О возможности попадания водосливного устройства и ленточной стропы в несущий и рулевой винты вертолета

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 151

УДК 629.735.45

О ВОЗМОЖНОСТИ ПОПАДАНИЯ ВОДОСЛИВНОГО УСТРОЙСТВА И ЛЕНТОЧНОЙ СТРОПЫ В НЕСУЩИЙ И РУЛЕВОЙ ВИНТЫ ВЕРТОЛЕТА

А.А. ЛЕБЕДЕВ, В.М. НАТАЛЬИН, Ю.С. ОПАРА Статья представлена доктором технических наук, профессором Кублановым М.С.

Рассматривается возможность попадания элементов внешней подвески в несущий и рулевой винты вертолета.

Ключевые слова: вертолет, мягкое водосливное устройство, попадание элементов подвески в несущий и рулевой винты вертолета, параметры водосливного устройства, рекомендации по безопасности полетов.

Одним из наиболее эффективных способов пожаротушения является сброс значительной массы воды из емкостей, расположенных на специально оборудованных самолетах и вертолетах, причем использование в этом случае вертолетов с водосливными устройствами (ВСУ) является более предпочтительным.

К настоящему времени накоплен значительный опыт безаварийного использования вертолетов с ВСУ при тушении пожаров в различных условиях.

С точки зрения аэродинамики ВСУ устойчиво в полете даже в турбулентной атмосфере как наполненное водой, так и в порожнем состоянии. При стандартном сливе воды ВСУ отклоняется по ходу полета на угол до 45° [1].

Как отмечают летчики, режим поступательной скорости вплоть до максимально разрешенной (180 км/ч для заполненной и 160 км/ч для порожней мягкой оболочки) характеризуется устойчивым поведением ВСУ на внешней подвеске. За все время применения ВСУ не было случая вращательного или колебательного движения груза на внешней подвеске в режиме полета по прямой. По свидетельству летчиков поперечные колебания возникали только в результате некоординированного разворота, а продольные - только при резком гашении скорости. И те и другие колебания легко парировались известными методами.

Однако в случае повреждения ВСУ картина меняется на противоположную. Обычно заполненное водой ВСУ повреждают при незначительном касании каких-либо препятствий при заходе на сброс воды. В этом случае возникает эффект водяной бомбы. ВСУ мгновенно разрывается под воздействием массы воды и превращается в огромную прорезиненную тряпку, потерявшую все аэродинамические свойства. ВСУ немедленно теряет устойчивость и занимает положение параллельно направлению полета. Далее все зависит от действий экипажа и длины тросовой системы ВСУ. Если экипаж своевременно не сбросил аварийно поврежденное ВСУ, а длина тросовой системы больше расстояния от точки подцепки до зоны хвостового винта, то с большой долей вероятности возможно попадание поврежденного ВСУ в рулевой винт, а также в лопасти несущего винта в азимуте 180 градусов (район рулевого винта), что имело место в августе 1994 на вертолете Ми-8МТВ при тушении лесных пожаров в ЮАР.

На основании вышеизложенного очевидны рекомендации летному составу по повышению безопасности полетов при выполнении полета с заполненным водой ВСУ:

- в процессе слива воды члены экипажа должны контролировать поведение ВСУ при сливе воды (штатно или нештатно);

- в случае повреждения ВСУ при сливе оно должно быть немедленно сброшено с внешней подвески вертолета;

- при заходе на слив колпачок аварийного сброса груза должен быть открыт.

Рассмотрим еще одно авиационное происшествие, имевшее место при выполнении полетов на пожаротушение с применением ВСУ. В 2003 году произошла катастрофа вертолета Ми-26Т МЧС России, выполнявшего полет на пожаротушение с применением водосливного устройства ВСУ-15 в Читинской области. Причиной катастрофы по заключению комиссии, проводившей расследование, стало попадание стропы ленточной ЛС-15 в рулевой винт вертолета. Для предотвращения повторения в будущем подобных авиационных происшествий и разработки рекомендаций летному составу по обеспечению безопас-

ности при выполнении полетов с ВСУ проанализируем возможные причины попадания стропы ленточной в рулевой винт.

По заключению комиссии, проводившей расследование катастрофы вертолета Ми-26Т с ВСУ-15, зацепления или удара ВСУ о препятствия на земле не было. Возможно, что причиной попадания ЛС-15 в рулевой винт стало воздействие на ВСУ воздушного вихря.

На рис. 1 схематически показаны положение ВСУ в пространстве при некоторой горизонтальной скорости полета вертолета и силы, действующие на него. ВСУ и трос подвески ориентированы по линии равнодействующей сил веса и аэродинамических сил Ру и Рх. Необходимо отметить, что вертикальная компонента аэродинамической силы направлена вниз и наряду с силой веса ВСУ является стабилизирующей силой.

Рис. 1. Схема сил, действующих на ВСУ в горизонтальном полете

Как можно видеть, при таком положении системы расстояние h до горизонтальной линии, совпадающей с линией пола вертолета в горизонтальном полете, достаточно велико. Однако ситуация может существенно измениться при попадании вертолета в восходящий поток воздуха, т.е. при возникновении, например, вертикального сдвига ветра.

