CC BY
475
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 97
УДК 629.735.015
МЕТОД РАСЧЕТА СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ ТРОСА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКИ ВЕРТОЛЕТА ПРИ УСТАНОВКЕ МОБИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ БОНОВЫХ ЗАГРАЖДЕНИЙ НА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
С.А. ПАРШЕНЦЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье рассматривается метод расчета силы натяжения троса в системе внешней подвески вертолета при установке им боновых заграждений на водной поверхности с целью оперативной локализации зон разлива и перемещения нефти.
Аэромобильные боновые заграждения (БЗ) (рис. 1) относятся к оперативным средствам защиты водоемов от загрязнения нефтепродуктами и представляют собой компактно уложенные в чехол-контейнер надувные боны длинной 250 м - 300 м, транспортируемые на внешней подвеске (ВП) вертолета к месту локализации нефтяного пятна [4].
Обладая высокой прочностью на разрыв, стойкостью к воздействию морской воды и нефти, боны обеспечивают возможность их раскладки путем буксировки контейнера по водной поверхности вертолетом со скоростью до 10 км/ч на тросовой системе ВП (рис. 2).
Уа* А У
,х ге#> ”
Рис. 1. Аэромобильные боновые заграждения: ^ ^ ^ ^
л 0 л ~ Рис. 2. Раскладка БЗ вертолетом
1- чехол-контейнер БЗ; 2 - замок 1-го якоря; 3- замок ^ 8МТВ
2-го якоря; 4-центральный канат ВП; 5-строп ВП; -
6 - лонжерон; 7- створка-киль; 8- замок секции БЗ;
9- буксировочное устройство; 10-боновое заграждение;
11 - трос буксировочного устройства
Предусмотренная технологией работ асимметричная схема строповки мобильной системы (отношение длин ветвей стропов а/в < 0,8) необходима для специального ориентирования
контейнера с БЗ на режиме висения под углом 30° к горизонту перед установкой на водную поверхность и используется для стабилизации его положения в полете (рис. 3б) [3].
Рис. 3. Технологическая схема раскладки вертолетом БЗ на водной поверхности: а - расчетная схема нагружения системы ВП вертолета в процессе раскладки БЗ:
1 - чехол-контейнер БЗ; 2 - боновое заграждение; 3 - замок секции БЗ;
4 - буксировочное устройство; 5 - 1-й якорь; б - положение контейнера системы БЗ при транспортировке на асимметричной ВП:
I - на режиме висения вертолета; II - в горизонтальном полете
Характерной особенностью пилотирования вертолета в процессе раскладки БЗ является необходимость точного выдерживания экипажем постоянной поступательной скорости и отсутствие отрицательного угла наклона контейнера к плоскости раскладки (рекомендуемый диапазон от 0° до 5°), чем обеспечиваются необходимые качественные показатели, безопасность и эффективность работ по их установке (рис. 3а).
Определенный практический интерес в этом случае представляет решение задачи по оценке значения силы натяжения троса в системе ВП вертолета, возникающей в процессе раскладки БЗ по водной поверхности.
Применительно к сформулированной выше задаче модель фактических значений силы Т, приложенной к тросу ВП, без учета влияния вертолета (рис. 3 а), будем рассматривать для следующих условий:
- к тросу приложена сила сопротивления от буксируемого контейнера БЗ (при наличии волнения эта сила носит случайный характер);
- движение контейнера БЗ по водной поверхности для данной модели рассматривается как установившееся, при постоянных значениях скорости и высоты перемещения вертолета над зоной раскладки;
- масса, моменты инерции вертолета и контейнера БЗ в рассматриваемых интервалах времени остаются заданными и постоянными;
- подвеска контейнера БЗ к вертолету осуществляется с помощью единственного троса, прикрепленного в одной точке к ВС и в одной точке к связке строп ВП идеальными сферическими шарнирами, что позволяет считать взаимодействие контейнера БЗ с вертолетом в виде одной только силы натяжения троса;
- влиянием возможного прогиба троса ВП ввиду малых его значений можно пренебречь. Для построения модели расчета воспользуемся зависимостью вида:
т = ДУбукс., Ь, Ф, а, ^№),
где Убукс. - скорость буксировки контейнера БЗ по водной поверхности, Ь — волнение водной поверхности в баллах, ф - угол наклона буксировочного троса к горизонту, а — конструктивный параметр контейнера БЗ, W — скорость ветра на месте выполнения работ, Т - сила натяжения троса.
