Исследование условий возникновения особых ситуаций при транспортировке груза на внешней тросовой подвеске вертолетаа

УДК 629.735.07

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСОБЫХ СИТУАЦИЙ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ГРУЗА НА ВНЕШНЕЙ ТРОСОВОЙ ПОДВЕСКЕ ВЕРТОЛЕТА

В.В. ