CC BY
150
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 629.735.45.01.014
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ АВИАЦИОННОГО ОПРЫСКИВАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫМИ
АВТОЖИРАМИ
В.П. АСОВСКИЙ
Статья представлена доктором технических наук Козловским В.Б.
В статье рассмотрены вопросы формирования и расчетной оценки параметров индуктивного следа автожира при выполнении полетов на малых высотах для опрыскивания сельскохозяйственных культур и отдельные показатели распределения капель различных фракций по обрабатываемому участку в зависимости от характеристик автожиров, режимов полета и условий проведения обработок.
Одной из перспективных областей применения автожиров (гиропланов), получивших в последние годы новый импульс своего развития у нас в стране и за рубежом, является проведение авиационно-химических работ (АХР) в сельском и лесном хозяйстве, прежде всего
защитного авиационного опрыскивания (на рис. 1 показан автожир А-250, разработанный ОСКБЭС МАИ [1] и оснащенный опрыскивателем с вращающимися распылителями жидкости). Отмеченная перспектива обусловлена такими важными для выполнения АХР обстоятельствами, как повышенная маневренность и безопасность полета, массовая отдача, широкий диапазон скоростей, небольшие размеры используемых для полетов площадок при относительно небольших затратах на эксплуатацию автожиров.
К сожалению, специальные вопросы проведения АХР, связанные, в первую очередь, с показателями собственно процессов распределения веществ с автожира, до настоящего времени изучены явно недостаточно и требуют своего дополнительного рассмотрения. К таким вопросам относятся оценка общей и рабочей ширины захвата автожира при различных режимах полета над обрабатываемым участком, прежде всего по скорости УП и высоте НП, в различных внешних условиях, качественные показатели распределения веществ по поверхности обработки, влияние поля скоростей за пролетающим автожиром на обрабатываемые сельскохозяйственные и иные растения, потребный размах штанг опрыскивателя и ряд других.
С целью теоретической оценки отмеченных показателей могут быть использованы отработанные ранее, применительно к традиционным для АХР самолетам и вертолетам, методы математического моделирования индуктивного следа воздушного судна (ВС) и движения в нем выпущенных из специального оборудования частиц (капель) с заданными параметрами.
Моделирование индуктивного следа автожира в рассматриваемой задаче базируется на условной замене элементов его конструкции (несущего (НВ) и воздушного (ВВ) винтов, оперения и т.д.) соответствующими источниками аэродинамических возмущений, размещение которых определяется конфигурацией и характеристиками автожира, а интенсивность - параметрами полета и внешними условиями. Основной вклад в формирование индуктивного следа автожира вносят, как показывает предварительный анализ и опыт моделирования для других ВС, присое-
диненные и свободные вихревые жгуты соответствующей циркуляции, связанные с НВ, ВВ и горизонтальным оперением (ГО) автожира, при этом фюзеляж, моделируемый распределенными по его поверхности источниками, на типовых режимах полета оказывает незначительное влияние на след автожира и проявляется в основном в непосредственной близости к нему.
Для оценки параметров индуктивного следа автожира в условиях проведения АХР в НПК "ПАНХ" разработан программный пакет, к основным особенностям которого относятся:
- при заданных параметрах НВ автожира (диаметр БНВ, заполнение о, количество и крутка лопастей и т.д.) характеристики его вращения для соответствующей полетной массы и скорости полета определились из условия авторотации винта согласно [2, 3], при этом вводилось ограничение по раскрутке винта, а расчетные аэродинамические характеристики НВ использовались для расчета потребной тяги ВВ и мощности двигателя автожира;
- сопротивление фюзеляжа автожира (эквивалентная пластинка Хсх8) находилась по обобщенной формуле для вертолетов [4] или предварительно по его данным для реальных конструкций автожиров [5];
- распределение циркуляции по диску авторотирующего НВ при выбранной схеме детализации определялось с применением выражений [5] с последующим их приведением к набору типовых П-образных вихревых комбинаций;
- индуктивные скорости ВВ с заданным диаметром и числом лопастей, обеспечивающего расчетную тягу, оценивались посредством интегрирования по сходящим с лопастей винта в поле скоростей НВ, ГО и фюзеляжа вихрям с соответствующей циркуляцией;
- влияние ГО заданной конфигурацией (размах и плечо) учитывалось воздействием "заменяющего" его П-образного вихря с циркуляцией, обусловленной полетной массой тп и центровкой ХцТ автожира;
- расчет дальнего вихревого следа за автожиром осуществлялся пошаговым методом на предварительно заданное с учетом диффузии вихрей расстояние при совместном воздействии всех отмеченных ранее источников аэродинамических возмущений и скоростей приземного слоя атмосферы в условиях полета;
- "экранный" эффект при полетах на малых НП (в пределах Бнв) учитывался введением в схему расчетов фиктивных возмущений, зеркально отображающих реальные относительно поверхности обработки.
