автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Разработка методов повышения безопасности и эффективности лётной эксплуатации вертолётов при выполнении экстренных авиационных работ с применением авиационно-спасательных технологий

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВ Антон Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЁТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЁТОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЭКСТРЕННЫХ АВИАЦИОННЫХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВИАЦИОННО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 дек гт

ОО55Х2З45........ Санкт-Петербург-2013

Работа выполнена на кафедре аэродинамики и динамики полета - Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации»

Научный руководитель: кандидат техн. наук, доцент

Опара Юрий Степанович

зав. каф. аэродинамики и динамики полета СПб ГУГА

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

Чепига Владимир Евгеньевич, профессор кафедры летной эксплуатации и профессионального обучения авиационного персонала ФГБОУ ВПО «СПбГУ ГА»

кандидат техн. наук, доцент Куприн Геннадий Николаевич, Генеральный директор ЗАО «Научно-производственное объединение «Современные пожарные технологии» (ЗАО «НПО СОПОТ»), г. Санкт-Петербург

Ведущая организация ОАО Научно-производственная компания

«Применение авиации в народном хозяйстве» (ОАО НПК «ПАНХ»), г. Краснодар

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.012.01 на базе Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации по адресу: 196210, г. Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат техн. наук, доцент

о

Я.М. Далингер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из самых актуальных государственных задач в современных условиях является создание комплексной системы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера, направленной на повышение эффективности мероприятий по предупреждению и ликвидации последствий ЧС с применением современных технологий и технических средств (ТС).

В реализации этих задач важное место отводится авиации, как составной части единой транспортной системы страны. В интересах единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) воздушные с^да (ВС) могут эффективно применяться для выполнения экстренных авиационных работ (АР): проведения поисково-спасательных и медико-эвакуационных работ, мониторинга лесопожарной, паводковой и радиационной обстановки, тушения природных пожаров, ликвидации аварийных разливов нефти (JIAPH), уничтожения ледовых заторов на реках, ликвидации последствий наводнений, землетрясений и выполнения многих других, отличных по своему целевому назначению и технологическому характеру, экстренных АР с применением авиационно-спасательных технологий (ACT). "

Основной проблемой выполнения экстренных АР с применением ACT является обеспечение высокого уровня безопасности и эффективности летной эксплуатации (ЛЭ). Актуальность проблемы безопасности полетов при ликвидации ЧС обоснована спецификой ЛЭ вертолетов при проведении экстренных АР, связанной с использованием опасных режимов малых скоростей, с транспортировкой грузов и специальных устройств на внешней подвеске (ВП), проводимых в усложненных условиях эксплуатации (на предельно малой высоте,.в сумерках и ночью, в сложных метеоусловиях) и характеризуемых чрезвычайной срочностью, непредвиденностью, а также экстремальными организационно-технологическими условиями в зоне ЧС.

Очевидно, что необходимость внедрения комплексной системы защиты населения и территорий от ЧС с применением ACT, и несоответствие этим целям традиционных АР, создали условия для пересмотра и уточнения существующего подхода к использованию вертолетов для выполнения экстренных АР с достаточным уровнем безопасности и эффективности. Однако целостная концепция решения указанной проблемы еще не сформирована.

При исследовании этих вопросов автор использовал работы отечественных и зарубежных авторов в области различных отраслей авиационной науки, таких как аэродинамика и динамика полета, математическое моделирование динамики полета ВС, безопасность полетов, теория рисков и др. В диссертации в качестве информационных источников использованы результаты летных испытаний и исследований по созданию оборудования и технологий для АР, материалы теоретических и экспериментальных исследований динамики движения и стабилизации неудобообтекаемых тел и водосливных устройств (ВСУ) на ВП вертолета, выполненных в МГТУ ГА, ОАО НПК «ПАНХ», МГТУ им. Н.Э.

Баумана и СПбГУ ГА, статистические и периодические данные по состоянию безопасности полетов, акты и материалы расследований авиационных происшествий, а также результаты собственных расчетов и летных экспериментов.

Изучением проблем исследования аэродинамики и динамики груза на внешней подвеске вертолета (ГВП), создания математической модели (ММ) движения системы «ВС-ГВП», разработки устройств и методов аэродинамической стабилизации ГВП, создания ТС и технологий для проведения экстренных АР занимаются многие научные коллективы. Среди исследований в этой области необходимо отметить работы ученых Бутылкина И.П., Илькуна В.В., Логачева Ю.Г., Рощина В.Ф., Сухинина В.Н., Судакова А.Г., Исаева С.А., Калугина В.Т., Кубланова М.С., Козловского В.Б., Паршенцева С.А., Асовского В.П., Ефимова В.В., Куклева Е.А., Павлова С.С., Володко А.М., Свириденко А.Н.

Концептуальную разработку научных основ и методологии экстренных АР с применением ВП вертолетов содержит диссертация д.т.н. Паршенцева С.А. (2009 г.). Предложенный подход к применению ACT для ликвидации ЧС получил развитие в диссертации д.т.н. Асовского В.П. (2010 г.), в которой рассмотрены вопросы выполнения АР по распределению веществ в ЧС.

Настоящая работа, по мнению автора, должна дополнить проведенные ранее исследования рассматриваемой проблемы и расширить представление о применении ACT в интересах защиты населения и территорий от ЧС.

В связи с этим представляется актуальным получение объективной и всесторонней информации о специфике выполнения данного вида АР, совершенствование существующих и разработка новых ТС, методов и ACT выполнения экстренных АР с более широкими рамками их применимости, повышение надежности, эффективности и безопасности их проведения.

Объект исследования: процесс ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР, рассматриваемый в рамках динамической системы «экипаж -вертолет - внешняя среда» («Э-ВС-С»), под воздействием внешних факторов в условиях ЧС. Система «Э-ВС-С», в зависимости от применяемых ACT, дополняется ТС (ВП, ВСУ) и представляется в виде «Э-ВС-ГВП(ВСУ)-С».

Предмет исследования: методы повышения безопасности и эффективности ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР с применением ACT, методы повышения динамической устойчивости системы «Э-ВС-С».

Цель диссертационной работы: научно-методическое обеспечение повышения безопасности и эффективности ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР, совершенствование применяемых ACT.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследования, получены следующие научные результаты:

- определены понятия «экстренные авиационные ' работы» и «авиационно-спасательные технологии», направленные на совершенствование нормативно-правовой базы, регулирующей использование авиации в интересах обеспечения безопасности населения и территорий.

- доказана возможность гашения колебаний груза на ВП вертолета путем

создания вращательного движения груза, основанного на методе замещения лобового сопротивления вращающегося неудобообтекаемого груза сложной формы эквивалентным лобовым сопротивлением сферы с диаметром, эквивалентным максимальному удлинению груза;

- разработаны и подтверждены математически при моделировании уравнений динамики движения системы «ВС - ГВП» методы стабилизации неудобообтекаемых грузов при их транспортировке на ВП вертолета, с обеспечением безопасности полетов за счет сохранения величины колебаний ГВП в допустимых пределах в условиях, когда при выполнении экстренных АР не представляется возможным должным образом подготовить груз к транспортировке с применением специальных ТС;

- получено обоснование возможности гашения колебаний ГВП маневром вертолета и определения момента начала пилотом маневра для уменьшения колебаний груза, в зависимости от положения ВП в определенном периоде колебания;

- уточнены границы безопасных условий ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР и оптимальных параметров полета в усложненных условиях ЧС;

- определены методы повышения динамической устойчивости и надежности функционирования системы «Э-ВС-С» в усложненных условиях эксплуатации;

- разработаны уточненные практические рекомендации и предложения по ЛЭ вертолетов, эффективные приемы пилотирования на наиболее сложных этапах полета и при выполнении наиболее сложных видов экстренных АР.

