автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка методики определения рациональных проектных параметров сельхозсамолёта

Московский авиационный институт (Государственный технический университет)

На правах рукописи'

Шнырёв Андрей Геннадьевич

Г

Разработка методики определения рациональных проектных параметров сельхозсамолёта

На правах рукописи

Специальность 05.07.02 Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Диссертация выполнена на кафедре "Проектирование самолетов" Московского авиационного института (Государственного технического университета).

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент А.Н. Арепьев.

Официальные оппоненты:

Козловский Владимир Борисович, доктор технических наук, генеральный директор НПК "ПАНХ";

Медведев Алексей Васильевич, кандидат технических наук, заместитель директора Ассоциации эксплуатантов воздушного транспорта.

Ведущая организация:

Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации (ГосНИИ ГА).

Защита состоится 27 декабря 2006г. в 11 часов на заседании совета Д 212.125.10 при Московском авиационном институте (Государственном техническом университете) по присуждению ученой степени кандидата технических наук (Волоколамское шоссе, д.4, Москва, 125993).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (Государственного технического университета).

Автореферат разослан 23 ноября 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета / /

профессор, кандидат технических наук /У (ГО.Ю. Комаров

Актуальность темы. Применение авиационного распределения химических веществ и биологических объектов (чаще используется термин — авиахимработы или, сокращенно - АХР) позволяет значительно повысить урожайность культур и избежать значительных потерь урожая путем эффективной борьбы с вредителями.

Потребности интенсивно развивающегося в России производства сельхозпродукции в экономически эффективных и безопасно выполняемых АХР удовлетворяются не полностью, что в значительной степени обусловлено устаревшим самолетным парком.

Для решения проблемы оснащения российских эксплуатантов современными самолетами в рамках транспортной стратегии Российской федерации принята Федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)», которой предусмотрена поставка сельскохозяйственных самолетов новой разработки.

При разработке новой авиатехники большую роль в повышении эффективности опытно-конструкторских работ может сыграть применение методик по определению проектных параметров, реализующих современные достижения в областях проектирования, производства и эксплуатации авиационной техники, с учетом актуальных норм летной годности.

Проблемы проектирования сельхозсамолетов и проведения АХР исследовали:

В.В. Агарков, A.A. Бадягин, B.C. Деревянко, А.Г. Дибир, Дока Иштван, Х.Р. Квонтик, A.A. Ковальский, В.П. Копычко, Д.К. Кресс, К.П. Куценогий, Д.К. Кульман, С.Д. Попов, А.Н. Россихин, Б.И. Рукавишников, Х.Г. Сарымсаков, В.М. Сахаров, А.И. Свинин, С.Г. Старостин, В.А. Назаров, Н.З. Султанов, Б.А. Портников, С.А. Халилов, И.И. Хоменко, О.В. Худоленко, В.И. Шубин, В.М. Шумилин, Р.У. Уитни, и др.

Вопросы определения проектных параметров сельхозсамолета и типажа парка сельхозсамолетов в основном были освещены в трудах A.A. Бадягина и Х.Г. Сарымсакова, их учеников и последователей.

Однако в современных условиях результаты ранее выполненных работ не всегда можно использовать в полной мере. Изменились требования к летной годности самолетов, условия проведения АХР, разработчики авиационной техники стали самостоятельными субъектами экономики, которым не всегда доступны услуги сторонних научных организаций и т.д.

Таким образом, проведение исследований вопросов определения проектных параметров современного сельхозсамолета являются актуальной задачей в области самолетостроения.

Целью исследований является создание методики определения основных проектных параметров сельхозсамолета, с учетом условий проведения АХР и современных норм летной годности, предназначенной для использования разработчиками (конструкторскими организациями) при создании сельхозсамолетов.

В основу созданной методики заложен новый принцип "сквозного проектирования", впервые применяемый при разработке сельхозсамолетов,

который предусматривает выполнение работ по определению проектных параметров самолета на основе результатов изучения условий его применения.

В качестве объекта исследования в диссертационной работе выбран процесс проектирования самолета, предназначенного для производства АХР в сельском хозяйстве (сельхозсамолета).

Предметом исследования является определение основных проектных параметров сельхозсамолета с высокой эффективностью использования, исходя из условий эксплуатации и при обеспечении безопасности применения.

Методологическую основу исследований составляют:

моделирование производственного полета сельхозсамолета и метеорологических условий выполнения АХР;

- математическая статистика;

- теория идеального пропеллера;

- теория определения рациональных параметров самолета;

- уравнение существования самолета.

Научная новизна работы заключается в:

- реализации принципа "сквозного проектирования" при определении проектных параметров сельхозсамолета;

- создании достоверной модели полета самолета при выполнении АХР;

- выявлении новых факторов, влияющих на эффективность АХР;

разработке новой концепции определения типажа парка сельхозсамолетов;

выявлении и использовании в методике определения проектных параметров современных требований летной годности с учетом международной практики.

Теоретическая значимость диссертационной работы для теории проектирования самолетов обусловлена ее новыми научными результатами, изложенными выше.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработанная методика:

- позволит разработчику (ОКБ) на основе данных о кадастровых и метеорологических условиях основных районов АХР и с учетом агротехнических требований и требований норм летной годности определять рациональные проектные параметры сельхозсамолетов;

- может быть использована для формирования основных положений технического задания на разработку сельхозсамолета;

- позволит обоснованно оценить предложенные самолеты (их проекты) при проведении тендеров на создание и производство сельхозсамолетов.

Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 5 научных работах общим объемом ... печатных листов, и двух докладах на кафедре "Проектирование самолетов" Московского авиационного института (Государственного технического университета)", в которых отражены основные положения диссертационной работы.

Содержание работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, библиографического списка и двух приложений.

Схема исследований, изложенных в диссертационной работе, представлена на рис. 1.

С Условия эксплуатации и применения

метеорологические О-:- кадастровые агротехнические -:-')

Требования к летной годности

Проектные параметры

с0,л^л^, я

Критерий производительности

Анализ парка самолетов

Рис. 1 Схема исследований

Во введении изложены положения, подтверждающие актуальность работы и кратко описано её содержание.

В первой главе проведен анализ условий АХР, который позволил сформулировать подход к оценке производительности АХР как основного критерия технической эффективности сельхозсамолета.

Основываясь на том, что традиционно оплата за АХР производится пропорционально обработанной площади, а полный экономический цикл сельскохозяйственного производства равен году, определять производительность АХР предлагается как площадь, обработанную за год по формуле:

$ год = > гДе Яч - производительность, гектар в час, (1)

а - годовое полетное время (количество отработанных часов за год).

Также, в первой главе выявлены группы факторов, оказывающих существенное влияние на производительность АХР:

- метеорологические (скорость ветра, опасные метеоявления);

- кадастровые (длина гона, удаление от аэродрома до места проведения работ).

Исследования проводились на моделях производственного полета при проведении АХР и хода значимых метеорологических параметров разработанных в диссертации в виде программ "Траектория" и "Метео" для персональных компьютеров.

Программа "Траектория" написана при помощи оболочки Borland Delphi 5.0. с применением принципа математического интегрирования скоростей по времени с использованием общеизвестных кинематических зависимостей.

Важной особенностью программы является возможность учета процесса изменения угла крена, что в ходе исследований позволило выявить дополнительное ограничение на летно-технические характеристики (ЛТХ), существенно влияющее на производительность АХР.

Сравнение данных, полученных в результате работы программы, ручных расчетов с использованием общепринятых зависимостей и оценочных полетов на самолете Як-18Т подтвердило достоверность алгоритмов программы, что позволило использовать программу "Траектория" в качестве модели производственного полета сельхозсамолета.

Учет в алгоритмах программы "Траектория" влияния факторов производственного процесса АХР, не использованных при ранее проводимых исследованиях, позволил создать инструмент, в результате использования которого выявлены новые ЛТХ, существенно влияющие на эффективность АХР.

Для моделирования метеорологических условий, влияющих на выполнение АХР, на основе процедур формирования запросов к структурированным базам данных (SQL-запросов) и оценке их результатов была создана программа "Метео". Данные о ходе метеорологических параметров получены из "Архива погодных условий", который разрабатывают и ведут Гидрометцентр Российской Федерации и Отдел технологий спутникового мониторинга ИКИ РАН при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 01-07-90172).

Программа "Метео" впервые позволяет определить допустимое время проведения АХР в зависимости от размера частицы распределяемого вещества, погодных условий и установленной величины сноса. Полученные результаты используются в диссертационной работе для определения допустимого размера частицы, который влияет на рациональную грузоподъемность самолета.

В завершающей части первой главы определены сертификационные требования к сельхозсамолетам в виде требований к нормальной категории самолетов, установленные в АП-23. Для учета специфических для сельхозсамолетов ограничений предложено применять требования, выявленные на основе анализа международного опыта сертификации и изложенные в приложении 1 к диссертационной работе.

Во второй главе исследовано влияние значимых ЛТХ и условий АХР сельхозсамолета на производительность АХР.

В частности, разработана концепция определения рационального веса полезной нагрузки, которая впервые основана на использовании данных о кадастровых, метеорологических и агротехнических факторах, а также результатов экономических исследований себестоимости эксплуатации и производства сельхозсамолетов.

Концепция определяется следующими положениями.

Выбор размера частицы проводится для обеспечения дистанции ее сноса ветром, установленной из соображений экологической безопасности при определенной высоте полета над гоном. Установлено, что нецелесообразно применять разбавление раствора вносимого вещества по соображениям повышения выполненного объема работ при расходах более 10 кг/Га, так как дальнейшее разбавление не вызовет существенного увеличения в

выражении (1).

Если, установленный исходя из агротехнических требований расход вещества менее 10 кг/Га, то целесообразно рассмотреть возможность разбавления вещества для увеличения размера частиц и расширения диапазона погодных условий (рис.2), что позволит увеличить 1год в формуле (1) и, как следствие - общий годовой объем работ (рис.3).

Рис. 2. Зависимость допустимой скорости Рис. 3. Зависимость допустимого времени для ветра от размера (диаметра) частицы АХР от расхода вещества ( (¿г<1)

Расход вещества зависит от размера частицы, установленной агротехническими требованиями плотности их нанесения, а также величины потерь распределяемого вещества.

В диссертационной работе сформулирована задача определения рациональной грузоподъемности исходя из размера частицы вещества. Задачу следует решать с учетом того, что увеличение расхода вызовет не только рост повысит годовой доход, но и потребует увеличения грузоподъемности самолета Оги, его взлетного веса О0, что вызовет повышение себестоимости АХР. Рациональное значение О,,, ^ должно соответствовать максимуму целевой функции, устанавливающей зависимость размера полученной прибыли от С„„. Достоверное определение этой функции составляет

отдельную задачу для исследований в области экономики и в данной работе не рассматривается.

