автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Теоретические методы обеспечения безопасности летной эксплуатации вертолетов при транспортировке грузов на внешней подвеске

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ _ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» (МГТУ ГА)_

На правах рукописи

ЕФИМОВ Вадим Викторович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЛЕТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЕТОВ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ГРУЗОВ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

2 9 ЯНЗ 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2014

005558147

005558147

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный консультант: доктор технических наук, старший научный сотрудник, начальник отделения «Аэродинамика и динамика вертолетов, штопор и аэродинамика самолетов на больших, углах атаки» ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского Головкин Михаил Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механики, директор ЦЭНС при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации» Куклев Евгений Алексеевич:

доктор технических наук, ученый секретарь ОАО Научно-производственная компания «ПАНХ»

Асовский Валерий Павлович;

доктор технических наук, заведующий кафедрой 801 «Физика» ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» Ципенко Антон Владимирович.

Ведущая организация: ОАО «Московский вертолетный завод им. М.Л.

Миля».

Защита состоится «08» any ел я 2015 года в 10.00 на заседании Диссертационного Совета Д 223.011.01 в ФГБОУ ВПО «Московский государственном техническом университете гражданской авиации» по адресу: 125993, Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации» ( ..

Автореферат разослан 20f у г. \

Ученый секретарь / ' '

диссертационного совета, .

доктор технических наук, профессор ^\\Самойленко В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование вертолетов для воздушных перевозок грузов на тросовой внешней подвеске (ВП) и проведения различных авиационных работ с использованием ВП давно доказало на практике свою высокую эффективность. Однако и сегодня перед разработчиками и эксплуатантами вертолетов, как и любой другой авиационной техники, стоит задача неуклонного повышения эффективности их эксплуатации при обеспечении необходимого уровня безопасности полетов (БП).

Авиационные происшествия (АП) и авиационные инциденты (АИ) при эксплуатации вертолетов с грузом на внешней подвеске могут происходить и происходят на всех этапах полета. Однако в настоящей работе наибольшее внимание уделяется этапу транспортировки груза, который характеризуется поступательным перемещением системы «вертолет - груз на ВП», т.к. на этом этапе в наибольшей степени проявляется специфика полета с грузом на внешней подвеске. На данном этапе полета помимо отказов и ошибок экипажа, которые могут произойти на любом этапе полета, существенное влияние на БП оказывают нерасчетные условия эксплуатации, к которым можно отнести прежде всего повышенную атмосферную турбулентность и автоколебания груза на внешней подвеске. Кроме того, на этапе транспортировки более вероятно, чем на других этапах полета, превышение допустимых нагрузок на систему внешней подвески и исчерпание запасов управления из-за действия на груз значительных аэродинамических сил.

Для обеспечения высокой эффективности воздушных перевозок и авиационных работ желательно, чтобы диапазон допустимых скоростей полета вертолета был как можно шире или, по крайней мере, был заранее известен в целях обеспечения планирования работ. Ограничения этого диапазона скоростей во многом определяются динамикой груза на ВП и его влиянием на вертолет. При определенных сочетаниях параметров груза и параметров полета задача транспортировки груза может оказаться небезопасной или вообще невыполнимой. В связи с этим большое значение имеет возможность прогнозирования динамики груза с целью определения безопасных режимов его транспортировки на ВП вертолета.

Однако до сих пор прогноз динамики груза на тросовой ВП вертолета осуществляется преимущественно на основе экспериментальных методов исследования, обычно путем летных испытаний (ЛИ). Эти методы исследования требуют значительных финансовых затрат и по этой причине могут иметь низкую эффективность. В связи с этим необходимо создавать и совершенствовать теоретические методы обеспечения безопасности летной эксплуатации вертолетов при транспортировке грузов на внешней подвеске.

Таким образом, задача разработки теоретических методов обеспечения безопасности летной эксплуатации вертолетов при транспортировке грузов на

внешней подвеске представляется весьма актуальной. Решению этой задачи и посвящена настоящая работа.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическим исследованиям динамики вертолета с грузом на ВП посвящено множество работ. Этой проблемой занимались многие исследователи и исследовательские коллективы как у нас в стране, так и за рубежом. Большой вклад в решение данной задачи внесли отечественные исследователи: коллективы вертолетных КБ под руководством Миля M.JI. и Камова Н.И., ЦАГИ, коллектив под руководством Рощина В.Ф. (МИИГА, 1970-е - 1980-е гг.), Логачев Ю.Г. (РКИИГА, 1970-е -1990-е гг.), Шайдаков В.И., (МАИ), Володко A.M. (ЦАГИ), Свириденко А.Н. (ЗАО ЦНТУ «Динамика»), Куклев Е.А., Павлов С.С. (С.-Пб. ГУ ГА), Калугин В .Т., Киндяков Е.Б., Луценко А.Ю., Столярова Е.Г. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Козловский В.Б., Паршенцев С.А., Асовский В.П. (ОАО НПК «ПАНХ»), Баранников С.И., Гувернюк C.B., Зубков А.Ф. (Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова), Ципенко В.Г., Кубланов М.С. (МГТУ ГА) и др.

Необходимо отдать должное и зарубежным исследователям, среди которых можно выделить: L.S. Cicolani, G. Kanning, R.A. Stuckey,M. Bisgaard, J.D. Bendtsen, A. La Cour-Harbo.

Работы вышеперечисленных исследователей были направлены в основном на разработку достаточно полной и адекватной математической модели (ММ) системы «вертолет - груз на ВП» с целью создания на ее базе программного обеспечения (ПО) для пилотажных стендов и тренажеров, а также с целью проведения вычислительных экспериментов (ВЭ) по отработке средств стабилизации груза.

Схожей проблемой в части динамики тел, связанных шарнирами и упругими тросами, применительно к космическим аппаратам занимались и продолжают заниматься исследователи в Венском Техническом Университете, Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, ГКБ «Южное» им. М.К. Янгеля, Институте механики им. С.П. Тимошенко НАНУ, Институте технической механики НАНУ и НКАУ. Среди них можно выделить работы Алпатова А.Т., Белецкого В.В., Драновского В.И., Закржевского А.Е., Пироженко A.B., Трогера Г., Хорошилова B.C.

Тем не менее, в работах вышеперечисленных авторов отсутствует комплексное исследование динамики системы «вертолет - груз на ВГ1». Но для обеспечения БП и высокой эффективности воздушных перевозок грузов на внешней подвеске вертолетов, а также авиационных работ, производимых вертолетами с использованием внешней подвески, чрезвычайно важно знать, какие параметры полета и груза и каким образом в количественном отношении влияют на динамику груза и всей системы «вертолет - груз на ВП» в целом. Такое знание позволило бы заранее выбирать безопасные режимы полета и целенаправленно изменять параметры груза, если это возможно, что сыграло бы по-

ложительную роль в обеспечении БП и повышении эффективности эксплуатации вертолетов при использовании ВП.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка теоретических методов, позволяющих путем проведения аналитических расчетов и ВЭ исследовать динамику системы «вертолет - груз на ВП» для выбора безопасных режимов полета и возможных путей изменения параметров груза, в том числе средств его стабилизации, для обеспечения БП.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решены следующие задачи:

- проведен анализ проблем обеспечения безопасности летной эксплуатации вертолетов при транспортировке грузов на ВП и путей их решения;

- произведено теоретическое обоснование выбора ММ динамики вертолета для решения задачи построения ММ динамики системы «вертолет - груз на ВП»;

