CC BY
4
УДК 629.735.45
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-236-239
ВЛИЯНИЕ СИСТЕМЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ НА ОБЛИК ВЕРТОЛЕТНОЙ ТЕХНИКИ
А.Н. Дергачев
В данной статье рассмотрены требования к условиям эксплуатации вертолета, формирующие геометрические ограничения на этапах проектирования и их влияние на геометрических облик вертолета в целом, конструктивному исполнению и компоновки отдельных узлов и агрегатов вертолетной техники. В основу методики формирования системы геометрических ограничений положены обобщенные требования к обеспечению эксплуатационно-технических характеристик вертолета: обеспечение базирования и производства взлетно-посадочных операций на морских судах, обеспечение транспортабельности, удобство доступа в кабину экипажа, удобство доступа к агрегатам при обслуживании, снижение трудоемкости отдельных операций по техническому обслуживанию вертолета.
Ключевые слова: вертолет, разработка авиационной техники, проектирование, геометрические ограничения, транспортабельность, компоновка агрегатов.
Процесс формирования технического облика вертолета на различных стадиях проектирования [1] подразумевает проведение анализа совокупности исходных данных: условия эксплуатации, решаемые задачи, многофункциональность (в т.ч. за счет смены оборудования вариантов применения), требования отдельных руководящих документов и т.д.
Указанные факторы оказывают значительное влияние на геометрический облик вертолета, конструкцию фюзеляжа, размеры отсеков, проемов дверей и лючков, а также возможные места для установки съемного (опционного) оборудования. Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяет представить влияние данных факторов в виде ограничивающих плоскостей, так называемой системы геометрических ограничений (СГО). Формирование СГО на ранних этапах проектирования (аван- и эскизный проекты) позволяют значительно минимизировать затраты на перекомпоновку агрегатов и систем на последующих этапах проектирования.
Геометрические ограничения можно условно разделить на четыре категории: постоянные, параметрические, условно-переменные, заимствованные. Рассмотрим каждую категорию ограничений более подробно.
а) Постоянные геометрические ограничения.
К данным ограничениям относятся требуемые зазоры между конструкцией вертолета и другими сооружениями, эргономические требования по требуемым площадям, объемам и т.д., допустимые транспортировочные габариты (высота груза на автомобильном и железнодорожном транспорте, габариты сертифицированного морского контейнера и т.д.). Эргономические требования в первую очередь влияют на габариты кабины экипажа, грузовой (транспортной) кабины, размеры проемов дверей и створок и т.д.
Допустимые транспортные габариты оказывают влияние на конструкцию фюзеляжа и компоновку систем, что позволяет на различных этапах проектирования обеспечить: снижение трудоемкости демонтажа/монтажа агрегатов при подготовке вертолета к транспортированию, спрогнозировать необходимость применения технологических приспособлений и тары под демонтированные агрегаты и т.д.
В качестве примера рассмотрим транспортирование вертолета различными видами транспорта. Для обеспечения требуемых габаритов при транспортировке различными видами транспорта требуется демонтаж лопастей несущего винта и редуктора с колонкой несущего винта. Для некоторых типов вертолетов также может потребоваться демонтаж хвостового оперения и/или хвостовой балки. Определение на ранних стадиях проектирования перечня крупных агрегатов, подлежащих демонтажу в процессе подготовки вертолета к транспортированию, позволяет сократить время подготовки за счет установки быст-росъемных соединений, а также обеспечить восстановление вертолета после транспортирования «в полевых» условиях за счет исключения процедур, требующих специальных технологических условий (например, нанесение герметика).
б) Параметрические геометрические ограничения.