Методы исследования. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовался системный подход, с применением методов летного и лабораторного экспериментов, математической обработки результатов, математического моделирования динамики полета и метода системного анализа. Анализ результатов, полученных теоретическими и экспериментальными методами исследования, позволяет взаимно сопоставить качественные оценки с количественными показателями.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методы стабилизации грузов на внешней подвеске вертолета с обеспечением синхронизации движений вертолета и груза в полете за счет создания вращательного движения груза вокруг вертикальной оси, совпадающей с центральным канатом внешней подвески.

2. Алгоритм выполнения процедур тушения природных пожаров с применением ВСУ на внешней подвеске вертолета, сокращающий продолжительность цикла полета на тушение пожара и обеспечивающий необходимое удаление вертолета от опасной конвективной зоны.

Научная новизна работы. В ходе проведения исследований получены новые научные результаты:

1. Предложенные методы стабилизации грузов на внешней подвеске вертолета, которые в отличие от ранее известных методов, устраняют

колебания грузов за счет создания вращательного движения груза вокруг вертикальной оси и синхронизации движений вертолета и груза в полете упреждающим маневром, путем смещения точки подвеса груза в вертикальную проекцию текущего положения груза, что позволяет безопасно выполнять полет на приемлемой скорости в случае неизбежного наличия колебаний груза при выполнении экстренных АР в условиях, когда нет возможности должным образом подготовить груз к транспортировке с применением специальных ТС.

2. В алгоритме выполнения процедур тушения природных пожаров с применением ВСУ, в отличие от существующего алгоритма, предлагается:

- использование методов сокращения продолжительности рабочего цикла полета на тушение пожара и комплектования экипажей, что позволяет повысить эффективность пожаротушения за счет уменьшения продолжительности процедур забора воды и захода на слив ОЖ, а также повысить надежность функционирования системы «Э-ВС-ВСУ» за счет снижения нагрузки на пилота;

- использование приемов пилотирования и способов забора воды сходу, увеличения скорости транспортировки ВСУ, слива ОЖ «с разворота» и «с горки», что позволяет повысить безопасность ЛЭ вертолетов за счет оптимизации траектории движения вертолета с ВСУ и обеспечения необходимого удаления вертолета от опасной конвективной зоны пожара.

3. Определения понятий «экстренные авиационные работы» и «авиационно-спасательные технологии», применяемые на практике, но пока не получившие закрепления в нормативных документах, позволяют усовершенствовать нормативно-правовую базу, регулирующую использование авиации в интересах обеспечения безопасности населения и территорий.

Достоверность результатов исследования подтверждается результатами экспериментальных проверок предлагаемых методов, алгоритмов и способов выполнения экстренных АР, успешной реализацией на практике полученных практических рекомендаций, выводов и предложений.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты позволяют повысить эффективность и безопасность ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР. Исследование имеет прикладной характер, полученные результаты используются в ФГБУ «Авиационно-спасательный центр Дальневосточного регионального центра МЧС России» (АСЦ ДВРЦ МЧС России) и могут быть использованы авиационными предприятиями и непосредственно пилотами в практике ЛЭ при выполнении экстренных АР с применением ACT.

Апробация результатов исследования проведена лично автором совместно с летным составом АСЦ ДВРЦ МЧС России на практике в процессе ЛЭ вертолетов типа Ми-26 и Ми-8 при выполнении экстренных АР.

Предлагаемые в исследовании методы повышения безопасности и эффективности ЛЭ вертолетов апробированы при выполнении экстренных АР в Республике Саха (Якутия) по тушению лесных пожаров с применением вертолетов Ми-26Т и Ми-8МТВ в мае-июле 2011 года.

Предлагаемые практические приемы пилотирования вертолета и рекомендации по устранению колебаний ГВП апробированы автором и пилотами АСЦ ДВРЦ МЧС России при выполнении экстренных АР по транспортировке неудобообтекаемых ГВП вертолетом Ми-26Т в Иркутской обл. и Республике Саха (Якутия) в 2008-2009 гг. и на о. Сахалин в июне 2011 г.

Основные положения работы, научные и практические результаты исследования докладывались: на Международной научно-технической конференции «Шестые Уткинские чтения». БГТУ «Военмех» им Д.Ф. Устинова, С.-Петербург, ноябрь 2013 г.; межвузовских конференциях и семинарах в 2011-2013 годах; летно-методических конференциях на сборах руководящего состава авиации МЧС России в 2007-2009 и 2011, 2013 годах, а также обсуждались на отраслевых научно-технических и летно-технических конференциях. Итоговые результаты диссертационной работы были заслушаны 22 мая 2013 года на межкафедральном научном семинаре Университета ГА.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебно-летный процесс в авиации МЧС России в виде методических рекомендаций по обеспечению эффективности и безопасности ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР с применением ACT. Имеются акты внедрения.

Основные результаты диссертационной работы реализованы и внедрены в государственной авиации РФ в части:

совершенствования нормативной базы выполнения экстренных АР с применением ACT: проект и разделы Положения об организации летной работы в авиации МЧС России (ПОЛР МЧС России-2011);

подготовки пособий и рекомендаций по выполнению экстренных АР: «Методические рекомендации летному составу авиации МЧС России по применению ВСУ на вертолетах для тушения лесных пожаров» (2005 г.), «Методические рекомендации летному составу авиации МЧС России по пилотированию вертолета и борьбе с раскачкой груза при выполнении экстренных авиационных работ с применением внешней подвески» (2010 г.), «Методические рекомендации летному составу авиации МЧС России по ведению визуальной осмотрительности при выполнении экстренных авиационных работ в неконтролируемом воздушном пространстве» (2011 г.).

Результаты исследований также были использованы д.т.н., проф. Володко A.M. при написании учебно-методического пособия «Вертолет в усложненных условиях эксплуатации» и «Методического пособия для лётных экипажей вертолётов типа Ми-8 по выполнению спасательных операций при ДТП».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 146 наименований и приложения. Диссертация изложена на 152 страницах, включает 46 иллюстраций и 12 таблиц. Основная часть работы изложена на 118 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования. Показана научная новизна и практическая ценность работы, указаны методы исследования. Излагается краткое содержание диссертации и полученные результаты, приводятся положения, которые выносятся на защиту. Представлены сведения об апробации работы, публикациях по теме диссертации и реализации результатов работы.

Для совершенствования нормативно-правовой базы, регулирующей использование авиации в интересах обеспечения безопасности населения и территорий, предложены определения понятий «экстренные авиационные работы» и «авиационно-спасательные технологии», применяемые на практике, но пока не получившие закрепления в нормативных документах.

По мнению автора, экстренные авиационные работы - это специальный вид АР, выполняемых с применением авиационно-спасательных технологий, в целях защиты территорий и населения от ЧС.

В работе предложена классификация экстренных АР в зависимости от характеристик совокупности методов, способов, приемов, режимов и норм использования ВС, устанавливаемых на борту для выполнения авиационных работ технических средств и (или) дополнительного специального оборудования (аппаратуры), условий выполнения АР, целей и применяемых технологий, с учетом положений ГОСТ Р 54265-2010.

Под авнационно-спасательными технологиями выполнения экстренных АР, по мнению автора, понимается совокупность методов, способов, приемов и режимов использования ВС, а также применяемых технических средств для предупреждения и ликвидации последствий ЧС.

Для разработки методов стабилизации грузов на внешней подвеске вертолета при выполнении экстренных АР проведен анализ существующих методов повышения безопасности и эффективности ЛЭ вертолетов, применяемых при выполнении традиционных АР по транспортировке грузов на ВП, и подходов к решению проблемы обеспечения динамической устойчивости системы «экипаж - вертолет - груз на ВП - внешняя среда».