Для примера конфигурации дальнего вихревого следа автожира при выполнении полета на АХР на рис. 2 показаны расчетные положения сходящих с НВ и ГО вихрей для автожира типа А-250 (тп = 530 кг, Бнв = 9,0 м, о = 0,03, ёвв = 1,8 м, УП = 60 км/ч, НП = 5 м, ХцТ = + 100 мм) в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях скоростной системы координат (толстыми линиями показаны наиболее мощные концевые вихри НВ, толстыми размытыми -вихри ГО, тонкими сплошными и пунктирными - промежуточные вихри НВ; в вертикальной плоскости условно показаны только левые по полету вихри).
Из представленного графика и других расчетных материалов в части конфигурации дальнего вихревого следа автожира при выполнении полетов на АХР (вблизи экрана) можно выделить следующее:
- дальний след автожира не имеет принципиальных отличий от следа других ВС с аэродинамическим принципом создания подъемной силы и представляет собой два мощных вихревых жгута, образованных концевыми вихрями НВ с "закрученными" вокруг них остальными вихрями НВ и ГО, т.е. аналогичен широко применяемой П-образной схеме вихревого следа;
- вихревые жгуты автожира в условиях близости экрана по мере удаления от ВС совершают сложное пространственное движение (опускаются и "расползаются" по экрану), параметры которого связаны с характеристиками автожира, режимом и внешними условиями полета;
- вихревая система автожира характеризуется определенной несимметричностью, обусловленной влиянием воздушного винта (закруткой вихрей по направлению вращения).
а)
0 40 80 120 160 200 240 280 320
Ху, м
Рис. 2. Расчетная пространственная конфигурация вихревого следа типового автожира при УП = 60 км/ч и НП = 5 м в условиях безветрия (МСА, безразличная стратификация)
Отмеченные особенности вихревого следа в полной мере определяют поле индуктивных скоростей за пролетающим с заданными параметрами автожиром. На рис. 3 для иллюстрации показано распределение суммарных индуктивных скоростей для рассмотренного ранее варианта на уровне 0,5 м над обрабатываемым участком на различных удалениях за автожиром.
2,00
1,80 1,60 1,40 1,20
І 1,00
£
0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
-30 -20 -10 0 10 20 30
м
Рис. 3. Распределение суммарных индуктивных скоростей на обрабатываемом участке (Н^ = 0,5 м) при пролете над ним типового автожира (УП = 60 км/ч, НП = 5 м)
Анализ представленного и других графиков распределения индуктивных скоростей от пролетающего автожира на обрабатываемом участке показывает:
- при выполнении автожиром авиационного опрыскивания на характерных высотах полета над сельскохозяйственными культурами (до 5 м включительно) на обрабатываемом участке наблюдается нестационарное поле индуцируемых автожиром воздушных потоков, улучшающих проникновение капель в крону растений и повышающих эффективность обработок;
- поле индуктивных скоростей автожира в условиях безветрия примерно симметрично относительно линии пролета, при этом локальные на заданном удалении за ним максимумы скоростей приблизительно соответствуют проекциям на участок рассмотренных ранее вихревых жгутов;
- средняя интенсивность индуктивного воздействия автожира на обрабатываемый участок
(растения) устойчиво коррелирует с отмеченными ранее максимальными значениями И8, при этом ширина зоны наибольшего воздействия на растения составляет примерно (2,0 2,5) БНВ;
- максимальные скорости воздуха на обрабатываемом участке для заданного автожира тесно связаны с режимом его полета (увеличиваются при меньших скоростях и высотах полета) и внешними условиями (рост при увеличении скорости ветра и уклона обрабатываемого участка) и имеют место в большинстве случаев через 8 с 12 с за пролетающим автожиром.
