CC BY
10
3. Беляев В.Ю., Тарасенко А.А., Туркин И.Б. Нахождение оптимального маршрута эвакуации населения по существующей сети автодорог // Проблеми надзвичайних ситуацш. - 2011. - Вип. 13. - С. 39-46.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОЛЁТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ЗОНЕ ЛЕСНОГО ПОЖАРА
Бетина Е.Ю.
Национальный университет гражданской защиты Украины,
г. Харьков
Наиболее эффективным при тушении пожаров в больших лесных массивах является применение авиационной техники, что обусловлено удалённостью водоёмов для забора воды и плохой проходимостью наземного транспорта. При этом лесной пожар оказывает существенное влияние на приземный слой атмосферы: повышается температура; изменяется состав воздуха; усиливается горизонтальная составляющая скорости ветра, возрастает турбулентность; ухудшается видимость. Перечисленные факторы повышают вероятность выхода летательного аппарата (ЛА) на критические и закритические углы атаки, что, в свою очередь может привести к сваливанию и штопору. Очевидно, что такие усложнённые условия эксплуатации должны быть учтены ещё на этапах проектирования авиационной техники.
Проектирование ЛА сопровождается обязательным прогнозированием и изучением их аэродинамических характеристик. Для исследования динамики полёта ЛА в зоне лесного пожара наиболее эффективным представляется метод моделирования с помощью свободнолетающих динамически подобных моделей (СДПМ) в условиях Стандартной атмосферы (СА). Однако, существующий метод создания СДПМ и проведения на них лётных исследований базировался на допущении о том, что полёты и натурного ЛА, и его динамически подобной модели происходили в условия СА, то есть для решения данной задачи в исходном виде использоваться не может [1].
Поэтому целью работы является разработка методических основ моделирования динамики полёта ЛА в зоне лесного пожара с помощью СДПМ в условиях СА.
Характеристики атмосферы в зоне лесного пожара существенно отличаются от стандартных, в результате изменения температуры и состава окружающей среды вследствие физико-химических превращений во фронте пожара.
Газовая фаза в зоне лесного пожара состоит из О2, N2, СО, СН4, Н2, СО2, Н2О, С2Н4. Но для упрощения расчётов принимаем допущение о том, что газовая фаза состоит из кислорода, летучих горючих продуктов пиролиза, продуктов реакции горения летучих горючих продуктов пиролиза (СО2) и инертных компонентов газовой фазы. Причём летучие горючие
продукты пиролиза считаются одним эффективным газом типа СО, а инертные компоненты газовой фазы - газом типа N2. [2]
На основании принятого допущения получены зависимости для определения характеристик атмосферы в зоне пожара как для четырёхкомпонентной газовой смеси [3]. Что позволяет по существующим формулам определять основные масштабы подобия для исследования динамики полёта натурного ЛА в зоне лесного пожара с помощью СДПМ в условиях СА.
Для анализа зависимостей масштабов к £, к т и к1 от высот полёта
натурного ЛА в зоне лесного пожара и СДПМ на полигоне в условиях СА или близких к ней были построены графики. При этом использованы данные о состоянии атмосферы над зоной максимальных температур во фронте лесного верхового пожара (средняя высота деревьев составляет 20 м).
При анализе полученных результатов установлена принципиальная возможность создания СДПМ для моделирования динамики полёта ЛА в зоне лесного пожара в условиях СА при совместном удовлетворении критериев Фруда, Рейнольдса и Маха со значениями масштабов подобия основных параметров, отличными от единицы.
Так как при удовлетворении подобия только по критерию Фруда масштаб линейных размеров к £ не зависит от высот аэродинамического
подобия, то были проведены расчеты и построения для двух характерных случаев: при значениях масштаба линейных размеров меньше единицы (к £ =0,5, то есть линейные размеры СДПМ в два раза больше
соответствующих размеров натурного ЛА) и больше единицы (к £ =2, то
есть линейные размеры СДПМ в два раза меньше соответствующих размеров натурного ЛА). В обоих рассмотренных случаях зависимости масштабов масс и моментов инерции и от высот аэродинамического подобия имеют возрастающий характер (рис. 1).
Анализ полученных результатов показывает, что при к£ = 0,5 могут
возникнуть проблемы создания СДПМ для исследования полета натурного ЛА на высоте, близкой к 0 м в зоне пожара, поскольку в этом случае СДПМ должна быть в 2 раза больше натурного ЛА по габаритным размерам, но тяжелее в 12...41 раз.
Графики, построенные для масштабов подобия при совместном удовлетворении критериев Фруда и Рейнольда, позволяют сделать вывод о том, что для исследования динамики полёта натурного ЛА в зоне лесного пожара на высотах от 0 до 40 м необходима СДПМ меньших, чем натурный аппарат размеров.
Создание СДПМ геометрически больше натурного ЛА при соблюдении подобия по критериям Фруда и Рейнольда необходимо только для моделирования динамики полёта натурного ЛА на высотах 40.60 м,
причём высотам полета натурного ЛА около 40 м соответствуют высоты полёта СДПМ более 7 км.
Отличительной особенностью моделирования динамики полёта натурного ЛА в зоне лесного пожара при удовлетворении критериев Фруда и Маха является то, что в этом варианте геометрические размеры СДПМ должны быть меньше соответствующих размеров натурного ЛА.
при удовлетворении критерия Фруда (k £ = 2)
Построенные зависимости могут быть использованы как номограммы для оперативного приближенного определения масштабов подобия основных параметров СДПМ.
Список литературы
1. Определение размеров и массово-инерционных параметров свободнолетающих динамически подобных моделей самолетов: учеб. пособие / А.И. Рыженко, А.В. Бетин, В.И. Рябков, О.Р. Черановский; Мин-во просвещения Украины, Харьк. авиац. ин-т. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1992. -101 с.
2. Гришин А.М., Общие математические модели лесных и торфяных пожаров и их приложения // Успехи механики: сб. науч. тр. Томского гос. ун-та. - Т. 1, №4. - Томск., 2003. - С. 41 - 89.
3. Бетина, Е.Ю. Масштабы подобия основных параметров экспериментального воздушного судна для моделирования полёта натурного летательного аппарата в зоне лесного пожара // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского "ХАИ". - Вып. 1 (57). -Х., 2009. - С. 94 - 101.