На основе проведенного анализа сделан вывод, что ввиду специфики условий проведения экстренных АР, применение специальных ТС стабилизации груза на ВП и пилотирование комбинированным методом из дополнительной кабины для пилота-оператора не всегда возможно. Обоснована позиция автора, что наиболее эффективным методом повышения динамической устойчивости системы «Э-ВС-ГВП-С» при выполнении экстренных АР является разработка приемов пилотирования по устранению раскачки груза в полете за счет совершения управляющего маневра, что подтверждено результатами математического моделирования динамики движения системы «вертолет - груз».

Оценка важности разработки методов гашения колебаний ГВП для обеспечения безопасности выполнения экстренных АР: вертолет является одним из наиболее опасных транспортных средств, применяемых при АР по перемещению грузов с помощью внешней подвески (ГВП).

Однако вопросы формализации процедур по оценке уровней безопасности на основе требований ИКАО (Annex 19) в сфере эксплуатации вертолетов в ГА РФ не разработаны в полном объеме. Поэтому необходимо рассматривать данные вопросы дополнительно.

Главные проблемы динамики движения вертолета с ГВП:

- идентификация возмущений с учетом сложной аэродинамики обтекания лопастей вертолета, фюзеляжа и рулевого винта, идентификация характеристик аэродинамики сложных по форме грузов на внешней подвеске;

- определение границ опасных зон отклонений подвижных элементов от нормативных значений, для предупреждения аварийных ситуаций;

- поиск эффективных методов гашения колебаний «неудобообтекаемых» грузов на ВП, важнейшим является «гашение» путем маневров в упрежденные точки (по методу «сдвига точки подвески»);

- проверка и доказательство положений о том, что «просадки» вертолета (смещение ТП) изменяют период колебаний ГВП;

- поиски математических моделей ГВП, поскольку число степеней свободы велико - до 50. Метод Лангранжа-2 малопригоден для нахождения дифференциальных уравнений движения систем со многими степенями свободы и набором непотенциальных сил, особенно в случае систем управления с алгоритмами регулирования на основе обратных связей.

Одной из наиболее важных проблем обеспечения безопасности полетов является создание тренажеров (КТС по типу образца «Транзас»), в которых воспроизводится аэродинамика и динамика обтекания груза и вертолета (динамической системы со многими степенями свободы), при непотенциальных силах и управляющих воздействиях.

Оценка безопасности полетов ВС на основе Стандартов ИКАО (SARPS ICAO) и положений Annex 19, определение понятия безопасности полетов по ИКАО с учетом требований стандарта ISO-8402: в новых разработках ИКАО типа РУБП (Doc 9858-AN/460) принято определение: «Безопасность полетов — это состояние системы, при котором риск причинения вреда имуществу или персоналу не превышает приемлемого уровня».

Из физических трактовок понятия «риска» следует, что «риск - это прогнозируемые (расчетные) возможные вредные последствия в исследуемых ситуациях при условии, что в системе может возникнуть при некоторых угрозах опасное (или рисковое) случайное событие R с негативными последствиями типа ущерба HR». Используется известная формула профессора Е.А. Куклева, с помощью которой концепция риска по ИКАО задается в математической форме с использованием понятия рискового события R:

Я = 4К|/",,#л,Е0). (1)

В данной формуле принято: А» - событие со знаком критичности («), выделенное из множества возможных событий А» е {Ai}; со? - элементарное событие с символом случайности; - показатель меры случайности (т.е. показатель того, как часто возникают события типа А»); Но — некоторые

условия, характеризующие функционирование системы, например «вертолет с грузом на внешней подвеске в процессе выполнения авиационных работ».

Эта формула оказалась универсальной для многих видов транспорта. Для вертолетов также удается находить уровень безопасности через уровень опасности, определяемый значимостью риска в виде уровня Й — интегральной функции прогнозируемого количества опасности в исследуемой системе. Поэтому можно воспользоваться известными результатами из разработок проф. Е.А. Куклева и отыскивать интегральную величину риска Й в форме:

Это дает универсальный способ определения уровня опасности с помощью индикаторов, которые рекомендуются в документе Annex 19 ИКАО.

В связи с этим важной задачей является установление адекватности практических рекомендаций следующего вида:

- влияние на вертолет динамики качания ГВП как маятника; известно, что если не учитывать сложную аэродинамику груза, то это влияние несущественно, особенно при малых начальных углах отклонений ГВП от вертикали (видеосъемка подтверждает этот факт);

- взаимное влияние динамики 2-х связной системы без внешних критических возмущений достаточно надежно моделируется в виде консервативной динамической системы без затухания с помощью модели кулисы (при этом всего лишь достаточно дать соответствующее физическое название элементам динамической системы «вертолет - груз»);

- оценить влияние «просадок» точки подвеса на период колебаний, чтобы можно было подобрать управление вертолетом при маневре по гашению колебаний;

- подтвердить, что без автоматического управления безопасность полета при транспортировке ГВП не обеспечить.

В западных авиакомпаниях большинство видов работ с ГВП автоматизировано. В ЛИИ им. М.М. Громова получен патент на способ гашения колебаний груза с помощью автопилотирования в режиме совершения упреждающих маневров, но практическая реализация не описана.

Для рассматриваемой системы «вертолет - груз», с точки зрения оценки возможности гашения колебаний груза на ВП, представляет интерес оценка степени влияния движения точки подвеса груза к вертолету на колебания груза.

Методы борьбы с продольно-поперечным раскачиванием груза известны и применяются на практике: снижение скорости полета, создание вертикальных и горизонтальных ускорений вертолета (т.е. изменение характеристик движения точки подвеса груза на вертолете). В связи с этим представляет интерес следующий вопрос: как должна двигаться точка подвеса груза, чтобы как можно быстрее погасить колебания?

Чтобы ответить на эти и другие аналогичные вопросы, . можно использовать известные математические модели системы «ВС-ГВП», предложенные в разное время Володко A.M. (на основе метода неопределенных

(2)

множителей Лагранжа), Свириденко А.Н. (на основе принципа Даламбера), а также Кублановым М.С., Козловским В.Б., Паршенцевым С.А. и Ефимовым В.В. (подход, не требующий вывода уравнений Лагранжа, позволяющий описывать движение системы при наличии связи, считаемой идеальной).

Однако процесс вывода системы уравнений Лагранжа для системы «вертолет-груз» достаточно трудоемок, а полученная система нелинейных уравнений, за исключением искусственных модельных случаев не может быть решена аналитически, сложность данных моделей и соответствующего программного обеспечения могут привести к значительным трудозатратам и затруднить поиск наиболее существенных взаимосвязей.

В диссертации для изучения физики явления и выявления главных факторов используется упрощенная математическая модель: кулиса (классическая), как исходная форма для описания нелинейных движений ГВП при маневре гашения колебаний (рис. 1). Закономерности динамики движения «ВС - ГВП» по схеме кулисы были установлены на практике лично автором.

*

'1 1

тп < ---- 1

//// Л///{/////

<31 V \ 1 у 1 \ 1 |\ —_ ( )Г \ 1 / Л 1 [ * 1 Ш2 1 ^ !

Рис. 1. Кулиса (автономная без внешних сил) Автором диссертации было экспериментально установлено, что вертолет в режиме висения с ГВП представляет собой типовую 2-х степенную динамическую систему. Эта система является консервативной, поскольку никаких причин для затухания колебаний, кроме лобового сопротивления, не существует. Экспериментально установлено, что при колебаниях груза с массой, близкой к массе вертолета и менее, затухания колебаний без управляющих воздействий невозможно.

Главным инструментом гашения колебаний, как показала практика, является совершение управляющих маневров, основным из которых является «наезд» точки подвеса на упрежденную точку положения груза. На рис.1 пунктиром показана та управляющая сила Тупр, с помощью которой можно совершить гашение колебаний груза методом «наезда».