Последнее обстоятельство можно предварительно оценить с использованием статистически значимого выражения, полученного при обработке результатов расчетов индуктивных скоростей над обрабатываемым участком на характерном для полевых культур уровне 0,5 м для различных вариантов автожиров и режимов полета (Я2 = 0,922):
тт(0,5) пъл 1,577 ^4-2,237^0,479 тт-0,629 лг-0,057 Л . КцН^0,467 /„ /14
ит^аХ =0,34 тп °нв, °нв НП, VП, (1 + | ^) , м/с, (1)
где тп - полетная масса, кг; БНВ, НП - диаметр НВ и высота полета автожира, м; УП - скорость полета на гоне, км/ч; - абсолютное значение боковой составляющей ветра, м/с.
Следует отметить, что поток от пролетающего ВС способен повредить обрабатываемые растения, при этом безопасной границей скоростей таких потоков с учетом локальности значений итах может быть принята величина 20 м/с (теребление и разрушение стеблей льна соответственно при 18 м/с и 21 м/с, обрыв листьев винограда - 18 м/с, разрушение стеблей подсолнечника -24 м/с и т.д.) [6]. В этой связи максимальные величины удельной нагрузки на НВ автожира Р = тп/рЯ2 для "худших" сочетаний режимов полета (НП = 3 м, УП = 60 км/ч) и ветра = 4 м/с) при опрыскивании полевых культур составляют 7,0 кг/м 11,0 кг/м , причем большие значения соответствуют более легким автожирам. В этой связи характерно, что в настоящее время большинство отечественных и зарубежных автожиров имеют максимальные взлетные массы до 1000 кг и величины Р < 7,0 кг/м2, т.е. не имеют ограничений по воздействию на полевые сельскохозяйственные культуры при потенциальном их использовании на АХР.
Оценка параметров распределения рабочей жидкости перспективного для выполнения авиационного опрыскивания автожира может быть выполнена с использованием моделирования движения выпущенных с автожира капель различного дисперсного состава. Численное решение системы дифференциальных уравнений движения капель с использованием начальных (параметры выпуска) и граничных (оседание на объект обработки) условий с учетом внешних условий и связанных с полетом автожира параметрами его индуктивного следа позволяет рассчитать траекторию движения капель, включая координаты ее оседания и конечные размеры, совокупности которых позволяют найти отмеченные ранее показатели опрыскивания.
С целью моделирования процессов авиационного опрыскивания автожиров отработанный ранее программный пакет решения таких задач [6] был модернизирован в части дополнительного учета действия на каплю градиентных сил и эффекта Магнуса включением моделей испарения многокомпонентных рабочих жидкостей с различными физико-химическими свойствами, учета особенностей приземного слоя атмосферы и случайного характера движения капель, что позволяет предварительно решить широкий круг задач по использованию автожиров на АХР, от выбора оптимальных параметров автожира и его специального оборудования до подбора рациональных технологических параметров полета конкретных видов обработок.
На рис. 4 для примера моделирования процессов осаждения капель рабочей жидкости показаны базовые траектории осаждения водных капель с начальным диаметром 200 мкм (а) и 300 мкм (б), выпущенных из штанги с различными удалениями от плоскости симметрии для рассмотренного ранее автожира, выполняющего полет над горизонтальной поверхностью на УП = 60 км/ч и НП = 5 м в условиях, близких к МСА (безразличная стратификация).
