольку нерациональные полетные и технологические параметры способны уменьшить эффективность АХР до 30 %. В диссертации определено, что рациональными по критерию (2) режимами полетов ВС на АХР первого приближения являются : на перелетах - крейсерская скорость ВС с ТС в заданных условиях на минимально безопасных для них высотах, на гоне - близкая к экономической (95-100 %) рабочая скорость на технологически оптимальных высотах, при разворотах - не превышающая Vp скорость, определяемая ЛТХ и конфигурацией ВС и равная примерно 70 и 90-95 % рабочей для винтокрылых и других видов ВС, при этом рабочие высоты и ширина захвата (=0,35-0,80) соответствуют выделенным в работе для каждого вида АХР диапазонам с их уточнением в ЛИ.

Сформированный в работе комплекс ММ описания системы АХР и процедур ее оптимизации позволил на основании предложенного критерия эффективности оценить параметры и показатели перспективной для РФ системы с учетом прогнозируемых объемов и структуры АХР и стратегий формирования потребного парка ВС. Так, наивысшая эффективность перспективной программы АХР с годовым объемом 15 млн. га может обеспечить 2-3-типный парк из 400 - 500 ВС, включающий в себя:

однодвигательный (ТВД, =0,215 л.с/кг) СХС-моноплан (µкр =1, лкр = 10,5-11,0) с умеренной нагрузкой на крыло (105-110 кг/м2) и грузоподъемностью 1800-2000 кг для внесения МУ и выполнения в основном опрыскивания со средними и большими нормами;

многоцелевой вертолет одновинтовой или соосной схемы с грузоподъемностью 1000-1300 кг и средней нагрузкой и заполнением НВ (соответственно 25-26 кг/м2 и 0,05-0,06 и 28-30 кг/м2 и 0,08-0,09 для ВОС и ВСС), оснащенный 1-2 ТВД (= 0,22-0,24 л.с./кг), для опрыскивания с малыми и средними нормами и возможностью использования на других видах АР;

отдельные виды СЛА с полезной нагрузкой 100-150 кг для низкозатратного производства до 50 % объемов опрыскивания с малыми нормами.

Характерно, что использование в этом парке оптимальных вертолетов разных схем в целом эквивалентно и их выбор для перспективной системы АХР определяется возможностями промышленности и их применения для других целей. Примечательно, что организационно-технические аспекты системы оказывают сильное влияние на ее эффективность, при этом наивысшую эффективность АХР в ожидаемых условиях достигается небольшими региональными АП с парком из 10-20 ВС при максимальной реализации ими возможного годового налета.

Таким образом, в пятой главе на базе предложенной методологии и процедур оценки эффективности АРРВ на новом уровне комплексно решены специальные вопросы описания и выбора средств и методов выполнения АХР и сформулированы научно-практические выводы и рекомендации по совершенствованию существующей и формированию перспективной систем производства этих работ.

6. Вопросы обеспечения и выполнения АРРВ в чрезвычайных ситуациях (ЧС), связанных с тушением пожаров и ликвидацией загрязнений окружающей среды (ОС)

Спецификой этих АР является "случайный" и срочный характер их выполнения в разнообразных внешних условиях с оперативным достижением требуемого эффекта, что определяет особенности в техническом оснащении, технологическом обеспечении, организации и производстве таких АРРВ. Для этих АРРВ, как показал анализ, наиболее перспективны многоцелевые самолеты и вертолеты повышенной грузоподъёмности, для которых в работе сформирована концепция создания и использования подвесного быстроразборного оборудования модульной полужесткой конструкции с гравитационным принципом выпуска жидкости и возможностью использования для разных видов АРРВ. Эта концепция была реализована на практике при создании и внедрении в производство вертолетных устройств типа ВСУ-5А (-15А) для тушения пожаров и ВОП-3 для борьбы разливами нефти, обеспечивающих существенный рост потребительских, технико-экономических и эксплуатационных характеристик в сравнении с традиционными аналогами.