Таким образом, проблемы гашения колебаний заключаются не в самой динамической системе, а в сложных маневрах вертолета и внешних воздействиях (порывы ветра, вращение груза и др.), именно это явилось предметом исследования. Для проверки гипотезы и достоверности результатов было проведено математическое моделирование «по модели кулиса».

Из теоретической механики известно, что динамика движения замкнутой независимой механической системы с 2 степенями свободы будет нелинейной:

V я )

Р2 -2 • аф соб <р —бш <р

О,

¡гф + ^ ах соб <р = Р2а вт (р.

(3)

(4)

После известных преобразований и частичной линеаризации получится: О5! + Р2)х + Р2аф - Р2аф2<р = 0, (5)

(6)

12ф + ^ ах + Р2а<р = 0.

Система может быть приведена к физическим величинам с учетом силы тяжести элементов кулисы с обозначениями: ГП| - масса ползуна (вертолета), т2 — масса груза на ВП, К- натяжение троса.

№■2 = Го = '; = тгд-, С2 = т2д,

У1 = = *>2 = {г;»2 = V2(<р, ср.Хг}-

ь1 "2

(7)

(8)

Собственная частота колебаний элементов в противофазе вокруг центра масс будет (как в классических работах) зависеть от длины подвеса груза в механизме кулисы / и соотношения масс т| и гп2.

В расчетных схемах применяются модели динамики колебаний элементов кулисы по степеням свободы (р (I) и X (0 в безразмерной форме, которые предложены проф. Е.А. Куклевым. Эти формы более удобны для решения задач, выявленных в настоящей диссертации:

а) математический маятник (ММ) — математические модели для численного моделирования с неподвижной точкой.

б) кулиса линейная с учетом дополнительной центробежной силы растяжения троса подвески.

в) кулиса с центробежной силой растяжения:

,ф = -ср£[ 1 + ц2(1+±ф2)}. (9)

Общее уравнение колебаний «ползуна» вдоль направляющей и качаний ГВП может быть задано по-разному и приведено в диссертации.

Образцы колебаний, полученные в результате численного моделирования приведены на рис. 2.

Рис. 2. Влияние просадки (Дх) и ГВП (ц2) на изменение периода колебаний по углу <р (степень свободы №1)

Математическое моделирование подтвердило гипотезу, выдвинутую автором о том, что вертолет с ГВП - это консервативная динамическая 2-х степенная система, без затухания. Главный принцип гашения колебаний ГВП -это управление маневром вертолета за счет смещения точки подвеса груза. Это делается путем совершения маневра вертолета в форме «наезда» на точку текущего положения груза в любой фазе его колебаний.

При этом необходимо подтвердить гипотезу о том, что период Т колебаний груза «увеличивается», а частота колебаний «уменьшается». При этом значение собственной частоты колебаний соо «в кулисном механизме» не имеет практически никакого значения. Эта частота очень близка к частоте свободных колебаний математического (ММ) или физического маятника и зависит только от длины / подвеса груза.

Управление можно ввести в подготовленные уравнения двумя способами. Наиболее просто это можно сделать по методу функций Л.Д. Ландау — через ускорение точки подвеса. Тогда нужно подбирать подходящие функции маневра.

Общий вид управления вертолетом с использованием алгоритмов регулирования на основе сигналов жесткой отрицательной обратной связи (ЖООС) наиболее целесообразно синтезировать на основе общего уравнения динамики многостепенной системы. Оба упомянутых метода были использованы при решении задач, сформулированных в диссертации.

Результаты численного моделирования динамики выполнения вертолетом упреждающих маневров по гашению колебаний ГВП оформлены в форме протоколов, которые представлены в Приложении к диссертации.

Основные выводы, относящиеся к исследованию особенностей управляемости движения вертолета с ГВП при гашении колебаний по методу «смещения точки подвеса»:

1. Не существует особых (критических) частот колебаний, влияющих на безопасность (частоты близки к ММ).

2. Опасность возникает вследствие бифуркаций ГВП при неправильной аэродинамике.

3. Качание при больших начальных углах (и забросах) ГВП вызывают возмущения вертолета в поперечном и продольном отношении, типа «кабирование», «пикирование» и др. Необходимо гашение колебаний.

4. 4M подтвердило, что «просадки» точки подвеса по горизонтали и вертикали (Ах, Ду) удлиняют период колебаний.

Наиболее общий и рациональный способ «успокоения» поперечной раскачки груза в полете заключается в синхронизации, по возможности, движений вертолета и груза (рис. 3). Если, например, груз в процессе раскачки «пошел» вправо с достаточно большой амплитудой и периодом колебаний, целесообразно ввести вертолет в правый крен и скольжение и попытаться «догнать» таким образом груз. При последующем движении груза влево подобный «догон» можно будет выполнить быстрее и проще.

Аналогичный способ можно предложить и для устранения раскачки груза в продольном отношении (рис. 4), с той лишь разницей, что продольные колебания более опасны с точки зрения безопасности полета, так как в процессе их «успокоения» требуются разнонаправленные движения ручкой управления в продольном направлении для создания вертикали системы вертолет-груз с помощью тангажа, что небезопасно ввиду возможности опасного сближения лопастей несущего винта с хвостовой балкой. Кроме того, такой способ представляет определенную сложность для пилота, требует большого опыта и отличных навыков в технике пилотирования.

Поэтому более безопасным и достаточно эффективным, хотя и более продолжительным, является способ гашения продольных колебаний ГВП путем перевода их в продольно-поперечные, а затем в поперечные колебания, которые затем минимизируются путем синхронизации движений вертолета и груза.

Для этого необходимо ввести вертолет в разворот, тем самым изменив характер обтекания груза с продольного на встречно-боковое, за счет чего через некоторое время раскачка ГВП также меняет свое направление и переходит из продольной в поперечную, после чего необходимо вывести вертолет в прямолинейный полет и устранить поперечные колебания груза креном.

Нередко при проведении экстренных АР возникает необходимость в транспортировке на ВП длинномерных грузов на значительные расстояния при отсутствии возможности заправки вертолета по маршруту полета, что требует выдерживания достаточной большой скорости полета. Вследствие большого удлинения такие грузы ведут себя крайне неустойчиво и при увеличении скорости входят в продольную и поперечную раскачку со значительной амплитудой, которая при дальнейшем увеличении скорости может создавать угрозу безопасности полета. В таком случае для достижения приемлемых скоростей полета можно рекомендовать следующую методику.

Необходимо перевести продольно-поперечную раскачку груза во вращательное движение относительно оси, совпадающей с тросом ВП. Это возможно при наблюдении груза пилотом с помощью бортовой телевизионной установки на вертолете Ми-26, либо с помощью зеркал, устанавливаемых в нижней части остекления кабины пилотов и направленных вниз в сторону груза на вертолете Ми-8, либо при хорошей натренированности и отличном взаимодействии в экипаже - по командам бортового механика.

Суть данной методики в следующем: как правило, груз на внешней подвеске вертолета раскачивается неравномерно, «подставляя» под набегающий поток то одну, то другую, имеющую наибольшую длину сторону, но не «закручивается» из-за большого удлинения, т.е. не совершает полного круга вращения вокруг оси троса внешней подвески.

Задача пилота состоит в том, чтобы в момент «вымаха» груза в одну из сторон в поперечном направлении, заметив тенденцию движения передней части груза в сторону маха, за счет эффективного создания крена с одновременным разгоном скорости, направить набегающий поток на заднюю часть груза и увеличить начавшуюся тенденцию вращения для совершения грузом полного оборота вокруг оси троса ВП.

В этом случае продольно-поперечное колебание, при дальнейшем плавном увеличении скорости полета, переходит в круговую раскачку с уменьшающейся амплитудой и затем во вращательное движение с увеличивающейся угловой скоростью, которое значительно стабилизирует груз, упрощает технику пилотирования и позволяет транспортировать груз на приемлемой скорости.