К данным ограничениям относятся ограничения, зависящие от габаритных характеристик вертолета, например - потребные размеры взлетно-посадочных площадок (ВППл) на морских судах и приподнятых над водой платформах, зависящие от длины вертолета, в отдельных случаях - от диаметра несущего винта [2, 3]. В большей степени, данное ограничение касается вертолетов для нужд государственной авиации, для которых потребные размеры ВППл зависят от диаметра несущего винта. Стоит отметить, что в соответствии с действующими требованиями потребные размеры ВППл для государственной авиации меньше, чем для гражданской. Увеличение длины вертолета при сохранении диаметра несущего винта в условиях ограниченных площадей ВППл в условиях качки и ветра значительно повышают требования к простоте и удобству технического обслуживания вертолета.
В первую очередь данные ограничения оказывают существенное влияние на компоновку и конструкцию дверей и створок транспортной (грузовой) кабины вертолета при обеспечении погрузки/выгрузки грузов различного типа в условиях ограниченных площадей.
в) Условно-переменные геометрические ограничения.
К данным ограничениям относятся ограничения, зависящие от характеристик взаимосвязанных видов техники и систем. Например, при обеспечении транспортабельности вертолета воздушным транспортом требуется учитывать габариты грузовой кабины и ее проема отдельного типа транспортного самолета, углы наклона рампы, ограничения по перемещению погрузочных тельферов, габариты и конструктивные особенности средств буксировки (в т.ч. на морских судах). При одинаковых углах наклона грузовой рампы и различных диапазонах перемещения электротельферов относительно рампы наиболее критичным будет тип транспортного самолета с наименьшим диапазоном перемещения. Ограничения хода тельферов требуют расположение задних такелажных узлов вертолета под хвостовым тельфером, что в большинстве случаев требует поднятия носовой части транспортируемого вертолета и перемещения вперед до тех пор, пока задний такелажный узел не окажется под хвостовым тельфером. Далее хвостовая часть транспортируемого вертолета поднимается, носовой и хвостовой тельферы переносят транспортируемый вертолет в грузовую кабину транспортного самолета. Особенности погрузки вертолета в транспортный самолет накладывают геометрические ограничения на носовую хвостовую часть вертолета - обеспечение подъема и перемещения носовой части вертолета в близи рампы самолета, а также обеспечение достаточных зазоров между землей и хвостовой частью вертолета.
г) Заимствованные геометрические ограничения.
К данным ограничениям относятся ограничения, связанные с обеспечением эксплуатации разрабатываемого вертолета в условиях эксплуатации серийных вертолетов - обеспечение размещения на взлетно-посадочных площадках, имеющихся ангарах и на подъемниках морских судов различных проектов, обеспечения размещения транспортируемых грузов или целевого оборудования, также применяемых средств обслуживания (средства доступа, грузоподъемные средства, монтажно-демонтажные) аналогично вертолету схожего назначения. К заимствованным геометрическим ограничениям также можно отнести и опыт эксплуатации в части компоновки агрегатов и систем, периодичности осмотра и работ по обслуживанию, а также потребные размеры лючков.
Заимствованные геометрические ограничения некоторым образом связаны с условно-переменными геометрическими ограничениями и имеют циклический характер (смотри рис. «Взаимосвязь заимствованных и условно-переменных геометрических ограничений»).
Взаимосвязь заимствованных и условно-переменных геометрических ограничений
В данной схеме под техникой обеспечения подразумевается техника, обеспечивающая обслуживание (зарядка систем жидкостями и газами, электроснабжение, наземные комплексы диагностики и т.д.) и транспортирование (в грузовой кабине транспортного самолета, буксировка на аэродроме и т.д.) вертолета. В некоторых случаях отдельная техника обеспечения для перспективного вертолета может разрабатываться в рамках опытно-конструкторских работ (ОКР) на вертолет или отдельным ОКР. Под взаимодействием в данной схеме подразумевается сопряжение технических характеристик, обеспечивающих выполнение конкретных задач.
