автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методы расширения сферы применения сверхлегких и очень легких вертолетов

На правах рукописи

Х-

ДУДНИК Виталий Владимирович

МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХЛЕГКИХ И ОЧЕНЬ ЛЕГКИХ ВЕРТОЛЕТОВ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

25 Щ 2013

Москва 2013

005531785

005531785

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном техническом университете гражданской авиации (ФГБОУ ВПО МПУ ГА)

Научный консультант - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, руководитель СКВ МГТУ ГА Никитин Игорь Валентинович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов» ФГБОУ ВПО МГТУ ГА

доктор технических наук, начальник отдела исследований изменений аэродинамических и летно-технических характеристик гражданской авиации Летно-методического центра гражданской авиации ФГУП ГосНИИ ГА

доктор технических наук, профессор, научный сотрудник Научно-исследовательского испытательного центра авиакосмической медицины 4-го

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации

Защита состоится 24 октября 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 на базе Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации - по адресу: ул. Михалковская, д.67, корп.1, Москва, РФ,

Кузнецов Сергей Викторович;

Масленникова Галина Евгеньевна;

ЦНИИ МО

Овчаров Всеволод Ефимович.

125438

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ГосНИИГА Автореферат разослан "09" 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 315.002.01,

K.T.H.

Плешаков А.И,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена проблемами в области применения вертолетов в народном хозяйстве. К ним можно отнести высокий износ занятого на авиационных работах (АР) парка воздушных судов (ВС) и несоответствие его структуры и показателей потребностям и требованиям заказчиков, низкий уровень технического обеспечения работ, противоречия интересов производителей и заказчиков АР, высокая стоимость работ и некоторые другие, снижающие объемы и качество производства АР в стране.

Эти проблемы особенно остры в связи с постепенным выводом из эксплуатации вертолетов Ми-2 и Ка-26, серийное производство которых давно прекращено. Данные ВС активно использовались на авиахимических работах (АХР), но в последнее время их количество резко сокращается. Их активно замещают на этих работах сверхлегкие самолеты и дельталеты, однако не имея индуктивного потока, и маневренности свойственной вертолетам они не могут выполнить часть АХР (в частности в пересеченной местности и на ограниченных площадях) с высоким качеством. Кроме того, отсутствие ВС с низкими эксплуатационными расходами, и возможностью движения с малой скоростью, не позволяет выполнять наблюдение за объектами и аэрофотограмметрию,' которые востребованы в сферах строительства, сельского хозяйства и ряде других отраслей экономики.' Применение сверхлегких (СЛВ) и очень легких вертолетов (ОЛВ) для АХР и аэрофотосъемки (АФС) позволяет снять часть проблем. В этой связи решение задач, расширяющих сферу применения СЛВ и ОЛВ в различных отраслях, имеет важное значение для развития авиации и экономики страны, определяет актуальность и значимость работ по созданию соответствующих методов и средств, а следовательно и темы диссертации.

Состояние проблемы. Расширение сферы использования СЛВ и ОЛВ в экономике связано с решением задач сложного характера и необходимости учета различных факторов, влияющих на эффективность их применения и безопасность полетов. К настоящему времени известно множество работ по исследованию различных аспектов применения вертолетов более тяжелого класса и выполнения на них АР, образующих основы для теоретической базы и определяющих основные направления исследований диссертационной работы.

Основными областями экономики, в которых могут найти эффективное применение СЛВ и ОЛВ, являются авиахимические работы, наблюдение за объектами и аэрофотосъемка.

Решение задач эффективного применения СПВ и ОЛВ для АХР стало возможным при использовании результатов ряда исследований, выполненных для других классов ВС. Огромный вклад в развитие теоретических основ применения летательных аппаратов для сельского хозяйства внесло ОАО «НПК ПАНХ». Ряд исследований выполнялся и специалистами других организаций, в том числе СКВ МГТУ ГА. Основы теории применения ВС для авиахимиче-

ской обработки полей разработаны С.А. Паршенцевым, B.C. Лагуточкиным, Ю.Г.Логачевым, которые для моделирования процесса использовали уравнения динамики движения изолированных частиц рабочего вещества правильной и постоянной формы и П-образные схемы вихревого следа самолетов и вертолетов. Впоследствии Б.Л.Артамонов, А.Б.Евдокимов и другие специалисты, применяли в этих задачах расчетные процедуры описания дальнего следа ВС на основе концевых вихрей их несущих систем, а также отдельных эффектов движения частиц. В исследованиях В.Б.Козловского, В. С. Деревянко, О.В.Худоленко показано, что АХР являются специфическим видом деятельности, ориентированным на требования потребителей и во многом отличающимся от воздушных перевозок, что требует разработки и использования специальных методов и средств. Структурно-функциональные и аналитические описания ВС для АХР, формирование требований к ним и рекомендаций по выбору типа, состава и показателей оборудования для разных ВС и работ, а также обоснования качественных показателей и технологических режимов проведения АХР заданным ВС в различных условиях выполнены В. П. Асов-ским.

Однако, в данных работах не рассмотрены возможности эффективного снижения сноса путем полета ВС по оптимальной траектории, компенсирующей снос химикатов в зависимости от атмосферных условий в режиме реального времени. В то время как такие маневры возможны для СЛВ и ОЛВ вследствие их высокой маневренности и наличия современных цифровых пилотажных приборов.

Другими задачами, на которые может быть расширена зона применимости СЛВ и ОЛВ, является аэрофотосъемка и наблюдение. В настоящее время СЛВ и ОЛВ практически не применяются для таких задач. В то же время в этой области было сделан ряд исследований, которые позволяют обосновать возможность расширения сферы применения СЛВ и ОЛВ для таких видов работ как аэрофотограмметрия и видеотеплосканирование. В этой связи наиболее интересны работы А.С. Назарова и Ю.Н. Корнилова, посвященные теории фотограмметрии. В классической теории фотограмметрии предполагается априорное знание базы снимков и использование двух фотоаппаратов, что для СЛВ и ОЛВ сложно осуществить ввиду малых размеров фюзеляжа ВС. Исследования в области видеотеплосканирования во многом основываются на опыте . специалистов конструкторского бюро ОАО «Азовский оптико-механический завод». Теория работы сканирующих тепловизионных устройств на воздушных судах активно развивалась такими специалистами как Д.С. Гавриловым, Г.А. Падалко, С.А. Покотило. Их исследования показывают возможность создания интегрированного сканера, адаптированного для СЛВ и ОЛВ.

В целом расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве может быть осуществлено после определения границ применимости воздушного судна. В последнее время особенно актуальными стали задачи беспилотных испытаний ВС на опасных режимах. Большое количество исследова-

ний в данном направлении выполнено в НИИ Проблем физического моделирования ХАИ. Работы его ученых А.И. Рыженко, В.О., Черановского, В.П. Максимова направлены на создание алгоритмов и принципов выполнения экспериментов с летательными аппаратами в беспилотном режиме. Однако в связи с тем, что в большинстве работ описаны беспилотные испытания самолетов, особенностям вертолетов в работах данных ученых уделяется мало внимания. .

Целью работы является расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве на основе новых методов и средств их эксплуатации. В процессе достижения этой цели решены задачи-.

- расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ для АХР;

- расширение сферы применения СЛВ и ОЛВ при выполнении задач видеонаблюдения и АФС;

- разработки методов определения эксплуатационных ограничений для СЛВ и ОЛВ.

Методы исследования использованные в работе включают в себя методы летного эксперимента, вычислительной математики, теории несущего винта вертолета, теоретической механики и динамики полета, методы идентификации летных параметров, продувки в аэродинамической трубе и эксперименты на проливной установке, а также программирование алгоритмов на ЭВМ.

Достоверность результатов исследований подтверждается сравнением теоретических и фактических данных, в т.ч. полученных автором при проведении летных испытаний, сопоставимостью расчётных данных фактическим величинам и успешной реализацией на практике полученных рекомендаций, выводов и предложений.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в полученных автором результатах и определяется:

- научным обоснованием расширения сферы возможного использования СЛВ и ОЛВ для решения экономических задач;

- разработанными методами экспериментального определения летных характеристик СЛВ и ОЛВ, учитывающими особенности этих классов ВС;

- разработанной методикой определения эксплуатационных ограничений для СЛВ и ОЛВ, совмещающей в себе выполнение пилотируемых полетов и полетов в беспилотном режиме;

- разработанным методом активного снижения вибрации на борту СЛВ и ОЛВ, базирующимся на использовании многослойных модулей из сегнетоэлектри-ческого материала;

- разработанной методикой выбора оптимальных азимутов встречи соосных двухлопастных НВ работающих в противофазе;

- установлением новых эффектов применения интерцепторов хвостовой балки, позволяющих не только улучшить путевую управляемость и снизить потребную мощность на режимах малой скорости, но и снизить вибрацию на хвостовой балке и педалях пилота;

- разработанным методом измерения потребной мощности на винтах СЛВ и ОЛВ, предусматривающим использование цифрового радиоканала для передачи данных с вращающихся элементов валов;

- разработанной методикой маловысотного адаптивного сканирования, использующей данные бортового оборудования СЛВ и ОЛВ для ориентации снимков;

- разработанной методикой определения площадей пропусков, двойной, несанкционированной обработки поля во время выполнения АХР;

- разработанным методом снижения сноса частиц рабочего вещества при выполнении АХР с использованием СЛВ и ОЛВ учитывающим реальное движение ВС над полем и параметры ветра.

Теоретическая значимость результатов исследований. Предложенные результаты исследований в виде методик могут быть использованы для расчета параметров СЛВ и ОЛВ, для определения оптимальных методов авиахимической обработки и качества АХР, теоретического обоснования использования оборудования наблюдения на СЛВ и ОЛВ.

Практическая ценность. Результаты представленных в диссертационной работе исследований могут использоваться для расширения сферы использования и повышения эффективности применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве.

