Теоретические и методологические основы эксплуатации летательных аппаратов при выполнении строительно-монтажных работ и транспортировке грузов на внешней подвеске

Решение задач, поставленных перед транспортной системой страны, требует от эксплуатационных подразделений гражданской авиации (ГА) дальнейшего повышения эффективности летной эксплуатации (ЛЭ) и уровня безопасности полетов (БП) воздушных судов (ВС). Кроме этого, в настоящее время заметно возросли требования с точки зрения экономической, технической и экологической эффективности применения" авиации в различных отраслях экономики.

Высокая эффективность и БП летательных аппаратов (ЛА) неразрывно связаны друг с другом и непосредственно зависят от качеств самого ЛА и пилота, управляющего им. Качества любого ЛА характеризуются тремя «основными свойствами — устойчивостью, управляемостью и маневренностью, а также существенно зависят от надежной и безотказной работы конструкции, двигателей и систем ЛА. В свою очередь, качество пилотирования т определяется теоретической и практической подготовкой пилота, пониманием динамики ЛА в различных ситуациях и знанием соответствующих инструкций по эксплуатации ЛА.

Поскольку вопросы устойчивости, управляемости и БП для ЛА являются важнейшими и тесно связанными между собой, то методы как теоретических, так и экспериментальных исследований обеспечения необходимых показателей этих качеств ЛА, относятся к числу достаточно сложных проблем. Трудности в изучении и понимании этих проблем вытекают, с одной стороны, из-за большого числа параметров и эксплуатационных ограничений, влияющих на режим полета, а, с другой стороны, из-за большого числа летных и эксплуатационных ограничений, предписываемых пилоту в нормативных документах по эксплуатации ЛА конкретного типа и определяющих предельные режимы полета, пилотирование на которых требует повышенного внимания. Эти проблемы получили достаточно подробное освещение в работах Пышнова B.C., Ветчинкина В. П., Остославского И. В., Федулова В. А., Бравермана A.C., Володко A.M. и др.

Вертолеты, давно стали неотъемлемой частью авиационного парка любого современного государства. Идея применения вертолетной техники при выполнении транспортных и: строительно-монтажных работ (СМР) была выдвинута с самого момента создания вертолетов. Большой вклад в становление и развитие винтокрылой техники, в изучение и использование ее особенностей внесли такие ученые, как Юрьев Б. Н., Братухин И. П., Миль МЛ-, Камов Н. И., Сикорский И. И., Тшценко М. Н., Михеев C.B.

Помимо вертолетов, в ¦ истории авиации i известны и другие типы JIA, — которые можно успешно использовать для транспортировки крупногабаритных грузов и проведения СМР. К таким JIA необходимо отнести нетрадиционные аэростатические летательные аппараты (АЛА) — дирижабли, вертостаты, тепловые дирижабли (термопланы). И хотя решение этих задач много раз рассматривалось на государственном уровне, тем не менее, на сегодняшний день нет пока окончательных решений по определению места нетрадиционных АЛА в транспортной системе. Здесь пока идет процесс научно-технического поиска по определению оптимальных типов AJIA, выбору их компоновочных схем, конструктивных решений и технико-экономических обоснований. Исследованием этих задач занимаются’многие научные и производственные организации авиационной промышленности и ГА, однако, эти исследования разобщены и не имеют концентрированных организационных форм.

В настоящее время уже известны примеры практического применения I дирижаблей4 и • вертостатов, проводятся теоретические изыскания по совершенствованию их компоновочных схем, конструктивных решений и поиску видов применения в различных отраслях экономики. В этой области наиболее известны работы последних десятилетий Ларина A.B., Горелова Ю. А., Рощина В. Ф., Ципенко В. Г., Журавлева В. Н., Чауса Э. Ф., Арие М. Я., Пясецкого Ф.Н.

Среди активных организаций по проведению изысканий использования АЛА для выполнения транспортных операций можно отметить ЦАГИ, НПК «ПАНХ», МАИ, МГТУ ГА, КБ Авиационной Промышленности, а также отдельных энтузиастов в области воздухоплавания. Работа здесь, в основном, направлена на поиск конструктивных решений" АЛА, оценки возможностей их использованияв отраслях народного хозяйства, на транспортных работах и < технико-экономическое обоснование их преимуществ перед традиционными ЛА. Из-за отсутствия финансирования работы в этом направлении еще далеки от завершения.

Весомый вклад в разработку методов транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР внесли такие известные ученые, как Логачев Ю. Г., Исаев С. А., Широков Н. А., Рощин В. Ф., Сумовский H.A. Однако анализ, отечественной и зарубежной литературы, посвященнойкак авиации вообще, так вертолетостроению и нетрадиционным АЛА в частности, позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время ощущается острый недостаток материалов, связанных с разработкой новых комплексных методов решения"проблемы транспортировки=грузов на внешней подвеске и проведения СМР с помощью различных типов ЛА. Можно утверждать, что работ, в которых широко и полно освещались бы указанные вопросы с позиций системного подхода, явно недостаточно, хотя потребность в них очень велика. Предлагаемая диссертационная работа должна восполнить серьезный пробел в рассматриваемой проблеме.

Таким образом, в предлагаемой работе решается важная и актуальная народно-хозяйственная проблема транспортировки грузов и проведения? СМР с помощью традиционных и нетрадиционных ЛА в * отраслях экономики за счет использования методов математического моделирования движения ЛА, создания новых и совершенствования современных комплексных теоретических и экспериментальных методов исследования.

Идея диссертационной работы состоит в том, чтобы при разработке рекомендаций и предложений по повышению эффективности транси портировки грузов на внешней подвеске и проведения CMP центр тяжести исследований переместить в область математических методовкак наиболее дешевых и доступных, и исследований в аэродинамических трубах (AT), а дорогостоящие летные испытания (ЛИ) использовать лишь для уточнения математических моделей (ММ), контроля их точности и непротиворечивости.

Необходимо отметить, что за последние десятилетия перевозка грузов на внешней подвеске в общем объеме вертолетных работ заметно возросла и в некоторых авиакомпаниях достигает 50% и более. Это объясняется широким применением таких авиатехнологий как вывозка леса из труднодоступных горных массивовтушение лесных пожаров, проведение мониторинга окружающей среды, борьбы с последствиями стихийных бедствий и экологических катастроф.

С появлением: в эксплуатации вертолетов с высокой весовой отдачей, таких как Ка-32 и Ми-26, масса перевозимого на внешней подвеске или при СМР груза стала соизмеримой с массой самого пустого вертолета (5 тгруз и 6 т вертолет Ка-32,20 т груз и 32 т Ми-26). Такое соотношение «вертолет — груз на внешней подвеске» вызвало необходимость пересмотра многих аспектов летной и технической эксплуатации вертолетов, в первую очередь, с точки зрения БП. При этом одной из важной особенностей таких технологий как вывозки древесины, тушение пожаров и СМР4 является скоротечное изменение суммарной массы системы «вертолет — груз на внешней подвеске» на 35 — 45% при выполнении операций взятие-отцепка груза или забор-сброс воды. К этому необходимо добавить повышение экологических требований при перевозке грузов и СМР, что повлекло за собой увеличение длины внешней подвески до 50 м — 80 м.

По указанным причинам вопросы устойчивости, управляемости, маневренности и БП при перевозке крупногабаритных грузов соизмеримых по массе с массой пустого вертолета, также как и эффективности операций в целом, должны комплексно рассматриваться применительно к системе вертолет — груз на внешней подвеске". Аналогичный подход представляется: правомерным при построении математических моделей в процессе работ по? созданию нетрадиционных летательных аппаратов, предназначенных для перевозки крупногабаритных и сверхтяжелых грузов.

Таким образом, в диссертации предлагаются методологические основы исследования динамической системы «ЛА — груз. на внешней подвеске», поведения системы с точки — зрения управляемости,. устойчивости и маневренности. Исследование проводилось путем • математического моделирования системы, проведения экспериментальных исследований в АТ и ЛИ.

Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором и под его научным руководством в НПК «ПАНХ» в период 1973—2003 гг. г., а также результатах летных испытаний (ЛИ) в ГосНИИ ГА и НПК «ПАНХ» и результатах трубных испытаний в РО ГосНИИ ГА. Эти работы проводились на основании постановлений правительства, планов НИОКР министерств и ведомств, отдельных заданий Министерства ГА и МАП, в качестве поисковых работ НПК «ПАНХ», по заказу эксплуатационных предприятий ГА и предприятий — потребителей авиационных услуг в соответствии с планами и программами важнейших научно-исследовательских работ МГА (ГСГА) и МАП, в тесном содружестве с ЦАГИ, ГосНИИ ГА, МВЗ им. М. Л. Миля, ОАО «Камов», ММЗ им. В. М. Мясищева, МАИ, МГТУ ГА, РКИИ ГА, АГА и другими организациями в Москве, Новосибирске, Омске, а также с эксплуатационными предприятиями ГА.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы — повышение эффективности эксплуатации и обеспечение БП ЛА при выполнении СМР и транспортировки грузов на внешней подвеске в отраслях экономики путем разработки и * применения усовершенствованных комплексных методов исследования, включающих в себя математическое и натурное моделирование, а также летные испытания.

Главными задачами работы являлись: выявление основных эксплуатационных факторов и условий, влияющих на эффективность транспортировки грузов и проведение СМР с помощью JIAразработка методологических основ транспортировки грузов и проведение СМР с помощью традиционных и нетрадиционных JIAобоснование и разработка целевой обобщенной ММ движения системы «вертолет — груз г на внешней? подвеске» на различных этапах полетаобоснование и разработка целевой * обобщенной ММ' движения системы «вертостат — груз на внешней подвеске» на различных этапах полета-: выбор и обоснование технических средств (ТС) для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМРразработка методик повышения эффективности и безопасности транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР.

Объект исследования" — система эксплуатации JIA с грузом на внешней подвеске привыполнении транспортных и строительно-монтажных работ.

Методы исследований. Вработе использован комплексный подход, включающий методы теоретических и экспериментальных исследований динамических систем, методы численных решений. дифференциальных уравнений, теории подобиясистемного анализа, классификации и идентификации, теории вероятностей и математической статистики:.

Достоверность результатов исследований подтверждается:

1) непосредственным сопоставлением результатов расчетов с данными летных экспериментов и продувок в AT, проведенными в ГосНИИ ГА, НПК «ПАНХ» и РО ГосНИИ ГА;

2) оценкой адекватности полученных на ММ результатов расчетов экспериментальным данным с помощью статистических критериев.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые поставлены и решены следующие задачи:

— разработка методологии исследования системы «ЛА — груз на внешней подвеске» на основании комплексного применения методов математических, модельных и натурных исследованийразработка универсальной ММ пространственного движения сложной динамической системы «вертолет — груз на внешней подвеске», учитывающей совокупность всех основных силовых факторов, действующих на вертолет и груз на внешней подвеске, и описывающей с высокой степенью адекватности движение системы на различных этапах полета с учетом функциональных отказов и атмосферного воздействия;

— обоснование г наиболее рациональной? аэродинамической компоновки вертостата и основных методологических принципов формирования ММ динамической системы «вертостат — груз на внешней подвеске», позволяющей определить предельные безопасные режимы полетаразработка и обоснование комплексных методик по повышению эффективности и безопасности выполнениятранспортировки1 грузов навнешней подвеске и проведения СМР с помощью вертолетов.

Теоретическая значимость результатов исследований. Предложенные результаты исследований в виде ММ и методологических основ эксплуатации ЛА при транспортировке грузов и проведении СМР использованы и могут быть применены в дальнейшем для изучения таких свойств динамики системы «ЛА — груз на внешней подвеске», которые ранее не исследовались и не обнаруживались, как, например, колебания при соизмеримых массах ЛА и груза, а также при разработке нормативных документов и рекомендаций по повьппению эффективности и безопасности выполнения транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные комплексные методы исследования системы «ЛА — груз на внешней подвеске» позволяют:

1) более полно исследовать особенности ЛЭ ЛА с грузом на внешней подвеске, как в нормальных, так и в особых случаях полета;

2) обеспечивать экономию ресурсов за счет сокращения объема ЛИ;

