Выбор параметров легких транспортных вертолетов с учетом природно-климатических условий эксплуатации

Применение легких многоцелевых вертолетов в гражданской авиации всех стран мира неуклонно растет. Такие вертолеты, имея взлетную массу до 3000 кг, способны выполнять широкий круг задач: пассажирские и транспортные перевозки, наблюдение, спасательные операции и др. Как показывает статистика, легкие вертолеты составляют до 60 — 70% от общей численности вертолетного парка про-мышленно-развитых стран мира [26, 48, 49].

Поскольку многоцелевые вертолеты спроектированы чаще всего из условия обеспечения максимальной эффективности при выполнении различных видов транспортных работ в условиях МСА при наличии некоторого статического потолка, их производительность при эксплуатации в других природно-климатических условиях оказывается значительно меньше расчетной. Особенно важным отмеченное обстоятельство является для стран, географическое положение и климат которых имеют существенные отличия от условий МСА.

Это в полной мере относится к странам Ближнего Востока, где подавляющее большинство населенных пунктов расположены на высотах более 1000 м над уровнем моря, а летне-зимний разброс среднемесячных температур доходит до 50 °C. В настоящей работе для проведения исследования, сформулированного в названии диссертации, в качестве примера была выбрана одна из стран этого региона — Исламская республика Иран (далее Иран), где отмеченные факторы проявляются наиболее значимо.

Проведенный анализ показал, что большинство вертолетов, входящих в состав вертолетного парка Ирана, не приспособлены для работы в природно-климатических условиях этой страны. Так, например, вертолет Bell 206 с взлетным весом около 1400 кг в условиях МСА имеет статический потолок около 2000 м. Если же учесть средне-летнюю температуру Ирана /срл = 35° С (см. рис. 1.8), статический потолок вертолета падает до 1000 м (рис. 1.9). Поскольку основные населенные пункты Ирана, в среднем, расположены на высотах Н—1100 — 1500 м, то сфера возможных действий этого вертолета или сезонность его эксплуатации резко ограничиваются.

Именно поэтому крайне важным является учет природно-климатических условий эксплуатации легких многоцелевых вертолетов еще на стадии их проектирования. Необходимо выбрать такие параметры вертолета, которые обеспечивали бы величины статического и динамического потолков, гарантирующие круглогодичное выполнение всего прогнозируемого для вертолетов объема работ с учетом геограо фического расположения возможных точек взлета, посадки и перевала на маршруте.

Одним из наиболее рациональных путей решения этой задачи является применение математических моделей на этапе выбора параметров вертолета. К преимуществам метода математического моделирования относится возможность проведения широких параметрических исследований различных проектных решений и концепций формирования ТЗ на проектирование вертолета.

Ведущую роль в становлении и развитии теории оптимального проектирования вертолетов сыграли работы основоположников российского вертолетострое-ния Б. Н. Юрьева [68] и И. П. Братухина [15, 16]. В них впервые были сформулированы основные принципы проектирования вертолетов, намечены пути выбора их параметров и способы совершенствования летно-технических характеристик. Дальнейшее развитие теория оптимального проектирования вертолетов получила в работах МЛ. Миля [42], Л. С. Вильдгрубе [18, 19] и др.

Развитие вычислительной техники и методов математического программирования привели значительному увеличению исследований в этом направлении. Среди них следует отметить работы М. Н. Тищенко, C.B. Михеева, A.B. Некрасова, Ю. С. Богданова, B.C. Платунова, В. И. Маврицкого, В. П. Петручика, О. П. Бахова, В. А. Касьяникова, В. Н. Журавлева, В. Н. Квокова и др.

Из этого списка авторов, прежде всего, следует выделить работы М. Н. Тищенко [53], A.B. Некрасова [53, 44], поскольку в них наиболее полно решаются задачи оптимального проектирования вертолетов, включая разработку критериев эффективности, анализ и обоснование выбора схемы вертолета, оптимизацию параметров и летно-технических характеристик.

В работах B.C. Платунова [47], В. П. Петручика [45, 46], A.B. Касьяникова [36, 37, 38], О. П. Бахова [9] проводится анализ и выбор параметров вертолетов различного целевого назначения. Исследования В. И. Маврицкого [34, 40, 41] посвящены разработке методики и выбору рациональных параметров многоцелевых вертолетов. Разработка отдельных элементов математической модели вертолета, расчет и выбор некоторых параметров и характеристик вертолета проведены в работах В. Б. Баршевского [7], Г. К. Жустрина [30, 31] и др.