Также, предложен вариант учета разнообразия условий применения сельхозсамолета, суть которого состоит в следующем.

При определении парка сельхозсамолетов необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что в течение года сельхозсамолет используется для внесения веществ с различным расходом, иногда в разных регионах. При этом рац может принимать различные значения. Очевидно, что создавать

большое количество типов самолетов с различной грузоподъемностью нецелесообразно, так как при этом значительно возрастут расходы на разработку, производство и эксплуатацию разнотипного парка.

С другой стороны, при снижении числа типов сельхозсамолетов возникает необходимость использования самолетов либо с избыточной грузоподъемностью, что вызовет повышение себестоимости летного часа, либо с недостаточной грузоподъемностью, что снизит производительность АХР.

Для принятия решения об определении размерности типажа парка предлагается разделить множество рациональных грузоподъемностей, полученное при анализе условий АХР в различных регионах, на диапазоны применимости сверхлегкого, легкого и тяжелого самолетов и провести анализ данных внутри каждого диапазона статистическими методами в результате, которого будет определены рациональные типоразмеры парка сельхозсамолетов.

Также, во второй главе приведены результаты анализа структуры рабочего цикла АХР, стадии которого сгруппированы в наземные, транспортные, маневренные и продуктивные этапы, (табл 1.):

- к наземному этапу отнесены - заправка, руление, разбег и пробег;

- к транспортному этапу отнесены стадии, связанные с полетом от аэродрома до места работ и обратно включающие в себя набор до высоты крейсерского полета, крейсерский полет и снижение до высоты гона;

- к маневренному этапу отнесены стадии полета связанные с выполнением разворота на следующий гон, которые включают участки набора до высоты разворота, выполнения виража (виражей), прямолинейные участки, снижение с высоты развороты на рабочую высоту гона;

- к продуктивному отнесен этап, на котором самолет находится над гоном и выполняет распределение вещества.

При анализе путей снижения непродуктивных потерь времени (табл. 1), установлено, что параметром, наиболее сильно влияющим на часовую производительность и изменение которого возможно без ущерба для безопасности полетов, является скорость полета в вираже при развороте на следующий гон.

Таблица1

V вир м/с 'Увир Метод Затраты времени на этапах от цикла, %

маневренный наземный транспортный продуктивный

20 40 загонный 47 7 16 30

челночный 53 6 14 27

30 30 загонный 52 7 14 27

челночный 63 5 11 21

50 30 загонный 57 6 13 24

челночный 69 4 10 17

Исследования, проведенные с учетом взаимной зависимости скоростей полета на различных этапах полета, позволили определить оптимальные Увир для различных кадастровых условий по методу, иллюстрированному на рис.4. цч,Га!ч

120

100

80

60

V Г

20 25 30 Ьгона=1000м

35

40 45

' Ьгона=2000м

50 Утр,м!с

Рис. 4. Определение оптимальной скорости виража (К )

В диссертации выявлено существенное влияние средней угловой скорости изменения крена на часовую производительность АХР.

дч,Га/ч 100

80

60

0 0,3 0,6 0,9 1,2

-Увир=30м/с, челночный — - Увир=30м/с, загонный

Рис. 5. Зависимость производительности АХР от угловой скорости крена ( еох ) для разных методов АХР

Приведенная на рис.5 зависимость иллюстрирует, что располагаемая средняя угловая скорость изменения крена с -30° до +30° является одним из граничных условий и должна составлять не менее 0,3 рад/с.

Таким образом, во второй главе были выявлены ЛТХ, существенно влияющие на производительность АХР, и предложены принципы определения их рациональных значений.

В третьей главе установлены зависимости, позволяющие определить значения проектных параметров реализующих установленные ранее значимые ЛТХ сельхозсамолета.

Так, на основе анализа статистических данных определена зависимость С?0 от веса 6„„ для выбранного типа силовой установки:

-для самолётов с ПД: б0 =118 + 2,3630„„-1,756-Ю"4 кгс; (2) - для самолётов с ТВД: С0 =193 + 2,06СПН-1,516-Ю"^;^, кгс. (3) Для выбора силовой установки сельхозсамолета предлагается использовать располагаемую мощность с учетом КПД винта (эффективную мощность (М^рф ) на таком максимально возможном режиме работы двигателя, при котором обеспечивается продолжительная работа с экономически оправданным ресурсом и на характерной для выполнения АХР скорости полета (на гоне или в вираже).

Для определения рационального набора проектных параметров (удлинение крыла - Л, нагрузка на крыло - р„, эффективная энерговооруженность - Л^) выявлены наиболее существенные ограничения на область допустимых значений проектных параметров (область существования), показанную на рис.6:

- достаточность Ы,фф на вираже с перегрузкой путр (линия 1): „т, г(

^ "у виру вир N Ч/АЛ 2.-——-

эфф~' 150р0

4 Ррп2увир С*0 + А 02у 4 V ^ вир

. 1 , где А=—~, пХ

достаточность для разбега Ьршб (линия 2):

и 1.09РП

Мэфф ь-

ах (?8.8+ Ьразб)

- ограничение по р0 на вираже (линия 3):

иу ^

РКир ^у вир тах 2П

"у вир

- ограничение по р0 для посадочной дистанции £лос (линия 4): / г

р0 ¿0,106

■пос-'у шах пос . °пос

— достаточность N >фф на гоне со скоростью (линия 5):

А! > Р^гона " эфф --

Сх0 + А

4ро Л

о2У 4 Р 'гона У

\50Ро

ограничение по перегрузке при полете в неспокойном воздухе (линия 6):

У0 (Л + 3X1,68

]А- , кгс/л.с. N3^

120 ра,даН/м

Рис. 6. Область возможных значений р0,Ыэфф.

