CC BY
185
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 111
УДК 629.735.015
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПАРУСНЫХ ГРУЗОВ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ ВЕРТОЛЕТА В УСЛОВИЯХ ПОРЫВА ВЕТРА
В.П. АСОВСКИЙ
Статья представлена доктором технических наук, Козловским В.Б.
В статье представлены материалы специальных летных испытаний и расчетно-аналитических исследований поведения парусных легких грузов типа водосливных устройств на внешней подвеске вертолетов в условиях воздействия порывов ветра разной интенсивности и направления и сформулированы основные выводы и рекомендации по обеспечению безопасности полетов в данных условиях.
В процессе выполнения вертолетами различных видов авиационных работ достаточно часты случаи транспортирования на внешней подвеске парусных грузов, имеющих достаточно большую площадь поверхности при относительно малой массе. Характерным примером таких грузов являются водосливные устройства (ВСУ) типа ВСУ-5 и ВСУ-15 для вертолетов Ми-8, Ка-32 и Ми-26Т. Отмеченное соотношение геометрических и массовых характеристик ВСУ приводит при увеличении скорости к существенному отклонению троса внешней подвески (ТВП) назад по полету, что в определенных условиях может негативно сказаться на безопасности полета (БП). В этом смысле основную опасность представляет возможность попадания груза или ТВП на жизненно важные части конструкции вертолета (рулевой винт, стабилизатор, хвостовое оперение), непосредственно связанные с устойчивостью и управляемостью вертолета. Это обстоятельство требует учета характера груза как при формировании общих ограничений РЛЭ вертолета и технологий выполнения соответствующих авиаработ, так и при выборе рациональных полетных параметров конкретного парусного груза в заданных условиях.
В последние годы при выполнении полетов с ВСУ произошли 2 катастрофы вертолетов (Ми-26Т - 30.04.2003 г. и Ми-8МТ - 03.09.2004 г.), в качестве основных возможных причин которых были названы попадание ТВП с ВСУ в рулевой винт вертолета. Эти события послужили основанием для углубленного изучения аэродинамических характеристик и движения подвешенного на вертолете ВСУ под воздействием ветровых нагрузок [1], а также проведения специальных летных испытаний. Специальные летные испытания устройства ВСУ-15 с синтетическим стропом ЛС-15 были проведены по заказу МЧС России специалистами НПК "ПАНХ" и МВЗ им. М.Л. Миля и предусматривали определение в процессе летного эксперимента характерных параметров движения ВСУ на режимах горизонтального полета и вертикального снижения в широком диапазоне поступательных и вертикальных скоростей. На рис.1 маркерами показаны углы отклонения от вертикали (а) ТВП с ВСУ-15 и его модификации уменьшенного объема (ВСУ-11) при выполнении вертолетами Ми-26Т и Ка-32 горизонтального полета с различными скоростями, а также полученные ранее соответствующие показатели вертолетов Ми-8Т и Ка-32Т с ВСУ-5 на внешней подвеске.
Из представленных данных можно отметить, что характер измерения а по скоростям для геометрически подобных ВСУ разного типоразмера в целом одинаков (нелинейный рост а с замедлением при увеличении ^П), причем на повышенных скоростях полета (УгП >160 км/ч) наблюдается сходимость параметра а для всех типов ВСУ (отклонения ±2°) и его асимптотическое приближение к некоторому предельному значению апр ~ 55°. Экспериментальные данные (рис. 1) в целом подтверждают полученные в [1] качественные выводы и расчетные зависимости (кривая 1), однако на повышенных скоростях горизонтального полета существенно (до 10°) превосходят расчетные показатели [1]. Отмеченные отличия обуслов-
лены, по всей видимости, сделанными в процессе расчетов упрощениями и нуждаются в "устранении" для получения адекватных практике выводов.