Из представленного графика и других расчетных данных можно выделить следующие основные закономерности движения капель при проведении АХР перспективными автожирами:
- наличие на штанге опрыскивателя центральной и периферийных зон, для которых характер движения капель отличен (центральная зона - нисходящее с подхватом и усиленным боковым смещением; периферийные - круговое (спиральное) вокруг мгновенных центров вращения вихревой системы с подъемом до уровня НВ, причем в отдельных случаях имеют место 2 - 3 круговых цикла и обеспечивается максимальное боковое смещение капель);
- большая "летучесть" и чувствительность менее крупных капель к влиянию вихревого следа автожира, проявляющаяся в активном их вовлечении в круговое движение с большими амплитудами и дальними траекториями при уменьшении границ центральной зоны;
- возможность испарения и значительных потерь объема капель рабочей жидкости в процессе их движения, особенно малых капель с начальным диаметром менее 200 мкм и в случаях вовлечения в круговое движение (рис. 4 а);
- аналогичная вихревой системе автожира определенная несимметричность формы траекторий и параметров осаждения капель под влиянием воздушного винта.
а) начальный диаметр капель 200 мкм
б) начальный диаметр капель 300 мкм
Рис. 4. Расчетные траектории движения капель с различными координатами при выполнении
авиаопрыскивания типовым автожиром
Представляется примечательным, что характер движения капель различных размеров, имеющих одинаковые координаты выпуска, могут сильно отличаться, в связи с чем общая ширина захвата автожира в процессе авиаопрыскивания может определяться различными по размерам каплями. Это положение демонстрирует рис. 5, на котором показана относительная расчетная ширина захвата капель с начальными диаметрами ёко = 200 мкм ^ 300 мкм при выполнении опрыскивания рассмотренным ранее базовым и другими вариантами автожиров при различных режимах полета и внешних условиях (№ 1 - 4 - базовый вариант при безветрии и высотах в метрах (скоростях в км/ч) полета соответственно 5(60), 3(60), 5(100) и 3(100); № 5 - 6 - база при W = 2 м/с, УП = 100 км/ч и высотах, соответственно, 5 м и 3 м; № 7 - 9 - тп = 1000 кг, Бнв = 9 м и
с = 0,03 при безветрии и сочетании НП (УП), соответственно, 5(60), 5(100) и 3(60); № 10 - тп = 3000 кг, Бнв = 13 м, с = 0,03, НП = 5 м, УП = 100 км/ч; № 11 - тп = 2000 кг, Бнв = 13 м, с = 0,05, НП = 5 м, УП = 100 км/ч; № 12 - тп =4000 кг, Бнв=15 м, с = 0,04, НП =3 м, УП = 120 км/ч).
Рис. 5. Относительная ширина захвата для капель разных фракций при опрыскивании автожирами
Из представленных и других расчетных данных можно отметить следующие закономерности формирования общей ширины захвата при проведении автожирами авиационного опрыскивания:
- общая ширина захвата опрыскивания автожиров определяется каплями с начальным диаметром 200 мкм 300 мкм, при этом в большинстве случаев максимальная ширина захвата обеспечивается каплями с ёко = 250 мкм;
- максимальная ширина захвата автожиров при выполнении опрыскивания в условиях
безветрия варьируется в диапазоне (3,2 4,7)БНВ и связана с их летно-техническими харак-
теристиками и режимами полета;
- при увеличении нагрузки на НВ автожира и его заполнения наблюдается тенденция смещения экстремальных значений ёко к большим значениям, что обусловлено большей "энергетикой" соответствующего индуктивного следа автожира и сильным влиянием процессов испарения движущихся в нем капель на координаты их возможного осаждения;
- общая ширина захвата при выполнении автожирами опрыскивания в условиях бокового ветра нелинейно растет пропорционально скорости ветра, при этом также наблюдается отмеченная выше тенденция.
