CC BY
64
УДК 629.735.45.01.014
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ВИХРЕВОГО СЛЕДА МОТОДЕЛЬТАПЛАНОВ В УСЛОВИЯХ АВИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИХ РАБОТ
В.П. АСОВСКИЙ
Статья представлена доктором технических наук Козловским В.Б.
В статье рассмотрены вопросы моделирования вихревого следа и расчетной оценки параметров поля индуктивных скоростей мотодельтапланов при выполнении полетов на малых высотах в условиях авиационнохимических работ.
Ключевые слова: мотодельтаплан, вихревой след, моделирование.
Мотодельтапланы (МДП) или дельталеты, как особый класс моторных ВС с балансирным управлением, у которых подъемная сила создается нежестким крылом, а тяга - воздушным винтом (ВВ) с приводом от установленного на мототележке поршневого двигателя (рис. 1) [1], отличаются простотой и дешевизной конструкции, хорошими взлетно-посадочными характеристиками, неприхотливостью в эксплуатации и небольшими затратами по использованию, что определяет растущий интерес к их применению на различных видах авиационных работ, в частности, на авиационно-химических работах (АХР).
Рис. 1. Внешний вид сельскохозяйственного МДП "Агро-Патруль-04"
В силу ограничений по взлетной массе и грузоподъемности МДП их основной областью применения на АХР являются работы с малыми нормами внесения, где в полной мере проявляются преимущества МДП, прежде всего по качеству, себестоимости и производительности обработок. Следует отметить, что специальные вопросы проведения АХР, связанные прежде всего с показателями процессов осаждения веществ с МДП, до настоящего времени изучены недостаточно и требуют своего дополнительного рассмотрения. Одним из таких вопросов является оценка параметров вихревого следа и поля индуктивных скоростей при полете МДП в условиях АХР, которые связаны с показателями распределения веществ по объектам обработки.
Для описания индуктивного следа МДП в условиях полетов на АХР был сформирован программный пакет моделирования вихревого следа за пролетающим вблизи экрана дельталетом и расчета на его базе поля индуктивных скоростей, укрупненная блок-схема которого показана на рис. 2.
Режим полета ВС
Блок ввода исходных данных
Внешние условия работ
Параметры и показатели ВС
Параметры
решения
Блок вспомогательных расчетов
Условия обеспе- Описание Параметры Размещение
чения полета панелей ВС приземного слоя источников
Расчет нормальных скоростей
Блок формирования определяющей системы
Расчет ко-эффициен-тов
Расчет фиктивных частей
Положение
свободных
вихрей
Общие силы и моменты ВС
Решение определяющей системы
Аэродина-
мические
нагрузки
Скорости
обтекания
Перебор по связанным источникам
Блок расчета координат свободных вихрей
Перебор по свободным вихрям
Приращения
координат
вихрей
Сходи-
мость
координат
Данные источников и диполей
Блок результатов^ расчета следа ВС Начальные / / Положение
циркуляции вихрей
вихрей в следе ВС
Процедура
расчета
скоростей
Рис. 2. Укрупненная блок-схема моделирования индуктивного следа ВС (МДП)
В основу расчетных процедур пакета положены итерационное решение определяющей системы линейных уравнений АХ = В, где А = (Ц) - матрица коэффициентов частных возмущений, 1,] = 1,К, рассчитанных для предварительно заданной конфигурации вихревого следа с учетом зеркально отраженных по правилу Прандтля ее элементов и диффузии вихрей единичной начальной циркуляции, X = (д;) - вектор-строка неизвестных интенсивностей возмущений, В = (Ц|) - вектор-столбец нормальных скоростей по N выделенным панелям крыла МДП, определяемых по скорости набегающего потока V в проекции на внешнюю нормаль панели п как и ] = -V • п; и пошаговый (А!) расчет координат сходящих с крыла вихрей с учетом их взаимодействия между собой, воздействия струи ВВ и возмущений приземного слоя атмосферы.
Для примера использования указанного пакета на рис. 3 показана расчетная схема движения вихрей, сходящих с крыла принятого в качестве базового МДП (полетная масса тп = 500 кг, удлинение и нагрузка типового крыла 1 = 5,67 и Ркр = 20 кг/м ), выполняющего в условиях МСА (безветрие, безразличная стратификация) горизонтальный полет над равнинным участком на рабочей высоте 2 м и скорости 80 км/ч, а на рис. 4 - проекции характерных вихревых жгутов (по 6 на левую и правую полуплоскости) в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях.