Эффективность предлагаемого метода подтверждена лётным экспериментом, результаты которого приведены на рис. 5.

3S,00

V. км/ч

60 80 100 120 140

Рис. 5. Зависимость угла отклонения троса внешней подвески от скорости полета

Разработанные методы борьбы с раскачкой ГВП позволяют безопасно выполнять полет в случае неизбежного наличия колебаний груза при выполнении экстренных АР в условиях ЧС, когда из-за складывающейся обстановки не представляется возможным должным образом подготовить груз к транспортировке с применением специальных ТС.

В целях усовершенствования алгоритма выполнения процедур тушения природных пожаров вертолетами с ВСУ разработаны:

— методы оптимизации рабочего цикла полета на тушение пожара и комплектования экипажей, позволяющие повысить эффективность пожаротушения за счет сокращения продолжительности процедур забора воды и захода на слив ОЖ, а также повысить надежность функционирования системы «Э-ВС-ВСУ» за счет снижения нагрузки на пилота;

— приемы пилотирования и способы забора воды «сходу», увеличения скорости транспортировки ВСУ, слива ОЖ «с разворота» и «с горки», позволяющие повысить безопасность ЛЭ вертолетов за счет оптимизации траектории движения вертолета с ВСУ и обеспечения необходимого удаления вертолета от опасной конвективной зоны пожара.

Для повышения производительности экстренных АР по тушению природных пожаров и эффективности ЛЭ вертолетов с ВСУ предложена технология работы в районе пожара парой по кругу, позволяющая сократить интервал времени между сливами на очаг пожара (один вертолет забирает воду, другой в это время сливает на пожар, затем первый следует для слива воды на пожар, а второй к месту забора воды).

Исходя из практики применения ВСУ, предложен метод повышения' эффективности выполнении экстренных АР по тушению пожаров, заключающийся в увеличении скорости транспортировки ВСУ на ВП, когда в определенных условиях ЧС помещать ВСУ внутрь вертолета не целесообразно. В этом случае необходимо частично заполнить его водой путем погружения в

водоем и подъема по командам бортоператора до момента полного заполнения. В результате скорость транспортировки ВСУ увеличивается со 160 до 180 км/ч при незначительном увеличении часового расхода топлива.

На основе практического опыта летной эксплуатации определены наиболее сложные и ответственные этапы полета с ВСУ, к которым относятся заход на забор воды и слив на очаг пожара, выработаны предложения по совершенствованию приемов пилотирования на этих этапах.

Рекомендован прием пилотирования при заборе воды «сходу», который позволяет значительно повысить производительность и, соответственно, эффективность экстренных АР по тушению пожаров за счет сокращения времени полета, потребного на забор воды в ВСУ из водоема.

При открытых подходах заход на точку забора воды выполняется по глиссаде средней крутизны с таким расчетом, чтобы в момент касания емкостью поверхности воды поступательная скорость не превышала 5 км/ч, а скорость снижения была около 0,5 м/с. При получении команды бортоператора «касание» КВС энергично гасит поступательную скорость до нуля и продолжает снижение до получения команды «верхний обод в воде», после чего прекращает снижение и выполняет висение по командам бортоператора, не допуская чрезмерного снижения вертолета во избежание окунания в воду механизма управления.

Такая методика захода обуславливает приход вихревого потока от НВ на место забора воды позже момента касания ВСУ поверхности водоема, что существенно облегчает процесс и сокращает время забора воды.

Необходимо отметить, что даже при закрытых подходах возможен заход на точку забора воды «сходу» без висения. Для этого требуется хорошо отработанная технология взаимодействия в экипаже, при которой бортоператор докладывает момент прохода препятствий на границе водоема, после чего КВС энергично переводит вертолет на снижение.

Указанная технология наиболее удачно реализуется при выполнении экстренных АР по тушению пожаров с применением ВСУ на вертолете Ми-26, при условии рационального распределения обязанностей между двумя бортоператорами при заходе на забор воды, когда первый бортоператор диктует высоту, а второй - удаление до точки забора. Реализация рассматриваемой технологии возможна при условии высокого уровня подготовки экипажа, отработанных навыков глазомерного определения высоты и дальности, слетанности и взаимопонимания в экипаже.

Разработан метод комплектования экипажей и сокращения продолжительности процедур рабочего цикла полета на тушение пожара, повышающий производительность полетов с применением ВСУ и снижающий нагрузку на пилота.

Проведенный анализ ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР по тушению пожаров показал, что средняя продолжительность рабочего цикла полета с ВСУ составила для вертолета Ми-26 9,5 мин. Продолжительность рабочего цикла и этапы полета, входящие в него, приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Средняя продолжительность рабочего цикла полета на тушение пожара

Этап полета Продолжительность процедур рабочего цикла полета вертолета Ми-26 на тушение пожара, мин.

Обычная технология Предлагаемая технология

подъем ВСУ из воды и разгон V 50 км/ч 0,3 0,2

набор высоты с разгоном скорости 1,2 1,0

полет к месту пожара, заход на очаг пожара 3,0 2,2

выход на боевой курс, гашение V до 60 км/ч 0,7 0,5

слив воды на скорости 60 км/ч 0,2 0,2

разгон V и полет к водоему 2,5 1,5

заход на забор воды, снижение и гашение V до 50 км/ч 1,2 0,5

зависание, висение при заборе воды 0,4 0,2

В целях снижения нагрузки на КВС и повышения эффективности его работы в полете, особенно при тушении масштабных пожаров с налетом в день, близким к максимальной нагрузке, целесообразно комплектовать экипажи, состоящие из КВС и КВС-инструктора. Это позволяет сократить продолжительность процедур рабочего цикла полета на тушение пожара методом поочередного выполнения заборов и сливов. Возможны разные варианты: выполнение каждым пилотом по четыре полных рабочих цикла полета с последующей передачей управления, либо деление каждого рабочего цикла пополам — первый пилот выполняет забор воды, после разгона скорости и набора высоты отдает управление второму пилоту, который выполняет заход на очаг пожара и слив. Выбор варианта зависит от конкретных условий в районе пожара: задымленности, взаимного расположения очага пожара и водоема, ветровой обстановки. В зависимости от этих факторов на каждом этапе полета эффективнее пилотировать с левого или с правого кресла. Например, в зависимости от направления ветра приходится производить заход на забор воды левым или правым бортом к берегу, соответственно с противоположного борта отсутствуют ориентиры, что затрудняет выдерживание места висения и увеличивает время забора воды. Предлагаемый метод позволяет оптимизировать траекторию полета вертолета, исключить лишние развороты и маневрирование при заходе на водоем и на очаг пожара.

Летным экспериментом подтверждено, что предложенный метод позволяет сократить продолжительность рабочего цикла полета вертолета Ми-26 с ВСУ-15А с 9,5 мин. до 6,3 мин. (табл. 1), за счет сокращения потребного времени на забор воды и на полет к очагу пожара и к водоему, повышает надежность функционирования системы «Э-ВС-ВСУ-С» и обеспечивает эффективность и безопасность ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР по тушению пожаров.

V - «трость полета; Н нысоха саииа; I, - длина смоченной полосы; Ч - шнгпюспъ осади.