В большинстве перечисленных выше работ анализ и выбор параметров вертолетов проводился по одному или ряду критериев на основе разработанных математических моделей, отличающихся одна от другой используемыми алгоритмами, различной степенью детализации, но ориентированных на пакетный, полностью автоматизированный режим работы ЭВМ.

На кафедре Проектирования вертолетов МАИ под руководством профессора Богданова Ю. С. в период 1975 — 1987 гг. был выполнен комплекс исследований по созданию программ автоматизированного синтеза облика вертолетов различного назначения [10, 11, 12, 13, 14]. Так, например, работа [13] посвящена вопросам выбора оптимальных параметров вертолетов народнохозяйственного применения. В ней изложены методики по выбору параметров вертолетов, которые обеспечивают максимальную эффективность их применения на транспортных, авиадионно-химических работах в сельском хозяйстве, строительно-монтажных работах или при транспортировке грузов на внешней подвеске.

В случае применения вертолетов в сельском хозяйстве в качестве критериев функциональной эффективности рассматриваются производительность полетов при выполнении авиахимработ и показатель топливной эффективности. В качестве критерия технико-экономической эффективности рассматривается себестоимость обработки одного гектара. При этом анализируется использование на авиахимработах двухтипового парка вертолетов легкой и средней весовых категории.

Эффективность использования вертолетов-кранов оценивается часовой производительностью и показателем топливной эффективности, характеризующими функциональную эффективность использования вертолетов, и величиной себестоимости единицы производительности, характеризующей технико-экономическую эффективность. Анализировались вертолеты тяжелых категории с коммерческой нагрузкой до 20 т. Для транспортных вертолетов в качестве критериев функциональной эффективности рассматривались топливная и весовая эффективности. В этом случае выбор параметров осуществлялся, в основном, для тяжелых вертолетов.

В работе [10] рассмотрены вопросы выбора основных проектных параметров и расчета массовых характеристик агрегатов транспортных вертолетов одновинтовой схемы. Анализ проводился для средних и тяжелых вертолетов. В качестве критерия функциональной эффективности рассматривались производительность сельскохозяйственного вертолета, а в качестве критерия технико-экономической эффективности — себестоимость обработки одного гектара.

В работе [14] изложены методы автоматизированного проектирования скоростных вертолетов. Для этих вертолетов, наряду с другими, ставятся задачи повышения крейсерской и максимальной скоростей полета, а так же улучшения маневренных характеристик вертолета. В этой работе анализ проводился для средних и тяжелых вертолетов одновинтовой схемы.

Проведенный автором анализ показал, что полученные в вышеупомянутых работах выводы не распространяются на легкие вертолеты и не учитывают всего спектра возможных природно-климатических условия их эксплуатации. Поэтому целью настоящего исследования является разработка математических моделей и программного обеспечения для выбора оптимальных параметров легких транспортных вертолетов, обеспечивающих потребные ЛТХ при эксплуатации в природно-климатических условиях заданного региона.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

• анализ вертолетного парка и особенностей его эксплуатации в условиях Ирана, основных маршрутов, типов полетных заданий и годовых объемов перевозки грузов;

• разработка математических моделей для формирования облика, проведения параметрического анализа и выбора параметров вертолета, удовлетворяющего требованиям технического задания на проектирование;

• составление алгоритмов весового и аэродинамического расчета одновинтового вертолета легкой весовой категории;

• разработка комплекса программ для автоматизированного синтеза облика вертолета;

• выбор критерия для оценки эффективности использования легких многоцелевых вертолетов и проведение параметрических исследований по определению влияния параметров вертолета на выбранный критерий эффективности;

• разработка алгоритма и сравнительная оценка различных вариантов формирования технического задания на проектирование легкого многоцелевого вертолета, предназначенного для выполнения заданного объема работ в регионе, характеризуемом специфическими природно-климатическими условиями;

• разработка алгоритма расчета себестоимости летного часа вертолета и затрат на выполнение транспортной задачи;

• выработка рекомендаций по выбору оптимальных параметров легких многоцелевых вертолетов, предназначенных для эксплуатации в природно-климатических условиях Ирана, и составу парка легких вертолетов.

В первом разделе диссертации проведен анализ вертолетного парка Ирана и особенностей природно-климатических условий этой страны, основных вертолетных баз и маршрутов, распределения среднемесячных температур по регионам, типов полетных заданий и годовых объемов перевозимых грузов.