Рис. 1. Углы отклонения ТВП вертолетов с ВСУ в зависимости от скорости
С целью дополнительного теоретического исследования поведения ТВП с ВСУ в различных условиях выполнения полета вертолета в процессе анализа результатов отмеченных ранее специальных летных испытаний была сформирована расчетно-аналитическая модель динамики ВСУ на внешней подвеске вертолета:
- в качестве базовых зависимостей аэродинамических коэффициентов ВСУ использовались сопряженные полиномиальные зависимости 4 - 6 порядка, основанные на данных [1] при числах Яе = 2-106 для углов до 50° и полученных с использованием гипотезы плоских сечений зависимостей для аналогичной ВСУ полусферы-чашки [2] в остальном диапазоне (до 180°), с возможностью внесения в нее поправок;
- расчетным аналогом ТВП (ленточного стропа типа ЛС-5 и ЛС-15) заданной длины Ь принята комбинация шарнирно соединенных между собой жестких стержней круглого сечения, каждый из которых для принятого числа "рассечений" п имеет длину ёЬ= Ь/п и фактический диаметр стропа;
- нормальная к оси элемента ТВП сила сопротивления рассчитывалась по фактической скорости набегающего на него под углом воздушного потока V (м/с) по предварительно полученной приближенной формуле коэффициента сопротивления схп = 1.31ехр(-0,0075У)-8т2а;
- положение центров давления и масс элементов ТВП и ВСУ условно принято постоянным для всех скоростей и углов набегающего потока, при этом координаты центра масс элементов троса и замка ВСУ определялись соответственно геометрической серединой элемента и закон-
цовкой троса, а для ВСУ - расчетом фактического распределения массы конструкции заданного типа устройства (для ВСУ-15 - на его оси ниже плоскости верхнего кольца на 1.07 м);
- силовое воздействие на ВСУ и его отдельные элементы определялось через соответствующие аэродинамические коэффициенты по расчетным скорости и направлению набегающего потока в точке приведения, при этом учитывались скорость полета вертолета, индуктивные скорости несущего винта вертолета и скорости относительного движения элементов ВСУ в текущий момент времени для порыва ветра с заданными параметрами;
- параметры движения элементов ВСУ на ТВП вертолета для заданных условий полета рассчитывались через обобщенные координаты (углы отклонения от вертикали оси соответствующего элемента) и силы (моменты вращения), найденные при численном решении типовой системы управления многозвенного математического маятника принятой конфигурации;
- в качестве возмущающего ВСУ ветрового воздействия использовалась расчетная модель порыва ветра, описываемая направлением и максимальной силой порыва, а также варьируемым законом изменения параметров порыва во времени и в пространстве (относительно вертолета);
- в процессе решения уравнений движения ВСУ дополнительно оценивались усилия в ТВП, положение элементов троса и оси емкости ВСУ, а также координаты ближайшей к рулевому винту вертолета точки подвески (стропов и объемной конструкции емкости ВСУ).
Сравнение характерных фактических и расчетных по сформированной модели данных показывает, что предлагаемая расчетная модель дает достаточно точную качественную и количественную картину положения устройства на внешней подвеске вертолета для заданного режима полета. Анализ данных углов отклонения ТВП и оси ВСУ для широкого диапазона скоростей горизонтального полета позволяет выделить характерные особенности, использование которых может упростить оперативную оценку поведения аналогичных ВСУ систем. В частности, при отличиях углов отклонения ТВП по его длине в пределах до 2° - 3° стрела прогиба троса минимальна (пренебрежимо мала), что при решении практических задач позволяет рассматривать ТВП как прямую линию, при этом на всех режимах и вариантах расчета угол отклонения оси емкости ВСУ на 0,5° - 3° меньше угла ТВП.