Пример связи заимствованных и условно-переменных геометрических ограничений наблюдается в обеспечении размещения вертолетов марки «Ка» в ангарах кораблей. В зависимости от проекта корабля габариты ангаров и их проемов отличаются, однако обеспечивают размещение находящихся в эксплуатации вертолетов. В процессе разработки новых типов вертолетов требуется учитывать габариты ангаров находящихся в эксплуатации кораблей и морских судов для обеспечения базирования вновь разрабатываемого вертолета.
Сформированная СГО с учетом анализа условий эксплуатации вертолета позволяет сформировать предварительные требования к системе технического обслуживания. Помимо развивающейся авио-ники, предусматривающей встроенный контроль и диагностику систем электронного оборудования, при
помощи СГО определяются зоны вертолета, требующие снижения периодичности работ по обслуживанию (в т.ч. смотровые работы), внедрения систем контроля и диагностики агрегатов и систем силовой установки и управления.
Формирование СГО носит многоуровневый характер, требующий анализа различных конструкторских решений, сводящиеся к решению прямых и обратных задач. Основные габаритные характеристики определяются путем решения обратных задач - анализа заимствованных требований, размеров взлетно-посадочных площадок, габаритов транспортируемого груза или количества перевозимых пассажиров в транспортной кабине), номенклатуры и характеристик опционного оборудования и т.д. Полученная СГО требует дальнейшей предварительной корректировки - установление требуемых зазоров с учетом эргономических требований, изменения клиренса (в процессе изменения массы вертолета от максимальной взлетной до массы пустого за счет выработки топлива или при помощи бортовых насосных станций), уточнения положения вертолета на ВППл и т.д. Полученные результаты уточняются с учетом условно-переменных геометрических ограничений, определяемых требованиями ТТЗ на вертолет.
Детализация и уточнение СГО осуществляется на всех этапах проектирования вертолета, в том числе с учетом компоновки систем и агрегатов. В качестве одного из инструментов формирования детализированных геометрических ограничений возможно использовать модуль «манекен» [4], реализованный в некоторых САПР (NX, Catia и др.). Применение модуля «манекен» позволяет оптимизировать размеры лючков, оценить удобство доступа к отсекам и обслуживаемым агрегатам при различных положениях тела человека на различных этапах проектирования.
Основной недостаток применения модуля «манекен» [4] заключается в отсутствии:
- типовых положений манекена, адаптированных с учетом специфики авиационной отрасли и типовых операций по обслуживанию агрегатов авиационной техники;
- естественных ограничений поворота частей тела;
- возможности представления манекена в зимнем или специальном обмундировании;
- возможности применения вспомогательного оборудования (например, налобный фонарь).
Данные недостатки модуля вносят существенные погрешности в процессе проектирования,
моделирования, эргономической и эксплуатационной оценке на электронном макете авиационной техники.
Применение электронного манекена позволяет выработать наиболее рациональные технические решения, которые в дальнейшем подтверждаются на этапе макетирования и в процессе испытаний.
Таким образом, формирование СГО на ранних этапах разработки вертолета и детализация ее на последующих этапах проектирования способствует значительному улучшению эксплуатационно-технических характеристик вертолета. Данный подход применим и для других видов техники, но требует индивидуального подхода к формированию критериев, определяющих те или иные геометрические ограничения.
Список литературы
1. ГОСТ Р 58849-2020. Авиационная техника гражданского назначения. Порядок создания. Основные положения. М., 2020.
2. Общие авиационные требования к средствам обеспечения вертолетов на морских судах и приподнятых над водой платформах, 1990.
3. Приложение 14 к Конвенции о международной гражданской авиации, т. 2 «Вертодромы», издание четвертое, 2013.
4. ГОСТ Р ИСО 15536-1-2010 Эргономика. Компьютерные манекены и модели тела. Часть 1. Общие требования. М., 2010.
5. Куприков М.Ю. Структурно-параметрический синтез геометрического облика самолета при «жестких» ограничениях: учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2003. 64 с.