Во втором разделе диссертации рассматривается математическая модель формирования облика легкого транспортного вертолета одновинтовой схемы. Исходными данными для выбора параметров вертолета являются:

• масса перевозимого груза,.

• дальность полета,.

• базовые высота и температура эксплуатации,.

• статический и динамический потолки,.

• максимальная скорость полета вертолета,.

• тип и количество двигателей.

Описана разработанная автором комплексная программа расчета СБЕБЮЫ, которая состоит из ряда функциональных блоков, а также системы поиска и распределения информации, осуществляющей обмен данными между модулями и блоком исходных данных. При выборе параметров широко используется статистическая информация, обработанная для существующих вертолетов легкой весовой категории, а также поршневых и газотурбинных авиационных двигателей.

Программа СБЕЗЮИ включает в себя блоки предварительного выбора параметров вертолета, весового и аэродинамического расчета, выбора силовой установки, определения летно-технических характеристик, расчета критерия функциональной эффективности, по которому осуществляется выбор оптимальных параметров вертолета. При разработке программного обеспечения учитывались требования по обеспечению возможности проведения параметрического анализа и сокращению машинного времени для его выполнения.

Достоверность разработанных математических моделей подтверждена тестированием программы на примерах реальных вертолетов путем сопоставления фактических и расчетных параметров, полученных из условия обеспечения фактических летно-технических характеристик.

В третьем разделе диссертации с целью исследования влияния параметров транспортных вертолетов на критерии функциональной эффективности проведен параметрический анализ для вертолетов грузоподъемностью 300, 500 и 800 кг. Расчеты выполнены с помощью программного комплекса ООЕБЮЫ с использованием методов, описанных в разделе 2.

В четвертом разделе диссертации рассматривается математическая модель формирования парка транспортных вертолетов, эксплуатирующихся в заданных.

Введение

природно-климатических условиях. Исходными данными для формирования парка вертолетов являются:

• годовые объемы грузоперевозок, детерминированные по вертолетным базам, основным маршрутам и месяцам года,.

• типовые профили полета на каждом из маршрутов,.

• распределение среднемесячных температур по регионам вертолётных баз.

Предлагаемый метод формирования вертолетного парка основан на оценке удельных затрат на выполнение заданного объема работ и их минимизации. Исследуется зависимость указанного экономического критерия от параметров вектора технического задания на проектирование вертолета. Стоимость выполнения транспортной операции рассчитывается с учетом особенностей страны эксплуатанта на основе прогнозируемой цены вертолета с выбранными параметрами. Расчет цены вертолета выполняется на основе статистических формул К И. Натз’ъ. с учетом сделанных автором поправок на годовую инфляцию и количество произведенных вертолетов.

Для однотипового вертолетного парка, выполняющего перевозку непартионных грузов, проведено исследование влияния грузоподъемности вертолета на величину удельных затрат, потребных для выполнения заданного объема работ, детерминированного по вертолетным базам, основным маршрутам и месяцам года. Сформулированы рекомендаций по выбору оптимальных параметров легких транспортных вертолетов, предназначенных для эксплуатации в природно-климатических условиях Ирана.

Исследованы различные варианты формирования вектора технического задания на проектирование транспортного вертолета. Показано, что минимальные удельные затраты при перевозке непартионных грузов обеспечивают вертолеты, параметры технического задания на проектирование которых выбраны с учетом характеристик вертолетных маршрутов, средневзвешенных по объемам перевозок.

Рассмотрены три возможных способа выполнения транспортной операции по перевозке партионных грузов: одно-, двухи трехтиповым вертолетным парком. Показано, что в рассматриваемой схеме грузоперевозок оптимальным вариантом является применение двухтипового вертолетного парка.

Выводы вертолета ориентировочно составит 1310 тыс. $, стоимость летного часа — 980 $/час, удельные затраты на эксплуатацию — 0,2 $/ткм.

9. Для перевозок непартионных грузов массой до 1000 кг оптимальным является двухтиповой вертолетный парк, который обеспечивает уменьшение удельных затрат на эксплуатацию на 9% по сравнению с однотиповым и на 3% по сравнению с трехтиповым вертолетным парком.

10. Оптимальный двухтиповой вертолетный парк для перевозки партионных грузов массой до 1000 кг на 80% по численности состоит из более легких вертолетов грузоподъемностью т1ПН «600 кг, и на 20% из более тяжелых, грузоподъемностью т2пн ~ Ю00 кг.