Рис. 6. Схема траекторий движения вертолета и ВСУ при тушении очага горения маневром «горка»

В целях обеспечения безопасности ЛЭ вертолетов с ВСУ рекомендован способ слива ОЖ на очаги горения в процессе разворота (рис. 7), подробно описанный В.П. Асовским. При выполнении вертолетом разворота с креном у величина угла а отклонения троса внешней подвески с ВСУ под действием центростремительных сил превышает величину крена тем значительнее, чем больше длина подвески Ьт и угловая скорость разворота, связанная с креном и

Разработан способ слива ОЖ на точечные очаги горения «с горки»

(рис. 6), заключающийся в повышении эффективности пожаротушения за счет укорочения длины полосы смачивания и соответственно увеличения удельной плотности осадка путем вертикального маневра вертолета с ВСУ типа «горка» в процессе слива, для чего пилот в момент выхода на очаг горения и начала слива ОЖ не уменьшает значение ОШ НВ для выдерживания горизонтального полета и одновременно ручкой циклического шага создает положительный угол тангажа, переводя вертолет в набор высоты с одновременным гашением скорости. При уменьшении скорости в конце слива до минимально допустимой для данных условий полета вертолет переводится в горизонтальный полет и далее, после подготовки ВСУ к работе, в разгон скорости с одновременным отворотом из задымленной области. Кроме повышения эффективности слива на точечный очаг пожара данный способ также удаляет вертолет от опасной конвективной зоны, обеспечивая безопасность полетов при тушении пожаров.

ДУ=30 км/ч

У,=30

П]=60 м

ДН=40 м

скоростью полета. На этом режиме, при полете вдоль кромки пожара разворотом от нее, ВСУ на тросе ВП смещается в сторону пожара на расстояние Ьвп ■ хіпа (в типовых условиях для Ми-26 с ВСУ-15А при крене 20° на 10-15 м), при этом и слив ОЖ из «наклоненного» в сторону пожара патрубка ВСУ дает дополнительное смещение смоченной полосы от ВСУ, т.е. при выполнении разворота имеется возможность слива на боковое удаление 15-20 м от линии пути.

Рис.7. Схема траекторий движения вертолета и ВСУ при тушении очага горения маневром «с разворота»

В этом случае при тушении пожара с использованием ВСУ вертолет при заданных параметрах траектории может не входить в опасную зону мощных потоков от объектов горения, расширяя тем самым возможность использования и обеспечивая безопасность полетов при тушении пожаров.

Предлагаемый прием пилотирования обеспечивает возможность увеличения высоты полета без ухудшения качественных показателей слива ОЖ, а также дополнительного «удаления» вертолета от опасной конвективной зоны.

Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что аэродинамические, массовые и геометрические характеристики ВСУ, с учетом предлагаемых в настоящей работе рекомендаций, обеспечивают необходимый уровень безопасности и эффективности применения во всём рекомендуемом диапазоне ЛЭ при воздействии внешних факторов, характерных для экстренных АР по тушению пожаров.

<в - угловая скорость пері у- угол жрепа вертолета; / ,-., дшша ішілшіей йоді; €1 - уТОМОТЮМШеЫИЯТрО! внешней подвески с НО

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Проведенные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования актуальных вопросов повышения эффективности и безопасности летной эксплуатации вертолетов при выполнении экстренных АР позволили достичь поставленной цели работы и получить следующие основные научно-практические результаты:

1. Предложены определения понятий «экстренные авиационные работы» и «авиационно-спасательные технологии», позволяющие усовершенствовать нормативно-правовую базу, регулирующую использование авиации в интересах обеспечения безопасности населения и территорий.

2. Разработаны методы стабилизации грузов на внешней подвеске вертолета, основанные на понимании механизмов возникновения колебаний и математическом описании динамики движения системы «вертолет — груз», заключающиеся в синхронизации движений вертолета и груза в полете и создании вращательного движения груза вокруг вертикальной оси, совпадающей с центральным канатом внешней подвески.

3. Обоснована возможность гашения колебаний груза на внешней подвеске маневром вертолета и определения момента начала пилотом маневра для уменьшения колебания груза, в зависимости от положения внешней подвески в определенном периоде колебания.

4. Разработаны рекомендации по устранению колебаний груза в полете, направленные на выработку устойчивых навыков пилотирования вертолета с грузом на внешней подвеске и безопасное выполнение полета в случае, когда при выполнении экстренных АР невозможно устранить колебания груза.

5. Определены наиболее сложные и ответственные этапы полета с ВСУ -заход на забор воды и слив на очаг пожара, выработаны предложения по совершенствованию приемов пилотирования на этих этапах. В частности, забор воды «сходу» позволяет повысить производительность и, соответственно, эффективность экстренных АР по тушению пожаров за счет сокращения времени полета, потребного на выполнение этого этапа полета.

6. Разработаны методы комплектования экипажей и сокращения продолжительности процедур рабочего цикла полета на тушение пожара, увеличения скорости транспортировки ВСУ, повышающие производительность полетов с применением ВСУ и снижающие нагрузку на пилота. Предложенные методы повышают надежность функционирования системы «Э-ВС-ВСУ-С», что обеспечивает эффективность и безопасность летной эксплуатации вертолетов при выполнении экстренных АР по тушению пожаров.

7. Разработаны рекомендации по пилотированию вертолета при выполнении экстренных АР по тушению природных пожаров, направленные на предотвращение возможности попадания ВСУ в НВ и РВ вследствие повреждения емкости в полете и воздействия приземных роторных вихрей, сдвига ветра и конвективных потоков от пожара.

8. Разработаны способы слива ОЖ на очаги горения «с разворота» и «с горки», позволяющие повысить безопасность и эффективность летной

эксплуатации вертолетов при тушении пожаров. Предлагаемые приемы пилотирования обеспечивают возможность увеличения высоты полета без ухудшения качественных показателей слива ОЖ, а также дополнительного «удаления» вертолета от опасной конвективной зоны.

- ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Лебедев A.A. Рекомендации по пилотированию вертолета и борьбе с раскачкой груза при выполнении экстренных авиационных работ с применением внешней подвески // Научный вестник МГТУГА, 2013, № 188 (2), с. 143-146.

2. Лебедев A.A. Направления решения проблемы обеспечения комплексной безопасности на федеральных автомобильных трассах с применением авиационно-спасательных технологий // Технологии гражданской безопасности. Том 10, 2013, №1(35), с. 50-56.

3. Лебедев A.A. О навыках, пилота, необходимых для повышения эффективности визуальной осмотрительности с целью предотвращения столкновений при выполнении экстренных авиационных работ в неконтролируемом воздушном пространстве // Проблемы летной эксплуатации и безопасность полетов: Межвузовский тематический сборник научных трудов. Вып. IV / Университет ГА. С.-Петербург, 2010, с. 74-84.

4. Лебедев A.A., Натальин В.М., Опара Ю.С. О возможности попадания водосливного устройства и ленточной стропы в несущий и рулевой винты вертолета // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность, 2007, № 151(1), с. 206-208.

5. Лебедев A.A., Опара Ю.С. О возможной оценке допустимого уровня риска для обеспечения безопасности полетов при проведении экстренных авиационных работ // Проблемы летной эксплуатации и безопасность полетов: Межвузовский тематический сборник научных трудов. Вып. IV / Университет ГА. С.-Петербург, 2010, с. 43 - 46.

6. Лебедев A.A., Опара Ю.С., Матвеев Ю.И. Современное состояние вопроса об управлении поведением грузов на внешней подвеске вертолета при проведении экстренных авиационных работ // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Шестые Уткинские чтения» / БГТУ «Военмех» им Д.Ф. Устинова. С.-Петербург, 2013

7. Опара Ю.С., Матвеев Ю.И., Лебедев A.A. Использование эффекта Эйфеля для улучшения аэродинамических характеристик транспортных средств // Проблемы летной эксплуатации и безопасность полетов: Межвузовский тематический сборник научных трудов. Вып. I / Университет ГА. С.-Петербург, 2007, с. 142-144.

Подписано к печати 22.11.2013 г. Формат бумаги 60х901/|6. Тираж 70экз. Уч.изд.л. 1,375. Усл.печ.л. 1,5. Заказа . Тип. СПбГУ ГА. 196210, С.-Петербург, ул. Пилотов, дом 38.