С использованием предложенных методов решен ряд прикладных задач, частности:

- выполнение испытаний, подготовка к эксплуатации и создание беспилотной версии СЛВ «Роторфлай»;

- расчет характеристик и подготовка к испытаниям ОЛВ «Брат»;

- подготовка проекта сельскохозяйственного ОЛВ «Игрек»;

- подготовка проекта низковысотного тепловизионного двухспектрального сканера с неохлаждаемой матрицей;

- создание комплекса для выполнения аэрофотограмметрий с использованием сверхлегких летательных аппаратов;

- разработка пилотажного стенда легкого вертолета Яи-Ма5-240;

При выполнении НИР:

- разработка унифицированной системы вибродиагностики и мониторинга силовых установок и трансмиссий воздушных судов, 2002-2003г, инв. № 02050501017;

- разработка и создание опытного образца твердотельного авиагоризонта для сверхлегких летательных аппаратов на чувствительных элементах нового поколения, 2006-2007Г, йнв. № 02200705609;

- теоретические исследования систем инерциальной навигации с разработкой новых математических методов фильтрации для безопасных испытаний сложных подвижных объектов, 2008-2010Г, инв. № 02201153409;

- исследование влияния геометрии на аэродинамику и аэроакустику лопасти турбины ветроэнергетической установки, 2010-2011Г, инв. № 02201161097;

- математическое моделирование полета сверхлегких вертолетов, для оценки летной годности по параметрам устойчивости, управляемости и летно-техническим характеристикам 2011г, инв. №022012251365.

В учебном процессе представленные результаты были реализованы в курсах «Аэродинамика» и «Конструкция вертолетов» кафедры "Вертолетострое-ние" ДГТУ, в программах повышения квалификации Института управления и инноваций Авиационной промышленности.

Предложенные методики использовались при выполнении оценки экологического ущерба АХР и подготовки программ мониторинга состояния окружающей среды.

Апробация работы. Основные положения работы, научные и практические результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Европейском вертолетном форуме (2007 г.), форуме Российского вертолетного общества (2006), конференции «Исследования и образование в конструировании летательных аппаратов» (Варшава, 2010 г.) и других международных, всероссийских, отраслевых и вузовски*'; научно-технических конференциях и семинарах (УГАТУ 2008; МАИ 2010, МПТУ ГА, 2011 г.г.). Отдельные результаты выполнения работы были отмечены призами нескольких научно-технических конкурсов, в частности в конкурсе Южно-Российского отделения Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (1998 г.), в конкурсе Ростовского отделения Российской инженерной академии (2000 г.), в конкурсе молодых ученых им. ¡акад. И.И. Воро-вича (2002 г.), на всероссийском конкурсе научно-исследовательской и инновационной деятельности «Иннов 2007» (2007 г.), в конкурсе «Высокие технологии 21 века» (2010г.). В 2006 г. работа была удостоена гранта фонда СРМФПНТС.

Публикации. Отдельные результаты диссертации опубликованы в одной монографии, 82 научных статьях, 19 из которых входят в перечень рекомендованный ВАК и 5 отчетах о НИР, в которых автор являлся ответственным исполнителем или научным руководителем. По результатам работы официально зарегистрированы 3 программы и получено 5 патентов.

На защиту выносятся".

- методы расширения сферы применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве;

- концепция маловысотного сканера с адаптивным сканированием, интегрированного с бортовым оборудованием СЛВ и ОЛВ;

- методика определения оптимального азимута встречи лопастей двухлопастных соосных несущих винтов по величине экстремумов сил НВ;

- методика определения качества АХР посредством определения обработанной площади поля, площади пропусков, площади поля с повышенной плотностью обработки, площади несанкционированной обработки (выход за границу поля). . •

- методика определения границ эксплуатации СЛВ и ОЛВ в беспилотном режиме, включающая способы создания системы автоматического управления и определения передаточных функций для беспилотных испытаний СЛВ и ОЛВ;

- методы совмещения ручной системы управления и электрических исполнительных механизмов;

- принципы создания оборудования регистрации параметров СЛВ и ОЛВ, методика определения крутящего момента на валах СЛВ посредством цифрового радиоканала;

- метод снижения вибрации на режимах эксплуатации СЛВ и ОЛВ путем использования активной системы снижения вибрации, базирующейся на твердотельном исполнительном устройстве, совмещающем прямой и обратный электрострикционный эффект;

- метод улучшения характеристик одновинтовых СЛВ и ОЛВ путем установки дополнительных устройств - гребней хвостовой балки;

- базы статистических, экспериментальных и расчетных данных, описания элементов программного обеспечения необходимого для определения эксплуатационных ограничений СЛВ и ОЛВ.

Структура работы. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, шести глав, заключения, списка литературы из 247 наименований. Общий объем диссертации 377 страниц, содержащих 228 рисунков и 34 таблицы. Основная часть изложена на 349 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, сделан обзор основных работ на тему исследований, представлены сведения по существу выполненной диссертационной работы и выносимые на защиту положения, а также сведения об апробации и внедрении результатов работы и о публикациях.

В первой главе приведена классификация вертолетов. Представлена ситуация в области государственного регулирования, развития теории и конструкции вертолетов малых весовых категорий в мире.

Двухместные СЛВ и ОЛВ, количество которых в настоящий момент в мире быстро растет, могут быть применены для решения ряда практических задач. Наибольшую роль в появлении и развитии двухместных СЛВ и ОЛВ сыграли США и Италия. Вслед за производителями из дальнего зарубежья изготовление ОЛВ началось в Украине. В России также осуществляются попытки запуска производства СЛВ и ОЛВ.

Основным критерием, в соответствии с которым ВС делятся на категории, является максимальная взлетная масса. Согласно классификации, принятой международной авиационной федерацией (ФАИ), к СЛА относятся двухместные ВС со взлетной массой в сухопутном варианте не выше 450 кг, в гидроварианте - не выше 495 кг. Сравнительно недавно в мире появился класс очень легких воздушных судов. В Европейском союзе такие воздушные суда регламентируются нормами для самолетов и ЗАв-УУ* для вертолетов

и автожиров. имеют ограничение максимальной взлетной массы ВС

750 кг, - 600 кг. Опыт развития вертолетов малой весовой категории

показывает неясность весовой классификации JAR-VLR, т. к. вертолеты, подпадающие под классификацию 450-600 кг, практически не выпускаются. Допуск к эксплуатации очень легких вертолетов в Великобритании регулируется собственными правилами BCAR VLH. Согласно требованиям BCAR VLH максимальная взлетная масса не более 750 кг.

В США реальное распространение получили малогабаритные ВС, подпадающие под экспериментальный класс вертолетов домашней постройки -Experimental home-built, FAR 21.191 (g). Похожие требования, в соответствии с правилами АМА 549.201, предъявляются к вертолетам со взлетным весом до 700 кг в Канаде, производящей такие вертолеты.

Российский Воздушный кодекс устанавливает максимальную взлетную массу для любых сверхлегких ВС 495 кг. Они, как правило, проходят упрощенную сертификацию как единичные ВС. Согласно Воздушному кодексу следующим классом является класс легких вертолетов с ограничением 3100 кг. Этот класс в основном сертифицируется по нормам АП-27 (аналог FAR-27 и JAR-27), которые применяются для вертолетов со взлетным весом до 2720кг. Из этой классификации практически выпадают как зарубежные, так и отечественные вертолеты взлетной массой от 495 до 750 кг, не проходившие сертификацию по нормам FAR/JAR/АП-27. Превышая допустимую массу для сверхлегких вертолетов, класс ОЛВ имеет много общего с СЛВ по особенностям конструкции и эксплуатации. В то же время эти классы имеют весьма много отличий от класса легких вертолетов. В соответствие с иностранными аналогиями вертолеты с максимальным взлетным весом от 495 до 750 кг, не проходившие сертификацию по АП-27 целесообразно рассматривать как класс очень легких вертолетов. Опыт иностранных государств свидетельствует о потребности внесения класса ОЛВ в законодательные акты Российской Федерации. Очевидно, что в связи с ростом эффективности ОЛВ и их количества потребность в появлении новых законодательных актов будет расти.

Отдельные требования, отличные от требований предъявляемым к более тяжелым аппаратам, обусловлены низкой потенциальной опасностью СЛВ и, ОЛВ по отношению к третьим лицам и окружающей среде. Данные, позволяющие сравнить потенциальную опасность различных классов ВС показывают, например, что потенциальная опасность ОЛВ Exec 162 сравнима с потенциальной опасностью легкового автомобиля, в то же время потенциальная опасность легкого вертолета Ми-34 уже на порядок выше. Этим, прежде всего, и объясняются упрощенные подходы к сертификации и либеральные правила полетов для СЛВ и ОЛВ во многих странах.

Вторая глава посвящена анализу возможностей применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве.

Применение GIB и ОЛВ для выполнения транспортных операций малоэффективно, вследствие малой полезной нагрузки и ограничений на полеты, однако они с успехом могут использоваться для выполнения АХР и решения задач наблюдения, АФС.

За последние годы произошло существенное изменение основных средств и видов авиахимической обработки. Сказалось влияние двух факторов. Во-первых, изменилась и продолжает интенсивно меняться структура сельскохозяйственных площадей в России. Это связано с расширением участия России в процессе глобализации производства продуктов питания и интенсивным изменением климата, бо-вторых, изменилась структура парка ВС, использующихся для АХР. Если двадцать лет назад АХР выполнялись с помощью самолетов Ан-2 и вертолетов Ми-2, Ка-2б, то в настоящее время 70% АХР выполняется сверхлегкими ВС. СПВ и ОЛВ сочетают в себе преимущества вертолетов (индуктивный поток несущего винта (НВ)) и сверхлегких самолетов (низкая стоимость летногр часа). Двухместные СЛВ и ОЛВ, появившиеся в последние годы, позволяют поднимать 120-150 кг химических препаратов и успешна выполнять АХР. СЛВ и ОЛВ за рубежом применяются на АХР уже в течений нескольких лет, однако в России этого не наблюдается. Выполненный экономический «анализ показал, что себестоимость применения СЛВ и ОЛВ на АХР существенно ниже применения существующих самолетов Ан-2 и вертолетов Ми-2. Получившееся не пользу СЛВ и ОЛВ сравнение себестоимости с сельскохозяйственными дельталетами компенсируется. гораздо большими технологическими возможностями первых. Исходя из величин полезной нагрузки СЛВ и ОЛВ, оптимальным является использование в АХР малообъемных методов химической обработки растений. Микрокапельное опрыскивание, характерное для малообъемной обработки, в сочетании с индуктивным следом СЛВ и ОЛВ могут обеспечить высокое качество обработки, обусловленное максимально возможным покрытием растения с разных сторон. Однако, в то же время, малообъемная обработка растений требует высокой точности внесения химических препаратов с учетом текущего состояния ветра. Микрочастицы в индуктивном следе НВ СЛВ или ОЛВ могут привести к серьезным последствиям от сноса концентрированных растворов на соседние посевы или лесополосы. Таким образом, для эффективного применения СЛВ и ОЛВ на АХР целесообразно решить задачу создания системы повышающей точность внесения рабочих веществ.