В штилевых условиях, при отсутствии ветра ^ = 0; Ь = 0) имеет место зависимость Т = ДУкр., Ф*, а*), где Укр. - критическая скорость буксировки контейнера БЗ, при которой он теряет устойчивость.
Тогда равновесие сил в скоростной системе координат ОХаУа в вертикальной плоскости имеет следующий вид: Яха = ТеоБф, где Яха - внешняя сила сопротивления, действующая на контейнер БЗ в условиях ненулевых значений внешних воздействий ^ Ф 0; Ь Ф 0; ф Ф 0).
Решение поставленной задачи сводится к отысканию разности АЯ = Яха - Яха*, где Яха* -внешняя сила сопротивления, замеряемая в штилевых условиях.
*
Я Я*
При этом АТ =——-------^-. (1)
сОБф сОБф
В достаточно общем виде внешняя сила сопротивления Яха при буксировке контейнера БЗ по водной поверхности равна сумме сил сопротивления его подводной (ПЧ) и надводной частей (НЧ), т.е.:
Яха Яха подв.ч + Яха возд Яха тр + Яха ф + Яха вч + Яха в + Яха возд,
где Яха тр, Яха ф, Яха вч, Яха в - составляющие силы сопротивления ПЧ: сопротивление трения, формы, выступающих ПЧ и волновое сопротивление.
Л Т 2 2
-р. Р вод. Убукс 0 * РУ с
ОчевиДно, что Яха = сх подв.ч. -2---Бподв.ч. + сх возд. “^возд.ч. , где У1 = Убукс + W;
ф* = ф + Аф; р, рвод. - плотности воздуха и воды соответственно; с^ возд - коэффициент сопротивления НЧ контейнера БЗ; сх подвч. - коэффициент сопротивления ПЧ контейнера БЗ.
Как известно [1], сх подвч = с^ + сх, где с^ и с - коэффициенты вязкости и волновой составляющих полного сопротивления. Принимая во внимание монотонный характер изменения с г от Убукс [2], а также постоянство величин рвод. и 8подв.ч., приходим к заключению, что характер изменения как полного, так и удельного сопротивления ПЧ исследуемого объекта определяется коэффициентом схВ , поведение которого зависит от числа Фруда [1]
Убукс
Бг = < 0,2, где § - ускорение свободного падения; Ь- длина объекта по ватерлинии.
Таким образом, получим выражение для определения параметра АТ:
АТ = {Ах1 + Ах2 + (Я ха 18ф)Аф} --------, (2)
соБф 1 - 1§фАф
. р вод.Убукс „ р вод Убукс С/-ЛЛ АС/'1\Р вод.Убукс
где Ах1 = сх подв.ч. „ 8подв.ч. (ь) сх подв.ч „ 8(0) = сх подв.ч. А§(ь)-
X подв.ч 2 ПОДВ.Ч. V - 2
8
Дх2 = сX воздр(2УбуксWx + Wx2) в°^4' ; Wx - горизонтальная составляющая скорости реального ветра в месте выполнения работ.
Таким образом, для определения значений параметра ДТ необходимо иметь характери*
стики контейнера БЗ схподвч , схвозд , 8подв.ч., 8воздч. и статистические данные о параметрах
Дф, Д8(И) в районе выполнения работ.
Поскольку ДТ = аіД8 + а^х +а3Дф, то Г(ДТ) = Г1(а1Д8)*1:2(а^х)*1:3(а3Дф), где Г2, ^ -
плотности вероятностей случайных величин а1Д8, a2WX, а3Дф; * - символ композиции;
а1 = с X подв.ч. р водУбукс/2 с0ф ; а2 = сХ возд.Р2Убукс Wx/с0ф; а3 = ^ха ®ІП ф = ^І^ф/2; Т-известная величина, полученная в штилевых условиях ^ = 0; И = 0; Дф = 0); Д8 = Г(И)8.
Расчет величин Д8, Дф и учет влияния ветра на ДТ сопряжен с определенными допущениями и соответствующими им погрешностями. Поэтому для проверки адекватности предложенного метода необходимо проведение специальных летных исследований на натурном объекте.