В третьей главе также приведены результаты исследований влияния на вид области существования заданной скорости виража, длины взлетно-посадочной полосы - Ьвпп, удлинения крыла -Ли коэффициента силы сопротивления - Сх0.

В заключительном разделе третьей главы по результатам анализа конструкций сельхозсамолетов, условий эксплуатации и путей повышения безопасности АХР приведены рекомендации по определению аэродинамической схемы, схемы шасси, вопросам компоновки фюзеляжа.

Таким образом, в третьей главе был предложен способ определения максимального взлетного веса сельхозсамолета первого приближения, определены принципы выбора силовой установки, выявлены наиболее важные проектные параметры и ограничения на них, а также установлены зависимости, количественно реализующие указанные ограничения.

В четвертой главе изложена методика определения значимых проектных параметров сельхозсамолета с максимальной производительностью, реализуемой при условиях, описанных в главах 1 и 2.

Схема методики приведена на рис. 7.

Г Маркетинговые исследования

Метеорология j Агротехника | Статистика | |кадастровые условия| <

V V 1. О у

' вир ' г гона ' ^ВПП ' ^пн » / вир

20 40 60 80 100 120р0,даН / М2

Рис. 7 Схема методики определения проектных параметров

При определении проектных параметров с помощью области существования необходимо учитывать, что в реальных условиях проектирования выбор доступных для применения на сельхозсамолетах силовых установок невелик и весьма вероятно, что конструктору придется корректировать первоначально избранные проектные параметры для обеспечения гармоничности параметров планера и силовой установки.

Предложенные в четвертой главе рекомендации в принятии конструктором решений в определении проектных параметров самолета позволят решить проблемы, которые могут возникнуть при использовании области существования, например область пуста или слишком большая.

При этом уделено внимание принципам выбора набора проектных параметров, позволяющим обеспечить возможность использования самолета в "перегруженном" варианте, что даст возможность использовать самолет с большей нагрузкой при наличии более длинных взлетно-посадочных полос, чем были приняты при расчете номинальной нагрузки.

В целях оценки корректности разработанной методики в четвертой главе выполнено сравнение характеристик существующих самолетов с характеристиками гипотетических самолетов (моделей СХС), рассчитанных с использованием методики (табл. 2).

При этом параметры самолета "Модель СХС 1" определялись исходя из кадастровых условий, характерных для Российской Федерации, а самолета "Модель СХС 2" из условий, характерных для США.

Таблица 2

Наименование Тип СУ S, Л Po, N (<7Д Га/ч

daH daH M2 кг/см2 л.с. 1000л £_-2000м

Ag Truck TSIO-520D 1995 894 19,1 8,4 104 146 68 122

РА-36 РВ 300 Ю-540 K1G5 2180 1000 21,0 7,9 104 146 64 110

PZL-106 Kruk PZL-3S 3000 1300 28,4 7,7 106 293 71 126

АТ-402А PTR1340 3130 1210 25,1 7,4 125 293 68 122

Ан-2 с/х Аш-62ИР 4460 700 71,5 3.6 61,9 800 78 121

Модель СХС 1 М-14П 1600 660 25,8 8,5 62 176 84 124

Модель СХС 2 М-601 2700 1300 24,2 8.5 100 310 76 126

РА-36 30<| |

-AgTruk

50 ^гоиа =1000jH. 75

СЛС 2

СХС I

Ав-2

fZUlM

АТ-402А

AgTruck

дч,Га/ч

дч,Га/ч

Рис. 8 Результаты сравнения характеристик сельхозсамолетов

Диаграммы на рис.8 иллюстрируют, что при £^„„ = 1000м, характерной для России, самолеты зарубежного производства имеют более низкую производительность (9,), чем специально спроектированный для этих кадастровых условий самолет (Модель СХС 1).

При этом полученные с помощью предлагаемой методики при использовании характерной для США длины гона, параметры Модели СХС 2

близки к характеристикам наиболее распространенных в США сельхозсамолетов, что дополнительно подтверждает корректность методики.

В результате расчетов по предложенной методике установлены зависимости величин рациональных проектных параметров от кадастровых условий (рис. 9, 10 и 11), что подтверждает необходимость разработки сельхозсамолета для условий Российской Федерации.

Рис. 9. Зависимость рациональной нагрузки на крыло от ¿г

Лг л.с./даН

0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

500

1000

1500

2000

Рис. 10. Зависимость потребной эффективной энерговооруженности от

Рис. 11. Зависимость максимального взлетного веса от Ьж

В четвертой главе установлено, что с помощью разработанной в диссертационной работе методики можно определить такие параметры сельхозсамолета, реализация которых позволит создать самолет с производительностью выполнения АХР в условиях Российской Федерации, значительно более высокой, чем у существующих сельхозсамолетов.

Заключение:

1. Разработана методика "сквозного проектирования", которая, учитывая современные требования по безопасности, устанавливает взаимосвязи между значимыми условиями проведения авиационно-химических работ и проектными параметрами самолета, может применяться как при маркетинговых исследованиях (внешнее проектирование), так и при формировании облика самолета для проведения авиахимических работ (начальный этап внутреннего проектирования).