Вследствие малых затрат и высокой маневренности применение СЛВ и ОЛВ экономически оправдано для целей наблюдения, съемки и сканирования местности. При этом может быть использован несколько иной подход, нежели для более тяжелых ЛА. Стабилизирующие устройства могут не использоваться или не иметь своей измерительной части, что понижает стоимость и вес съемочного'оборудования. Однако для тогб, чтббы получить не только высокое качество снимков, но и использовать штатное пилотажное оборудование СЛВ и ОЛВ для ориентации камеры в режиме реального времени или изображения при постобработке, требуется понижение вибрации на борту. Низкий уровень вибрации позволяет получить приемлемые данные по точности от простых пилотажных приборов, инерциальные модули которых обычно выполнены на элементах, использующих MEMS технологии. Вследствие невысокой стабильности эффективность работы таких-модулей зависит от частоты

и уровня вибрационных колебаний на ВС. Расчеты и эксперименты показывают, что СЛВ и ОЛВ могут быть эффективны для выполнения аэрофотограмметрии, т.е. технологии измерения изображений объектов или участков местности с помощью снимков, получаемых воздушным фотографированием. Для получения трехмерного изображения объектов необходимо осуществить множественную съемку местности. Развитие современной электроники привело к тому, что простые системы определения углового положения и пространственных координат могут быть реализованы на СЛВ и ОЛВ с помощью одного фотоаппарата, позволяющего определить сгереобазу съемки с приемлемой точностью. При этом целесообразно использовать дифференциальный приемник СНС. Использовать штатное оборудование как источник первичной информации должен также маловысотный тепловизор с адаптивным сканированием - «смотрящей» матрицей, оптимизированный для малых ВС. Разработанная концепция показывает, что такое устройство может иметь небольшой вес и высокую эффективность на ОЛВ и СЛВ. «Смотрящая» матрица, работающая в дальнем диапазоне с длиной волны 9-12 мкм, позволяет накапливать тепловое изображение. В таком сканере возможно проектировать изображение на матрицу сравнительно небольших размеров (320x256 элементов). Применение принципа адаптивного косого сканирования позволяет обеспечить обзор наблюдаемой поверхности в широком поле зрения без потери разрешения. Главным условием использования бортового оборудования СЛВ и ОЛВ для ориентации зеркала сканера является приемлемая точность определения значений углов в 0,25-0,3 Величины мгновенного поля зрения аппаратуры, что возможно получить при недопущении; высокой вибрации на борту. -■< ■ :■■■

Для того чтобы решить задачи/ связанные с расширением сферы применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве первоначально должны быть определены эксплуатационные ограничения ВС и влияние на них навесного оборудования. Решение этих задач требует выполнения теоретических расчетов и практических экспериментов. Испытания СЛВ и ОЛВ существенно осложнились вследствие появления в последние годы соосных вертолетов и баллистических систем спасения. Соосные вертолеты могут иметь схлестывание лопастей на некоторых режимах, а определение режимов работы баллистической системы спасения вообще невозможно в практических экспериментах с человеком на борту, вследствие чего напрашивается вывод о необходимости выполнения испытаний, по крайней мере, на опасных режимах в беспилотном варианте.

Таким образом, для расширения сферы применения СЛВ и ОЛВ в экономике необходимо определение эксплуатационных ограничений этих ВС, снижение виброактивности на борту и автоматизация процесса движения ВС во время АХР в соответствие с текущими атмосферными условиями (рис.1).

Рис. 1. Задачи расширения сферы применения СЛВ и ОЛВ.

В третьей главе представлены особенности теоретического определения границ и параметров эксплуатации СЛВ и ОЛВ.

Границы эксплуатации в первую очередь зависят от параметров НВ. Как .известно, при увеличении горизонтальной скорости эффективность винта сначала растет, а затем снижается. На снижение летных характеристик СЛВ и ОЛВ также оказывает влияние навесное оборудование, необходимое для применения ВС в народном хозяйстве. Выполненный на примере одновинтового ОЛВ «Игрек» расчет влияния навесного опрыскивающего оборудования, аэродинамические параметры которого определялись на автомобильном стенде, показывает меньшее снижение летных характеристик при использовании оборудования высокого давления форсуночного типа. На рис. 2 представлены примеры расчетов потребной мощности без распылителей (1), с распылителями форсуночного (2) и центробежного (3) типа. Видно, что установка форсуночного оборудования снижает крейсерскую скорость, но меньше центробежного оборудования.

В настоящее время растет число типов СЛВ и ОЛВ соосной схемы, что обусловлено высокой эффективностью их несущей системы и разработанными в последние годы новыми принципами управления НВ. Соосные ВС еще находятся в стадии разработки, испытаний и опытной эксплуатации, но следует ожидать, что в ближайшие годы они найдут широкое применение. В соответствие с этим является актуальным определение их параметров на режимах АР. Расчеты, выполненные для НВ сельскохозяйственной модификации ОЛВ «Брат» показывают, что вследствие наличия вихревой пелены от верхнего

винта при одном и том же коэффициенте крутящего момента нижний винт имеет коэффициент тяги на 18 20% ниже.

Высота Н=0 м

а б

Рис. 3. Распределение углов атаки (а) и коэффициента подъемной силы (б) по диску верхнего IIB СЛВ «Роторфлай» в горизонтальном полете на скорости 80км/ч (черным отмечена зона с большими перепадами значений).

о ...........................................-....................................—......................................................

29 40 ВО -80 1(10 120 140 160

Сксрость КМ/Ч

Рис 2, Графики потребной и располагаемой мощностей ОЛВ «Игрек» с установленным опрыскивающим оборудованием и без него.

На режимах горизонтального полета, согласно ряду исследований, выполненных на соосных вертолетах, на скоростях р=0,2-0,25 параметры верхнего и нижнего винтов выравниваются. Расчеты эксплуатационных режимов, выполненные на примере СЛВ «Роторфлай», показывают неравномерность углов атаки по диску (рис. За) и несущей способности HB (рис. 36) при пропульсив-ном движении. Интегрирование подъемной силы лопастей показывает периодические колебания тяги всех лопастей HB. При встрече лопастей верхнего и нижнего HB на азимутах 0°, 90°, 180°, 270° фазы колебаний могут быть

близки друг к другу. Меняя азимуты встречи лопастей, возможно перевести проходные гармоники верхнего и нижнего НВ в состояние противофазы. Для выбора оптимального угла встречи лопастей НВ разработаны методика и программное обеспечение, которые позволяли определять оптимальные азимуты встречи лопастей.- На рис. 4 представлена зависимость интенсивности колебаний тяги винтов от угла смещения лопастей на скорости полета 100 км/ч. Как показывает зависимость, оптимальное смещение, при котором вторая

монике от угла смещения лопастей СЛВ «Роторфлай».

гармоника НВ будет находиться в противофазе, составляет 105°, Такое смещение Соответствует азимуту совмещения лопастей 37,5° (рис. 5). Однако само по себе применение эффективного НВ не гарантирует

Рис. 5. Вид сверху на СЛВ и ОЛВ «Роторфлай» до (а) и после (б) изменения углов совмещения лопастей.

высокого качества выполнения АР. Неточное внесение препаратов при АХР, вызванное в первую очередь ветром, может нанести существенный урон как окружающей среде и соседним посевам, так и здоровью людей. При проведении АХР влияние бокового ветра на оседание капель, учитывается субъектив-

но летчиком воздушного судна. Такой подход не позволяет достичь высоких результатов точности и равномерности внесения мелкодисперсных капель, характерных для СЛВ и ОЛВ. Для повышения эффективности СЛВ и ОЛВ на АХР была разработана расчетная методика учета сноса химических веществ. Учет распределения частиц велся послё определения направления, скорости ветра с дальнейшим расчетом зоны обработки, по алгоритмам расчета осаждения капель. Структурная схема такогц,расчета показана на рис. 6. Данный подход может быть применен практически к любым летательным аппаратам, однако эти алгоритмы и их техническая реализация оптимизированы для оборудования СЛВ и.ОЛВ. Учитывая, что на гонах во время АХР углы крена и тангажа близки к нулю, возможно определять направление и скорость ветра по разнице курсов и скоростей летательного аппарата. Такой метод прост и не требует использования сложных устройств. Сначала определяется угол сноса по разнице между истинным, и магнитным курсом вертолета. После этого рассчитывается скорость и направление ветра. Для вычисления угла магнитного курса можно использовать показания штатного , магнитометра СЛВ и ОЛВ, истинного курса и путевой скорости - СНС, воздушной скорости -модуль воздушных сигналов штатного пилотажного прибора. После определения скорости ветра необходимо выполнить расчет осаждения капель..

Рис. 6. Схема определения качества авиахимической обработки и работы ассистирующей системы пилота сельскохозяйственного ЛА.

Для этого была создана модель движения капель после выброса из распылителей сельскохозяйственного вертолета. Методика создана на основе уравнений движения частиц в потоке газа. Согласно ряду исследований, процесс

распыления капель при АХР можно рассматривать как двухфазную среду с очень малой концентрацией. Тогда вначале решаются уравнения движения газа, а затем по известным его параметрам определяются траектории частиц и изменение их состояния вдоль траекторий. Траектория движения частицы после выброса может быть определена интегрированием проекций мгновенных скоростей изменяющихся под воздействием потоков воздушных масс. Течение в каждой точке пространства вблизи сельскохозяйственного вертолета может рассматриваться происходящим под действием природных атмосферных потоков и воздушных масс, перемещаемых несущим винтом вертолета. При выполнении расчетов необходимо учитывать градиент скорости, возникающий вследствие торможения ветрового потока у земли.