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

04201454052

Лебедев Антон Александров

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЁТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЁТОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЭКСТРЕННЫХ АВИАЦИОННЫХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВИАЦИОННО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Опара Ю.С.

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень условных обозначений................................................... 4

Введение .......................................................................................................... 7

Глава 1. Анализ авиационно-спасательных технологий, применяемых для выполнения экстренных авиационных работ вертолетами.............. 16

1.1. Основные понятия, классификация и специфика выполнения экстренных авиационных работ...................................................... 16

1.2. Обзор современного состояния проблем выполнения экстренных авиационных работ.......................................................................... 19

1.2.1. Авиационно-спасательные работы, транспортирование персонала (граждан из зон чрезвычайных ситуаций) и грузов............... 19

1.2.2. Авиационные работы по оказанию медицинской помощи

и проведению санитарных мероприятий....................................................... 21

1.2.3. Авиационные работы по тушению пожаров лесов, пастбищ, жилых и промышленных объектов ............................................. 22

1.2.4. Авиационные работы по борьбе с нефтяными пятнами ... 24

1.2.5. Авиационные работы по регулированию таяния снега и льда, ликвидации ледовых заторов и снежных лавин.......................... 25

1.3. Перспективы применения авиационно-спасательных технологий для обеспечения комплексной безопасности на федеральных автомобильных трассах и выполнения медико-эвакуационных работ ............. 28

1.4. Задачи диссертационного исследования........................................ 35

Глава 2. Разработка методов повышения безопасности и эффективности летной эксплуатации вертолетов при выполнении экстренных авиационных работ с применением внешней подвески.............................................. 39

2.1. Состояние проблемы гашения колебаний на внешней подвеске вертолета................................................................................. 39

2.2. Оценка безопасности полетов ВС на основе Стандартов ИКАО (SARPS ICAO) и положений Annex 19............................................. 41

2.3. Исследование динамики полета вертолета с грузом на

внешней подвеске методом математического моделирования............... 42

2.3.1. Выбор математического аппарата для описания системы «вертолет - груз на внешней подвеске»............................................... 43

2.3.2. Моделирование нелинейных движений ГВП при маневре гашения колебаний на основе математической модели кулисы............. 44

2.4. Разработка приемов пилотирования вертолета с грузом на внешней подвеске..................................................................... 49

2.4.1. Оценка возможности уменьшения колебаний груза в динамической системе «вертолет-груз»........................................... 49

2.4.2. Определение момента начала маневра вертолета для гашения колебаний груза на внешней подвеске................................. 59

2.4.3. Рекомендации по пилотированию вертолета и борьбе с раскачкой груза при выполнении экстренных авиационных работ с применением внешней подвески................................................... 61

2.5. Выводы по главе 2......................................................................... 72

Глава 3. Разработка методов повышения безопасности и эффективности летной эксплуатации вертолетов при выполнении экстренных авиационных работ по тушению природных пожаров.................................. 74

3.1. Методы повышения эффективности летной эксплуатации вертолетов при тушении пожаров с применением В СУ........................ 74

3.1.1. Совершенствование технологии тушения пожаров........ 74

3.1.2. Рекомендации по пилотированию вертолета с ВСУ........ 80

3.2. Методы повышения безопасности летной эксплуатации вертолетов при тушении пожаров с применением ВСУ........................ 89

3.2.1. Оценка возможности попадания ВСУ в НВ и РВ под воздействием внешних факторов при его транспортировке на внешней подвеске вертолета.................................................................... 89

3.2.2. Рекомендации по обеспечению безопасности полета с ВСУ

на этапе захода на очаг пожара....................................................... 94

3.2.3. Рекомендации по предотвращению попадания ВСУ в НВ

и РВ вертолета при его повреждении в полете................................. 97

3.3. Выводы по главе 3........................................................ 99

Заключение.................................................................................. 101

Список использованной литературы............................................... 104

Приложения.............................................................................. 119

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АП - авиационное происшествие; АР - авиационная работа;

АСМР - авиационные строительно-монтажные работы; АСТ - авиационно-спасательные технологии; АТ - авиационная техника; БП - безопасность полета;

БУР - бортовое устройство регистрации параметров полета;

ВАЛ - выливной авиационный прибор;

ВОП - вертолетный опрыскиватель подвесной;

ВС - воздушное судно;

ВП - внешняя подвеска;

ВСУ - водосливное устройство;

ВЭ - вычислительный эксперимент;

ГА - гражданская авиация;

ГВП - груз на внешней подвеске;

ГП - горизонтальный полет;

ДВС-УЛЗ-ФРЗ - дистанционная вертолетная система уничтожения ледовых

заторов с использованием фюзеляжного раскладчика зарядов;

ДГЖ - десантная пожарная команда;

ДТП - дорожно-транспортное происшествие;

КВС - командир воздушного судна;

КСВ - корзина спасательная вертолетная;

ЛА - летательный аппарат;

ЛАРН - ликвидация аварийных разливов нефти;

ЛИ - летные испытания (исследования);

ЛПУ - лечебно-профилактическое учреждение;

ЛС - ленточная стропа;

ЛТХ - летно-технические характеристики;

ЛЭ - летная эксплуатация;

ЛЭП - линия электропередачи;

МВЗД - многоцелевой взрыватель замедленного действия;

ММ - математическая модель;

ММВ - модуль медицинский вертолетный;

МЭР - медико-эвакуационные работы;

НВ - несущий винт;

НПВУ - наименьший практически возможный уровень;

ОЖ - огнегасящая жидкость;

ОШ - «общий шаг»;

ПВП - правила визуальных полетов;

ПДУ - промежуточное детонирующее устройство;

ПКВ - пилотажный комплекс вертолета;

ПМВ - предельно малая высота;

ПНП - пилотажно-навигационный прибор;

111111 - правила приборных полетов;

1111У - продольно-путевое управление;

ПСР - поисково-спасательные работы;

ПЭ - показатель эффективности;

РВ - рулевой винт;

РЖ - рабочая жидкость;

РЛЭ - руководство по летной эксплуатации;

РП - руководитель полетами;

РСЧС - единая государственная система предупреждения и ликвидации

чрезвычайных ситуаций;

РЦШ - рычаг «циклического шага»;

РШГ - рычаг «шаг-газ»;

CAO - система азимутальной ориентации;

САУ - система автоматического управления;

САФ - система азимутальной фиксации;

СДП - система дозированной подачи;

СКСТ - система контроля силы по тросу;

СМП - скорая медицинская помощь;

СПС - система подачи смачивателей;

СПУУ - система подвижных упоров управления; СУ-Р - спусковое устройство роликового типа; ТрВД - турбовальный двигатель; ТВП - трос внешней подвески;

ТГВП - транспортировка груза на внешней подвеске;

ТО - техническое обслуживание;

ТС - техническое средство;

УШВ - указатель «шага винта»;

ЦМ - центр масс;

ЧС - чрезвычайная ситуация;

«Э-ВС-С» - система «экипаж - вертолет - внешняя среда»; ЭДСУ - электродистанционная система управления;

CFIT (Controlled flight into terrain) - столкновение с землей в контролируемом полёте;

EASA (European Aviation Safety Agency) - Европейское агентство по авиационной безопасности;

EMS (emergency medical service) - скорая медицинская помощь; G - класс воздушного пространства, в котором установлен уведомительный порядок использования воздушного пространства;

NOTAR (No Tail Rotor) - струйная система управления вертолётом по рысканью («без хвостового винта»);

SRM (Safety Risk Management) - управление риском для безопасности полетов.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из самых актуальных государственных задач в современных условиях является создание комплексной системы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера, направленной на повышение эффективности мероприятий по предупреждению и ликвидации последствий ЧС с применением современных технологий и технических средств (ТС).