Разработанная методика "сквозного проектирования" самолета предназначена для использования в проектно-конструкторских организациях на начальных стадиях проектирования, а также для научно-технического обоснования организации и проведения конкурсов на разработку самолетов для авиационно-химических работ.

2. В рамках создания методики "сквозного проектирования" разработана имеющая самостоятельное значение математическая модель и программный комплекс, имитирующие с высокой точностью производственный полет самолета при выполнении авиахимических работ. Исходя из анализа траектории производственного полета и требований к летной годности установлены ограничения на проектные параметры.

3. На основе анализа отечественных правил и международной практики установлено, что сертификационный базис при проектировании самолета для авиахимических работ должен формироваться на базе требований к нормальной категории легких самолетов гражданской авиации с учетом особенностей, изложенных в диссертационной работе.

4.Установлены наиболее существенные условия проведения авиационно-химических работ: кадастровые — длина гона и расстояние между взлетно-посадочной площадкой и местом проведения работ; факторы безопасности и метеорологические условия.

5. Выявлено, что от условий проведения авиахимических работ в наибольшей степени зависят максимальный взлетный вес самолета и удельная нагрузка на крыло.

Библиографический список публикаций автора

- А.Г. Шнырев О зарубежных специальных требованиях к самолетам для авиахимработ. — Научный вестник МГТУ ГА. 2002, № 53.- с. 118-125;

- А.Г. Шнырев Анализ существующих конструктивных решений самолетов для авиахимработ — Труды МАИ: электронный журнал // Московский авиационный институт (ГТУ), 02.06.2003, № 12 -http://www.mai.ru/projects/mai_works/index.htm;

- А.Г. Шнырев Определение рациональной массы полезной нагрузки сельскохозяйственного самолета - Труды МАИ: электронный журнал // Московский авиационный институт (ГТУ), 12.04.2006, № 22 — http://www.mai.ru/projects/mai_works/index.htm;

- А.Г. Шнырев Влияние маневренных характеристик самолета на часовую производительность авиационных химических работ — Труды МАИ: электронный журнал // Московский авиационный институт (ГТУ), 12.04.2006, № 22 - http ://www.mai .ru/proj ects/mai_works/index.htm;

- А.Г. Шнырев О методике определения проектных параметров самолета для применения в сельском хозяйстве - Экономика и производство, (электронная версия) - 2006, №11.

Введение

Глава 1. Анализ определяющих факторов АХР

1.1. Условия проведения АХР

1.2. Производственный цикл АХР

1.3. Кинематические зависимости полета на АХР

1.4. Описание программы "Траектория"

1.5. Определение данных для исследования

1.6. Понятие технической эффективности сельхозсамолета

1.7. Влияние метеоусловий на годовой объем АХР

1.8. Влияние кадастровых условий на производительность АХР

1.9. Понятие безопасности АХР

1.10.Требования к летной годности

1.11. Выводы к главе

Глава 2. Определение требований к сельхозсамолету

2.1. Часовая производительность АХР

2.2. Влияние параметров виража на производительность АХР

2.3. Годовое время работ

2.4. Вес полезной нагрузки

2.5. Концепция определения рациональной грузоподъемности

2.6. Выводы к главе

Глава 3. Определение проектных параметров

3.1. Определение максимального взлетного веса

3.2. Выбор силовой установки

3.3. Существенные ограничения на значение проектных параметров

3.4. Область существования

3.5. Выбор удлинения крыла.

3.6. Влияние скорости виража

3.7. Определение рациональной нагрузки на крыло

3.8. Параметры схемы

3.9. Выводы к главе

Глава 4. Решение о выборе проектных параметров и его оценка

-34.1. Методика определения проектных параметров

4.2. Пример определения проектных параметров

4.3. Анализ достоверности результатов применения методики

4.4. Исследование влияния условий проведения АХР на проектные параметры самолета

4.5. Выводы к главе 4 102 Заключение 103 Библиографический список 105 Приложение 1 Требования Part 23 FAR USA, не применяемыепри сертификации типа к сельхозсамолетам 109 Приложение 2 Анализ параметров существующих самолетов для авиахимработ 118 Приложение 3Результаты оценочного расчета экономики деятельности эксплуатанта 3 самолетов в течение 3 лет

Авиационное распределение химических веществ и биологических объектов (чаще используется термины - авиахимработы, АХР) играет важную роль в повышении эффективности сельского и лесного хозяйств. Проведение АХР увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур в несколько раз при повышении расходов всего на 10-20%. При этом можно полностью избежать потерь урожая путем эффективной борьбы с вредителями.

В СССР 43% общего объема химических работ в сельском хозяйстве выполнялось авиацией: приходящаяся на авиацию доля работ по химической защите растений от вредителей и болезней составляла 37,9%, по борьбе с сорняками - 59,4% и по дефолиации растений - почти 100%. Более 35% минеральных удобрений вносилось с помощью авиации [7, 26]. Максимальный объем авиационных работ в сельском хозяйстве в СССР был достигнут в 1986 году и составил 55,1 млн. Га [20].

Основной парк сельхозсамолетов составляли Ан-2 и его модификации.