- разработаны теоретические основы построения ММ динамики груза на ВП вертолета;

- разработаны теоретические методы обеспечения БП вертолетов с грузом на ВП в условиях их равновесия и динамического поведения.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- предложены новые классификационные признаки грузов, перевозимых на ВП вертолета, которые характеризуют их динамику в процессе транспортировки;

- разработаны новые методы математического моделирования динамики тел, имеющих связь в виде идеального сферического шарнира, и динамики груза на ВГ1 вертолета с учетом касания тросом окантовки люка грузовой кабины;

- предложена количественная характеристика парусности груза, выражаемая в виде баллистического коэффициента груза;

- получены аналитические зависимости для равновесного угла тангажа груза и равновесной силы натяжения троса ВП от параметров полета и параметров груза;

- получены аналитические зависимости балансировочных характеристик вертолета от параметров груза и ВП в целом;

- определено влияние параметров полета и груза на характеристики колебательного процесса груза, предложено выражение для коэффициента затухания колебаний груза;

- определены условия возникновения автоколебаний груза на ВП вертолета, дано определение и выведена формула для критической скорости автоколебаний;

- разработаны новые теоретические методы обеспечения БП вертолетов с грузом на ВП в условиях их равновесия и динамического поведения.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в создании теоретических методов обеспечения БП вертолетов с грузом на ВП в условиях их равновесия и динамического поведения, а также в разработке соответствующего ПО.

Разработанные методы позволяют:

1) проводить анализ безопасности транспортировки любого груза с известными аэродинамическими, геометрическими и массово-инерционными параметрами на внешней тросовой подвеске вертолета;

2) проводить анализ особых ситуаций, возникающих при транспортировке грузов на ВП вертолета;

3) проводить расследования АП с вертолетами, транспортирующими груз на ВП;

4) сократить объемы летных экспериментов с грузами на ВП;

5) оценивать эффективность средств стабилизации грузов.

С целью обеспечения практического решения данных задач было разработано ПО:

- компьютерная программа Balance - для анализа безопасности транспортировки груза в условиях равновесия в установившемся полете;

- компьютерные программы Pendulum и Pendulum 3D - для исследования динамики груза без учета влияния вертолета;

- программный комплекс HeliCargo - для анализа безопасности транспортировки груза как в установившемся, так и в неустановившемся полете путем исследования динамики системы «вертолет - груз на ВП».

Кроме того, программный модуль Cargo, входящий в состав программного комплекса HeliCargo, может быть использован в составе ПО вертолетного пилотажного стенда или тренажера.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теоретической механики, аэродинамики и динамики полета, теории математического моделирования, вычислительной математики, программирования алгоритмов для ЭВМ, физического эксперимента (ФЭ) в аэродинамической трубе.

Положения, выносимые на защиту.

1) метод математического моделирования динамики тел, имеющих связь в виде идеального сферического шарнира;

2) метод математического моделирования динамики груза на ВП вертолета с учетом касания тросом окантовки люка грузовой кабины;

3)метод определения влияния параметров полета и груза на его равновесие на ВП вертолета;

4) метод определения влияния параметров полета и груза на равновесие вертолета с грузом на ВП;

5) метод определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолета в условиях их равновесия;

6) метод определения влияния параметров груза на движение системы «трос — груз» как нелинейной диссипативной колебательной системы;

7) метод определения влияния параметров полета и груза на его динамическую устойчивость;

8) метод определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолета в условиях их динамического поведения.

Степень достоверности результатов исследований. Достоверность результатов теоретических исследований в данной работе подтверждается:

— оценкой адекватности ММ динамики вертолета без груза на ВП реальному вертолету Ми-8МТВ путем сравнения данных ВЭ с данными ЛИ, приведенными в Руководстве по летной эксплуатации и Техническом описании данного типа вертолета;

— оценкой адекватности ММ динамики груза на ВП вертолета динамике реальных грузов (ВСУ-15 и ВКБР) путем сравнения данных ВЭ в части равновесия - с данными ЛИ с ВСУ-15, в части автоколебаний - с данными ФЭ с моделью ВКБР в аэродинамической трубе;

— оценкой адекватности совместно функционирующих ММ динамики вертолета и динамики груза динамике реальной системы «вертолет - груз на ВП» путем сравнения данных ВЭ с данными ЛИ вертолета Ми-8Т с ВСУ-5А на ВП.

Личный вклад автора состоит в: разработке всех новых теоретических положений, представленных в настоящей работе (введение новых понятий, новых классификационных признаков грузов, вывод формул, описание влияния параметров полета и груза на динамику груза на внешней подвеске вертолета); участии автора в подготовке и проведении физических экспериментов в аэродинамической трубе и обработке их результатов; разработке математической модели динамики груза; разработке программного обеспечения для проведения вычислительных экспериментов; проведении вычислительных экспериментов и обработке их результатов; подготовке публикаций по материалам настоящей работы.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Международном авиационно-космическом научно-гуманитарном семинаре им. С.М. Бело-церковского (г. Москва, 2008, 2011 гг.), Международной научно-практической конференции (г. Ульяновск, 2008 г.), 9-ой Международной конференция «Авиация и космонавтика - 2010» (г. Москва, 2010 г.), Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА (г. Москва, 2011 г.), ХЬУГ Научных чтениях памяти К.Э. Циолковского (г. Калуга, 2011 г.), XV Всероссийском семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2011 г.), школе-семинаре «Аэродинамика летательных аппаратов» (п. Володарского, 2007, 2008, 2010-2014 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 33-х печатных работах, 18 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 134-х наименований, списка иллюстративного материала из 193-х наименований, тома приложений. Основная часть работы изложена на 330-ти страницах текста, том приложений содержит 172 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность темы диссертации, определяется цель и задачи исследований, дается представление об объекте, предмете и методах исследований, о научной новизне работы, достоверности и практической значимости результатов исследований, излагается краткое содержание диссертации и полученных результатов, приводятся положения, которые выносятся на защиту, сведения об апробации работы и публикациях.

Первая глава работы посвящена анализу проблем обеспечения безопасности летной эксплуатации вертолетов при транспортировке грузов на ВП и путей их решения. В данной главе сделан обзор видов использования внешней тросовой подвески грузов на вертолетах, представлена классификация грузов, перевозимых на ВП вертолетов, с учетом доработок, предлагаемых автором. Здесь же дается анализ АП и АИ, неблагоприятных факторов и особых ситуаций при транспортировке вертолетами грузов на ВП. На основе этого анализа были сформулированы показатели и критерий безопасности транспортировки груза.

В части доработки классификации грузов автор предлагает ввести признак парусности груза. Как показали исследования динамики вертолета и груза на его ВП, проведенные автором настоящей работы, количественно оценивать парусность груза следует с помощью баллистического коэффициента, используемого во внешней баллистике:

с = (1)

где сг.тр - коэффициент продольной аэродинамической силы груза;

Srp - характерная площадь груза;

Отгр - масса груза.

Как показали исследования автора, большое значение для динамической устойчивости груза имеет наличие у него осевой симметрии и расположение этой оси симметрии относительно точки подвеса ВП на вертолете. Если ось симметрии у груза имеется, ц.м. груза находится на этой оси и груз расположен на ВП таким образом, что эта ось проходит через точку подвеса ВП на вертоле-

те или близка к этому, то такой груз назовем осесимметричным. В противном случае - неосесимметричным. Осевая симметрия груза значительно влияет на характер его динамики на ВП. Это влияние раскрыто в пятой главе настоящей работы.