:________Щ/___________________________
____I__I___I___I_______I___I__I___I___
Рис. 3. Расчетная схема вихревого следа МДП при V, = 80 км/ч и Ьр = 2 м в условиях безветрия (МСА, безразличная стратификация)
Рис. 4. Расчетная конфигурация вихревого следа базового МДП в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях при V, = 80 км/ч и Ьр = 2 м в условиях МСА
Из представленных рисунков можно отметить качественную близость характера формирования и распространения вихревого следа для МДП и других видов ВС с аэродинамическим принципом обеспечения полета, например, самолетов [2] и автожиров [3]. Это проявляется, в частности, в формировании за МДП пары вихревых "сгустков", образующихся вокруг наиболее мощных концевых вихрей крыла и движущихся по мере удаления дельталета преимущественно вниз и в стороны от линии пролета с возможностью их "отскока" от поверхности экрана, что было отмечено и в экспериментальных работах [4, 5]. Из рисунков можно также отметить обусловленную влиянием ВВ дельталета несимметричность формы отмеченной пары вихревых комбинаций и концевых вихрей, проявляющуюся в увеличенном удалении от линии пролета и некотором приподнимании в правой по полету полуплоскости (2У < 0) вихрей в сравнении с левой полуплоскостью.
Наличие пары вихревых жгутов в следе МДП определяет характерный двухпиковый вид эпюр индуктивных скоростей, максимумы которых в разных сечениях примерно соответствуют положению концевых вихрей. На рис. 5 в этой связи представлено расчетное распределение суммарных индуктивных скоростей
И И + и2 + и2 базового МДП на высоте
0,5 м над участком (на уровне полевых культур), из которого можно выделить невысокий уровень (И < 2 м/с) индуктивного воздействия МДП на подстилающую поверхность (обрабатываемые культуры) при его наибольших значениях в 120-160 м за МДП, т.е. через 6 с - 8 с после пролета дельталета.
С целью оценки вихревого следа МДП в условиях бокового ветра и адекватности расчетов экспериментальным данным на рис. 6 показаны координаты сходящих с крыла МДП типа Бо-2 "Агромастер" (тп = 400 кг, размах крыла Ькр = 10,1 м, Ркр = 21,4 кг/м2) вихревых жгутов и соответствующих осей свободных вихрей (центров вращения), полученные при анализе облака распыла для полета с Ур = 60 км/ч, Ьр = 3 м в вечернее время (Д! < 0) при Тн = 20°С, В = 91,9 %, W = 1,5 м/с [5] (квадратные и треугольные маркеры относятся к левому и правому по полету полупространствам; на зависимости УУ (ХУ) условно показаны по 3 концевых вихря).
Как видно из последнего рисунка, несмотря на объективные сложности определения положения вихревых жгутов малой интенсивности и связанный с ними "разброс" замеренных показателей, расчетные и экспериментальные геометрические параметры вихревого следа МДП в характерных условиях при наличии бокового ветра качественно и количественно близки, что указывает на общую адекватность используемых расчетных процедур оценки параметров вихревого следа на заданном режиме. В свою очередь, представленные данные наглядно иллюстрируют смещение вихревого следа МДП в направлении бокового ветра, характерное и для других видов ВС [2].
-30 -20
О А
XV = 0 м XV = 40 м XV =80 м XV = 120м XV = 160 м XV = 200 м XV = 240 м XV = 280 м
-10 0
м
10
20
30
Рис. 5. Распределение суммарных индуктивных скоростей на обрабатываемом участке при пролете над ним базового МДП (Ур = 80 км/ч, Ир = 2 м)
10 5 0 -5 2„ -10 N -15 -20 -25 -30 -35
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
XV, м
а
0,0 -0,5 -1,0 -1,5
> -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
XV, м
б
Рис. 6. Экспериментальные данные и расчетная конфигурация вихревого следа МДП типа Бо-2
в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях
Отмеченное выше смещение вихревого следа под действием бокового ветра вызывает изменение эпюр индуктивных скоростей у поверхности объекта обработки (на рис. 7 для примера показаны эпюры индуктивных скоростей для рассмотренного варианта полета МДП типа Бо-2 "Агромастер" на высоте 1,0 м).