После распада СССР произошел спад в сельскохозяйственном производстве и объём АХР сократился до 14 млн. Га в 1999 году [20]. Производство самолетов, предназначенных для АХР в сельском хозяйстве (сельскохозяйственных самолетов, СХС) прекратилось еще раньше.

В начале XXI века в Российской Федерации начался рост объемов сельскохозяйственного производства, вызвавший рост спроса на АХР, который в настоящее время удовлетворяется в основном эксплуатантами, выполняющими полеты либо на сверхлегких летательных аппаратах, либо на самолетах Ан-2, имеющих большой износ и невысокую эффективность применения.

Выполнение АХР на сверхлегких летательных аппаратах сильно зависит от погодных условий, и не обеспечивает приемлемого уровня, как экологической безопасности, так и безопасности полетов. При этом условия выполнения работ создают реальную угрозу жизни и здоровью людей.

За рубежом основная часть АХР выполняется на самолетах, специально сконструированных для работ по распределению химических веществ и биологических объектов, применение которых позволяет достигнуть высокого уровня безопасности и эффективности выполнения работ. Однако как показано в настоящей работе, полное копирование производственных процессов АХР и параметров зарубежных сельхозсамолетов нецелесообразно вследствие существенных различий в климатических и кадастровых условиях выполнения АХР.

Решению проблемы оснащения российских эксплуатантов современными сельхозсамолетами придается большое значение на государственном уровне.

Так, в целях реализации транспортной стратегии Российской федерации принята Федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)», утвержденная постановлением Правительства Российской Федерации от 5 декабря 2001 года № 848.

Разделом 4.3 Подпрограммы "Гражданская авиация" Федеральной целевой программы "Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы), разработанной в соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации от 16 февраля 2001 года № 232, предусмотрена поставка сельскохозяйственных самолетов новой разработки.

Также, в разделе 3 "Развитие парка воздушных судов нового поколения" упомянутой подпрограммы указывается, что "Одной из важных задач в реализации Подпрограммы является внедрение современных воздушных судов для авиации общего назначения (АОН), сельскохозяйственной авиации и авиации для обслуживания отраслей экономики, здравоохранения, защиты от пожаров".

При разработке новой авиатехники большую роль в повышении эффективности опытно-конструкторских работ может сыграть применение методик по определению проектных параметров, реализующих современные достижения в областях проектирования, производства и эксплуатации авиационной техники, с учетом актуальных норм летной годности.

Ранее, в основном при социалистическом укладе экономики, проблемам проектирования сельхозсамолетов и проведения АХР уделялось большое внимание.

Основные в СССР и России исследования в области применения авиации в сельском хозяйстве, внедрению новой техники и технологий выполняются в НПК "ПАНХ" (ранее - ВНИИСХСП ГА, ВНИИ ПАНХ). В трудах ПАНХ, его сотрудников, а также JI.C. Бякова, Н.И. Васильева, Р. Газиева, Ю.В. Иванова, Х.Р. Квонтика, В.Н. Драчкова освящены основные вопросы организации АХР, предложены критерии их эффективности.

Результаты исследований НПК ПАНХ обобщены в диссертации на соискание степени доктора экономических наук О.В. Худоленко "Повышении эффективности авиационных работ в отраслях национальной экономики: теория, практика" в которой разработана модель структурной оптимизации парка воздушных судов для применения в отраслях экономики, позволяющая привести количество и типы воздушных судов отдельных авиапредприятий и подотрасли в целом к таким пропорциям, которые способствовали бы наиболее полному удовлетворению спроса и высокому уровню эффективности выполнения авиационных работ.

В ПАНХ были проведены исследования (А.И. Плешаков, 1980г.) вопросов оптимизации парка воздушных судов для применения в отраслях национальной экономики, в результате которых установлен парк воздушных судов, в том числе и для применения в сельском хозяйстве. Результаты этих исследований использованы и в техническом задании на техническое предложение на сельскохозяйственный самолет грузоподъемностью 700-800 кг. Однако, по мнению НПК ПАНХ, для учета изменившихся условий хозяйствования, оптимальный типоразмерный ряд нуждается в уточнении [20].

-7В работе Н.З. Султанова "Оптимизация технологий и парка машин для проведения сельскохозяйственных авиационно-химических работ" проведен анализ модели авиационной сельскохозяйственной системы с используемыми (Ан-2, Ан-2М, Ми-2, Ка-26) и создаваемыми (Ка-126, Ка-226, Ка-32) воздушными судами.

Вопросы безопасности при выполнении АХР посвящены работы сотрудников и соискателей Академии гражданской авиации (С-Петербург), а также труды Б.А. Портникова в которых особое внимание уделено минимизации нецелевого воздействия АХР на окружающую среду.

Особый интерес при изучении вопросов безопасности полетов при АХР представляет Руководство по авиационным работам (Doc. 9408-AN/922), изданное Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) на основе информации, предоставленной Организацией объединенных наций. В нем описаны не только аспекты управления безопасностью полетов при выполнении АХР, но и приведены результаты исследования в области экономики АХР.

Большую роль в написании диссертационной работы сыграла работа "Авиация в сельском хозяйстве: история, техника, технология, экономика" под редакцией В.П. Копычко. В ней собраны и обобщены знания не только в области организации АХР, но и приведены результаты исследований влияния атмосферных явлений на траекторию полета частиц распыленного вещества.

Вопросы определения проектных параметров сельхозсамолетов наиболее подробно были освещены в трудах А.А. Бадягина и Х.Г. Сарымсакова, их учеников и последователей.