На основе анализа неблагоприятных факторов, особых ситуаций, АП и АИ, были сформулированы следующие условия (показатели) безопасности транспортировки груза:

- отсутствие касаний центральным тросом ВП окантовки люка грузовой кабины вертолета;

- допустимость нагрузок на систему ВП и сам груз;

- наличие запасов управления вертолетом.

Критерием безопасности является выполнение всех трех вышеперечисленных условий.

В данной главе дается также обоснование актуальности разработки теоретических методов обеспечения безопасности летной эксплуатации вертолетов при транспортировке грузов на ВП.

Вторая глава работы посвящена теоретическому обоснованию выбора ММ динамики вертолета для решения задачи построения ММ динамики системы «вертолет - груз на ВП». В данной главе сформулированы основные требования к ММ вертолета, предназначенной для работы в составе виртуальной системы «вертолет - груз на ВП»:

- движение планера вертолета должно описываться как движение абсолютно твердого тела в трехмерном пространстве, т.е. тела, имеющего 6 степеней свободы;

- должны учитываться все перекрестные связи между степенями свободы планера вертолета;

- силы и моменты, создаваемые несущим винтом (НВ) и рулевым винтом (РВ), должны рассчитываться с учетом поступательного и вращательного движения планера вертолета, а также с учетом управляющих воздействий;

- аэродинамические силы и моменты, действующие на вертолет, включая НВ и РВ, должны рассчитываться при всех возможных сочетаниях углов атаки и скольжения в диапазоне углов атаки -90°...+90° и диапазоне углов скольжения-180°...+180°;

- должен присутствовать блок, моделирующий работу автопилота;

- должна быть обеспечена возможность моделирования управляющих воздействий летчика для реализации заданной конкретной программы полета;

- ММ должна достаточно адекватно воспроизводить динамику какого-либо существующего типа вертолета;

- должна быть обеспечена возможность включения в состав ММ блока, моделирующего груз на ВП и его силовое воздействие на вертолет;

- ММ должна позволить создать ПО для обычного современного персонального компьютера.

Для вычисления сил и моментов, действующих на вертолет, в настоящей работе используется ММ динамики вертолета Ми-8МТВ, созданная на ОАО «МВЗ им. M.JI. Миля» с участием В.А. Ивчина. Эта ММ основана на общеизвестных уравнениях динамики одновинтового вертолета, где для определения величин сил и моментов, действующих на вертолет, используются многомерные массивы значений аэродинамических коэффициентов в зависимости от параметров, меняющихся с заранее определенным шагом. Для получения промежуточных значений используется метод линейной интерполяции. Это так называемая «сеточная» модель.

Для того чтобы вертолет мог выполнять управляемый полет, необходимо иметь возможность целенаправленно изменять параметры его движения. В связи с этим в ММ динамики вертолета включена модель управляющих воздействий.

В конце данной главы приведена проверка адекватности ММ вертолета, по результатам которой был сделан вывод о том, что выбранная ММ обладает достаточной адекватностью для решения поставленных в настоящей работе задач.

Третья глава работы посвящена теоретическим основам построения ММ динамики груза на ВП вертолета. В начале главы дается обзор работ отечественных и зарубежных исследователей, занимавшихся проблемой создания ММ динамики вертолета с грузом на ВП. Затем излагается разработанная автором ММ динамики груза. Сначала приводятся сформулированные автором основные требования к ММ динамики груза. Эта ММ должна:

- описывать движение груза в трехмерном пространстве в больших перемещениях;

- моделировать груз с любыми известными аэродинамическими, массово-инерционными и геометрическими характеристиками;

- учитывать все перекрестные связи между степенями свободы груза;

- учитывать все силы, действующие на груз, включая силы инерции;

- позволять рассчитывать аэродинамические силы и моменты, действующие на груз, при всех возможных сочетаниях углов атаки и скольжения в диапазоне углов атаки -90°...+90° и диапазоне углов скольжения груза -180°... +180°;

- учитывать силовое влияние вертолета на груз (при этом в общем случае точка крепления троса к вертолету не должна совпадать с ц.м. вертолета, а точка крепления троса к грузу — с ц.м. груза);

- учитывать упругость тросов ВП;

- учитывать воздействие неспокойного воздуха, по крайней мере, в виде одиночных порывов ветра в любом направлении;

— позволить создать ПО для обычного современного персонального компьютера в виде отдельного программного модуля, работающего совместно с ПО, моделирующим вертолет.

Затем дается описание метода математического моделирования динамики тел, имеющих связь в виде идеального сферического шарнира, на примере системы из двух абсолютно твердых тел (тело № 1 - носитель, тело № 2 - носимое тело), связанных друг с другом идеальным сферическим шарниром (рисунок 1). Этот метод был создан автором с целью разработки теоретических основ для математического моделирования динамики груза на ВП вертолета.

Для решения данной задачи наиболее рациональным представляется использование принципа д'Аламбера. Поскольку шарнир, связывающий тела, принят идеальным сферическим, взаимодействие этих тел сводится к одной силе, приложенной в этом шарнире .

м2

Рисунок 1 - К объяснению взаимодействия двух абсолютно твердых тел, связанных друг с другом идеальным сферическим шарниром

В результате уравнения движения рассматриваемой системы тел можно записать в следующем виде, представляя силу Ят как внешнюю для каждого из тел:

- уравнения сил:

¿1 _____м.

Jl = -m1'jт

>

(2)

- уравнения моментов:

й?К, - - ,

а к. л

-=М2+ Я7Хг2,

где /И!,/и2 - массы тел; К!, К2 - скорости ц.м. тел; .Р,,/^ - внешние силы, действующие на тела; К{,К2 - кинетические моменты тел; М1,Мг - главные моменты внешних сил, действующие на тела; г, ,?2 - радиус-векторы точки Г (сферического шарнира) относительно ц.м. тел.

Движение тел будем рассматривать как сложное, состоящее из переносного и относительного движений. У тела № 1 переносным движением будем считать поступательное движение его ц.м. относительно некоторой инерциаль-ной системы отсчета, а относительным движением - вращательное движение вокруг его ц.м.

У тела же № 2 переносным движением будем считать поступательное движение точки Г, которая является общей точкой для обоих тел. Относительным движением у тела № 2 будет соответственно вращательное движение вокруг точки Т.

Таким образом, система уравнений движения рассматриваемой системы тел в векторной форме будет выглядеть так:

\

с1К1 Л

= М1+К,Хг1;

Ят=^2+72+./ц6;

а к,

-=M2+F2Xr2+J2Xr1

(4)

Л У

где J2 — сила инерции, возникающая при ускоренном перемещении точки подвеса Г; Ju6 - центробежная сила, возникающая от вращения тела вокруг точки Т; К2Т - кинетический момент тела № 2 относительно точки Т.

Данную модель можно рассматривать как элементарную ячейку для моделирования системы тел, последовательно связанных друг с другом, т.е. представляющую собой некоторую цепь. Теоретически число звеньев цепи может быть любым. В перспективе этот подход может позволить моделировать сложные движения троса при больших перемещениях, например, после его обрыва.