Общая концепция применения аэромобильных БЗ не исключает различий технического исполнения основных ее компонентов и связанных с этим различий в самой реализации общей концепции активного противодействия распространению нефтяного пятна на водной поверхности. С этим связано появление целого спектра вариантов систем постановки БЗ, весьма отличающихся друг от друга по своим техническим возможностям, массогабаритным характеристикам и стоимости изготовления. Например, для локализации зон разлива и перемещения нефти вертолеты могут доставлять к месту чрезвычайной ситуации (ЧС) специальные аэромобильные комплексы (рис. 4), созданные на базе высокоскоростного спасательного катера ВВ-150/П, в состав оборудования которого входят собственные водобалластные БЗ длиной 200 м [4].
Рис. 4. Мобильная система постановки БЗ Рис. 5. Буксировка катера ВВ-150/П при
на базе катера ВВ- 150/П проведении ЛИ
Для приближенных практических расчетов сопротивления воды движению такой мобильной системы БЗ при буксировке ее вертолетом (рис. 5) можно воспользоваться формулой, предложенной в работе [2]:
*ха » КУб2уКс. (Xт + АХт +4= + %■)’ (3)
где: К - коэффициент, учитывающий обводы объекта, буксируемого по водной поверхности; В - водоизмещение объекта; I = Ь / В - удлинение контейнера БЗ, равное отношению длины объекта Ь к его ширине В ; Хт и А^т - коэффициенты, учитывающие сопротивление трения
и состояние обшивки объекта; сХв - коэффициент волнового сопротивления, который определяется режимом движения объекта по водной поверхности через число Фруда Бг [1].
Выбор Бгт'п обуславливается представлениями о влиянии на движение, а следовательно, и на сопротивление объекта факторов, проявляющихся при малых скоростях его буксировки по водной поверхности (уменьшение устойчивости продольного движения, естественные флуктуации среды и т.п.)
Усилие в каждой ветви стропа 5 (рис. 1) ВП вертолета зависит от массы системы БЗ, количества ветвей ВП и от угла между ними, который не должен превышать величину 2Ь < 90°.
При использовании четырехточечной схемы подцепки мобильной системы БЗ к центральному канату ВП вертолета усилие в каждой ветви стропа определяется выражением:
т,=—т*—, (4)
' 0,75 х 4Соз|5
где т - усилие в '-й ветви стропа; т- масса БЗ; Ь - угол наклона ветви стропа системы ВП к вертикали.
В выражении (4) коэффициент 0,75 учитывает неравномерность загрузки ветвей стропа при буксировке системы БЗ по водной поверхности [5].
Предлагаемые решения могут быть использованы в задачах по определению силы натяжения троса ВП вертолета при буксировке им других технических объектов по водной поверхности (спасательного плота, катера или водосливного устройства) в процессе проведения медикоэвакуационных, аварийно-спасательных работ или работ по тушению пожаров с воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Готман А.Ш. Определение волнового сопротивления и оптимизация обводов судов. Ч.1. Волновое сопротивление судов. - Новосибирск: Новосиб. гос. академия водн. трансп., 1995.
2. Девятисильный А.С., Дорожко В.М., Гриняк В.М. Определение гидродинамического сопротивления по траекторным данным инерционного движения объекта // Журнал технической физики. - М., 2003. - Т.73, Вып.2.
3. Летные испытания опытного образца мобильной системы постановки боновых заграждений с вертолета Ми-8: Акт предварительных ЛИ / Нуч.-произв. объед. прим. авиации в народ. хоз. (НПО ПАНХ ГА); Руководитель Солуянов А.Н. - Краснодар, 2003.
4. Применение авиации в отраслях экономики / Автор - сост. В.С. Деревянко. - Краснодар: Сов. Кубань, 2002.
5. Федеральные авиационные правила "Правила выполнения вертолетами авиационных строительномонтажных работ": Первая редакция / НПК "ПАНХ"; Руководитель Солуянов Ю.М. - № 383. - Краснодар, 2001.
ANALYSIS OF TIGHT FORCE OF ROPE OF HELICOPTER EXTERNAL SLING WHILE DEPLOYMENT MOBILE SLICK BAR SYSTEM ON WATER SURFACE
Parshentsev S.A.
The article describes the analysis of tight force of the rope in the system of helicopters external sling while deployment mobile slick bar system on the water surface to operatively localize areas of oil spill and travel.
Сведения об авторе
Паршенцев Сергей Алексеевич, 1957 г.р., окончил РКИИ ГА (1980), кандидат технических наук, старший бортинженер-испытатель НПК "ПАНХ", автор 16 научных работ, область научных интересов - летная эксплуатация воздушных судов.