Максимальная общая ширина захвата опрыскивания автожирами на основании проведенных расчетов может быть оценена аналогично (1) обобщенным выражением (Я2 = 0,936):
г^тах 1 0,413 т'*0,276 с —10,025 тт-10,036 х г—10,029 .¡.(л , /\\т /\ 0,538
=1,297тп Бнв 5 , ^ уп, *(1+, , м. (2)
Из этого выражения видно, что основными определяющими общую ширину захвата автожира на АХР факторами являются его типоразмер и боковая составляющая ветра, в то время как заполнение НВ, скорость и высота полета над участком имеют меньшее значение. В этой связи
представляется характерным, что общая ширина захвата практически линейно связана с диаметром НВ и дополнительно увеличивается с ростом нагрузки (Р) на него. Незначительное увеличение ширины захвата для меньших значений высоты и скорости полета автожира согласно (2) в рассмотренном диапазоне параметров обусловлено, по всей видимости, отмеченным ранее эффектом "расползания" вихревых жгутов по экрану при полете у земли и их усиленным влиянием на находящиеся на большом удалении от линии пролета капли, а также общим ростом циркуляции сходящих с НВ автожира вихрей при уменьшении скорости полета.
Величина относительного размаха штанги опрыскивателя автожира, обеспечивающая максимальную ширину захвата при опрыскивании и соответствующее размаху отмеченной центральной зоны штанги, в рамках проведенных многовариантных расчетов лежит в диапазоне (0,56 0,87) DHB и может быть предварительно оценена по формуле (R2 = 0,949):
1 I /т\ 1 с.о 1 -w» —0,225 у'ч0,549 _ —0,075 тт —10,348 т т —0,073 /л . /ллт /\—0,102
1 шт =1 шт/D НВ = 1,621m п, DHb s , Н^ (1 +/W/) , . (3)
Из последнего выражения можно дополнительно отметить, что увеличение заполнения нагрузки на НВ, скорости и высоты полета автожира, а также скорости ветра приводит к уменьшению потребного размаха штанги, обеспечивающей максимальную общую ширину захвата автожира на авиационном опрыскивании.
Представленные выше материалы показывают возможности моделирования процессов осаждения капель рабочей жидкости с точки зрения предварительного выбора характеристик перспективных для АХР автожиров, включая их специальную аппаратуру, и рациональных параметров полетов и технологических режимов автожиров при выполнении авиационного опрыскивания в сельском и лесном хозяйстве, при этом предложенные в настоящей работе методические подходы по мере проведения летных исследований реальных автожиров в условиях АХР и получения необходимых экспериментальных данных могут быть доработаны и использованы при решении практических задач внедрения сельскохозяйственных модификаций автожиров в производство.
ЛИТЕРАТУРА
1. Http : //www .airwar.ru/enc/1a/a250. html.
2. Сатаров А. Упрощенный расчет автожира. - Люберцы, УВЗ, 1968.
3. Братухин И.П. Автожиры. Теория и расчет. - М.:Госмашиздат,1934.
4. Серов А.И. Некоторые связи аэродинамических и транспортных характеристик вертолетов // Труды ЦАГИ, 1982. Вып. 2159.
5. Вильдргубе Л.С. Вертолеты. Расчет интегральных аэродинамических характеристик и летнотехнических данных. - М.: Машиностроение, 1977.
6. Асовский В.П. Оптимизация облика сельскохозяйственного вертолета на этапе предэскизного проектирования: Дисс. канд. техн. наук. - М., 1994.
AERODYNAMIC PECULIARITIES OF AERIAL SPRAYING BY AUTOGIROS.
Asovsky V.P.
The article describes formation and calculated evaluation of parameters of autogiro inductive tracks while flying at low altitudes to spray agricultural crops and gives specific characteristics of different fraction drop distribution over the cultivated field depending upon autogiro characteristics, flight modes and conditions of cultivation.
Сведения об авторе
Асовский Валерий Павлович, 1963 г.р., окончил ХАИ (1986), кандидат технических наук, ведущий инженер по летным испытаниям - начальник отдела НПК "ПАНХ", автор 50 научных работ, область научных интересов - создание, испытания и оценка технических средств и технологий производства авиационных работ.