Далее излагается разработанный автором метод математического моделирования динамики груза на ВП вертолета с учетом касания центральным тросом ВП окантовки люка грузовой кабины, который был создан на основе вы-

шеописанного метода математического моделирования динамики тел, имеющих связь в виде идеального сферического шарнира. При этом в качестве тела № 1 рассматривается вертолет, последующими телами являются трос и груз, которые рассматриваются либо как единое тело № 2, либо как два последовательно соединенных идеальным сферическим шарниром тела №№ 2 и 3 соответственно.

На данном этапе был введен ряд допущений:

- угловые перемещения центрального троса ВП и груза друг относительно друга незначительны (можно считать, что трос ВП и груз представляют собой единое тело «трос - груз»). Это допущение впоследствии можно снять и рассматривать ВП как систему, состоящую из нескольких звеньев. На данном этапе это допущение сделано для простоты изложения;

— вертолет и ВП с грузом связаны друг с другом идеальным сферическим шарниром, расположенным в точке крепления ВП к вертолету;

— аэродинамические характеристики груза считаются заданными и неизменными, т.е. нестационарные аэродинамические эффекты не учитываются;

- влияние индуктивного потока от НВ на груз не учитывается, т.к. в настоящей работе рассматривается преимущественно транспортировка груза, т.е. полет с горизонтальной скоростью. При этом струя НВ отклоняется назад по полету сильнее, чем груз, обладающий даже очень высокой парусностью;

- влияние непрерывной атмосферной турбулентности на вертолет и груз не учитывается;

— трос обладает упругостью на растяжение и считается абсолютно неупругим на изгиб, но всегда прямолинеен.

Это основные допущения. По мере изложения материала при необходимости вводились дополнительные допущения.

При математическом описании динамики груза на ВП вертолета необходимо учесть возможность касания тросом окантовки люка грузовой кабины. При этом точка подвеса центрального троса на вертолете 0\ как бы перемещается в точку касания ОЛ, что приводит к изменению плеча действия силы натяжения троса Лт относительно центра масс вертолета, а также к уменьшению расстояния |гт| до величины |гт*| (рисунок 2). Все это сказывается как на динамике груза, так и на динамике вертолета.

При решении данной проблемы были приняты следующие дополнительные допущения:

— сила трения троса об окантовку шока пренебрежимо мала;

- люк имеет прямоугольную форму с незакругленными углами;

— точка подвеса троса на вертолете располагается на линии, совпадающей с осью вращения НВ, т. е. на оси ОьУь базовой системы координат вертолета;

- плоскость люка перпендикулярна оси ОъУь базовой системы координат вертолета.

Рисунок 2 - К рассмотрению касания тросом окантовки люка грузовой кабины

При определении положения точки касания 01* сначала ищется положение ц.м. груза в плоскости, параллельной плоскости люка. Для этого определяются проекции радиус-вектора гт, который имеет начало в точке подвеса 0\ и конец в ц.м. груза (точка 02) (рисунок 3), на оси базовой системы координат вертолета: г1хЬ, гтуЬ, г1:Ь.

Далее ищутся координаты точки пересечения радиус-вектора гт с плоскостью люка, т. е. определяется вектор :

г.

' тл. Л~' т. хЬ .

^ТЯ 7А -

' Т.уЬ

т .уЬ

(5)

где г я. уь — расстояние от точки подвеса троса 0\ до плоскости люка вдоль оси ОьУь (рисунок 3).

Если или |гтл , то это значит, что трос вышел за грани-

цы люка, но этого быть не может. На деле это означает, что трос коснулся окантовки люка. Поскольку силой трения троса об окантовку люка решено прене-

бречь, точка касания тросом окантовки люка будет всегда лежать в плоскости, содержащей ось ОьУь и вектор ?т.

При этом условии легко найти точку касания ОС, т. е. определить вектор

(рисунок 3). Для случая, показанного на данном рисунке:

/*

тк.уЬ л. уЬ'

(6)

где х=агс1ё

+ — азимут троса относительно оси ОьХь.

После этого в данной главе работы излагаются соображения по выбору существующего метода математического моделирования упругости троса ВП и метода для численного интегрирования системы дифференциальных уравнений динамики полета вертолета с грузом на ВП.

Рисунок 3 - К определению координат точки касания тросом окантовки люка

грузовой кабины

Для учета упругости троса ВП используется известное уравнение колебаний упругой линейной системы с одной степенью свободы:

клгт+К&г^Я^^, (7)

где Отгр - масса груза; гт — ускорение движения груза вдоль троса (ускорение изменения длины троса); гт — скорость движения груза вдоль троса (скорость изменения длины троса); Лгт - приращение длины троса; кл - коэффициент демпфирования колебаний вдоль троса; А* - коэффициент жесткости троса; Лгру1 - проекция равнодействующей внешних сил, действующих на груз, на ось троса ВП.

Из уравнения (7) следует, что сила натяжения троса должна быть равна:

йт=А:дгт+А:жДгт. (8)

Как показывает практика проведения ВЭ с применением данной ММ, когда численное интегрирование производится с помощью обычных явных методов типа метода Эйлера или Рунге-Кутты, часто возникают паразитные колебания рассматриваемой системы, не имеющие физической природы. Эти паразитные колебания приводят к существенному искажению картины описываемого явления. В связи с этим в настоящей работе используется так называемый метод установления, приспособленный автором для численного интегрирования уравнений динамики системы «вертолет - груз на ВП».

В конце главы приводятся результаты проверки адекватности ММ динамики груза на ВП вертолета, которая проводилась в условиях его равновесия и динамического поведения. Кроме того, была проведена проверка адекватности совместного функционирования ММ динамики вертолета и груза динамике реальной системы «вертолет - груз на ВП». Проверка адекватности показала, что данная ММ обладает достаточной точностью и непротиворечивостью для решения задач настоящей работы.

В условиях равновесия груза проверка адекватности ММ была основана на сравнении углов отклонения центрального троса ВП от вертикали по данным ВЭ и ЛИ. При этом рассматривались данные ЛИ с ВСУ-15 и соответствующие ВЭ, которые представлены на рисунке 4.

При проверке адекватности ММ в условиях динамического поведения груза производилось сравнение данных, полученных при ВЭ, с данными ФЭ с моделью груза в аэродинамической трубе МГТУ ГА, в качестве которого был выбран контейнер ВКБР разработки ОАО «НПК «ПАНХ».

Для проведения динамических экспериментов в аэродинамической трубе МГТУ ГА была изготовлена физическая модель ВКБР. При ее создании было обеспечено геометрическое подобие. Кроме того, баллистический коэффициент модели был равен баллистическому коэффициенту реального ВКБР.

Проведенные ФЭ и ВЭ с моделью ВКБР показали, что в некотором диапазоне скоростей набегающего потока возможно возникновение автоколебаний. В процессе ФЭ был снят видеофильм, где модель ВКБР видна сверху. Это позволило при раскадровке данного фильма замерить угол азимута троса % в определенные моменты времени и получить, таким образом, зависимость этого угла

от времени. На рисунке 5 дается сравнение результатов ВЭ и ФЭ для одного выбранного цикла колебаний.

Для проверки адекватности совместно функционирующих ММ динамики вертолета и ММ динамики груза динамике реальной системы «вертолет - груз на ВП» использовались данные ЛИ вертолета Ми-8Т с ВСУ-5А на ВП и соответствующих ВЭ. На рисунке 6 показаны углы продольного отклонения автомата перекоса при ЛИ и ВЭ на установившихся режимах полета с пустым и заполненным ВСУ-5А.