В этом случае соотношение между действующими на ВСУ силами может измениться так, что суммарная проекция сил на вертикальную ось уменьшиться или даже изменит знак. В этом случае горизонтальная компонента Рх поднимет ВСУ до линии пола, а с учетом динамики процесса и до диска рулевого винта.

Для исследования динамики ВСУ в [2] выполнено численное интегрирование уравнения движения ВСУ относительно вертолета:

2 ш ^ . г_. рУ .

d ш g -

-2- + 7 sin ш

dt

Р Р

—cos ш + —эт ш = 0. ml т1

Обозначения в уравнении ясны из рис. 1. Подробно результаты расчета представлены в [2]. Остановимся только на основных из них, которые могут быть полезны для практической аэродинамики вертолета с ВСУ на внешней подвеске. Выявлено, что для поднятия троса ВСУ до линии пола вертолета и в районе непосредственной близости к диску рулевого винта необходимы значительные по величине вертикальные сдвиги ветра (более 40 м/с2).

Попаданию троса подвески ВСУ ЛС-15 в рулевой винт может способствовать вихревая пелена, сходящая с диска несущего винта. Визуализация вихревой пелены несущего винта показывает, что в горизонтальном полете вихри, сходящие с лопастей, быстро сворачиваются за винтом в два мощных вихревых жгута, которые тянутся за вертолетом практически без потери интенсивности на расстоянии до двух диаметров несущего винта.

В итоге попадание порожнего ВСУ и ленточной стропы в несущий и рулевой винты вертолета может произойти под действием сильного вертикального сдвига ветра в приземном слое сильнопересеченной местности с учетом дополнительного влияния сходящей пелены от несущего винта.

Анализ физической картины взаимодействия ВСУ с возмущенным воздушным потоком позволяет сделать вывод о существенном влиянии на безопасность транспортировки порожнего ВСУ его веса. Увеличение веса порожнего ВСУ ведет к существенному снижению величины максимального угла отклонения троса.

Выводы и рекомендации по повышению безопасности полетов с ВСУ

1. ВСУ со стропами имеет устойчивый угол балансировки а ~ 40° - 45°. Это означает, что при буксировке ВСУ на тросовой подвеске с постоянной скоростью в спокойной атмосфере (или при наличии любого постоянного горизонтального ветра) угол ф между тросом и вертикалью не может превышать величину 50° при любой скорости горизонтального движения вертолета. Такое поведение ВСУ обеспечивается наличием большой по величине отрицательной подъемной силы (сравнимой с силой сопротивления).

2. Ветровой порыв интенсивностью менее 30 м/с не опасен. Однако при порывах большей интенсивности опасность попадания троса подвески в рулевой винт становится возможной. Порывы интенсивностью от 40 м/с и более могут приводить к попаданию троса в опасную зону около рулевого винта вертолета не только в случае вертикального направления вектора порыва, но и при наклонном направлении в диапазоне 45° - 135°. При этом характерный интервал времени At с момента начала ветрового порыва до момента катастрофического отклонения троса составляет 3 с. Увеличением массы емкости можно существенно увеличить порог опасного смещения емкости при порыве ветра.

3. Вихрь малого диаметра не опасен, однако с увеличением размера вихря опасность возрастает.

4. Аномальное поведение ВСУ-15, повлекшее катастрофу вертолета МИ-26Т 3 мая 2003 г., может быть объяснено воздействием редкого атмосферного явления, связанного с образованием интенсивного ветрового порыва («40 м/с).

Таким образом, наиболее эффективным конструктивным средством повышения безопасности транспортировки порожнего ВСУ является увеличение его веса.

Кроме того, эксплуатационной мерой, которая послужит увеличению безопасности полетов с порожним ВСУ, является увеличение высоты полета над рельефом сильно пересеченной местности до 300 м - 500 м, чтобы избежать случайного контакта ВСУ с землей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Исследование поведения водосливного устройства ВСУ-15 на тросовой подвеске под воздействием ветровых нагрузок.-М.: Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003.

2. Отчет по проведению экспертной оценки и аэродинамического обоснования возможных причин попадания ленточной стропы ЛС-15 в рулевой винт вертолета Ми-26. - М.: Отдел аэродинамики МВЗ им. М.Л. Миля, 2003.

POSSIBILITY OF GETTINING INTO THE LIFTING AND ANTITORQUE PITCHES

OF A WATER INTAKE DEVICE

Lebedev A.A., Natalin V.M., Opara J.S.

This is to consider the possibility of getting into the helicopter lifting and antitorque pitches of some element of external load.

Сведения об авторах

Лебедев Антон Александрович, 1977 г.р., окончил ОЛА ГА (1999), командир авиабазы Дальневосточного регионального центра по делам МЧС, летчик 1 класса, область научных интересов - аэродинамика грузов на внешней подвеске вертолетов.

Натальин Владимир Михайлович, 1950 г.р., окончил Сасовское летное училище ГА (1971), ОЛА ГА (1988), кандидат технических наук, доцент, главный инспектор-летчик по безопасности полетов авиации ФТС России, автор более 30 научных работ, область научных интересов - летная эксплуатация воздушного транспорта, безопасность полетов летательных аппаратов.

Опара Юрий Степанович, 1947 г.р., окончил ВМИ (1965), кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой аэродинамики и динамики полета СПб ГУ ГА, автор более 50 научных работ, область научных интересов

- аэродинамика отрывного обтекания тел.