CC BY
38
УДК 629.735.45: 004.942
Б.С. Крицкий
О МОДЕЛИРОВАНИИ ПОЛЕТА ВЕРТОЛЕТА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ АВИАЦИОННЫХ
РАБОТ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
В статье рассматриваются некоторые аспекты обеспечения безопасности полета вертолета при выполнении авиационных работ в чрезвычайных ситуациях. Приведен один из способов моделирования полета вертолета вблизи препятствий, зданий и сооружений. На примере модельной задачи показано изменение аэродинамических характеристик несущего винта вертолета при пролете над крышей здания и зависания перед посадкой над площадкой ограниченных размеров.
Ключевые слова: математическое моделировании, чрезвычайная ситуация, авиационные работы, вертолет, площадка ограниченных размеров.
B. Kritsky
ABOUT THE MODELING OF THE HELICOPTER FLIGHT DURING AVIATION OPERATIONS IN EMERGENCY SITUATIONS
The article discusses some aspects of the safety offlight of the helicopter during aviation operations in emergency situations. Shows one way flight simulation helicopter near obstructions, buildings and structures. For the model problem shows the variation of the aerodynamic characteristics of helicopter rotor when flying over the roof of the building and hovering before landing on a platform with limited dimensions.
Keywords: mathematical modeling, emergency situation, aviation operations, helicopter, platform with limited dimensions.
Введение.
Вертолет нашел самое широкое применение в народном хозяйстве и в военном деле. Отдельно следует выделить область его применения - авиационные работы при проведении спасательных операций в чрезвычайных ситуациях и при пожаротушении. В ряде случаев приходится осуществлять взлет и посадку на площадки ограниченных размеров, такие как крыши зданий и сооружений (рис. 1), или на отдельные вертолетные площадки в виде плоскости различной конфигурации, в частности на вертолетные площадки нефтяных платформ (рис. 2). Сложное взаимодействие следа от несущего винта (НВ) вертолета с площадками ограниченных размеров приводит к изменению аэродинамических характеристик вертолета, вызывает большие пульсации тяги НВ. В этом случае важной задачей является обеспечение безопасности полета вертолета при выполнении таких работ.
Одним из методов анализа аэродинамических характеристик вертолета при пролете над площадкой ограниченных размеров, подлете к ней и при посадке на площадку является математическое моделирование процесса обтекания вертолета и площадки.
Метод моделирования.
В этой работе моделирование проводилось на основе нелинейной лопастной теории винта в нестационарной постановке на базе тонкой несущей поверхности. В соответствии с этой теорией лопасти винта заменяются бесконечно тонкими базовыми поверхностями по форме в плане совпадающими с формой самих лопастей и искривленными по закону искривления их срединных поверхностей. Рассматривается идеальная несжимаемая среда. Течение вне лопастей винта и их следов считается безвихревым.
Рис. 1 Спасательные операции на крышах зданий и сооружений
Выполняются следующие граничные условия: на несущих поверхностях условие непротекания; при переходе через поверхность вихревого следа соблюдаются условия непрерывности давления и нормальной составляющей скорости; на задних кромках несущих поверхностей, с которых стекают вихревые поверхности, выполняется гипотеза Чаплыгина-Жуковского о конечности скоростей; на бесконечном удалении от винта, а также его следа возмущения затухают.
Рис. 2 Вертолетные площадки ограниченных размеров
Численный метод решения задачи для несущего винта в нелинейной нестационарной постановке согласно методу дискретных вихрей заключается в дискретизации по пространству и времени. Непрерывные вихревые слои, которыми моделируются базовые поверхности лопастей винта и их вихревые следы, заменяются системами дискретных вихревых рамок, а непрерывный по времени процесс изменения граничных условий и параметров течения заменяется ступенчатым. Значения кинематических параметров остаются неизменными в рамках одного временного шага. На каждом временном шаге, начиная с первого, после решения системы уравнений для определения циркуляций находятся напряженности всех вихревых рамок системы лопастей и следа за ними. Суммированием аэродинамической нагрузки по панелям определяются распределенные и суммарные характеристики винта. Форма следа выстраивается в результате расчета [1,2].
Результаты моделирования.