По результатам проверки адекватности эвристическим методом, разработанным Кублановым М.С., был сделан вывод о том, что рассматриваемая ММ обладает достаточной точностью и непротиворечивостью для решения задач настоящей работы, т.е. можно считать, что ММ груза на ВП вертолета достаточно адекватна результатам ЛИ и ФЭ.

град 50

50

го

10 о

О го 40 60 80 100 120 140 160 180 Угп.ем'ч

Рисунок 4 - Зависимости угла отклонения троса от вертикали от скорости горизонтального полета

Четвертая глава посвящена теоретическим методам обеспечения БП вертолетов с грузом на ВП в условиях их равновесия.

Для определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолета важно знать взаимное положение груза и вертолета в установившемся полете в условиях их равновесия. Это позволит в первом приближении определить возможность соприкосновения тросов ВП с элементами конструкции вертолета, например, с окантовкой люка, через который пропущен центральный трос ВП. Кроме того, этот метод позволит оценить величину силы натяжения троса ВП и достаточность запасов управления. Уже на основе этой информации можно судить о принципиальной возможности выполнения безопасного полета с данным грузом на заданной высоте и скорости полета.

—

✓ - ли

-с -ВЭ

Рисунок 5 — Изменение азимута троса при вычислительном и физическом экспериментах с моделью ВКБР

град О-1*0

-0.5'

"24

А

тз®и

_в_В1

ш®_

гв~

Л ВЭ(ВСУ пустое) ■ ВЭ(6СУ полное) ЕЛИ (ВСУ полное) ДЛИ (ВСУ пустое)

Рисунок 6 - Угол продольного отклонения автомата перекоса вертолета Ми-8Т при тушении пожара с помощью ВСУ-5А по результатам ЛИ и ВЭ

В связи с этим в данной главе была поставлена и решена задача разработки теоретических методов обеспечения БП вертолетов с грузом на ВП в условиях их равновесия, в число которых входят методы определения влияния параметров полета и груза на его равновесие и на равновесие вертолета с грузом на ВП, а также метод определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолетов в условиях их равновесия.

Методы определения влияния параметров полета и груза на его равновесие и на равновесие вертолета с грузом на ВП, разработанные автором, позво-

лили вывести аналитические зависимости балансировочных характеристик груза и вертолета от параметров полета и груза. Данные аналитические зависимости упрощают анализ влияния параметров полета и груза на его равновесие и равновесие вертолета по с равнению с методами, использующими численное интегрирование уравнений динамики.

В соответствии с разработанным автором методом определения влияния параметров полета и груза на его равновесие в установившемся полете отклонение груза от положения, которое он занимает на режиме висения, происходит в основном в продольном отношении, поэтому в данном методе рассматривается только продольное равновесие груза (рисунок 7).

Угловое положение груза относительно земли в данном случае описывается только углом тангажа груза 132. Если пренебречь аэродинамическим моментом тангажа груза (тгт! ~ 0), то угол тангажа груза будет равен углу отклонения троса от вертикали ~ и будет определяться по следующей формуле:

(9)

где Кп — скорость установившегося горизонтального полета. Можно записать полученную формулу с использованием баллистического коэффициента груза:

$2=агсзт

(Ю)

2g

Таким образом, можно сделать вывод о том, что баллистический коэффициент груза с является его комплексным параметром, полностью определяющим равновесное положение груза и элементов ВП при установившемся горизонтальном прямолинейном полете на данной высоте с данной скоростью.

При использовании баллистического коэффициента для скоростной системы координат груза са— с*" т^т необходимо ввести аэродинамическое ка-

чество груза Кгр=суатр1с

ха.гр ■

Тт2 гр

СарУгп

(И)

При рассмотрении равновесия груза автором была получена аналитическая зависимость для относительной силы натяжения троса от параметров полета и параметров груза:

Далее в работе рассмотрен разработанный автором метод определения влияния параметров полета и груза на равновесие вертолета с грузом на ВП. Было рассмотрено влияние параметров груза и ВП в целом на равновесие вертолета и в частности на его продольные балансировочные характеристики (рисунок 8).

Рисунок 7 - К рассмотрению продольного равновесия груза

Рисунок 8 — К рассмотрению продольного равновесия вертолета с грузом на

внешней подвеске

Для обеспечения условий сопоставимости при исследовании влияния груза на ВП на равновесие вертолета масса системы «вертолет - груз на ВП» и масса вертолета без груза на ВП (груз в кабине) были приняты равными.

Из условия равновесия вертолета и груза автором были получены следующие выражения, описывающие изменения балансировочных характеристик вертолета в зависимости от параметров полета и груза на его ВП:

а) приращение балансировочного угла тангажа:

д ; (13)

тп. уЬ

\'"гр /

— т™

где т= —1— относительная масса груза на ВП; т0

б) приращение общего шага НВ: _ _

д _1 1 -К0А

1М4 » '

где Д=— 1+соз(Д&+9-2)|Лт|, - относительное приращение тяги НВ;

X] — коэффициенты протекания при полете соответственно без груза на ВП и с грузом на ВП; |_10, Ц.1 — характеристики режима работы НВ при полете соответственно без груза на ВП и с грузом на ВП; А—-^— рс° о(шнвЛнв)2; р— -

4 р г ои

нагрузка на ометаемую лопастями НВ площадь; а — коэффициент заполнения НВ; (Онв - угловая скорость вращения НВ; 7?нв - радиус НВ.

в) приращение угла продольного отклонения автомата перекоса:

=-(аы+Ртхв) я,, Дк = —--+ —-т---р;--к0

«гр

=—1+со5(ДЭ-Э,)|Ят| Лнв —1+соз(А&-&1)|Лт|

£>нв Уъ

где хо - угол продольного отклонения автомата перекоса при полете вертолета без груза на ВП; от и аи ~ коэффициенты махового движения (углы продольного отклонения аэродинамической оси конуса лопастей НВ от конструктивной оси вращения НВ) при косой обдувке НВ вертолета соответственно без груза и с грузом на ВП; £>нз — передаточное отношение между углом отклонения автомата перекоса и углом отклонения аэродинамической оси конуса лопастей НВ от конструктивной оси вращения НВ.

Далее в работе излагается метод определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолетов в условиях их равновесия. Опасными в данной работе считаются режимы полета, когда не обеспечиваются предложен-

ные в первой главе настоящей работы показатели безопасности транспортировки груза.

Для решения данной задачи используются выведенные выше аналитические выражения, полученные с помощью разработанных автором методов определения влияния параметров полета и груза на его равновесие и на равновесие вертолета с грузом на ВП. С целью облегчения и ускорения анализа безопасности полетов вертолетов с грузом на ВП в условиях их равновесия автором настоящей работы было создано соответствующее ПО — компьютерная программа Balance. В качестве примера в работе была исследована безопасность транспортировки в установившемся полете водосливного устройства для тушения пожаров ВСУ-5А, носителем которого выступал вертолет Ми-8МТВ.

Пятая глава работы посвящена теоретическим методам обеспечения БП вертолетов с грузом на ВП в условиях их динамического поведения.

Одной из возможных причин возникновения особой ситуации может стать резкое отклонение груза от равновесного положения при воздействии внешних возмущающих факторов или при нескоординированных действиях летчика. Значительные отклонения грузов от положения равновесия возникают также при самовозбуждающихся поперечных колебаниях груза, имеющих автоколебательный характер. Такие отклонения могут привести к превышению допустимых нагрузок на систему ВП, соприкосновению троса с элементами конструкции вертолета, что повлечет за собой изменение момента силы натяжения троса, действующего на вертолет, может вызвать повреждение троса, попадание груза и элементов ВП в РВ и т.п. нежелательные последствия.