По описанной методике была создана программа расчета траектории частиц, распыленных вертолетом в процессе сельскохозяйственной обработки. Интегрирование уравнений движения с учетом поля скоростей внешнего потока производилось численным методом. Получаемые расчетные данные могут быть использованы в ассистирующих или автоматических системах управления химическим оборудованием ВС в режиме реального времени. Реализация данных алгоритмов на дополнительных устройствах визуализации или управления позволит компенсировать увеличение сноса рабочих веществ при применении мелких капель СЛВ и ОЛВ при АХР. Для того чтобы эксплуатанты и сельхозпроизводители могли оценить точность внесения рабочих веществ также необходимо произвести расчет следующих величин площади обработки: обработанная площадь поля, площадь пропусков на поле, площадь поля с удвоенной плотностью обработки, площадь несанкционированной обработки соседних территорий. Разработанная методика такого расчета осуществляет его по записям траектории ВС во время АХР, параметрам атмосферы и модели осаждения капель.

В четвертой главе представлены методы и средства экспериментального определения эксплуатационных ограничений СЛВ и ОЛВ. Определено, что на^ критических режимах определение эксплуатационных ограничений целесообразно делать путем проведения беспилотных испытаний.

Учитывая, что определение эксплуатационных ограничений вертолетов на некоторых режимах является потенциально опасной задачей, что особенно усугубилось в связи с появлением соосных СЛВ и ОЛВ и оснащением баллистическими системами спасения, предлагается решать ее путем установки системы автоматического управления (САУ). Построение и отладка САУ является технически сложной задачей и часто приводит к авариям ВС в беспилотном режиме. Для недопущения этого предлагается методика значительно упрощающая процедуру создания САУ.

Методика предполагает построение САУ и проведение испытаний на граничных режимах в три этапа. На первом этапе проводятся полеты СЛВ и ОЛВ в пилотируемом режиме в испытанном диапазоне параметров с записью и идентификацией полетной информации, построением алгоритмов работы САУ. На втором этапе осуществляется отработка САУ совместно с пилотом на

борту. Для безопасности таких полетов должна быть предусмотрена возможность аварийного отключения каналов не только электрическим, но и механическим путем. Третий этап предполагает испытания вертолета в отсутствие человека, в том числе на критических режимах полета, включая испытания систем спасения ВС.

Идентификацию летных характеристик вертолета целесообразно провести с помощью измерительной системы, определяющей ЛТХ ВС и данные о положении органов управления. Кроме того, система бортовых измерений может быть использована для определения летных характеристик СЛВ и ОЛВ. В соответствии с потребностями испытаний (в пилотируемом и в беспилотном режимах) был разработан комплекс регистратора динамических параметров (РДП), оптимизированный для СЛВ и ОЛВ, т. е. имеющий малые габариты, модульную, легко наращиваемую структуру и потребное напряжение питания 12 В. Для измерения параметров полета в РДП используются следующие средства: СНС, система воздушных сигналов, Инерциальный измерительный блок (ИИБ), система контроля двигателя, блок обработки данных потенциометров, магнитометр, измеритель крутящего момента (рис. 7). Уменьшение

Рис. 7. Схема комплекта измерительного оборудования и регистрации параметров полета СЛВ и ОЛВ.

запаздывания получения данных осуществлялось с помощью СНС чипсета с частотой обновления данных 10 Гц. Для оценки баланса мощности, потребляемой агрегатами вертолета, был разработан оригинальный измеритель крутящего момента, устанавливаемый непосредственно на валу. Датчики могут быть как на валу НВ, так и на трансмиссионном валу. Приемник информации с валов может быть один, установлен вблизи регистратора данных. Для пере-

дачи показаний с вращающегося вала применяется цифровой радиоканал. На устройство получен патент.

Основные параметры силовой установки ВС фиксируются РДП с помощью отдельного блока контроля двигателя, передающего в регистратор данные по CAN интерфейсу. Для их получения используются штатные датчики силовой установки. Учитывая, что измерительные преобразователи двигателей меняются при изменении типа двигателя или его модификации, блок контроля двигателя должен легко конфигурироваться под конкретный объект. В блоке, собранном в соответствии с описанными выше подходами, данные, кроме регистрации, параллельно выводились на экран специализированного монитора.

При построении САУ такого неустойчивого объекта как СЛВ наибольшую сложность представляет определение ее передаточных функций. Наиболее простым способом определения функций является их идентификация по записям летных параметров. Для решения данной задачи применительно к СЛВ «Роторфлай» были проведены испытательные полеты.

В данных испытательных полетах СЛВ «Роторфлай» исследовались: путевая устойчивость вертолета за счет ступенчатых перемещений педалей на половину и полный диапазон в противоположные стороны на режиме висе-ния; продольная и поперечная устойчивость вертолета путем ступенчатых поперечных перемещений ручки циклического управления; характеристики скороподъемности с различным положением ручки «Шаг-Газ» и «Коррекция». По результатам полетов с помощью стандартных средств пакета идентификации системы MATLAB были получены аппроксимирующие передаточные функции СЛВ «Роторфлай» в каналах управления углами тангажа, крена и курса. Передаточные функции управления общим шагом уточнялись в дальнейшем при включении системы поддержания частоты вращения НВ. Пример записи полета и смоделированной передаточной функции показан на рис. 8.

На основе полученных передаточных функций, непосредственно на борту СЛВ «Роторфлай» была реализована САУ. Измерительная и вычислительная часть САУ была выполнена на основе РДП. В процессе подготовки САУ был решен вопрос выбора необходимых исполнительных механизмов (ИМ) и их совмещения с механической проводкой управления. При совмещении электрических ИМ с механической системой управления особенно важно уделять внимание решению задач безопасности. В соответствии с этим разработаны схемы включения ИМ САУ, позволяющие использовать систему управления только на отдельных режимах полета, поканально или одновременно. Для того, чтобы пилот на этапе отработки САУ имел возможность оперативно вмешиваться в управление, компенсируя ошибочные действия автопилота, были разработаны оригинальные механизмы, позволяющие летчику полностью блокировать неадекватные действия ИМ. Были разработаны механизмы как для обратимых, так и необратимых приводов. Конструкция совмещения необратимых ИМ, несмотря на некоторую сложность, позволяла пилоту иметь

Рис. 8. Управление угловой скоростью курса, Записанное значение угловой скорости курса (Му, °/с), перемещение педалей пилота показано в виде процентов отклонения от величины полного диапазона (Орес1а1, %), значение синтезированных сигналов угловой скорости курса (Шу Бт, °/сек).

больший ход ручки управления полностью компенсирующим возможные некорректные перемещения САУ. Включение обратимого привода может быть весьма простым, не требующим серьезных доработок конструкции для выполнения испытаний, однако в обесточенном состоянии он не должен оказывать существенного сопротивления движению проводки. Само же совмещение осуществляется через систему колец соединенных заклепками. При включении САУ, ИМ «берет на себя» управление, и органы управления в кабине в этом случае начинают перемещаться в соответствии с алгоритмами автопилота. При возникновении нештатных ситуаций пилот должен отключить электрическое питание ИМ, В случае поломки электрического управления ИМ или заклинения ИМ, пилот, прикладывая усилие к органу управления, срезает заклепки и освобождает проводку управления,

Схема размещения оборудования САУ на СЛВ «Роторфлай» представлена на рис. 9. Основной модуль 1, включающий в себя вычислитель, индикатор, барометрические датчики, устанавливался в передней части кабины вертолета. К нему были пристыкованы блок контроля двигателя 13 и радиомодем 2. Тумблеры 3 общего и поканального включения САУ ставились на ручке циклического шага, Вблизи центра тяжести аппарата находился ИИБ 4. К силовым элементам задней стенки кабины ставились ИМ путевого 5, продольного 6, поперечного 7 управления и общего шага 8. Автомат поддержания частоты вращения 9 подвешивался непосредственно на вертикальной тяге проводке управления. На хвостовой балке устанавливалась антенна СНС 10 и магнито-

Работа каждого канала управления проверялась при их поочередном включении. Оценка эффективности короткопериодического движения вертолета производилась в ходе анализа записанных параметров, оценок пилотов и возможности СЛВ «Роторфлай» совершать устойчивое движение. На рис. 10 представлен пример работы САУ в канале поперечного управления. Нижний график показывает момент включения и выключения канала (1 соответствует включенному состоянию). В среднем окне можно видеть графики измеренного и заданного угла крена. Верхний график показывает задаваемые коды управления каналом и коды ДОС положения ручки управления в поперечном направлении.

Рис. 10. Запись работы канала стабилизации продольного управления САУ СЛВ «Роторфлай» во времени.

метр 12. Управление вертолетом осуществлялось по четырем каналам - крену, тангажу, рысканью, общему шагу. Частота вращения поддерживалась на постоянном уровне.

Рис. 9. Схема размещения оборудования САУ на борту СЛВ «Роторфлай».

На графиках видно, что автопилот компенсировал возмущения, стабилизируя вертолет со статической ошибкой 2°. В этот период времени вертолет сохранял свои полетные параметры.

Записанные данные о работе САУ свидетельствуют, что СЛВ «Роторфлай» с выбранными коэффициентами законов управления выполняет пространст венную стабилизацию в широком динамическом диапазоне с приемлемым качеством, достаточным для выполнения полностью автоматического полета, Таким образом, разработанная методика и примененное оборудование мо гут быть использованы для организации процесса испытаний для определения границ эксплуатации СЛВ и ОЛВ.

В пятой главе проведен анализ методов исследования и способов уменьшения вибрационной активности на борту, необходимой для использования СЛВ и ОЛВ в задачах аэрофотосъемки и наблюдения.

Пример анализа вибрационных характеристик СЛВ и ОЛВ и путей снижения виброактивности выполнен на примере сверхлегкого винтокрылого аппарата «Роторфлай». Записи откликов отдельных агрегатов, выполненные на земле и замеры виброускорения в полете, показали, что на висении наиболее заметны первая гармоника НВ и вибрация с частотой работы комбинированной муфты (рис. 11). В процессе увеличения скорости вертолета начинает

10,00 9.00

£ а.оо

1 7® ...I «да

^ 1.00 о.оо

0 20 40 60 80 100

Скорость, км/ч

Рис. И. Среднеквадратичное значение виброускорений СЛВ «Роторфлай»

доминировать вторая гармоника несущего винта, что обусловлено появлением и увеличением перекоса обтекания НВ в горизонтальном полете. На основании данных замеров были разработаны методы регулировки установки двигателя и комбинированной муфты, используемые в процессе эксплуатации.

В качестве мер по снижению вибрации было предложено несколько подходов.