В реализации этих задач важное место отводится авиации, как составной части единой транспортной системы страны. В интересах единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) воздушные суда (ВС) могут эффективно применяться для выполнения экстренных авиационных работ (АР): авиационно-спасательных и санитарно-авиационных работ, мониторинга лесопожарной, паводковой и радиационной обстановки, тушения природных пожаров, ликвидации аварийных розливов нефти (JIAPH), уничтожения ледовых заторов на реках, ликвидации последствий наводнений, землетрясений и других, различных по назначению и технологическому характеру, экстренных АР с применением авиационно-спасательных технологий (ACT).

Основной проблемой выполнения экстренных АР с применением ACT является обеспечение достаточного уровня безопасности и эффективности лётной эксплуатации (ЛЭ). Актуальность проблемы безопасности полетов при ликвидации ЧС обоснована спецификой ЛЭ вертолетов при проведении экстренных АР, связанной с использованием режимов малых скоростей, с транспортировкой грузов и специальных технических устройств на внешней подвеске (ВП), выполнением полётов на предельно-малой высоте (ПМВ), ночью и в сумерках, а также в сложных метеорологических условиях.

Таким образом, в диссертации решается актуальная проблема обеспечения безопасности и эффективности экстренных АР, обусловленная особенностями ЛЭ вертолетов при выполнении наиболее сложных видов АР в интересах защиты населения и территорий от ЧС, проводимых в сложных условиях летно-технической эксплуатации и характеризуемых срочностью, непредвиденно-

стью, а также экстремальными технологическими и организационными условиями в зоне ЧС.

При исследовании этих вопросов автор использовал работы отечественных и зарубежных авторов в области различных отраслей авиационной науки, таких как аэродинамика и динамика полета, математическое моделирование динамики полета ВС, безопасность полетов, теория рисков, авиационная и экстремальная психология и др. В диссертации в качестве информационных источников использованы результаты летных испытаний и исследований по созданию оборудования и технологий для АР, материалы теоретических и экспериментальных исследований динамики движения и стабилизации неудобообтекаемых тел и ВСУ на ВП вертолета, выполненных в МГТУ ГА, ОАО НПК «ПАНХ», МГТУ им. Н.Э. Баумана и СПбГУ ГА, статистические и периодические данные по состоянию безопасности полетов, акты и материалы расследований АП, а также результаты собственных расчетов и летных экспериментов.

Изучением проблем исследования аэродинамики и динамики ГВП, создания математических моделей (ММ) движения системы «ВС-ГВП», разработки устройств и методов аэродинамической стабилизации ГВП, создания ТС и технологий для проведения экстренных АР занимаются многие научные коллективы. Среди исследований в этой области необходимо отметить работы ученых Бутылкина И.П., Илькуна В.В., Логачева Ю.Г., Рощина В.Ф.,Сухинина В.Н., Судакова А.Г., Исаева С.А., Калугина В.Т., Кубланова М.С., Ципенко В.Г., Козловского В.Б., Паршенцева С.А., Асовского В.П., Ефимова В.В., Куклева Е.А., Сипарова C.B., Матвеева Ю.И., Павлова С.С., Володко A.M., Свириденко А.Н.

Концептуальную разработку научных основ и методологии экстренных АР с применением ВП вертолетов содержит диссертация д.т.н. Паршенцева С.А. (2009 г.). Предложенный подход к применению ACT для ликвидации ЧС получил развитие в диссертации д.т.н. Асовского В.П. (2010 г.), в которой рассмотрены вопросы выполнения АР по распределению веществ в ЧС.

Настоящая работа, по мнению автора, должна дополнить проведенные ранее исследования рассматриваемой проблемы и расширить представление о применении ACT в интересах защиты населения и территорий от ЧС.

Объект исследования: процесс ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР, рассматриваемый в рамках динамической системы «экипаж - вертолет - внешняя среда» («Э-ВС-С»), под воздействием внешних факторов в условиях ЧС. Система «Э-ВС-С», в зависимости от применяемых ACT, дополняется ТС (ВП, ВСУ) и представляется в виде «Э-ВС-ГВП(ВСУ)-С».

Предмет исследования: методы повышения безопасности и эффективности ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР с применением ACT, методы повышения динамической устойчивости системы «Э-ВС-С».

Цель диссертационной работы: научно-методическое обеспечение повышения безопасности и эффективности ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР, совершенствование применяемых ACT.

Основная задача диссертационного исследования: получение объективной и всесторонней информации о специфике выполнения экстренных АР, совершенствование существующих и разработка новых ТС, методов и ACT выполнения экстренных АР, повышение их безопасности и эффективности.

Методы исследования. Для решения поставленной в диссертации задачи используется системный подход, с применением методов летного эксперимента и математической обработки результатов, математического моделирования динамики полета и метода системного анализа.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методы стабилизации грузов на внешней подвеске вертолета, заключающиеся в синхронизации движений вертолета и груза в полете и создании вращательного движения груза вокруг вертикальной оси, совпадающей с центральным канатом внешней подвески.

2. Алгоритм выполнения процедур тушения природных пожаров с применением ВСУ на внешней подвеске вертолета, сокращающий время цикла полета на тушение пожара и обеспечивающий необходимое удаление вертолета от опасной конвективной зоны.

Научная новизна работы. В ходе проведения исследований получены новые научные результаты:

1. Предложенные методы стабилизации грузов на внешней подвеске вертолета, в отличие от ранее известных методов, устраняют колебания грузов

за счет создания вращательного движения груза вокруг вертикальной оси и синхронизации движений вертолета и груза в полете упреждающим маневром, путем смещения точки подвеса груза в вертикальную проекцию текущего положения груза, что позволяет безопасно выполнять полет на приемлемой скорости в случае неизбежного наличия колебаний груза при выполнении экстренных АР в условиях, когда из-за складывающейся обстановки не представляется возможным должным образом подготовить груз к транспортировке с применением специальных технических средств.

2. В алгоритме выполнения процедур тушения природных пожаров с применением ВСУ, в отличие от существующего алгоритма, предполагается:

- использование методов оптимизации рабочего цикла полета на тушение пожара и комплектования экипажей, что позволяет повысить эффективность пожаротушения за счет сокращения продолжительности процедур забора воды и захода на слив ОЖ, а также повысить надежность функционирования системы «Э-ВС-ВСУ» за счет снижения нагрузки на пилота;

- использование приемов пилотирования и способов забора воды сходу, увеличения скорости транспортировки ВСУ, слива ОЖ с разворота и с горки, что позволяет повысить безопасность летной эксплуатации вертолетов за счет оптимизации траектории движения вертолета с ВСУ и обеспечения необходимого удаления вертолета от опасной конвективной зоны пожара.

3. Определения понятий «экстренные авиационные работы» и «авиа-ционно-спасательные технологии», применяемые на практике, но пока не получившие закрепления в нормативных документах, позволяют усовершенствовать нормативно-правовую базу, регулирующую использование авиации в интересах обеспечения безопасности населения и территорий.

Достоверность результатов исследования подтверждается результатами экспериментальных проверок предлагаемых методов, алгоритмов и способов выполнения экстренных АР, практической реализацией полученных результатов.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты обеспечивают повышение безопасности и эффективности ЛЭ вертолетов при выполнении экстренных АР. Исследование имеет прикладной характер, полученные результаты используются в ФГБУ «Авиационно-

спасательный центр Дальневосточного регионального центра МЧС России» (АСЦ ДВРЦ МЧС России) и могут быть использованы авиационными предприятиями и непосредственно пилотами в практике ЛЭ при выполнении экстренных АР с применением ACT.

Апробация результатов исследования проведена лично автором совместно с летным составом АСЦ ДВРЦ МЧС России на практике в процессе ЛЭ вертолетов типа Ми-26 и �