В связи с этим в настоящей главе поставлена и решена задача разработки теоретических методов обеспечения БП вертолетов с грузом на ВП в условиях их динамического поведения, в число которых входят методы определения влияния параметров полета и груза на его динамику как нелинейной диссипа-тивной колебательной системы, на его динамическую устойчивость в продольном и боковом движении, а также метод определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолетов в условиях их динамического поведения.

Поставленная задача решена путем вывода аналитических зависимостей, облегчающих теоретическое исследование колебательного движения груза, а также путем проведения ВЭ с помощью разработанного автором ПО.

В начале главы излагается разработанный автором метод определения влияния параметров груза на движение системы «трос - груз» как нелинейной диссипативной колебательной системы. При этом система «трос — груз» представлена в виде плоского математического маятника как с подвижной, так и с неподвижной точкой подвеса. Для проведения ВЭ по исследованию данной системы автором было разработано соответствующее ПО - компьютерная программа Pendulum.

При неподвижной точке подвеса уравнение колебаний имеет вид нелинейного дифференциального уравнения второго порядка, описывающего динамику так называемого нелинейного осциллятора с диссипацией:

где / т — длина подвески (расстояние от точки подвеса до ц.м. груза).

Далее было определено влияние параметров маятника на следующие характеристики колебательного процесса, используемые при оценке динамической устойчивости ЛА:

- длительность одного цикла колебаний (в случае периодического процесса в линейной консервативной системе — это период колебаний) Тк;

- время переходного процесса /пср;

- время срабатывания /ср;

- относительный заброс (перерегулирование) о.

Метод получения точного аналитического решения уравнений типа (16) в настоящее время неизвестен, поэтому был использован существующий приближенный метод аналитического описания колебаний нелинейной диссипативной системы с квадратичным сопротивлением, благодаря которому автором было получено решение данного уравнения:

Зя

где А о - начальный полуразмах колебаний (в случае периодического процесса в линейной консервативной системе - это амплитуда); ш0 — круговая частота собственных колебаний без диссипации; I - время.

Из данного выражения видно, что размах колебаний зависит от таких параметров груза как баллистический коэффициент с„ и длина троса гт. Причем эти два параметра можно объединить в один комплексный параметр и назвать его коэффициентом затухания колебаний, который полностью определяет демпфирующие свойства груза:

¿а=сЖ\- (18)

Далее в работе излагается метод определения влияния параметров полета и груза на его динамическую устойчивость.

При транспортировке в установившемся горизонтальном прямолинейном полете груз может быть выведен из положения равновесия, например, при воздействии на него порыва ветра. Исследования, проведенные с участием автора, показали, что с точки зрения касания тросом окантовки люка грузовой кабины вертолета наиболее неблагоприятным будет воздействие вертикального восходящего порыва ветра.

При воздействии бокового порыва ветра или при ускоренном боковом перемещении точки подвеса груза в процессе его транспортировки на вертолете в общем случае возникает сложное пространственное движение груза, — одновременно изменяются углы крена, тангажа и рыскания груза. При определенных условиях это может привести к сильной прогрессирующей раскачке груза и возникновению особой ситуации. Здесь большое значение имеет форма груза и его ориентация относительно центрального троса ВП. Если груз имеет осе-симметричную форму относительно троса, то при воздействии бокового порыва ветра его движение по крену, тангажу и рысканию обычно с течением времени затухает. Забросы по тангажу и рысканию при этом оказываются незначительными. В основном движение происходит по крену. Для проведения ВЭ автором было разработано соответствующее ПО — компьютерная программа Pendulum 3D. Однако используемая ММ не учитывает нестационарность аэродинамических характеристик грузов, которые в большинстве своем являются неудобо-обтекаемыми телами. ЛИ с некоторыми грузами рассматриваемого типа показали, что на больших скоростях полета (более 200 км/ч) появляется прогрессирующая продольно-поперечная раскачка груза, что очевидно связано с нестационарностью обтекания этих грузов. Но в целом опыт транспортировки грузов рассматриваемого типа, например ВСУ-5А и ВСУ-15, говорит о том, что они ведут себя достаточно устойчиво в широком диапазоне скоростей полета, что согласуется с результатами проведенных ВЭ.

Иначе могут вести себя грузы сложной формы (неосесимметричные).

При сколь угодно малом внешнем воздействии на грузы такого типа возможно возникновение автоколебаний с большой амплитудой, что может оказаться очень опасным.

На рисунке 9 показано изменение во времени углов тангажа, крена и рыскания модели ВКБР при автоколебаниях.

Автором было определено, что условием возникновения автоколебаний груза является близость друг к другу собственных частот изолированных колебаний груза по крену и рысканию.

Периоды собственных колебаний груза по крену и рысканию зависят от скорости набегающего потока, и чем меньше они отличаются друг от друга, тем меньше будет время выхода рассматриваемой системы на режим автоколебаний. При некоторой скорости полета эти частоты могут совпадать. Тогда время выхода на режим автоколебаний будет минимальным. Эта скорость названа автором критической скоростью автоколебаний груза на ВП Уткр.

Автором была выведена приближенная аналитическая зависимость критической скорости автоколебаний груза от параметров полета и груза. Эта формула применима для грузов, имеющих малый баллистический коэффициент:

где 1У - момент инерции груза относительно троса; 5 - характерная площадь груза; / - характерный линейный размер груза; Зст и - относительные координаты соответственно центра масс груза и фокуса груза по углу скольжения вдоль продольной оси, отсчитываемые от носка груза.

в) рыскание

Рисунок 9 - Изменение углов тангажа, крена и рыскания модели ВКБР по времени при автоколебаниях по результатам вычислительного эксперимента

Данная формула в виду принятия при ее выводе серьезных допущений не обладает высокой точностью, но позволяет, во-первых, определить принципиальную возможность возникновения автоколебаний в эксплуатационном диапазоне скоростей полета, а во-вторых, и это главное, дает понимание того, какие основные параметры груза и каким образом влияют на критическую скорость автоколебаний.

Далее в данной главе рассматривается метод определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолетов в условиях их динамического поведения. Для определения безопасных режимов транспортировки грузов на ВП вертолетов в условиях их динамического поведения помимо вышеупомянутых компьютерных программ Pendulum и Pendulum 3D автором был разработан программный комплекс HeliCargo. Он предназначен для исследования динамики вертолета и груза с учетом их взаимного влияния как в установившемся, так и в неустановившемся полете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе решена научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, а именно разработаны теоретические методы обеспечения безопасности летной эксплуатации вертолетов при транспортировке грузов на внешней подвеске.