На рис. 1 дополнительно показаны расчетные углы отклонения ТВП в горизонтальном полете вертолета Ми-26Т с ВСУ-15 без учета (кривая 2) и с учетом (кривая 3) индуктивных скоростей несущего винта вертолета. Как видно из представленных данных, полученные расчетные величины в целом адекватны экспериментальным, хотя и дают, как и для расчетов [1] (кривая 1), несколько заниженные данные, при этом влияние несущего винта вертолета несколько "разгружает" подвеску тем больше, чем меньше скорость полета (разница углов для кривых 2 и 3 на скоростях 60 км/ч и 220 км/ч соответственно 3,8° и 0,7°). Отмеченные обстоятельства указывают на то, что в реальных условиях обтекания ВСУ при его транспортировке на внешней подвеске вертолета реализуются несколько отличные от полученных в продувках моделей аэродинамические коэффициенты. Данное отличие обусловлено, по всей видимости, нестационарностью набегающего на ВСУ потока в зоне его размещения и дополнительным влиянием чисел Рейнольдса, что определяет необходимость внесения дополнительных поправок в расчетную модель. Указанные поправки к аэродинамическим силам для заданных скоростей полета определялись подбором соответствующих коэффициентов с учетом экспериментальных данных и были внесены в виде аналитических зависимостей от скорости в расчетный алгоритм, реализация которого позволила повысить сходимость расчетных и экспериментальных данных (кривая 4 на рис. 1).
Как было отмечено ранее, основной проблемой обеспечения БП при полетах вертолета с ВСУ определена неблагоприятная динамика подвешенного груза в условиях порыва ветра. На рис. 2 для примера показаны изменения расчетных углов отклонения ТВП и емкости ВСУ (соответственно сплошные и штриховые линии) при возникновении в горизонтальном полете вертолета Ми-26Т с порожним ВСУ-15 на скорости Vпр = 140 км/ч порывов различной
интенсивности (в обозначениях: числитель - величина максимальной скорости в порыве итах, знаменатель - время ё1:и достижения итах). Из представленных данных можно отметить следующие характерные особенности:
80,0
75,0
ч
ей
& 70,0
к
ч
ей
И
к
н
И
н
о
ч
к
К
<и
X
о
ч
и
н
о
ч
о
и
65,0
60,0
55,0
50,0
45,0
40,0
ЛС ( 10/0 ) ЛС ( 10/1 ) ЛС ( 10/2 ) ЛС ( 10/5 ) ЛС ( 10/10 ) ЛС (20/1)
0,0
4,0
8,0 12,0 Время, с
- -ВСУ (10/0)
- ВСУ (10/1)
- ВСУ (10/2)
- -ВСУ (10/5)
- ВСУ (10/10)
- -ВСУ (20/1)
16,0 20,0
Рис. 2. Расчетная динамика изменения углов отклонения элементов ВСУ для порывов ветра
разной интенсивности
- параметры возмущенного движения ТВП и емкости ВСУ под воздействием вертикального порыва ветра тесно связаны с характеристиками порыва, при этом угловые характеристики движения троса и ВСУ в целом не синхронизированы;
- установившееся положение ТВП и ВСУ в условиях вертикального порыва достигается за 12 с - 15 с вне зависимости от характера нарастания скорости порыва, причем стабилизированный угол отклонения элементов подвески прямо связан с силой порыва;
- в условиях "резкого" порыва (достижение итах меньше чем за 5 с) максимальные текущие значения углов отклонения подвески существенно (до 10° для заданного режима) превосходят стабилизированные значения и представляют основную опасность с точки зрения БП вертолета;
- при попадании вертолета в резкий вертикальный порыв высокой интенсивности в начальный период времени наблюдается "биение" ТВП (по углам отклонения и усилиям в тросе) и "раскачка" емкости ВСУ относительно точки присоединения боковых стропов к центральному ТВП, что во многом является характерным признаком такого порыва.