При определении эффективности АРРВ в условиях ЧС объективную сложность представляет оценки эффекта АР, что связано с многофакторным влиянием объекта ЧС на смежные объекты и процессы. В рамках выдвинутой методологии анализа системы АРРВ в качестве целевого эффекта АР в ЧС выступает показатель предотвращённого в результате их проведения ущерба, отражающего особенности объекта ЧС и качественные и количественные параметры АРРВ. Данное положение с учетом (2) для этих видов АР было реализовано в виде:

(20)

где - оценка ущерба , приведенная к параметру объекта ЧС SАР;

- показатель качества, определяемый вероятностью достижения и связанным с нею "вкладом" АР в эффект;

- интегральный показатель, связанный с качеством, производительностью и себестоимостью АР, при этом форма (20) при заданной "внешней" величине эквивалентен показателю, что позволяет упростить анализ АРРВ в условиях ЧС.

Целевой эффект рассматриваемых видов АРРВ прямо связан показателями внесения РЖ, выпущенных, например, из водосливных устройств (ВСУ). Анализ показывает, что при гравитационном истечении через насадки и люки правильной формы ВСУ обеспечивается примерно нормальное относительно ЛП распределение осадка, параметры которого определяются свойствами РЖ, режимом полёта, конструкцией ВСУ, внешними условиями и случайными процессами дробления струи. Струйная схематизация этих процессов позволяет достаточно точно определить показатели внесения РЖ по объекту, в частности, максимальную плотность осадка qmax и ширину полосы с граничной плотностью [q] при сливе из ВСУ можно оценить по апробированным на практике формулам:

л/м2; (21)

м, (22)

где Qо - расход жидкости через патрубок с приведенным диаметром Dо (м), л/с;

- коэффициент свойств сливаемой жидкости;

- плотность, поверхностное натяжение и динамическая вязкость РЖ,

т.е. для заданного режима АР показатели смоченной ВСУ полосы зависят от закона выпуска Qо(t). Этот закон в работе находился по уравнению Д. Бернулли для установившегося движения с его корректировкой на параметры ВСУ и инерционные потери напора вовлеченного в движение объема РЖ, что позволяет адекватно оценить параметры истечения для емкостей разной формы и их комбинаций ( на рис. 16 для примера толстыми и тонкими линиями показаны расчетные Q (t) для разного наполнения Wo емкости ВСУ-5А по базовой и предложенной схемам).

Проведенный с применением полученных в диссертации моделей анализ показателей сливов РЖ, в частности для самолета Бе-200, показал, что основным направлением расширения возможностей и роста эффективности использования ВСУ является обеспечение управляемого слива РЖ, позволяющего изменять показатели внесения жидкостей по длине и ширине полосы и влиять тем самым на эффективность АРРВ.

Рис. 16

Сформированные аналогично АХР программные средства описания системы АРРВ по тушению пожаров позволили для типовых условий оценить отдельные показатели и эффективность этих работ для отечественных и зарубежных ВС с соответствующим оборудованием (ВСУ). При этом, в частности, было выявлена высокая значимость для эффективности этих АР качества внесения РЖ, определяемого для тушения пожаров коэффициентом целевого использования жидкости КW, зависящим от режимов и точности слива и свойств РЖ (на рис. 17 для примера показаны КW отечественных ВС на тушении низовых пожаров низкой, средней и высокой (№ 1-3) интенсивности и мощных пожаров при пороговой плотности [q] = 5,0 л/м2 (№ 4)).

Расчеты показывают, что для отечественных ВС эффективность тушения ими пожаров не уступает зарубежным аналогам и в пределах радиуса их действия улучшается при росте грузоподъемности и уменьшения расстояний перелетов между зонами пожаров и заправки жидкости , причем наивысшую эффективность этих АР имеют тяжелые самолеты Бе-200 и вертолеты Ми-26Т с максимальным объемом разового слива более 10 м3 . В этой связи перспективным путями повышения эффективности АРРВ по тушению пожаров в России является использование средних и тяжелых вертолетов с ВСУ внешней подвеске, которые в регионах с развитой системой водоемов могут дополняться самолетами-амфибиями типа Бе-200.

Рис. 17

В части проведения АРРВ для борьбы с разливами нефти и другими загрязнениями ОС показано, что для этих АР перспективны многоцелевые самолёты и вертолёты средней и большой грузоподъемности, оснащённые разработанным с использованием сформированных в работе общих принципов и подходов быстросъёмными и подвесными ТС. Выполненный анализ применения для этих целей разработанных подвесных устройств к вертолетам типа Ми-8 и Ка-32 показал применимость для них методических подходов и программных средств описания АРРВ и позволил получить рекомендации по их использованию в части требований к этим работам и технологическим режимам их выполнения.