Однако в современных условиях результаты ранее выполненных работ не всегда можно использовать в полной мере. Изменились требования к летной годности самолетов, условия проведения АХР, разработчики авиационной техники стали самостоятельными субъектами экономики, которым не всегда доступны услуги сторонних научных организаций по формированию технического задания и т.д.

Таким образом, проведение исследований вопросов определения проектных параметров современного сельхозсамолета являются актуальной задачей в области самолетостроения.

Целью исследований является создание методики определения основных проектных параметров сельхозсамолета, с учетом условий проведения АХР и современных норм летной годности, предназначенной для использования разработчиками (конструкторскими организациями, КБ) при создании сельхозсамолетов.

В отечественной практике проектирование традиционно разделялось на два этапа - внешнее и внутреннее. Внешнее проектирование, фактически формирование технического задания на создание самолета, производилось профильными НИИ, а внутреннее - реализация технического задания, первым шагом которого являлось техническое предложение, производилось конструкторским бюро во взаимодействии с авиационными заводами. При переходе от внешнего к внутреннему проектированию происходило взаимное уточнение технического задания и технического предложения. На это уходило много времени, и этот процесс, являлся, по сути, процессом устранения неточностей внешнего проектирования и компенсации недостаточной информированности разработчика о внешних требованиях к проектируемому изделию.

Для устранения описанных недостатков в основу созданной методики заложен новый, впервые применяемый при разработке сельхозсамолетов принцип "сквозного проектирования", который предусматривает выполнение работ по определению проектных параметров самолета на основе результатов изучения условий его применения.

В первой главе проведен анализ условий АХР и внешних требований, который позволил сформулировать подход к оценке производительности АХР как основного критерия технической эффективности сельхозсамолета и выявить летно-технические характеристики (JITX) сельхозсамолета и условия проведения АХР, от которых наиболее существенно зависит производительность АХР. Также, в первой главе определены сертификационные требования и приведены результаты изучения международного опыта по сертификации сельхозсамолетов.

Во второй главе определена зависимость между производительностью и значимыми JITX сельхозсамолета. В частности, разработана методика определения рационального веса полезной нагрузки, которая дополнительно позволяет в первом приближении выявить основные типоразмеры парка сельхозсамолетов. В результате, на основе полученных зависимостей можно разработать конкретные требования, которые составят основу технического задания (войдут в документацию КБ).

Основной задачей, решаемой в третьей главе, является установление зависимостей, определяющих реализацию требований к сельхозсамолету в процессе выбора проектных параметров. Кроме того, установлены зависимости, позволяющие определить максимальный взлетный вес первого приближения, предложены рекомендации по выбору силовой установки для сельхозсамолета. При этом выявлены наиболее существенные ограничения, определяющие область допустимых значений проектных параметров.

По результатам анализа данных по существующим конструкциям сельхозсамолетов, условий эксплуатации и анализа путей повышения безопасности АХР выработаны рекомендации по определению схемы и вопросам компоновки фюзеляжа.

В четвертой главе приводится методика определения проектных параметров сельхозсамолета, для подтверждения ее корректности проводятся расчеты. На основе приведенной методики определены проектные параметры моделей гипотетических сельхозсамолетов. Результаты их сравнения с самолетами иностранного производства с точки зрения эффективности применения в условиях Российской Федерации позволяет утверждать о необходимости разработки отечественного сельхозсамолета.

4.5. Выводы к главе 4 В главе 4:

Приведенная методика позволяет определить проектные параметры G0,

S,N0,1.

Исследования влияния условий проведения АХР на проектные параметры продемонстрировали существенные отличия параметров самолетов, эффективных при различных условиях применения.

Сравнение результатов использования методики с характеристиками существующих сельхозсамолетов позволяет утверждать, что ее применение позволит определить такие параметры сельхозсамолета, реализация которых позволит создать самолет с более высокой производительностью.

-103 -Заключение

1. Определены наиболее существенные условия проведения авиационно-химических работ: кадастровые - длина гона и расстояние между взлетно-посадочной площадкой и местом проведения работ; факторы безопасности и метеорологические условия.

2. Исходя из анализа траектории производственного полета и требований к летной годности установлены ограничения на проектные параметры.

3. Разработана методика "сквозного проектирования", которая, учитывая современные требования по безопасности, устанавливает взаимосвязи между значимыми условиями проведения авиационно-химических работ и проектными параметрами самолета, может применяться как при маркетинговых исследованиях (внешнее проектирование), так и при формировании облика самолета для проведения авиахимических работ (начальный этап внутреннего проектирования).

4. В рамках создания методики "сквозного проектирования" разработана имеющая самостоятельное значение математическая модель и программный комплекс, имитирующие с высокой точностью производственный полет самолета при выполнении авиационно-химических работ.

5. На основе анализа отечественных правил и международной практики установлено, что сертификационный базис при проектировании самолета для авиахимических работ должен формироваться на базе требований к нормальной категории легких самолетов гражданской авиации с учетом особенностей, изложенных в диссертационной работе.

6. Выявлено, что от условий проведения авиахимических работ в наибольшей степени зависят вес полезной нагрузки самолета и удельная нагрузка на крыло.

7. Разработанная методика "сквозного проектирования" самолета предназначена для использования в проектно-конструкторских организациях на начальных стадиях проектирования, а таюке для научно-технического обоснования организации и проведения конкурсов на разработку самолетов для авиационно-химических работ.