Следует отметить, что, как показывают проведенные расчеты и практический опыт полетов вертолетов с грузом на внешней подвеске, при прочих равных условиях влияние горизонтального порыва ветра при качественно схожей картине возмущенного движения значи-
тельно менее опасно, чем воздействие аналогичного вертикального порыва (на рис. 2 для примера дополнительно показана динамика углов отклонения для встречного горизонтального порыва итах = 20 м/с; ё1;и = 1 с в рассмотренных выше условиях). То же самое с точки зрения БП вертолета можно отнести и к попутным, и к нисходящим порывам сопоставимой интенсивности, уменьшающим в результате динамического процесса углы отклонения ТВП и ВСУ, а также к комбинации встречных и восходящих порывов с определенными параметрами имах и ё1;и, максимальные и стабилизированные параметры отклонения для которых не превышают соответствующих значений для вертикального порыва.
Таким образом, можно констатировать, что для полета вертолета с парусным грузом типа ВСУ на внешней подвеске с точки зрения БП критичным является вертикальный порыв повышенной интенсивности.
На рис. 3 представлены расчетные предельные значения скорости вертикальных порывов высокой (ё1;и = 0 с; 1 с) и умеренной (ё1;и = 5 с; 10 с) интенсивности, при которых в горизонтальном полете вертолета Ми-26Т может произойти попадание ТВП и пустого (порожнего) ВСУ в зону хвостового винта вертолета. Как видно из данного рисунка, во всем рекомендуемом диапазоне скоростей полета вертолета Ми-26Т [4] обеспечивается достаточный "запас" порожнего ВСУ по БП при воздействии вертикальных порывов ветра (минимальное значение силы резкого порыва - около 30 м/с на малых (60 км/ч) скоростях и больше 27 м/с - на основных режимах транспортирования пустого ВСУ со скоростями 120 км/ч - 200 км/ч, причем при умеренной порывистости ветра этот запас увеличивается). Следует отметить, что отмеченные предельные значения существенно превосходят зарегистрированные в приземной зоне лесных пожаров величины восходящих потоков (до 6 м/с - 8 м/с согласно [5, 6]) и предельного расчетного воздушного порыва по соображениям прочности вертолета (9,1 м/с в соответствии с [7, 8]), т.е. особенности аэродинамики и возмущенного движения порожнего ВСУ в реальных условиях не лимитируют показатели безопасности вертолета.
Рис. 3. Максимальные значения скоростей вертикального порыва различной интенсивности, способные привести к попаданию элементов ВСУ в зону хвостового винта вертолета
Особый интерес с точки зрения предельных параметров движения подвески с ВСУ представляет режим слива жидкости, в процессе которого емкость, как показывает практика, дос-
таточно резко отклоняется назад - вверх по потоку. На рис. 4 показаны типовые расчетные параметры движения ТВП и ВСУ-15 (соответственно сплошная и прерывистая линии) при сливе из него 15 м3 воды со средним расходом 1000 л/с (начало слива на рисунке при 1 = 2 с) на характерной скорости Упр = 60 км/ч. Как видно из графика при окончании слива (1 = 15 с -17 с) наблюдается достаточно интенсивный "подрыв" системы внешней подвески (троса и емкости), в процессе которого достигаются углы, превышающие стабилизированные значения. Естественно, что при наложении на это движение вертикального порыва предельные динамические параметры отклонения системы еще больше увеличатся.