Важнейшим аспектом использования ВС на АР является безопасность полетов, во многом определяющая их целевые показатели и эффективность, особенно при использовании на вертолетах легких и парусных подвесных ТС для АРРВ. Для таких ТС в работе проведен анализ угрожающих БП факторов и на примере устройств типа ВСУ-5А (-15А) сформированы средства моделирования их динамики, включая трос внешней подвески (ТВП) и емкость ВСУ, в т.ч. при возникновении характерных для тушения пожаров внешних возмущений (порывов ветра, конвективных и циркуляционных течений). Проведенные расчеты поведения ВСУ на АР по тушению пожаров (на рис. 18 для примера показано изменение углов отклонения ТВП и емкости ВСУ-15А вертолета Ми-26Т при сливе разного объема воды на скоростях 60 и 120 км/ч (соответственно тонкие и толстые линии) при воздействии на них конвективного потока 10 м/с (пролет над кромкой лесного пожара с интенсивность горения 20 тыс. кВт/м )) позволили выявить закономерности и особенности динамики и предельных параметров движения таких ТС и разработать рекомендации по безопасному проведению полетов на этих АР.

Рис. 18 Динамика углов отклонения троса подвески и емкости ВСУ при сливе с вертолета Ми-26Т 8 и 15 м3 воды на скорости 60 и 120 км/ч при восходящем потоке 10 м/с.

В частности, из анализа экспериментальных и расчетных данных получено приближенное выражение границы опасных для ВСУ-15А с точки зрения БП (по предельному углу "заброса" ТВП 700 ) скоростей восходящих потоков в виде:

м/с, (23)

где Vр - скорость полета вертолета в момент слива, км/ч;

Wо - первоначальный объем жидкости в ВСУ, м3, которое позволяет для тушения пожаров разной интенсивности в соответствующих условиях по представленным выражениям определять возможность прохода ВС с ВСУ над зоной пожара и безопасные режимы полета при его тушении.

В целях обеспечения БП вертолетов с ВСУ на внешней подвеске в работе дополнительно проведен анализ полей скоростей и температур воздуха в зоне пожаров и сделаны рекомендации по выполнению полетов и сливов РЖ , в частности, предложен отработанный в ЛИ способ тушения кромок пожаров при сливе в процессе стандартного или форсированного разворота, а также рассмотрены вопросы возможности и параметры аварийного сброса ТС при возникновении на АР нештатных ситуаций, связанных с опасной динамикой движения элементов подвески и другими причинами.

Сформированный программный комплекс описания движения подвесных ТС позволяет, как показали ЛИ, адекватно оценивать параметры движения ТС при их сбросе и получить рекомендации по его выполнению. В частности, моделирование аварийного сброса и свободного движения ВСУ-15А показывает, что продольно-поперечные и вертикальные порывы со скоростями до 30 м/с при скоростях полета с порожней емкостью 60-160 км/ч не создают катастрофических последствий для их использования, при этом в ряде случаев , связанных с возникновения мощных вихрей, необходима тщательная организацию АР и полетов с использованием парусных подвесных ТС в таких зонах.

Основным итогом главы является результаты комплексного анализа производства АРРВ по тушению пожаров и ликвидации загрязнений ОС в специфических условиях ЧС и разработка общих подходов, средств и методов повышения эффективности и безопасности практического выполнения таких работ.

Заключение

Проведенные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования актуальных вопросов повышения эффективности и безопасности эксплуатации авиационной техники и конкурентоспособности ВС при выполнении АРРВ позволили достичь поставленной в работе цели и получить следующие основные научно-практические результаты:

1. Определены основные системообразующие факторы и разработана методология системного анализа выполнения АРРВ, позволяющая учесть их конечные цели и решать широкий круг научно-практических задач по совершенствованию системы и технологий выполнения этих работ.

2. Выявлены закономерности и впервые разработаны модели описания целевого эффекта АРРВ в зависимости от показателей их выполнения и распределения веществ, обусловленных данными ВС, оборудования, режима полета, технологии и условий работ.