В качестве объекта моделирования рассматривался вертолет Ми-8 и два типа посадочных площадок: прямоугольный параллелепипед со стороной 22 м и высотой 10м (здание с плоской крышей) и квадратная пластина со стороной 22м (плоская площадка). Поскольку аэродинамические характеристики вертолета определяются в основном характеристиками его НВ, то в работе моделировался 5-ти лопастный НВ с радиусом, равным 10.65 м, угловая скорость вращения которого 20.1 рад/с. Моделировался пролет вертолета со скоростью 36 км/ч, при этом его НВ располагался на высоте 5 м над поверхностью посадочной площадки. Поверхность посадочной площадки моделировалась сеткой вихревых рамок 1м х 1м. Отрыв потока на посадочной площадке не задавался. В расчете строилось поле скоростей на сетке размером 90м х 20м с ячейкой размером 1м х 1м. Сетка размещается вдоль траектории движения оси вращения винта. Время расчета соответствует примерно 9 секундам полета (приблизительно 27 оборотов винта). Исследовались зависимости коэффициента тяги НВ от времени (положения винта над площадкой), дополнительно изучались поля скоростей и возникающие вихревые структуры.
0.011
Рис.3 Зависимость коэффициента тяги НВ при прохождении винта над разными типами
посадочных площадок
На рис.3 приведены результаты моделирования - изменение по времени мгновенных значений коэффициента тяги НВ при прохождении винта над посадочными площадками.
Коэффициент тяги НВ равен отношению силы тяги винта к скоростному напору, подсчитанному по окружной скорости конца лопасти, и ометаемой винтом площади.
Такой характер изменения коэффициента тяги НВ обусловлен существенной нестационарностью процесса обтекания винта и посадочных площадок. Рис. 4 иллюстрирует некоторые особенности взаимного влияния НВ и посадочных площадок.
Рис.4. Вихревые структуры следа за НВ и поля скоростей в окрестности винта и посадочных площадок в разные моменты времени
На рис. 4.а) и 4.б) приведена вихревая структура следа за НВ при подлете вертолета к параллелепипеду (вид сверху и вид сбоку соответственно), когда ось вращения винта находится у
границы площадки, что соответствует времени полета 1=2.61 с. При этом начинается рост коэффициента тяги О; как в случае перемещения НВ над параллелепипедом, так и над пластиной. Рис. 4.в) иллюстрирует поле скоростей в окрестности винта и параллелепипеда. Дальнейшее перемещение НВ над площадками характеризуется выходом на новое, большее значение коэффициента тяги О; (1=3.58 с). На рис. 4.г) показана вихревая структура следа за НВ при его нахождении над параллелепипедом и соответствующее поле скоростей (рис. 4.д). Следует обратить внимание, что тяга НВ после пролета пластины начинает почти сразу падать (рис. 3. 1=4.5 с) из-за исчезновения эффекта «воздушной подушки», в то время как при прохождении НВ над параллелепипедом тяга некоторое время продолжает сохраняться, а затем также снижается. Это объясняется отличием полей скоростей и давлений в окрестности параллелепипеда и пластины после прохождения НВ над ними. В случае с пластиной струя от НВ обтекает ее сверху и снизу (рис. 4.е), а параллелепипед обтекается сверху и по бокам, что приводит к большим пульсациям тяги и вибрациям. При достаточном удалении от посадочных площадок (1>6.3 с) в обоих случаях восстанавливаются исходные значения тяги НВ.
Следует отметить, что в статье излагается подход к моделированию пролета вертолета над площадкой ограниченных размеров, основанный на совместном решении задачи обтекания НВ и площадки [3]. Показана принципиальная возможность такого моделирования.
При анализе полета вертолета над реальной посадочной площадкой с конкретными параметрами полета необходимо учитывать отклонение органов управления вертолетом, рассчитывать не только тягу НВ, но и другие составляющие сил и моментов, действующие на вертолет.
Литература
1. Белоцерковский С.М., Локтев Б.Е., Ништ М.И. Исследование на ЭВМ аэродинамических и аэроупругих характеристик винтов вертолётов. - М.: Машиностроение, 1992. - 218с.
2. Крицкий Б.С. Математическая модель аэродинамики винтокрылого летательного аппарата. Труды ЦАГИ, вып. № 2655, 2002. - С. 50-56.
3. Апаринов А.А., Борисов Е.А., Крицкий Б.С., Сетуха А.В. Численное моделирование влияния посадочной площадки на характеристики несущего винта вертолета. ЦАГИ. Материалы XXVI научно-технической конференции по аэродинамике. 26-27 февраля 2015, С. 33-34.
Рецензент: доктор технических наук, профессор Воскобоев В.Ф.