Во-первых, как указывалось в главе 3, перестановка азимута встречи двухлопастного соосного НВ может привесги к снижению проходной гармоники на рабочей скорости полета. Проверка данного расчета выполнена на СЛВ

«Роторфлай» показала, что на скорости полета 100 км/ч снижение составило 1,6 раза (рис. 12). Несмотря на то, что на скорости 120 км/ч снижение было еще больше - 1,7 раза, вибрация в этом диапазоне уже имела тенденцию к значительному росту. Замеры на частоте первой гармоники показали, что ее значения практически не меняются.

Во-вторых, производителям ВС рекомендовано организовывать повышение диссипативных характеристик лопастей. Для этого в частности могут быть использованы упругодиссипативные демпферы в комлевой части лопасти.

Рис. 12. Замеры второй гармоники вертикальных колебаний СЛВ «Роторфлай» с азимутами встречи лопастей верхнего и нижнего НВ 0° и 37°.

В-третьих, для снижения вибрации на эксплуатационных режимах СЛВ и ОЛВ могут быть применены активные системы снижения вибрации. Наибольшую сложность в активных системах снижения вибрации представляет собой силовые элементы - активаторы. Они должны иметь высокую скорость срабатывания и быть в состоянии перемещать большие нагрузки. В результате исследования оптимальной конструкции простой активной адаптивной системы снижения вибрации для СЛВ и ОЛВ было разработано твердотельное исполнительное устройство, которое базируется на многослойных элементах из сегнетоэлектрических материалов. Особенностью устройства являлось использование не только большого количества слоев электромеханического преобразования, но и одного слоя механоэлектрического преобразования, позволяющего контролировать усилие, приходящее на опору и вырабатывать сигнал пропорциональный приходящей вибрации. На данное устройство получен патент на изобретение.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям эффективности СЛВ и ОЛВ на авиахимических работах.

Как уже указывалось ранее, вследствие малых размеров частиц распыляемых оборудованием СЛВ и ОЛВ и наличия индуктивного потока,

увеличивающего снос, для эффективного применения данных,ВС на АХР целесообразно применять системы и устройства, повышающие точность внесения рабочих веществ. Для сравнения расчетных результатов полученных по модели осаждения частиц с реальными данными первоначально необходимо определить диаметр самих частиц и дисперсность распределения диаметров. Для решения этой задачи, наиболее простыми методами, с точки зрения оснащения эксперимента, являются анализы отпечатков капель. Было определено, что мелкие капли ясно видны на стеклах в инвертированном изображении и выработаны алгоритмы пересчета отпечатков в диаметры частиц. Это позволило определить диаметры частиц для дальнейших экспериментов.

Учитывая, что на сегодняшний день СПВ и 0/1В для выполнения АХР пока применяются крайне редко и провести на них эксперименты, затруднительно,. тестовые расчеты и эксперименты были сделаны для сельскохозяйственного вертолета Ми-2. Несмотря на то, что этот вертолет не относится к рассматриваемым классам ВС, все математические зависимости, представленные ранее должны оставаться справедливыми и для него. Для уменьшения расчетов и более качественного анализа границ сноса частиц, точки выброса на распыляющей штанге были заданы неравномерно. В центральной зоне, там, где капли меньше оказывают влияние на снос, точки выброса были заданы реже. Данные, полученные в результате замеров, (как в условиях встречного ветра, так и бокового) подтвердили результаты расчетов, выполненных по модели осаждения капель. Был сделан вывод о возможности использования модели при решении задач коррекции движения ВС. Также было определено, что при наличии бокового ветра, полоса обработки, соответствующая штанге, расположенной с подветренной стороны, существенно сжимается, а полоса, соответствующая противоположной штанге, - растягивается. Соответственно, и плотность концентрации с одной стороны возрастает, а с другой - падает. На асимметрию обработки, в условиях существования даже небольшого бокового ветра, существенное влияние оказывает взаимодействие капель с вихревыми шнурами. Небольшая плотность вещества, существующая за внешней границей теоретической полосы обработки, объясняется наличием спектра капель меньшего диаметра в распыленном облаке.

Для проведения эксперимента по определению сноса распыляемых частиц непосредственно во время полета были задействованы некоторые модули РДП, представленные в главе 4. Фактически для расчета сноса могут использоваться данные от штатных цифровых систем ВС как сверхлегкой, так и очень легкой категорий дополненные специализированным контроллером. Для выполнения эксперимента по проверке эффективности такого подхода был выполнен полет. График рассчитанной скорости ветра показан на рис. 13. На графике отмечены временные интервалы химической обработки, засекаемые по включению и выключению кнопки на ВС. Величина погрешности по скорости ветра составила 6,2%, а по направлению - 3,2%. Точность системы можно повысить путем введения фильтрации сигналов в начальной

части гона с использованием данных о ветре предыдущего гона. По полученным в результате эксперимента табличным данным была построена траектория полета и карта обработки поля. В частности расчет площади обработки показал, что в данном эксперименте не подверглось обработке 12,0% поля, двойной обработке подверглось 14,7%, подверглись несанкционированной обработке соседние территории - 8,3% от всей площади обработки. В случае увеличения скорости ветра, погрешности обработки поля в виде увеличенной плотности химических веществ, обработки соседних территорий и необработанных площадей без дополнительного ассистирующего оборудования будут весьма существенными. Таким образом, можно сделать вывод, что применение ассистирующих систем, совмещенных со штатным оборудованием СЛВ и ОЛВ, может сделать выполнение АХР с их помощью весьма эффективными. Однако , для того, чтобы учесть поперечную неравномерность плотности осаждения частиц, целесообразно использовать датчики дифференцированного расхода рабочих веществ. Для того чтобы такие датчики нашли применение на СЛВ и ОЛВ, они должны быть малогабаритными, иметь низкую стоимость и иметь минимальное гидравлическое сопротивление рабочей жидкости. Анализ возможных принципов применения показал, что в условиях небольшого расхода жидкости, характерного для распылительных штанг, наиболее подходящим по сумме критериев эффективности выглядит термодинамический принцип. В соответствие с этим был разработан позисторный пре образователь расхода. Для проверки характеристик и исследования возможности калибровки позисторного датчика проводились замеры на стендовой проливной установке. Был выбран датчик с оптимальным позистором, для которого определена полиномная функция силы тока от расхода жидкости, которая использовалась в программном обеспечении контроллера обработки

КМ ^М I«'

Вгт*». «>

Рис. 13. Величина модуля скорости ветра, определенная во время полета над тестовым полем.

данных. Применение датчиков для регулирования подачи жидкости в каждую штангу в соответствии с текущими атмосферными условиями позволит существенно выровнять плотность оседания мелких частиц, характерных для СЛВ

24

и ОЛВ, и повысить качество обработки полей. Учитывая, что основную часть С/1В и ОЛВ составляют одновинтовые летательные аппараты, следует отметить, что не только информационный контроль за сносом влияет на качество АХР, но и путевая управляемость ВС. На режимах малой скорости, на которых выполняется большинство химических работ, эффективность рулевого винта (РВ) невысока, вследствие чего наблюдается перекос в путевом управлении -вертолет начинает разворачиваться гораздо быстрее в одну сторону, чем в другую. В некоторых случаях - при высокой загрузке и боковом ветре - педа ли могут, вообще, стать, на упор. При полной нагрузке пилот увеличивает мощность и соответственно шаг РВ. При этом запас шага на управлении снижается. При наличии бокового ветра, совпадающего по направлению с индуктивным потоком РВ, путевое управление должен парировать еще и это воздушное течение. Увеличить путевой момент можно установкой дополнительных устройств - гребней, выполняющих роль интерцепторов, отрывающих индуктивный поток несущего винта от одной стороны хвостовой балки и в результате создающих разность давлений и сил на хвостовой балке, а в конечном счете и момент относительно НВ. В качестве основного интерцептора, отрывающего поток, используется верхний гребень. Однако на некоторых углах обтекания его может быть недостаточно для гарантированного отрыва. Возврат потока к поверхности хвостовой балки приведет к уменьшению разности давлений между правым и левым бортами. Для предотвращения этого целесообразно использовать нижний гребень. Коэффициент боковой силы, создаваемой интерцепторами, в первую очередь зависит от угла атаки хвостовой балки. Для определения зависимости коэффициента боковой силы от величины угла атаки хвостовой балки эффективно проведение экспериментов в аэродинамической трубе (рис. 14 а). Эксперименты проводились в зоне ав-томодельносги на двух моделях средней части сечения хвостовой балки. Одна модель имела стандартное типовое сечение. Вторая была аналогична, но с добавленными интерцепторами. По краям моделей были установлены шайбы, которые препятствовали боковому перетеканию воздуха. Коэффициент боковой силы определенный по результатам продувок показан на рис. 14 б. Из полученных данных хорошо видно, что на большинстве рабочих углов атаки установка двойных интерцепторов приводит к появлению существенной дополнительной величины боковой силы. При этом коэффициент силы сопротивления также возрастает, однако, это увеличение небольшое.

Расчеты эффективности увеличения путевого управления на режимах АХР проводились путем интегрирования параметров обтекания хвостовой балки, полученных после теоретического определения распределенных характеристик индуктивного потока НВ на режиме висения. Моделирование площадей обработки вместе с динамикой движения вертолета в процессе АХР показали, что при единичном изменении скорости ветра с 2 до 5 м/с установка интерцепторов позволяет вертолету более энергично менять траекторию и снижать площадь несанкционированной обработки на 18-20%.

Учитывая, что в данном случае стояла задача не только подтвердить возможность улучшения качества авиахимических работ путем изменения характеристик путевого управления, но и максимально повысить эксплуатационные характеристики - конструкция навесных интерцепторов была разработана таким образом, чтобы иметь возможность снижать вибрацию, приходящую от РВ. При стационарных условиях полета основными источниками динамического нагружения втулки РВ являются аэродинамические силы и эксцентриситет лопастей РВ, вызывающие как горизонтальные, так и вертикальные колебания, Через хвостовую балку эти виды вибрации передаются на центральную часть фюзеляжа, а по каналам путевого управления - на педали летчика. Во время выполнения разворотов одновинтового вертолета, при которых РВ движется в сторону своего индуктивного потока со скоростью 2-8 м/с, наблюдаются горизонтальные колебания РВ со значительной амплитудой. Они вызваны появлением вихревого кольца РВ. Сельскохозяйственные вертолеты попадают в этот режим, как правило, при каждом выходе на новую полосу обработки.