3. Разработаны методика и программные средства оперативного моделирования дальнего вихревого следа ВС (самолетов и вертолетов разных схем, автожиров, мотодельтапланов) в условиях ветра и поперечных уклонов для характерных режимов полета и параметров приземного слоя атмосферы ( время построения следа из 10-20 вихрей длиной 1,5 - 2,0 км около 20 мин.), позволившие впервые получить многопараметрические выражения оценки максимальной скорости обдувки объектов обработки в следе ВС и сформировать ограничения по обдувке для комплекса технических (ВС) и эксплуатационных (условия, скорость и высота полета) показателей АРРВ, а также оценить влияние следа на показатели распределения веществ.

4. Разработаны методика и программные средства стохастического моделирования осаждения и распределения изолированных частиц твердых и жидких веществ при их авиационном внесении с учетом эффектов вращения, испарения и дробления частиц, свойств одно- и многокомпонентных веществ и состояния приземного слоя атмосферы, обеспечивающие сопоставимость расчетных и экспериментальных показателей ( отклонения до +10 %) и позволяющие для заданного ВС осуществлять анализ и выбор показателей ТС и технологических режимов выполнения АРРВ, а также обеспечить улучшение равномерности сплошных обработок в 1,2 - 1,8 раза.

5. Сформирован комплекс уточненных и вновь разработанных многопараметрических моделей массовых, аэродинамических, эксплуатационных, стоимостных и других показателей самолетов и вертолетов разных схем, автожиров и мотодельтапланов с учетом периода создания, предельной наработки в эксплуатации и условий использования ВС на АРРВ.

6. Предложены типовая структурно-функциональная схема и классификационные признаки оборудования ВС для выполнения АРРВ, для которого:

впервые сформированы совокупность методик и связанных с показателями ВС многопараметрических моделей массовых, стоимостных, эксплуатационных, энергетических и аэродинамических характеристик ТС для АРРВ и их влияния на летно-технические данные ВС;

разработаны метод обоснования и предложения по выбору типа, состава и показателей оборудования для разных видов ВС и авиационных работ;

подготовлены и внедрены технические и сертификационные требования к ТС для АРРВ и их применению;

получены рекомендации по созданию и модернизации ТС для АРРВ, апробированные при разработке, сертификации и внедрении специального оборудования ВС (опрыскиватели ОС-1М и 4202.0691.000 самолета Ан-2 и вертолета Ми-2 и другие).

7. В системной постановке впервые разработана методика выбора технологических режимов АРРВ и обоснованы диапазоны рациональных технологических параметров (скорость и высота над участком и рабочая ширина захвата) и режимов полета (скорости и высоты перелетов, методы и параметры разворотов) для АХР и ВС разных видов и рекомендации по их корректировке в разных условиях, реализация которых позволяет увеличить целевую эффективность работ до 30 %.

8. На базе сформированных методов и средств описания элементов и процессов АРРВ на качественно новом уровне получены данные по рациональным стратегиям и особенностям формирования и использования перспективного парка ВС для этих целей. В частности, для АХР с годовым объемом 15 млн. га выявлена целесообразность их выполнения небольшими (10-20 ВС) региональными авиапредприятиями с использования 2-3-типного парка из 400 - 500 ВС, включающего в себя в сопоставимых количествах сельскохозяйственные самолеты (внесение удобрений и опрыскивание с повышенными нормами) и многоцелевых вертолетов (защитное опрыскивание с малыми и средними нормами) грузоподъемностью соответственно 1800-2000 и 1000-1300 кг, а также незначительного число легких мотодельтапланов или автожиров с полезной нагрузкой 100-150 кг (обработки с малыми нормами), для которых определены их рациональные типоразмерные параметры и разработаны требования к ним.

9. Сформирована и реализована концепция создания и применения в чрезвычайных ситуациях подвесного быстроразборного оборудования модульной полужесткой конструкции с гравитационным принципом выпуска жидкости (разработаны, сертифицированы и внедрены устройства типа ВСУ-5А и ВСУ-15А для тушения пожаров и ВОП-3 для борьбы с загрязнениями окружающей среды), обеспечивающего при сопоставимых целевых показателях применения существенное (в 1,3-1,8 раза ) улучшение технических и эксплуатационных характеристик в сравнении с аналогами. Для такого оборудования разработаны и апробированы методы и средства оценки показателей выпуска жидкости и ее распределения, позволившие получить модели показателей распределения и обосновать технологические режимы его использования.

