CC BY
97
УДК 629.735.015
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ВОДОСЛИВНОГО УСТРОЙСТВА НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ ВЕРТОЛЕТА
А.Н. СВИРИДЕНКО, Ю.Н. СВИРИДЕНКО Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Представлены результаты расчетно-теоретических работ, выполненных в обеспечение разработки процедурного тренажера оператора внешней подвески в составе комплексного тренажера экипажа вертолета типа Ми-8, а именно: разработана модель аэродинамических характеристик ВСУ-5 для всего эксплуатационного диапазона его применения; представлена математическая модель влияния индуктивного потока несущего винта вертолета на движение водосливного устройства на режимах малых скоростей и висения вблизи экрана; приведены результаты математического моделирования системы "вертолет - ВСУ" для характерных этапов полета.
Ключевые слова: математическая модель, процедурный тренажер, оператор внешней подвески вертолета.
В последние годы в мировой и отечественной практике все большую роль при тушении открытых пожаров приобретают авиационные технологии, в том числе с применением транспортных вертолетов. Наиболее распространен вертикальный способ тушения, который заключается в сбросе воды (огнегасящего состава) на очаг пожара из специальных емкостей (водосливных устройств - ВСУ), транспортируемых на внешней подвеске (ВП).
Для приобретения практических навыков, слетанности, повышения психологической устойчивости в особых ситуациях целесообразно использовать комплексный тренажер экипажа вертолета, соответствующим образом дооборудованный для моделирования операций по тушению пожаров с применением ВСУ.
Восприятие экипажем "полета" на тренажере в значительной мере зависит от адекватности математических моделей ВП и ВСУ. Влияние ВСУ на динамику вертолета, в свою очередь, зависит от точности моделирования пространственного движения ВСУ и упругих характеристик строп ВП.
ВСУ на внешней подвеске как динамический объект имеет следующие особенности:
- при заборе/сливе жидкости массово-инерционные характеристики ВСУ существенно изменяются;
- аэродинамические силы, действующие на ВСУ, зависят не только от параметров набегающего потока, но и от потока, индуцируемого несущим винтом вертолета (на режимах висе-ния и малых скоростей);
- упругие характеристики синтетических строп ВП - нелинейны.
Ниже приводятся основные результаты, полученные авторами и положенные в основу разработки "тренажерной" математической модели ВСУ.
1. Аэродинамические характеристики водосливного устройства ВСУ-5А с системой дозированной подачи пенообразователя
Определение аэродинамических сил и моментов, действующих на ВСУ-5 А, основано на пересчете экспериментальных данных, полученных при продувке в аэродинамической трубе МГУ модели ВСУ-15 [1], а также обобщенных данных по аэродинамическим характеристикам плохообтекаемых тел, имеющихся в работах [2, 3], с учетом различия в геометрических параметрах и степени заполнения емкости. Схема ВСУ, используемая при определении сил и моментов, система координат и положение условного центра масс, относительно которого вычислялся продольный момент, приведены на рис. 1. С учетом симметрии ВСУ аэродинамические характеристики определялись в
диапазоне углов атаки от -90° до +90° в связанной системе координат.
При вычислении коэффициентов аэродинамических сил и моментов в качестве характерной площади использовалась площадь верхнего основания ВСУ 8 = рБ /4, а в качестве характерного размера - диаметр верхнего обода емкости Б.
Коэффициенты аэродинамических сил и моментов определялись отдельно для центральной стропы, емкости пенообразователя и непосредственно ВСУ с системой строп. Рассмотрены конфигурации ВСУ без рифления и с рифлением емкости, наполненные водой и пустые.
Для иллюстрации на рис. 2 показаны зависимости суммарных коэффициентов аэродинамических сил и момента от угла атаки заполненного ВСУ без рифления.
Центральная стропа
Емкость
пенообразователя
ВСУ со стропами
Рис. 1. Схема ВСУ, система координат и положение условного центра масс
2. Определение скоростей, индуцируемых несущим винтом при малых поступательных скоростях и на режиме висения с учетом близости экрана
Для определения поля скоростей, индуцируемых струей несущего винта при малых скоростях полета с учетом близости экрана в работе использовалась приближенная математическая модель взаимодействия струи несжимаемой жидкости с плоскостью [4]. Используемая при расчете индуктивных скоростей система координат, связанная с несущим винтом, приведена на рис. 3, ось 2 направлена по правому борту вертолета.