Дергачев Антон Николаевич, аспирант, banderos1225@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (государственный исследовательский университет)
THE INFL UENCE OF THE SYSTEM OF GEOMETRIC CONSTRAINTS ON THE APPEARANCE OF
HELICOPTER TECHNOLOGY
A.N. Dergachev
This article discusses the requirements to the operating conditions of the helicopter, forming geometric constraints at the design stages and their impact on the geometric appearance of the helicopter as a whole, the design and layout of individual units and units of helicopter technology are considered. The methodology for forming a system of geometric constraints is based on generalized requirements for ensuring the operational and technical characteristics of the helicopter: ensuring the basing and production of take-off and landing operations on ships, ensuring transportability, ease of access to the crew cabin, ease of access to the units during maintenance, reducing the complexity of individual operations for the maintenance of the helicopter.
Key words: helicopter, development of aviation equipment, design, geometric constraints, transportability, assembly of units.
Dergachev Anton Nikolaevich, postgraduate, banderosl225@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow aviation institute (national research university)
УДК 517.9:519.6:544.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-239-247
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РЕГУЛЯРИЗОВАННЫХ РЕШЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТНОЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ. ЧАСТЬ 2
Лэ Ван Хуен, Л.В. Черненькая
Данная работа посвящена исследованию устойчивости решения задачи восстановления параметров математической модели кинетики процесса нефтепереработки, которое найдено методом регуляризации Тихонова. Цель работы состоит в том, чтобы сделать выводы об устойчивости при малом изменении измеренных исходных данных приближенного решения (регуляризованного решения) обратной задачи. Сначала рассмотрена математическая модель кинетики процесса нефтепереработки, которая описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Потом на основе исследованной математической модели поставлена обратная задача восстановления констант скорости реакций по (измеренным) исходным данным. Далее для решения этой обратной задачи использованы метод конечной разности, метод интерполяции, метод регуляризации Тихонова. В результате расчетов найдены регуляризованное решение (приближения к искомым параметрам), являющееся приближением к искомому точному решению обратной задачи. И наконец, исследована устойчивость найденного регуляризованного решения. Именно, рассмотрено несколько случаев с небольшим изменением исходных данных. Результаты расчетов показывают, что регуляризованное решение полностью устойчиво при малом изменении исходных данных, т. е. непрерывно зависит от исходных данных. Наша работа помогает укрепить теорию в процессе построения метода решения обратных задач методом регуляризации Тихонова. В этом случае вместо нахождения точного решения обратной задачи мы полностью можем использовать регуляризованное решение для анализа, исследования и прогнозирования изменения состояния и свойств объекта исследования (для решения прямой задачи).
Ключевые слова: устойчивость, регуляризованное решение, метод регуляризации Тихонова, обратная задача, математическая модель, прогнозирования.
Численный пример. В качестве численного примера будет рассмотрена кинетика процесс нефтепереработки [1-5].
Пусть исходная смесь состоит из одного тяжелого углеводорода С. Под действием температуры и соударений углеводород С распадается на углеводороды A, B и также превращается в изомер D с тем же количеством атомов углерода, что и в исходной молекуле. Вещество D также распадается на A и B, либо обратно превращается в С. Пусть, продукты реакции A, B - это более легкие углеводороды, и с ними никаких превращений далее не происходит [2,4].
Схема химических превращений при каталитическом крекинге будет иметь вид имеет следующий вид:
C —— A + B, C —— Б,
Б —— С, Б —— А + В, В —— А,
где кх, к2, к3, к4, к5 - константы скорости реакций, с-1 [2,4].
Изменение концентрации веществ А, В, С, Б за малое время определяются по следующим формулам:
^ = К [С] + к,^^ ¿5[В], ^ = К [С] + к,[Б]-¿5[В],
^ = -(( +к2 )[С] + *з [Б], ^ = к2 [С]-(( + ¿4 )[Б],
(1)