10. Разработаны и апробированы средства моделирования движения внешней подвески вертолетов при использовании и аварийном сбросе подвесных ТС для распределения веществ на разных режимах полета в условиях возмущенной атмосферы, обеспечившие определение ограничений безопасного применения ТС при разработке и уточнении РЛЭ вертолетов и технологий выполнения АРРВ в чрезвычайных ситуациях.

Автор выражает и признательность специалистам НПК "ПАНХ" В.Б. Козловскому, О.В. Худоленко и другим, без чьих замечаний и поддержки диссертации в полном объёме не могла быть подготовлена, а также ряду сотрудников МГТУ ГА, МАИ им. С. Орджоникидзе, ХАИ им. Н.Е. Жуковского, ГосНИИ ГА, ЦАГИ, МВЗ им. М.Л. Миля, ОКБ "КАМОВ", ОКБ "Сухой", ТАНТК им. Г.М. Бериева, ММЗ им. Мясищева, МЧС России и других организаций, совместная практическая работа с которыми и полученные при этом результаты послужили основой для представленной диссертационной работы.

Литература

1. Асовский В.П. Исследование динамики парусных грузов на внешней подвеске вертолета в условиях порыва ветра./ Научный вестник МГТУГА, № 111, Серия "Аэромеханика и прочность". - М.: МГТУ ГА, 2007. - с. 140 -146.

2. Асовский В.П. Расчетная оценка и взаимосвязи летно-технических характеристик перспективных автожиров. / Научный вестник МГТУГА, № 111, Серия "Аэромеханика и прочность". - М.: МГТУ ГА, 2007. - с. 147 -153.

3. Асовский В.П. Аэродинамические особенности процессов авиационного опрыскивания перспективными автожирами. / Научный вестник МГТУГА, № 138 (1), Серия "Аэромеханика и прочность". - М.: МГТУ ГА, 2009. - с. 150 -157.

4. Асовский В.П. Особенности тушения лесных пожаров вертолетами с использованием подвесных водосливных устройств. / Научный вестник МГТУГА, № 138 (1), Серия "Аэромеханика и прочность". - М.: МГТУ ГА, 2009.- с. 142 -149.

5. Асовский В.П. Влияние технических и эксплуатационных параметров на показатели авиационного опрыскивания воздушных судов. / Научный вестник МГТУГА, № 154 (4). - М.: МГТУ ГА, 2010.- с. 64 - 71.

6. Асовский В.П. Моделирование и особенности вихревого следа мотодельтапланов в условиях авиационно-химических работ. / Научный вестник МГТУГА, № 154 (4). - М.: МГТУ ГА, 2010.- с. 72 - 78.

7. Асовский В.П., Паршенцев С.А., Худоленко О.В Исследования возможностей безопасного завершения полета вертолета с грузом на внешней подвеске при отказе одного двигателя. / Научный вестник МГТУГА, № 72(1), Серия "Аэромеханика и прочность". - М.: МГТУ ГА, 2004.- с. 23 -27.

8. Асовский В.П., Гусева А.А., Безкоровайный Н.А Авиаопрыскивание озимой пшеницы Сектором. / Защита и карантин растений, 2001, № 3 - с. 27-28.

9. Асовский В.П., Гусева А.А., Безкоровайный Н.А Эффективность авиаобработок посевов озимой пшеницы гербицидами Секатор /Защита и карантин растений, 2001, № 5 - с. 11.

10. Асовский В.П., Гусева А.А., Воблова О.А. Авиационное применение Альто Супер и Каратэ Зеон. / Защита и карантин растений, 2003, № 7 - с. 23.

11. Асовский В.П., Гусева А.А., Безкоровайный Н.А Что нужно знать об авиационном опрыскивании / Защита и карантин растений, 2005, № 2 - с. 58-59.

12. Асовский В.П., Гусева А.А. Рекомендации по использованию сельскохозяйственной авиации на работах по защите растений и десикации / Защита и карантин растений, 2007, № 2 - с. 56-63.

13. Асовский В.П. Актуальные вопросы авиационной защиты растений / Защита и карантин растений, 2008, № 3 - с. 3-6.

14. Асовский В.П., Гусева А.А. Особенности применения современных распылителей для авиационного опрыскивания. / Защита и карантин растений, 2010, № 3 - с. 62-63.

Размещено на Allbest.ru

...