ч
СЗ
Ер
к
х
<и
X
О
ч
и
н
о
ч
о
и
Т, с
Рис. 4. Расчетная динамика изменения углов отклонения элементов ВСУ-15 в процессе слива
15 м3 воды со средним расходом 1 м3/с
Как показывают расчеты, воздействие резкого вертикального порыва ветра на заключительной стадии слива жидкости из ВСУ приводит к достаточно сильному несинхронизиро-ванному "подхвату" элементов подвески, при котором достигаются значительно большие предельные углы отклонения элементов системы внешней подвески в сравнении с воздействием "изолированного" аналогичного порыва при горизонтальном полете с той же скоростью с порожним ВСУ (при Упр = 60 км/ч максимальные углы отклонения ТВП и ВСУ от вертикали равняется соответственно 49,6° и 38,7°, 63,3° и 42,4° для транспортного полета и слива). Последнее обстоятельство требует своего учета при определении безопасных режимов выполнения слива из ВСУ с учетом возможного воздействия интенсивных вертикальных порывов ветра. В частности, как показывают расчеты, допустимая величина резкого (ё1:и = 1 с) вертикального порыва при его развитии в самый неблагоприятный момент - при окончании слива, значительно (до 8,6 м/с) ниже, чем для обычного транспортирования порожнего ВСУ, однако и в этом случае существенно превышает отмеченные ранее критические показатели.
На основании представленных в настоящей статье материалов летных испытаний и расчетно-аналитических исследований можно сформулировать следующие основные выводы:
- результаты продувок парусных грузов совместно с моделированием их поведения на характерных режимах полета вертолета с учетом внешних возмущений позволяют получить в целом адекватные практике качественные и количественные зависимости и выводы по режимам выполнения полетов с данными грузами;
- в целях повышения адекватности расчетных выводов и рекомендаций по транспортированию типовых парусных грузов на внешней подвеске вертолетов необходимо проведение специальных (контрольных) летных испытаний базовых режимов полета, результаты которых позволяют внести необходимые поправки в расчетно-аналитические процедуры;
- массово-геометрические и аэродинамические характеристики типовых конструкций, находящихся на эксплуатации систем ВСУ-5 и ВСУ-15 с ленточными стропами ЛС-5 и ЛС-15 для вертолетов типа Ка-32, Ми-8 и Ми-26, обеспечивают в реальных условиях необходимый уровень БП вертолетов во всем рекомендуемом диапазоне их летной эксплуатации при воздействии порывов ветра различной интенсивности;
- основными расчетными с точки зрения БП вертолетов условиями выполнения полетов парусных грузов является воздействие резкого вертикального порыва ветра на малых и средних скоростях полета, возникающего для тел переменной массы типа ВСУ в момент их максимального облегчения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исследование поведения водосливного устройства ВСУ-15 на тросовой подвеске под воздействием ветровых нагрузок; Отчет НИР / С.И. Баранников, С.В. Гувернюк, А.Ф. Зубков и др. - М.: Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003.
2. Игнаткин Ю.М. Аэродинамика элементов вертолета. - М.: МАИ, 1987.
3. Паршенцев С.А. Анализ причин катастрофы вертолета Ми-26Т в Читинской области 03.05.2003 г. при выполнении работ по тушению лесных пожаров с воздуха // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность. - 2004. № 72 (1). С. 91 - 96.
4. Руководство по летной эксплуатации вертолета Ми-26Т. - М.: МГА, 1991.
5. Валендик Э.А. Ветер и лесной пожар. - М.: Наука, 1968.
6. Валендик Э.А., Матвеев П.М., Софронов М.А. Крупные лесные пожары. - М.: Наука, 1970.
7. АП-27. Часть 27. Нормы летной годности винтокрылых аппаратов нормальной категории. - М: Межгосударственный авиационный комитет, ОАО "Авиаиздат", 2000.
8. АП-29. Часть 29. Нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории. - М: Межгосударственный авиационный комитет, ОАО "Авиаиздат", 2003.
RESEARCHES OF SAILING CARGO DYNAMICS ON THE HELICOPTER EXTERNAL SLING
AT THE GUST CONDITIONS
Asovsky V.P.
The article presents records of the special flight tests and calculated analytic researches of dynamics of sailing light cargoes like spillway devices on the helicopter external sling at the gust conditions of different strength and direction and gives principal conclusions and recommendations to provide helicopter flight safety in the given environment.
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 45 научных работ, область научных интересов - создание, испытания и оценка технических средств и технологий производства авиационных работ.