В разработанных навесных устройствах, защищенных патентами на изобретения, демпфирование производилось на пути передачи вибрации от РВ к центральной часги фюзеляжа. Гребни использовались как виброзадержи-вающие ребра жесткости. Условием эффективной работы ребер жесткости является превышение их длины над длиной волны проходящих через объект колебаний. Превращение энергии изгибной волны в рассеянную тепловую энергию обусловлено внутренним трением материала диссипативных элемен тов. Изменением углового местоположения гребней по контуру хвостовой балки можно эффективнее влиять на демпфирование вибрации в горизонтальной или вертикальной плоскостях.

Испытания навесного комплекта гребней проводились на вертолете Ми-2 с опрыскивающим оборудованием. Было подтверждено, что после установки гребней увеличивается запас хода педалей, понижается потребная мощность на висении и малой горизонтальной скорости в условиях ветра, снижена вибрация хвостовой балки, путевого управления и уменьшены колебания от вих-

а б

Рис. 14. Продувка модели дифференцированного элемента хвостовой балки в аэродинамической трубе (а) и зависимость величины коэффициента боковой силы от угла атаки (б) 1-без интерцепторов, 2-е интерцепторами.

ревого кольца РВ, В наиболее виброактивной октавной полосе 63 Гц (вторая гармоника РВ) снижение оказалось четырехкратным.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что для эффективного применения СПВ или ОЛВ на АХР современное ВС данного класса должно иметь конфигурацию, включающую следующее оборудование (рис. 15): вычислитель оптимальной траектории движения по полю в соответствии с текущими атмосферными условиями - 1, штатный цифровой многофункциональный пилотажный прибор в качестве источника первичной информации - 2, приемник СНС с частотой обновления данных не ниже 5 Гц -3, бесконтактные датчики дифференциального расхода рабочей жидкости - 4, регулируемые краны подачи рабочей жидкости в каждую штангу - 5, насос высокого давления - б, химический бак - 7, распылительные штанги - 8, распылительные форсунки щелевого типа - 9, гребни хвостовой балки (только для одновинтовых вертолетов) - 10, магнитометр - 11.

нения СЛВ и ОЛВ на АХР.

В заключении отмечается, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования актуальных вопросов возможностей расширения сферы и повышения эффективности применения СЛВ и ОЛВ в народном хозяйстве позволили получить следующие основные научно-практические результаты. ,

1. Определено, что появившиеся в последнее время, двухместные вертолеты малой взлетной массы могут быть эффективно применены для решения народнохозяйственных задач. В соответствие с иностранными аналогиями целесообразно вертолеты с максимальным взлетным весом от 495 до 750 кг рассматривать как отдельный класс очень легких вертолетов. СЛВ и ОЛВ имеют много общего с точки зрения конструкции, эксплуатации, стоимости и потенциальной опасности для окружающей среды и третьих лиц, что позво-

ляет рассматривать вопросы их применения совместно. Двухместные СЛВ и ОЛВ позволяют поднимать 100-150кг химических препаратов и успешно выполнять' АХР, сочетая в себе низкую стоимость летного часа и индуктивный поток, позволяющий качественно обрабатывать растения. Применение СЛВ и ОЛВ экономически оправдано для осуществления видеонаблюдения, тепло-сканирования и аэрофотограмметрии. При этом целесообразно применять оборудование, интегрированное со штатным оборудованием СЛВ и ОЛВ, что снизит СТОИМОСТЬ и вес.

2. Разработана концепция маловысотного тепловизора с адаптивным сканированием - «смотрящей» матрицей, который может быть эффективно применён на СЛВ и ОЛВ. При этом в качестве источника первичной информации углового положения ВС используется ИИБ штатного пилотажного прибора, что упростит и удешевит устройство.

3. Рекомендовано выполнять с СЛВ и ОЛВ аэрофотограмметрию объектов или участков местности с помощью одного фотоаппарата и множественной съемки местности с перекрытием снимков. При этом также может быть использован штатный ИИБ вертолета дополненный контроллером и дифференциальной СНС.

4. Рекомендовано использование математической модели среды в следе вертолета и движения капель при АХР в сочетании с устройствами, определяющими текущие параметры ветра, может позволить СЛВ и ОЛВ применяться на авиахимических работах с очень высокой эффективностью. На СЛВ и ОЛВ определять направление и скорость, ветра целесообразно по разнице курсов и скоростей летательного аппарата. Дополнительное устройство, совмещенное со штатным приемником СНС, магнитометром, измерителем воздушных сигналов СЛВ и ОЛВ, может пересчитывать текущие данные опрыскивания каждой штангой в зависимости от атмосферных условий и выдавать пилоту корректирующую информацию в режиме реального времени или накапливать ее для последующего анализа.

5. Разработана математическая модель определения величин площадей при АХВ, в том числе: обработанной площади поля, необработанной площади поля (площадь пропусков), площади поля с повышенной плотностью обработки (двойная обработка), площади несанкционированной обработки (выход за границу поля) для оценки качества работ.

б.. Для СЛВ и ОЛВ рекомендовано осуществлять дифференцированный контроль расхода жидкости в каждой опрыскивающей штанге СЛВ и ОЛВ и использовать при этом бесконтактные датчики с позисторными чувствительными элементами. Такие датчики просты и не создают дополнительного гидравлического сопротивления в опрыскивающей системе.

7. Предложено для улучшения характеристик одновинтовых СЛВ и ОЛВ на АХР использовать навесные аэродинамические гребни хвостовой балки, выполняющие роль интерцепторов. Эксперименты показали, что при использовании гребней сельскохозяйственный вертолет получил прибавку запаса путевой управляемости на висении и малых скоростях полета, при попутных

и боковых ветрах ощутимо уменьшилась потребная мощность винтов,; вчетверо снижена вибрация педалей управления, во время выполнения разворотов в конце поля практически исчезли колебания фюзеляжа, вызванный нестабильностью режима вихревого кольца рулевого винта.

8. Разработана методика определения эксплуатационных ограничений СЛВ и ОЛВ. При этом подтверждение расчетных предельных параметров и эффективность систем спасения ВС осуществляется в беспилотном режиме. Беспилотные испытания СЛВ можно разделить на 3 подэтапа: выполнение измерений динамических характеристик и синтез алгоритмов управления вертолетом; изготовление и испытания САУ СЛВ и ОЛВ в пилотируемом режиме; выполнение испытаний СЛВ и ОЛВ в беспилотном режиме.

9. Разработана структура измерительной системы, с помощью которой может быть осуществлена в короткий срок идентификация характеристик СЛВ и ОЛВ для создания САУ. Определено, что при записи параметров СЛВ и ОЛВ для идентификации канала общего шага необходимо использовать автомат поддержания частоты вращения двигателя. Разработан и апробирован метод измерения крутящего момента с примененением тензомосгов и малогабаритных цифровых радиопередатчиков, устанавливаемых непосредственно на вращающихся валах. При этом достаточно одного приемника для получения информации. Кроме определения моменгных характеристик метод может использоваться для измерения нагрузок на валах, втулках и лопастях СЛВ и ОЛВ, непосредственно во время полета.

10. Разработаны методы совмещения ручной и автоматической системы управления. При использовании обратимых электрических приводов может быть применено прямое параллельное включение ИМ с механической страховкой, срабатывающей при приложении усилия к ручке управления. Необратимые ИМ требуют более сложной системы совмещения, позволяющей пилоту компенсировать некорректные действия САУ.

11. Предложена и апробирована методика определения оптимального азимута встречи лопастей двухлопастных НВ. Изменением азимута встречи лопастей, фазы колебаний, на основном рабочем режиме, могут быть смещены на противоположные. Так расчеты, выполненные для соосного СЛВ «Ро-торфлай» для скорости 100км/ч показали оптимальный азимут встречи лопастей НВ 37,5°. Эксперименты показали, что снижение проходной второй гармоники при этом составило 1,6 раза. Первая гармоника практически не меняется.

12. Для обеспечения высоких потерь механических колебаний лопасти и, таким образом, понижения вибрации всего вертолета в эксплуатации, производителям предложено внутрь комлевой части лонжерона устанавливать элемент жесткости, соединенный с лонжероном лопасти через упругодисси-пативный заполнитель.

13. Разработаны принципы простой активной адаптивной системы снижения вибрации на борту СЛВ и ОЛВ. Для этого рекомендовано применение

твердотельных исполнительных устройств совмещающих прямой и обратный элекгрострикционный эффект.

Основное содержание диссертации отражено в ряде печатных научных работ, наиболее важные из которых представлены ниже.

- Статьи, в изданиях входящие в перечень, рекомендованный ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций

1. Падалко Г.А. Система дистанционного зондирования земной поверхности / Г.А. Падалко, В.В. Дудник, С.А. Покотило // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2007.- № 1(7). - С. 86-90.

2. Батищев Ю.А. Технические средства контроля и управления природно-ресурсным и экологическим мониторингом региона /. Ю.А. Батищев, В.В. Дудник, В.И. Костенко // Вестник ДГТУ. - 2008. - Т. 8, №4(39). - С. 469-478.

3. Батищев Ю.А. Архитектура и возможности системы пространственной ориентации беспилотных и сверхлегких летательных аппаратов на чувствительных элементах нового поколения / Ю.А. Батищев, В.В. Дудник, A.C. Гуринов и др. И Вестник ДГТУ . - 2010. - Т. 10, №2(45). - С. 223-229.

4. Дудник В.В. Повышение эффективности путевого управления одновинтовых вертолетов при выполнении авиахимических работ / В.В. Дудник // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2011. -№163(1). - С. 184-191.

5. Дудник В.В. Упрощенная модель визуализации осаждения капель при проведении авиахимических работ с использованием вертолета / В.В. Дудник // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2011. - №163(1). - С. 191-199. .

6. Гуринов A.C. Определение резонансных диаграмм лопастей малогабаритных ветроэнергетических установок / A.C. Гуринов, В.В. Дудник // Вестник ДГТУ.-2011.-T.il, №9. - С. 1446-1457.

7. Дудник В.В. Измерение вибрационных параметров экспериментального сверхлегкого вертолета соосной схемы / В.В. Дудник // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. -2011.-№173.-С. 161-168.

8. Дудник В.В. Экспериментальные исследования датчиков контроля распыляющей аппаратуры летательных аппаратов/ В.В, Дудник // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2011.-№174. - С. 125-130.

9. Дудник В.В. Построение упрощенной математической модели короткопе-риодического движения экспериментального сверхлегкого вертолета соосной схемы / В.В. Дудник // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2011. -№174. - С. 131-138.