3) проводить анализ особых условий эксплуатации ЛА с грузом на внешней подвеске на различных этапах полета за рамками ограничений с целью оценки предельных эксплуатационных возможностей ЛА;

4) находить оптимальные режимы полета ЛА с грузом на внешней подвеске для уточнения существующих Руководств по летной эксплуатации (РЛЭ) и подготовки РЛЭ перспективных ЛА;

5) предлагать и обосновывать, ТС для транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР;

6) использовать, результаты математического моделирования при разработке и совершенствовании Норм летной годности вертолетов (Федеральных авиационных правил);

7) использовать результаты диссертационного исследования в процессе разработки новой авиационной техники;

8) проводить расследование авиационных происшествий (АП) и инцидентов с помощью решения обратных задач динамики полета ЛА с грузом на внешней подвеске и на этой основе обосновывать рекомендации по их профилактике;

9) разрабатывать рекомендации по обучению и тренировке экипажей ЛА при транспортировке груза на внешней подвеске в нормальных и особых случаях полета.

Реализация и * внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, использованы и внедрены в научных организациях и I эксплуатационных предприятиях ГА в виде: инструкцийи методик по обеспечению? эффективности и безопасности выполнения транспортных и СМР с помощью ЛА, утвержденных руководящими органами ГА и авиационной промышленности, а также при обучении летного состава. Результаты диссертационной работы, были использованы в лекциях и учебных пособиях по курсам эффективности систем ГА, аэродинамики, динамики полета, безопасности полетов и летной эксплуатации в МАИ, МГТУ ГА, АГА и УВАУ ГА.

Апробация работы. Результаты: выполненных исследований докладывались > и получили положительную оценку на ежегодных форумах Хели-Экспо Международной вертолетной Ассоциации (1991— 2001; гг. в США), на форуме и технологической выставке Американского вертолетного Общества (1993 г.), на Совещаниях руководителей предприятий (организаций) стран — членов СЭВ, участников? соглашения по. вопросам сотрудничества в области применения авиации в народном хозяйстве (1981;—1990 гг.), на заседаниях научно-технических советов и коллегий МГА (ГСГА), а также обсуждались > на — отраслевых и г вузовских научно-технических и летно-технических конференциях и семинарах.

Публикации. По материалам г диссертационной работыопубликовано 26 печатных работ, в том числе, одна монография и 3 патента." Полученные в период 1973 —2003 гг. результаты отражены в 24 отчетах по научно-исследовательскойработе НПК «ПАНХ», в которых автор является исполнителем или научным руководителем, а также в 22 инструкциях и правилах, утвержденных отраслевыми министерствами.

На защиту выносятся: методологические основы транспортировки грузов и проведения СМР с помощью JIA;

ММ движения системы «вертолет — груз на внешней подвеске»;

ММ движения системы «вертостат — груз на внешней подвеске" — комплексные методики по повышению эффективности и безопасности транспортировки грузов на внешней подвеске и проведения СМР.

Структура и объем диссертационной работы., Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 176 наименований (из них 8 на иностранных языках) и приложения. Ос.

6.5. Выводы по главе 6.

1. На основе полученных результатов комплексных исследований разработаны рекомендации и инструкции по технологиям применения вертолетов Ка-32, Ми-8 и Ми-26 при перевозке грузов на внешней подвеске и проведении СМР, соответствующие ТС и рекомендации по модернизации и оснащению вертолетов, с целью повышения эффективности и безопасности их применения.

2. Разработаны технические требования на единые образцы контейнеров, цистерн, тросов и трубозахватов для транспортировки вертолетами на внешней подвеске.

3. Создано «Руководство по выполнению строительно-монтажных работ с применением вертолетов», утвержденное МГА СССР 28.12.1990 г.

4. Создана «Инструкция по транспортировке грузов на внешней подвеске вертолетов», утвержденная Минтрансом РФ 08.01.2004 г.

5. Показано, что разработанные ТС для транспортировки грузов на внешней подвеске и для СМР, а также технологии выполнения этих работ с применением вертолетов могут быть с необходимыми изменениями использованы и при проведении СМР с применением АЛА.