1. Авиация в сельском и лесном хозяйстве. Сб. научн. тр. / Научн. ред. С.И. Родионов / ВНИИПАНХ. М.: Колос, 1995.-208 с.

2. Авиация в сельском хозяйстве: история, техника, технология, экономика / Под редакцией В.П. Копычко. Харьков : TAJI "Слобожанщина", 2002.-404 с.

3. Авиационные правила. Часть 23. Нормы летной годности гражданских легких самолетов (АП-23) / Межгосударственный авиационный комитет. М. : МАК, 2000. 145 с.

4. Александров А.Н. Воздушные винты. М. : Оборонгиз, 1957.529 с.

5. Арепьев А.Н. Вопросы проектирования легких самолетов. М. : МГТУ ГА, 2001.- 136 с.

6. Арепьев А.Н. Предварительное определение параметров легкого пассажирского самолета. М. : Научный вестник МГТУ ГА, 2002, № 53. -с. 26-31.

7. Бадягин А.А., Мухамедов Ф.А. Проектирование легких самолетов. -М. : Машиностроение, 1978. 293 с.

8. Бяков JI.C. Авиационные работы: Учебное пособие. / Академия гражданской авиации. СПб. : Академия гражданской авиации, 2003. - 70 с.

9. Васильев Н.И., Литвинов Б.П. Гектары неба. М. : Агропромиздат, 1987.- 152 с.

10. Газиев Радик Авиация и сельскохозяйственное производство. -Ташкент: из-во "Знание" УзССР, 1984.-24 с.

11. П.Иванов Ю.В. Организация работы авиации в сельском хозяйстве Украины-Киев: из-во "Знание" УССР, 1983. 15 с.

12. Назруллаев Ф. Гражданская авиация в народном хозяйстве: -Ташкент: 1984. 39 с.

13. ОНТИ ММЗ «Скорость» Перевод FAR Part 23 с поправками до 23-27 включительно.

14. Организация авиационных работ по распределению веществ и биологических объектов: Учебное пособие для вузов /В. Н. Драчков, В. Н. Шило/ Л.ЮЛАГА, 1987. - 88 с.

15. Пашковский И.М. Динамика и управляемость самолета. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 248 с.

16. Проблемы и перспективы развития сельскохозяйственной авиации: Техническая информация ЦАГИ "Новости зарубежной науки и техники". Серия "Авиационная и ракетная техника", 1992, №8, с.

17. Проектирование самолетов / Егер С.М. и др. М. : Машиностроение, 1983. - 516 с.

18. Применение авиации в отраслях экономики. /Авт. сост. B.C. Деревянко Краснодар: Сов. Кубань, 2002. - 488 с.

19. Применение авиации в сельском хозяйстве. Справочное пособие / А.И. Тимин, А.В. Степанович, А.П. Скоробогатов и др. / Под ред. А.И. Заикина Минск: Ураджай, 1980. - 119 с.

20. Повышение эффективности авиационных работ в народном хозяйстве. /Метод, рекомендации/ Подгот. В.Ф. Лапшовым, В.М. Загорулько, Киев, О-во "Знание" Украины, 1991. 15 с.

21. Портников Б.А. Минимизация нецелевого воздействия химических веществ на компоненты окружающей среды при проведении специальных авиационных работ: На примере Оренбургского авиапредприятия: Автореф. дис. канд. техн. наук. 11.00.11. Оренбург, 1998.-221 с.

22. Руководство по авиационно-химическим работам ГА СССР: утв. МГА СССР 30.12.1982 : ввод в действие с 01.08.1984 М.: Воздушный транспорт, 1984. - 58с.

23. Руководство по авиационным работам: Издание первое. Международная организация гражданской авиации. /Doc 9408-AN/922. Монреаль, 1984.- 179с.

24. Сарымсаков Х.Г. Сельскохозяйственные самолеты. М. : Машиностроение, 1979. - 138 с.

25. Султанов Н.З. Оптимизация технологий и парка машин для проведения сельскохозяйственных авиационно-химических работ. Автореф. дис. д-ра техн. наук : 05.20.01. Оренбург, 1997. 39 с.

26. Торенбик Э. Проектирование дозвуковых самолетов: пер. с англ. / Пер. Голубков Е.П. М.: Машиностроение, 1983. - 648 с.

27. Шнырев А.Г. О зарубежных специальных требованиях к самолетам для авиахимработ. Научный вестник МГТУ ГА. 2002, № 53.- с.118-125.

28. Issuance of Type Certificate: Restricted Category Agricultural Airplanes / Advisory Circulars FAA USA: AC21.25-1., 01.12.1997., http://www.airweb.faa .gov/RegulatoryandGuidanceLibrary/rgAdvisoryCircular.nsf/, 2006.

29. Federal Aviation Regulation. PART 21: Certification procedures for products and parts / FAA USA : http://ecfr.gpoaccess.gov., 2006.

30. Federal Aviation Regulation. PART 137: Agricultural aircraft operations /FAA USA: http://ecfr.gpoaccess.gov., 2006.

31. Use of Automobile Gasoline in Agricultural Aircraft / Advisory Circulars FAA USA: AC 21-21, 24.08.1984., http://www.airweb.faa.gov/ RegulatoryandGuidanceJLibrary/rgAdvisoryCircular.nsf/, 2006.

32. NAAA Member's Media Kit / National Agricultural Aviation Association (NAAA USA): http://www.agaviation.org/, 2004.