10.Дудник B.B. Экспериментальные исследования работы химического оборудования сельскохозяйственного воздушного судна / В.В. Дудник, A.C. Гури-нов, A.C. Копкин // Вестник ДГГУ. - 2011. -Т.11, №3. - С. 349-356.

11. Дудник В.В. Определение высоты пространственного спектрального сканирования приемником излучения дальнего ИК диапазона / В.В. Дудник, В.В. Роженцов, Г.Г. Падалко // Вестник ДГТУ. - 2011. - Т. 11, №4. - С. 500-505.

12.Дудник В.В. Определение оптимального азимута установки лопастей соос-ного сверхлегкого вертолета / В.В. Дудник, В.А. Колот // Вестник ДПУ. -2011.-Т.11, №5. - С. 667-676.

13. Калашников В.В. Разработка блока контроля параметров двигателя для сверхлегких летательных аппаратов / В.В. Калашников, В.В. Дудник // Труды МАИ [Электронный ресурс]: электрон, журн. - 2011. - №43. - Режим доступа: http://www.mai.ru/science/tmdy.- № гос. регистрации 0320300740.

14. Копкин A.C. Разработка ассистирующей системы повышения качества авиахимических работ/ A.C. Копкин, В.В. Дудник // Труды МАИ [Электронный ресурс]: электрон, журн. - 2011. - №43. - Режим доступа: http://www.mai.ru/science/trudy.- № гос. регистрации 0320300740.

15.Дудник В.В. Определение нагрузок несущей системы и валов сверхлегких вертолетов / В.В. Дудник // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2012. -№175. - С. 123130.

16. Дудник В.В. Математическое определение характеристик опрыскивания и траектории движения сельскохозяйственного вертолета при изменении скорости бокового ветра / В.В. Дудник // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2012. -№177. -С. 146-153.

17. Гуринов A.C. Измерение крутящего момента на вращающихся валах/ A.C. Гуринов, В.В. Дудник, В.Л. Талонов // Вестник ДГГУ. - 2012. - Т.12, №1.

18. Дудник В.В. Исследование оптимальных характеристик двухлопастных несущих винтов соосного вертолета малой взлетной массы/В.В. Дудник, В.А. Удовенко// Вестник ДГТУ. - 2012. - Т.12, №3(64). - С 72-77.

19. Дудник В.В. Уменьшение вибрационных нагрузок на борту сверхлегкого вертолета/ В.В.Дудник, И.В. Никитин //Полет. - 2013. №1. С. 58-64.

Научные публикации в других изданиях

1. Дудник В.В. Уменьшение вредного воздействия авиахимических работ на окружающую среду / В.В. Дудник, Е.Л. Медиокритский // Межвузовский сборник научных трудов "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды" / РГАСХМ. - Ростов н/Д, 1997. - С. 28-29.

2. Дудник В.В. Система контроля выброса пестицидов сельскохозяйственного вертолета / В.В. Дудник // Фундаментальные и прикладные проблемы совре-

менной техники: сб. работ лауреатов конкурса им. акад. И.И. Воровича. Вып.6/ СКНЦВШ. Ростов н/Д, 2002. - С. 49-56.

3. Дудник В.В. Гребни хвостовой балки / В,В. Дудник // Вертолет - 2004,- № 3(26). - С. 26-27.

4. Dudnik V.V. áystems of Spatial Orientation for Helicopter Scanners of Oil and Gas Pipelines / V.V. Dudnik, U.A. Batishev // 33 European Rotorcraft Forum. - Kazan, 2007. - p. 77-87.

5. Batishev U.A. The using of light and ultralight helicopters for resolving the transport problems / U.A. Batishev, V.V. Dudnik // Technical aspects of sustainable urban development. Transport and energetic issues / University of Ecology and Management Press.- Warsaw 2012. - p. 56-63.

Соискатель Дудник B.B.

В печать 04.07.2013.

Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Офсет.

Объем 2 усл.п.л. Заказ № S6 3- Тираж 100 экз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

05201351702

Дудник Виталий Владимирович

МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХЛЕГКИХ И ОЧЕНЬ ЛЕГКИХ ВЕРТОЛЕТОВ

Специальность 05.22.14 - эксплуатация воздушного транспорта

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д.т.н., проф. Никитин И.В.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень основных сокращений и обозначений 7

Введение 8

1 ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ, ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И 17 ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЕТОВ МАЛЫХ ВЕСОВЫХ КАТЕГОРИЙ

1.1 Классификация вертолетов 17

1.2 Развитие и состояние ситуации в области государственного регулирования 19 вертолетов малых весовых категорий и анализ основных показателей безопасности полетов различных классов летательных аппаратов

1.3 Развитие теории полета вертолетов и методов расчета характеристик несущего 23 винта

1.4 Развитие теории применения вертолетов для решения задач в народном 26 хозяйстве

1.5 Анализ существующих сверхлегких и очень легких вертолетов 27

1.6 Особенности конструкции и эксплуатации сверхлегких и очень легких вертолетов 33

1.6.1 Общие характеристики сверхлегких и очень легких вертолетов 33

1.6.2 Особенности конструкции и эксплуатации несущих винтов 33

1.6.3 Особенности конструкции и эксплуатации рулевых винтов 37

1.6.4 Особенности конструкции и эксплуатации каркасных конструкций 38

1.6.5 Особенности конструкции и эксплуатации трансмиссии 40

1.5.6 Особенности конструкции и эксплуатации системы управления 44

1.5.7 Особенности конструкции и эксплуатации взлетно-посадочных устройств 47

1.6.8 Особенности конструкции и эксплуатации силовых установок 48

1.7 Выводы по главе 1 51

2 ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХЛЕГКИХ И ОЧЕНЬ ЛЕГКИХ 52 ВЕРТОЛЕТОВ В ЭКОНОМИКЕ

2.1 Сферы применения сверхлегких и очень легких вертолетов в экономике 52

2.2. Авиахимические работы и возможности применения сверхлегких и очень легких 53

вертолетов на них

2.2.1 Возможности применения сверхлегких и очень легких вертолетов на 53 авиахимических работах

2.2.2 Оборудование для авиахимической обработки растений 55

2.2.3 Технико-экономические аспекты применения сверхлегких и очень легких 58 вертолетов на авиахимических работах

2.3 Возможности применения сверхлегких и очень легких вертолетов для оценки 61 состояния окружающей среды, наблюдения и видео фотосъемки

2.3.1 Наблюдение и видеосъемка объектов со сверхлегких и очень легких вертолетов 61

2.3.2 Тепловизионное сканирование со сверхлегких и очень легких вертолетов 63

2.3.3 Аэрофотограмметрия с помощью сверхлегких и очень легких вертолетов 72

2.4 Выводы по главе 2 81 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ ПОЛЕТА 82

СВЕРХЛЕГКИХ ВЕРТОЛЕТОВ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭКОНОМИКЕ

3.1 Определение расчетных характеристик сверхлегких и очень легких вертолетов 82

3.1.1 Особенности расчета характеристик несущих винтов 82

3.1.2 Определение характеристик несущего винта вертолета 83

3.1.3 Моделирование динамики полета сверхлегких и очень легких вертолетов 90

3.2 Летно-технические характеристики одновинтовых сверхлегких и очень легких 93 вертолетов и влияние на них навесного оборудования

3.3 Особенности аэродинамических характеристик соосных сверхлегких и очень 99 легких вертолетов на режимах применения в экономике

3.3.1 Особенности аэродинамических характеристик соосных сверхлегких и очень 99 легких вертолетов

3.3.2 Расчет оптимального азимута пересечения лопастей соосных вертолетов с 113 двухлопастными несущими винтами

3.4 Моделирование учета сноса химических веществ при авиахимических работах 122

3.4.1 Определение методики учета сноса химических веществ при работе сверхлегких 122 и очень легких вертолетов

3.4.2 Определение направления и скорости ветра в полете 124

3.4.3 Повышение точности данных спутниковой навигационной системы при 129 авиахимических работах

3.4.4 Расчет траектории осаждения капель выброшенных вертолетом 132

3.4.5 Расчет скоростей внешнего потока 137

3.4.6 Результаты расчета траектории движения капель 144

3.4.7 Зависимость величины сноса частиц от параметров движения вертолета во время 147 авиахимических работ

3.4.8 Алгоритм работы системы учета сноса частиц рабочей жидкости 153

3.4.9 Методика определения площади химической обработки 160

3.5 Выводы по главе 3 164

4 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ 166

ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХЛЕГКИХ ВЕРТОЛЕТОВ И ПРОВЕДЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ГРАНИЦ ИХ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ

4.1 Методы испытаний сверхлегких и очень легких вертолетов 166

4.2 Методика проведения безопасных испытаний сверхлегких и очень легких 168 вертолетов в беспилотном режиме

4.3 Структура и принципы работы автоматической системы управления для 172 проведения безопасных испытаний сверхлегких и очень легких вертолетов в беспилотном режиме

4.4 Способы совмещения исполнительных механизмов системы автоматического 175 управления с ручной системой управления

4.5 Средства экспериментального определения параметров полета сверхлегких и 184 очень легких вертолетов

4.5.1 Структура измерительного комплекса параметров сверхлегких и очень легких 184 вертолетов

4.5.2 Состав измерительной и вычислительной части основного модуля регистратора 186 динамических параметров

4.5.3 Оборудование и методика калибровки основного модуля регистратора 194 динамических параметров

4.5.4 Проверка работоспособности инерциального измерительного блока регистратора 194 динамических параметров

4.5.5 Спутниковая навигационная система регистратора динамических параметров 197

4.5.6 Измеритель магнитного курса 198

4.5.7 Оборудование для определения баланса мощности трансмиссии и нагрузки на 199 валах

4.5.8 Контроль двигателя сверхлегких и очень легких вертолетов 209

4.5.9 Программное обеспечение регистратора динамических параметров сверхлегких и 213 очень легких вертолетов

4.5.9.1 Структура программного обеспечения регистратора динамических параметров 213

4.5.9.2 Внутренняя программа регистратора динамических параметров 213

4.5.9.3 Программа для работы дополнительного измерительного устройства 215

4.5.9.4 Программа визуализации основных данных регистратора динамических 216 параметров

4.5.9.5 Программа чтения встроенной памяти регистратора динамических параметров 218