Рис. 2. Зависимости коэффициентов аэродинамических сил и момента
Рис. 3. Система координат
Начальное распределение вертикальной скорости в струе под винтом в плоскости У = 0 задается в виде параметрической зависимости от радиуса, плотности воздуха и веса вертолета: У(г) = Аг(1 - г2М);
1
О = рВ012пУ2 (г )гёг
тяга
винта;
А =
О
у2лрЯ2 (0,25-1/(N + 2) + 0,25 /(N +1))
где У(г) - скорость в м/с; г - относительный радиус в м; р - плотность воздуха в кг/м3; О - вес вертолета с грузом в Н; Я0 = 10,625 м - радиус несущего винта; N = 3 - параметр.
Типичное распределение вертикальной скорости в струе несущего винта для полетной массы "вертолет + груз" 11000 кг показано на рис. 4.
В системе координат (Х,У,2), связанной с несущим винтом, распределение компонент скорости зависит от близости поверхности и угла наклона струи, который определяется скоростью полета вертолета и углом наклона плоскости несущего винта.
Изолинии распределения продольной и вертикальной скоростей, индуцируемых несущим винтом при полете на высоте Н = 30 м со скоростью У = 4 м/с, показаны на рис. 5.
3. Геометрические, массовые и инерционные характеристики ВСУ, особенности упругих характеристик ленточных строп
Рис. 4. Распределение скорости в струе под винтом
Рис. 5. Изолинии индуцированных скоростей в плоскости Ъ = 0 под винтом: а - продольная скорость Ух (м/с);
Ь - вертикальная скорость Уу (м/с)
На рис. 6 представлена расчетная схема ВСУ. Мягкая водонепроницаемая оболочка состоит из нижней полусферической и верхней цилиндрической частей. К верхней части оболочки прикреплен металлический обод со смещенным центром масс для препятствования вращению ВСУ вокруг продольной оси. В нижней части оболочки выполнено отверстие для слива воды, которое ограничивается нижним металлическим ободом, к которому прикреплено тяжелое балластное кольцо [5].
В зависимости от количества жидкости в ВСУ изменяются положение центра масс объема жидкости и, соответственно, его моменты инерции (отметим, что независимо от наличия воды в ВСУ форма его в полете практически не меняется).
На рис. 7, 8 приведены зависимости высоты столба, положения центра масс и моменты инерции объема жидкости в ВСУ в зависимости от наполнения (объема).
0
-5
-10
>-15
-20
-25
а
0
-5
-10
> -15
-20
-25
Ь
Water moments of inetia
VSU without rifl
V [m3]
Рис. 7. Положение центра масс объема жидкости в ВСУ в зависимости от наполнения
Рис. 8. Изменение центральных моментов инерции объема жидкости в ВСУ в зависимости от наполнения
Положение центра масс и моменты инерции пустого ВСУ определяются верхним и нижним ободами и балластным кольцом.
ВСУ крепится к внешней подвеске вертолета посредством ленточной стропы, изготовленной из текстильных лент из синтетического высокомолекулярного материала.
Диаграммы "усилие - деформация" для этих материалов носят нелинейный характер (на рис. 9 представлена диаграмма "усилие
Р - деформация е" для капронового материала [6]).
В отличие от подобных диаграмм для конструкционных металлов зависимость Р = А(е) для искусственных синтетических материалов не имеет ярко выраженного линейного начального участка. Кроме того,
диаграммы нагружения и разгружения этих материалов сильно различаются между собой, что объясняется явлением гистерезиса (рис. 10 [6]).
Рис. 9. Диаграмма растяжения капронового материала
Рис. 10. Иллюстрация явления гистерезиса капронового материала
Наличие у лент нелинейной зависимости усилия от деформации и большого рассеяния внутренней энергии при нагружении их усилиями с переменной амплитудой необходимо учитывать при анализе динамических систем, включающих элементы, изготовленные из синтетических материалов.
4. Результаты численного моделирования основных режимов полета вертолета с ВСУ (подъем, транспортировка, слив)
В качестве иллюстрации отмеченных выше аспектов математической модели движения ВСУ на внешней подвеске вертолета на рис. 11 - 13 приведены результаты численного моделирования полета вертолета в процессе слива жидкости из ВСУ (слив при X = 100 с, У » 60 км/час, ЬВСУ » 30 м, начальный объем жидкости - 2,5 м3).