Из сравнения эпюр индуктивных скоростей разных МДП в условиях безветрия и при боковом ветре можно отметить следующее:
- боковой ветер вызывает "перестройку" вихревого следа и его смещение по направлению ветра, что приводит к идентичному смещению связанных с вихрями максимумов И8;
- характерная для следа МДП двухпиковая и близкая к симметричной в условиях безветрия форма эпюр индуктивных скоростей при боковом ветре остается неизменной (два связанных с мощными концевыми жгутами "пика" Ив), однако ощутимо перестраивается с ростом индуктивного воздействия наветренных вихрей, при этом максимальные значения индуктивных скоростей на объектах обработки имеют место при больших удалениях за МДП;
- общий уровень индуктивных скоростей в следе за МДП существенно изменяется при незначительных вариациях параметров МДП (тп, Ькр и т. д.) и режимов их полета (Ур, Ьр, W).
-40
--------XV = 0
.......XV = 40 м
-------XV = 80 м
XV = 120 м
-------XV = 160 м~
XV = 200 м XV = 240 м XV = 280 м
-20
0
м
20
40
Рис. 7. Эпюры индуктивных скоростей на горизонтальном участке при пролете МДП Бо-2 при Ур = 60 км/ч, Ьр = 3 м, боковом ветре W = 1,5 м/с и неустойчивой стратификации
Для количественной оценки последнего обстоятельства с использованием сформированного программного комплекса были проведены многовариантные расчеты полей скоростей различных типов существующих и перспективных МДП на уровне полевых культур (0,5 м) при варьировании характерных для АХР скоростей (Ур = 60 км/ч - 120 км/ч) и высот (Ьр < 5 м) полета и бокового ветра (|^^| < 4 м/с) с выделением для вариантов величин максимальных индуктивных скоростей. Статистическая обработка этих данных позволила получить значимое статистическое выражение (Я2 = 0,88) оценки этих величин при полетах дельталетов на АХР в виде:
тт(0,5) 1 сс т 0,704 г, 0,339 т -1,271 ,, -0,298 и -0,749 Л г-0,324 тт 0,078 ,
ит^ =1,55 тп §Кр ьКр тKр, ьр, ур , К, м/с,
где К№ = 1 + |"^^| - коэффициент учета бокового ветра.
Как видно из этого выражения, при выполнении МДП обработок полевых культур диапазон итах невелик и составляет 1 м/с - 3 м/с, т.е. типовые МДП не представляют опасности для сельскохозяйственных культур, поскольку воздействие их индуктивного следа на поверхность и обрабатываемые культуры сопоставимо с легким ветром. Эта же особенность, в свою очередь, связана с ограниченными возможностями МДП по проникновению вносимых веществ в крону обрабатываемых на АХР растений, т.е. по этому показателю МДП практически не имеет преимуществ в сравнении с наземной техникой для выполнения аналогичных агроприемов.
Представленные материалы показывают, что сформированные в работе алгоритмы и программные средства позволяют адекватно проводить моделирование вихревого следа МДП и поля индуктивных скоростей в нем в широком диапазоне режимов и условий выполнения полетов, при этом вихревой след дельталетов в условиях АХР не имеет принципиальных особенностей в сравнении с другими типами ВС с аэродинамическим принципом обеспечения полета и в силу малых нагрузок на крыло МДП отличается только невысокой интенсивностью вихрей в следе и уровнем воздействия на подстилающую поверхность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Http://www.aviaspektr.ru/delta.htm
2. Гиневский А.С., Желанников А.И. Вихревые следы самолетов. - М.: Физматлит, 2008.
3. Асовский В.П. Аэродинамические особенности процессов авиационного опрыскивания перспективными автожирами // Научный Вестник МГТУ ГА, № 138, 2009. - С. 150 - 157.
4. Акт летных и агротехнических испытаний с исследованием процесса осаждения капель рабочего вещества изделия "ГО-2 Агромастер" /А.Н. Россихин, В.Г. Шевцов, М.Ф. Дудик и др. - Краснодар: НПК "ПАНХ", 1997.
5. Акт летных исследований по отработке способов визуализации вихревого следа за АХК на базе экспериментального дельталета в условиях, характерных для АХР / А.Н. Россихин, А.И. Свинин, М.Ф. Дудик и др. - Краснодар: НПК "ПАНХ", 1999.
MODELING AND SPECIFIC CHARACTERISTICS OF VERTICAL TRACES OF HANG-GLIDERS WHILE PERFORMING AGRICULTURAL AERIAL WORKS
Asovsky V.P.
The article describes practical issues of vertical traces modeling and calculated evaluation of operation factors of hang-gliders fields of inductive rates while flying at low altitudes to service agricultural needs, including lateral wind and flights to spray agricultural crops on the slopes.
Key words: motorized hang glider, wake vortex, modeling.
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 54 научных работ, область научных интересов - создание, испытания и оценка технических средств и технологий производства авиационных работ.