4.5.9.6 Программа анализа полученной информации 221

4.6 Эксперименты по синтезу системы автоматического управления сверхлегких и 224 очень легких вертолетов для беспилотных испытаний

4.6.1 Определение передаточных функций системы автоматического управления 224 сверхлегких и очень легких вертолетов по записям экспериментальных полетов с помощью регистратора динамических параметров

4.6.2 Анализ работы канала продольного управления 225

4.6.3 Анализ работы канала поперечного управления 227

4.6.4 Анализ работы канала путевого управления 230

4.6.5 Управление вертикальной скоростью 232

4.6.6 Общая структурная схема короткопериодического движения вертолета 233

4.6.7 Моделирование работы системы системы управления сверхлегкого вертолета 236 «Роторфлай»

4.6.8 Выбор исполнительных механизмов системы автоматического управления 239

4.7 Система автоматического управления сверхлегким вертолетом «Роторфлай» 241 4.7.1 Структура системы автоматического управления сверхлегким вертолетом 241

«Роторфлай»

4.7.2 Принципы работы системы автоматического управления сверхлегким вертолетом 247 «Роторфлай»

4.7.3 Анализ характеристик стабилизации в режиме использования системы 250 автоматического управления сверхлегким вертолетом

4.8 Выводы по главе 4 254 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ 256

ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХЛЕГКИХ И ОЧЕНЬ ЛЕГКИХ ВЕРТОЛЕТОВ И СПОСОБОВ ИХ УЛУЧШЕНИЯ

5.1 Вибрационные параметры сверхлегких и очень легких вертолетов 256

5.2 Методика и оборудование измерения вибрации 257

5.3 Экспериментальное определение собственных частот колебаний элементов 259 вертолета

5.4 Определение величины виброускорения в полетных условиях 262

5.5 Анализ вибрационных данных , 265

5.6 Определение частот резонансных колебаний лопастей несущего винта 267 сверхлегких и очень легких вертолетов

5.7 Возможности повышения сопротивления вибрации лопастей 274

5.8 Проверка лопастей сверхлегких и очень легких вертолетов на устойчивость к 275

флаттеру

5.9 Оценка влияния изменения азимута встречи лопастей соосного сверхлегких и 278 очень легких вертолетов на уровень вибрации

5.10 Активные системы снижения вибрации 280

5.11 Выводы по главе 5 283

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ 284

ВЕРТОЛЕТОВ ПРИ АВИАХИМИЧЕСКИХ РАБОТАХ

6.1 Задачи экспериментальных исследований эффективности сверхлегких и очень 284 легких вертолетов при авиахимических работах

6.2 Определение дисперсности частиц 284

6.3 Определение плотности распределения рабочей жидкости при авиахимических 286 работах с использованием вертолетов

6.4 Исследование возможностей учета сноса частиц рабочей жидкости в процессе 294 авиахимической обработки

6.4.1 Оборудование для определения параметров ветра в полете 294

6.4.2 Эксперименты по определению площади обработки 296

6.5 Исследования датчиков контроля распыляющей аппаратуры летательных 302 аппаратов

6.6 Улучшение характеристик одновинтовых вертолетов на режимах 309 авиахимических работ

6.6.1 Улучшение путевой управляемости на малой скорости 309

6.6.2 Определение величины коэффициента боковой силы 312

6.6.2.1 Методика экспериментального определения коэффициента боковой силы 312 хвостовой балки

6.6.2.2 Проведение экспериментов в аэродинамической трубе 315

6.6.3 Гашение вибрации на хвостовой балке 319

6.6.4 Эксперименты с комплектом гребней хвостовой балки 320

6.6.5 Измерение вибрации на педалях пилота 322

6.6.6 Влияние гребней на динамику полета вертолета при авиахимических работах 324

6.7 Выбор оптимальной конфигурация вертолета сверхлегкого и очень легкого 327 вертолета для применения на авиахимических работах

6.8 Выводы по главе 6 328 Заключение 330 Список использованной литературы 333 Приложения 350

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АФЧХ - амплитудно-фазочастотная характеристика,

АХР - авиахимические работы,

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика,

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь,

ВС - воздушное судно,

ГП - горизонтальный полет,

ГСП - гиростабилизированная платформа,

ГШ - горизонтальный шарнир,

ДД Д - датчик дифференциального давления,

ДОС - датчик обратной связи,

ДСД - датчик статического давления,

ДУС - датчик угловой скорости,

ЖКИ - жидкокристаллический индикатор,

ИИБ - инерциальный измерительный блок,

ИМ - исполнительный механизм,

J1A - летательный аппарат,

JITX - летно-технические характеристики,

МСА - международная стандартная атмосфера,

НВ - несущий винт,

НКП - наземный командный пункт,

OJIB - очень легкий вертолет,

ПК - персональный компьютер,

ПО - программное обеспечение,

РВ - рулевой винт,

РДП - регистратор динамических параметров,

РЛЭ - руководство по летной эксплуатации,

САУ - система автоматического управления,

СБИ - система бортовых измерений,

СВС - система воздушных сигналов,

СКД - система контроля двигателя,

СКЗ - среднеквадратичное значение,

CJ1A - сверхлегкий летательный аппарат,

CJ1B - сверхлегкий вертолет,

СНС - спутниковая навигационная система,

ШИМ - широтно-импульсная модуляция,

CAN - протокол обмена данных,

ICAO - Международная организация гражданской авиации.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы обусловлена проблемами в области применения вертолетов в народном хозяйстве. К ним можно отнести высокий износ занятого на авиационных работах (АР) парка воздушных судов (ВС) и несоответствие его структуры и показателей потребностям и требованиям заказчиков, низкий уровень технического обеспечения работ, противоречия интересов производителей и заказчиков АР, высокая стоимость работ и некоторые другие, снижающие объемы и качество производства АР в стране.

Эти проблемы особенно остры в связи с постепенным выводом из эксплуатации вертолетов Ми-2 и Ка-26, серийное производство которых давно прекращено. Данные ВС активно использовались на авиахимических работах (АХР), но в последнее время их количество резко сокращается. Их активно замещают на этих работах сверхлегкие самолеты и дельталеты, однако не имея индуктивного потока, и маневренности свойственной вертолетам они не могут выполнить часть АХР (в частности в пересеченной местности и на ограниченных площадях) с высоким качеством. Кроме того, отсутствие ВС с низкими эксплуатационными расходами и возможностью движения с малой скоростью, не позволяет выполнять наблюдение за объектами и аэрофотограмметрию, которые востребованы в сферах строительства, сельского хозяйства и ряде других отраслей экономики. Применение сверхлегких (СЛВ) и очень легких вертолетов (ОЛВ) для АХР и аэрофотосъемки (АФС) позволяет снять часть проблем. В этой связи решение задач, расширяющих сферу применения СЛВ и ОЛВ в различных отраслях, имеет важное значение для развития авиации и экономики страны, определяет актуальность и значимость работ по созданию соответствующих методов и средств, а следовательно и темы диссертации.

Состояние проблемы. Расширение сферы использования СЛВ и ОЛВ в экономике связано с решением задач сложного характера и необходимости учета различных факторов, влияющих на эффективность их применения и безопасность полетов. К настоящему времени известно множество работ по исследованию различных аспектов применения вертолетов более тяжелого класса и выполнения на них АР, образующих основы для теоретической базы и определяющих основные направления исследований диссертационной работы.

Основными областями экономики, в которых могут найти эффективное применение СЛВ и ОЛВ, являются авиахимические работы, наблюдение за объектами и аэрофотосъемка.

Решение задач эффективного применения СЛВ и ОЛВ для АХР стало возможным при использовании результатов ряда исследований, выполненных для других классов ВС. Огромный вклад в развитие теоретических основ применения летательных аппаратов для сельского хозяйства внесло ОАО «НПК ПАНХ». Ряд исследований выполнялся и специалистами других

организаций, в том числе СКБ МГТУ ГА. .Основы теории применения ВС для авиахимической обработки полей разработаны С.А. Паршенцевым, B.C. Лагуточкиным, Ю.Г.Логачевым, которые для моделирования процесса использовали уравнения динамики движения изолированных частиц рабочего вещества правильной и постоянной формы и П-образные схемы вихревого следа самолетов и вертолетов. Впоследствии Б.Л.Артамонов, А.Б.Евдокимов и другие специалисты, применяли в этих задачах расчетные процедуры описания дальнего следа ВС на основе концевых вихрей их несущих систем, а также отдельных эффектов движения частиц. Исследования в области оборудованию для авиахимических работ и их технологиям В.М.Шумилина, М.О.Гумбы посвящены выбору показателей отдельных видов технических средств и отработке технологических режимов их применения с учетом особенностей выполнения работ. В исследованиях В.Б.Козловского, В. С. Деревянко, О.В.Худоленко показано, что АХР являются специфическим видом деятельности, ориентированным на требования потребителей и во многом отличающимся от воздушных перевозок, что требует разработки и использования специальных методов и средств. Структурно-функциональные и аналитические описания ВС для АХР, формирование требований к ним и рекомендаций по выбору типа, состава и показателей оборудования для разных ВС и работ, а также обоснования качественных показателей и технологических режимов проведения АХР заданным ВС в различных условиях выполнены В.П. Асовским.

Однако, в данных работах не рассмотрены возможности эффективного снижения сноса путем полета ВС по оптимальной траектории, компенсирующей снос химикатов в зависимости от атмосферных условий в режиме реального времени. В то время как такие маневры возможны для СЛВ и ОЛВ вследствие их высокой маневренности и наличия современных цифровых пилотажных приборов.

Другими задачами, на которые может быть расширена зона применимости СЛВ и ОЛВ, является аэрофотосъемка и наблюдение. В настоящее время СЛВ и ОЛВ практически не применяются для таких задач. В то же время в этой области было сделан ряд исследований, которые позволяют обосновать возможность расширения сферы применения СЛВ и ОЛВ для таких видов работ как аэрофотограмметрия и видеотеплосканирование. В этой связи наиболее интересны работы A.C. Назарова и Ю.Н. Корнилова, посвященные теории фотограмметрии. В классической теории фотограмметрии предполагается априорное знание базы снимков и использование двух фотоаппаратов, что для СЛВ и ОЛВ сложно осуществить ввиду малых размеров фюзеляжа ВС. Исследования в области видеотеплосканирования во многом основываются на опыте специалистов конструкторского бюро ОАО «Азовский оптико-механиче