Основные выводы по проведенным исследованиям сформулированы в конце каждой главы диссертации. В целом можно сделать следующее заключение о выполненной работе:

1) на основании проведенных автором исследований:

а) разработаны новые методы математического моделирования динамики тел, имеющих связь в виде идеального сферического шарнира, и динамики груза на внешней подвеске вертолета с учетом касания тросом окантовки люка грузовой кабины;

б) разработаны новые теоретические методы обеспечения безопасности полетов вертолетов с грузом на внешней подвеске в условиях их равновесия и динамического поведения, позволившие выявить качественно новые закономерности исследуемого явления и дающие возможность определения безопасных режимов транспортировки грузов на внешней подвеске вертолета;

в) предложены:

— новые классификационные признаки грузов, перевозимых на внешней подвеске вертолета, которые характеризуют их динамику в процессе транспортировки (осевая симметрия, парусность с использованием количественного показателя — баллистического коэффициента груза);

— условия безопасности транспортировки груза (наличие запасов управления вертолетом, отсутствие касаний центральным тросом ВП окантовки люка грузовой кабины вертолета, допустимость нагрузок на систему ВП и сам груз);

— количественная характеристика парусности груза, выражаемая в виде его баллистического коэффициента;

— выражение для коэффициента затухания колебаний груза;

г) введено новое понятие критической скорости автоколебаний груза;

2) теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:

а) применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс методов теоретической механики, аэродинамики и динамики полета, теории математического моделирования, вычислительной математики, программирования алгоритмов для ЭВМ, физического эксперимента в аэродинамической трубе;

б) изложены выводы:

— уравнений динамики тел, имеющих связь в виде идеального сферического шарнира;

— уравнений динамики груза на внешней подвеске вертолета с учетом касания тросом окантовки люка грузовой кабины;

— аналитических зависимостей для равновесного угла тангажа груза и равновесной силы натяжения троса внешней подвески от параметров полета и груза;

— выражений для баллистического коэффициента и коэффициента затухания колебаний груза;

— аналитических зависимостей балансировочных характеристик вертолета от параметров груза и внешней подвески в целом;

— формулы для критической скорости автоколебаний груза; в) изучены:

— влияние параметров полета, груза и порывов ветра на характеристики колебательного процесса груза (было выявлено, что время переходного процесса и длительность одного цикла колебаний уменьшаются с увеличением скорости полета, а абсолютный заброс имеет максимум по скорости; время переходного процесса уменьшается с ростом баллистического коэффициента груза, длины троса и с ростом аэродинамического качества груза; абсолютный заброс растет с увеличением баллистического коэффициента груза, уменьшается с ростом длины троса и с ростом аэродинамического качества груза; длительность одного цикла колебаний уменьшается с ростом баллистического коэффициента груза, уменьшением длины троса и уменьшением аэродинамического качества);

— условия возникновения автоколебаний груза на внешней подвеске вертолета (близость друг к другу собственных частот изолированных колебаний груза по крену и по рысканию, что зависит от скорости полета на данной высоте);

— влияние параметров полета и груза на размах автоколебаний груза и максимальную силу натяжения троса внешней подвески (при увеличении расстояния между Ц.м. и фокусом по углу скольжения груза, а также при увеличении длины троса диапазон скоростей, при которых возникают автоколебания, уменьшается, а размах колебаний при одинаковых скоростях увеличивается; при увеличении массы и за счет этого момента инерции груза диапазон скоростей, при которых возникают автоколебания, увеличивается, а размах колебаний при одинаковых скоростях уменьшается; с увеличением скорости полета растут размахи автоколебаний и максимальная сила натяжения троса);

3) значение полученных автором результатов исследования для практики подтверждается тем, что:

а) разработаны и внедрены в производственную деятельность авиапредприятий компьютерные программы:

— Balance - для исследования влияния параметров полета и груза на равновесие вертолета и груза на его внешней подвеске в установившемся горизонтальном прямолинейном полете;

— Pendulum - для исследования влияния параметров полета и груза на движение системы «трос - груз» как плоского математического маятника с подвижной точкой подвеса;

— Pendulum 3D — для исследования влияния параметров полета и груза на продольную и боковую динамическую устойчивость груза без участия вертолета;

— HeliCargo - для исследования динамики вертолета и груза с учетом их взаимного влияния;

б) внедрены в учебный процесс авиационных специальностей вузов новые понятия, аналитические зависимости, закономерности, полученные в ходе настоящей работы;

в) на примере водосливного устройства для тушения пожаров с воздуха (ВСУ-5А) и вертолетного контейнера быстрого реагирования (ВКБР) путем проведения вычислительных экспериментов выявлено влияние параметров полета, параметров грузов и внешней подвески в целом на характеристики колебательных процессов данных грузов и их носителя - вертолета Ми-8МТВ, а также определены наиболее опасные параметры полета и конфигурации этих грузов:

— в части ВСУ-5А: опаснее транспортировать пустое ВСУ-5А, чем заполненное; наиболее опасная скорость транспортировки пустого ВСУ-5А с точки зрения максимального угла отклонения троса от вертикали при воздействии восходящего порыва ветра - 150 км/ч при длине центрального троса ВП -20 м;

— в части ВКБР: как в пустом, так и в заполненном состоянии ВКБР при штатном взаимном положении ц.м. и фокуса склонен к автоколебаниям на скоростях 20...60 км/ч при длине троса 20...30 м; при уменьшении расстояния между ц.м. и фокусом ВКБР критическая скорость автоколебаний увеличивается, диапазон скоростей, при которых возможны автоколебания, смещается в сторону больших скоростей для пустого ВКБР - 40...80 км/ч - и расширяется до 40... 120 км/ч для заполненного ВКБР, размахи колебаний и сила натяжения троса растут; при пустом ВКБР критическая скорость автоколебаний меньше, чем при заполненном, но размахи автоколебаний больше; при увеличении длины троса критическая скорость автоколебаний уменьшается, диапазон скоростей, при которых возможны автоколебания, также уменьшается, но размахи автоколебаний и сила натяжения троса растут, так при малом расстоянии между ц.м. и фокусом заполненного ВКБР сила натяжения троса при автоколебаниях может превысить допустимую нагрузку на систему ВП Ми-8МТВ;

4) перспективными направлениями дальнейшей разработки темы автор считает широкое использование методов вычислительной гидродинамики для определения аэродинамических коэффициентов грузов и создание на этой основе нового атласа грузов, определение оптимальных режимов транспортировки грузов с целью повышения топливной эффективности воздушных перевозок и

авиационных работ, создание пилотажного стенда вертолета с грузом на ВП для проведения научно-исследовательских работ, а также создание комплексного тренажера для экипажей вертолетов с целью отработки навыков работы с грузом на ВП, в том числе для проведения авиационных строительно-монтажных работ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в 33-х печатных научных работах, которые перечислены ниже.

Научные публикации в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России

1. Ефимов, В. В. Математическое описание движения груза на внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Аэромеханика и прочность». -2007. - № 111. — С. 121 - 128.

2. Ефимов, В. В. Результаты вычислительных экспериментов по исследованию динамики вертолета и груза на его внешней тросовой подвеске при полете в неспокойном воздухе [Текст] / В. В. Ефимов, С. А. Паршенцев // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Аэромеханика и прочность». - 2008. - № 125. -С. 151 - 158.

3. Ефимов, В. В. Исследование колебаний физического маятника с подвижной точкой подвеса как упрощенной модели груза на внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2009. - № 138 (1).-С. 126- 133.

4. Ефимов, В. В. Особенности интегрирования дифференциальных уравнений движения груза на внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2009. -№ 138 (1). - С. 134 - 141.

5. Ефимов, В. В. Особенности обеспечения безопасности эксплуатации вертолетов с грузом на внешней подвеске [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА,-2010.-№ 151(1).-С. 124-129.

6. Ефимов, В. В. Исследование влияния параметров груза на условия его равновесия на внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 151 (1). - С. 130 - 137.