Моделирование движения ВСУ в процессе слива жидкости является наиболее сложным, поскольку в течение этого скоротечного периода (время слива составляет ~ 5 с) значительно изменяются как массово-инерционные характеристики ВСУ (масса, моменты инерции, положение центра масс), так и сила натяжения центральной стропы внешней подвески вертолета, что в свою очередь влияет на движение вертолета.
_-24
■Е -26
^ -28 6
„ 10 Е 0
х ^ -10 6
„ 0.5
f 0 ш
-0.5
6
„ 50
CD 0 ш
-50
6
50
“ 0
-50
ю « 0
Л 20
^ 0 6
4000
2000
0
100
110
100
110
100
110
100
110
■V.
100
110
5ч.
120
120
120
!
=4- -
120
120
130
130
130
130
130
100
110
120
130
Рис. 11. Параметры движения вертолета: Xg, Yg - координаты центра масс вертолета [м]; Vxg, Vyg -компоненты скорости вертолета [м/сек]; del - угол отклонения автомата перекоса по тангажу [°]; fiO - угол общего шага несущего винта [°]
Рис. 12. Относительное движение вертолета и ВСУ: dY = Ybcy - Yg; dX = Хвсу - Xg; TEH -угол тангажа вертолета [°]; TEG - угол тангажа ВСУ[°]; fix - угол отклонения центральной стропы в продольной плоскости[град]; DELTATR - угол между продольной осью ВСУ и центральной стропой [°]; dl - удлинение центральной стропы [см]; T - сила реакции центральной стропы [кгс]
8
0
8
0
8
0
8
0
8
0
Из приведенного демонстрационного примера видно, что разработанная математическая модель движения ВСУ достаточно хорошо отражает основные особенности моделируемого явления:
- изменение нагрузки, действующей на вертолет от внешней подвески, и, соответственно, характерное "вспухание" вертолета в процессе слива;
- перебалансировку ВСУ на внешней подвеске вертолета в процессе слива;
- динамичный характер слива жидкости со средним расходом ~ 500 л/с.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баранников С.Н., Гувернюк С.В. и др. Исследование поведения водосливного устройства ВСУ-15 на тросовой подвеске под воздействием ветровых нагрузок: отчет о НИР. - М.: Институт механики МГУ, 2003.
2. Петров К.П. Аэродинамика тел простейших форм. - М.: Факториал, 1998.
3. Девнин С.И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций: справочник. - Л.: Судостроение, 1983.
4. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. - М.: Наука, 1977.
5. Инструкция по применению водосливного устройства ВСУ-5А с системой дозированной подачи пенообразователя СДП-1 при тушении пожаров вертолетами типа Ми-8 (Т, МТВ, АМТ). - Краснодар: ОАО НПК "ПАНХ", 2005.
6. Исследование парашютов и дельтапланов на ЭВМ / С. М. Белоцерковский, М. И. Ништ, А. Т. Пономарев, О. В. Рысев / под ред. С. М. Белоцерковского. - М.: Машиностроение, 1987.
THE MATHMATICAL MODEL OF THE EXTERNAL DRAIN DEVICE MOVEMENT WITH THE
HELICOPTER EXTERNAL SLING
Sviridenko A.N., Sviridenko U.N.
In article results of the settlement-theoretical works executed in maintenance of working out of a procedural training apparatus of the operator of a Mi-8 helicopter external sling are presented, namely: the model of aerodynamic characteristics of the external drain device «ВСУ-5» is developed for all operational range of its application; the mathematical model of influence of the main rotor inductive stream on movement of the «ВСУ-5» on modes of small speeds near to the screen is presented; some results of mathematical modelling of system «the helicopter - "Bumby Backet"» are presented.
Key words: mathematical model, procedural trainer, helicopter external suspension operator.
Сведения об авторах
Свириденко Александр Николаевич, 1956 г.р., окончил МФТИ (1979), кандидат технических наук, докторант кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, ведущий специалист ЗАО ЦНТУ "Динамика", автор 16 научных работ, область научных интересов - математическое и полунатурное моделирование полета летательных аппаратов.
Свириденко Юрий Николаевич, 1958 г.р., окончил МФТИ (1981), кандидат технических наук, начальник сектора ЦАГИ, автор более 50 научных работ, область научных интересов - аэродинамика, аэродинамическое проектирование летательных аппаратов, применение искусственных нейронных сетей в аэродинамическом проектировании.
Слив воды из ВСУ
t [сек]
Рис.13. Расход воды из ВСУ в процессе слива