7. Ефимов, В. В. О влиянии груза на внешней подвеске вертолета на его равновесие [Текст] / В.В.Ефимов// Научный вестник МГТУ ГА. - 2010. -№ 154 (4).-С. 79-85.

8. Ефимов, В. В. Исследование влияния параметров груза на внешней подвеске на балансировочные характеристики вертолета [Текст] / В. В. Ефимов, В. А. Ивчин // Научный вестник МГТУ ГА. - 2010. -№ 154 (4). - С. 86 - 93.

9. Ефимов, В. В. Вывод приближенных аналитических зависимостей характеристик колебательного процесса груза на внешней тросовой подвеске вер-

толета [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2011. — № 163 (1).-С. 125- 132.

10. Ефимов, В. В. Оценка адекватности математической модели динамики вертолета Ми-8МТВ [Текст] / В. В. Ефимов, В. А. Ивчин // Научный вестник МГТУ ГА. - 2011. -№ 172. — С. 59-66.

11. Ефимов, В. В. Оценка адекватности математической модели динамики груза на внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов, К. О. Чернигин, Ю. А. Быков // Научный вестник МГТУ ГА. - 2011. - № 172. - С. 67 - 71.

12. Ефимов, В. В. Динамическая устойчивость груза на тросовой внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». - М: Машиностроение / Машиностроение — Полет, 2011.-№ 3-С. 26-32.

13. Ефимов, В. В. Автоколебания грузов на тросовой внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». - М: Машиностроение / Машиностроение - Полет, 2011. -№ 12 -С. 23-28.

14. Ефимов, В. В. Исследование условий возникновения особых ситуаций при транспортировке груза на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2012. - № 175. - С. 36 -43.

15. Ефимов, В. В. Исследование автоколебаний вертолета с грузом на внешней тросовой подвеске [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2012. - № 177. - С. 65 - 71.

16. Головкин, М. А. Учет касания тросом окантовки люка грузовой кабины вертолета при математическом моделировании динамики груза на его внешней подвеске [Текст] / М. А. Головкин, В. В. Ефимов // Научный вестник МГТУ ГА.-2013.-№ 188.-С. 24-27.

17. Ефимов, В. В. Настройка пакета прикладных программ ОрепРОАМ для численного моделирования обтекания грузов на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов, А. Ю. Назаров, Р. Ш. Незаметдинов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2013. -№ 188. - С. 28 - 33.

18. Ефимов, В. В. Применение ОрепРОАМ для исследования влияния геометрических параметров на аэродинамические характеристики плохообте-каемых тел [Текст] / В. В. Ефимов, А. Ю. Назаров // Научный вестник МГТУ ГА.-2014.-№200.-С. 5- 10.

Монография

19. Козловский, В. Б. Вертолет с грузом на внешней подвеске / В. Б. Козловский, С. А. Паршенцев, В. В. Ефимов; под ред. В. Б. Козловского. — М.: Машиностроение / Машиностроение-Полет, 2008. - 304 е.: ил.

Научные публикации в других изданиях

20. Ефимов, В. В. К вопросу о создании математической модели движения вертолета и груза на его внешней подвеске [Текст] / В. В. Ефимов, М. С. Кубланов, В. Г. Ципенко // Материалы XVIII школы-семинара «Аэродинамика летательных аппаратов», п. Володарского 1-2 марта 2007 г. - Изд. ЦАГИ,

2007.-С. 56.

21. Ефимов, В. В. О результатах вычислительных экспериментов по исследованию динамики некоторых типов грузов на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов, С. А. Паршенцев // Материалы XIX школы-семинара «Аэродинамика летательных аппаратов», п. Володарского 28 - 29 февраля 2008 г. - Изд. ЦАГИ, 2008. - С. 55 - 56.

22. Ефимов, В. В. Особенности интегрирования дифференциальных уравнений движения вертолета с грузом на внешней подвеске [Текст] / В. В. Ефимов // Проблемы подготовки специалистов для гражданской авиации: материалы международной научно-практической конференции 20-21 ноября 2008 г.: научное издание; под ред. Н. У. Ушакова. - Ульяновск: УВАУ ГА,

2008.-С. 66-68.

23. Ефимов, В. В. Исследование равновесия груза на внешней подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Научный вестник УВАУ ГА. - 2009. - № 2. - С. 20 - 24.

24. Ефимов, В. В. К вопросу о равновесии вертолета с грузом на внешней подвеске [Текст] / В. В. Ефимов // Материалы XXI научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского 25 - 26 февраля 2010 г. - Изд. ЦАГИ, 2010. -С. 79-80.

25. Ефимов, В. В. Некоторые результаты исследования динамики грузов на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // 9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2010». 16 - 18 ноября 2010 года. Москва. Тезисы докладов. - СПб.: Мастерская печати, 2010. - С. 22 - 23.

26. Ефимов, В. В. К вопросу о динамической устойчивости груза при его транспортировке на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Материалы XXII научно-технической конференции но аэродинамике, п. Володарского 3-4 марта 2011 г. - Изд. ЦАГИ, 2011. - С. 64 - 65.

27. Ефимов, В. В. Теоретические и экспериментальные исследования динамики грузов на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: сборник тезисов докладов участников Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА.-М.: МГТУ ГА, 2011.-С. 108.

28. Ефимов, В. В. Исследование груза на внешней тросовой подвеске вертолета как нелинейной диссипативной колебательной системы [Текст] / В. В. Ефимов // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: сборник тезисов докладов участников Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА.-М.: МГТУ ГА, 2011.-С. 109.

29. Ефимов, В. В. Исследование колебаний вертолета с грузом на внешней тросовой подвеске [Текст] / В. В. Ефимов // К.Э. Циолковский и будущее космонавтики: материалы ХЬУ1 Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. -Калуга: Издательство «Эйдос», 2011. - С. 149 - 150.

30. Ефимов, В. В. Исследование автоколебаний груза на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов // Управление движением и навигация летательных аппаратов (Самара, 13-15 июня 2011 г.): сборник трудов XV Всероссийского семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов. Часть I - Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2012. - С. 100 -103.

31. Ефимов, В. В. К вопросу о математическом моделировании динамики груза на внешней подвеске вертолета с учетом касания центральным тросом окантовки люка грузовой кабины [Текст] / В. В. Ефимов // Материалы XXIII научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского 1—2 марта 2012 г. - Изд. ЦАГИ, 2012. - С. 106 - 107.

32. Ефимов, В. В. Возможность использования пакета прикладных программ ОрепРОАМ для численного моделирования обтекания грузов на внешней тросовой подвеске вертолета [Текст] / В. В. Ефимов, А. Ю. Назаров, Р. Ш. Незаметдинов // Материалы XXIV научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского 28 февраля - 1 марта 2013 г. - Изд. ЦАГИ, 2013. -С. 127-128.

33. Ефимов, В. В. Исследование влияния геометрических параметров плохообтекаемых тел на их аэродинамические характеристики с применением пакета прикладных программ ОрепРОАМ [Текст] / В. В. Ефимов, А. Ю. Назаров // Материалы XXV научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского 27 - 28 февраля 2014 г. - Изд. ЦАГИ, 2014. - С. 124 - 125.

Печать офсетная 2,0 усл.печ. л.

Подписано в печать 24.12.14 г. Формат 60x84/16 Заказ № 1928/,

1,98 уч.-изд. л. Тираж 100 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2014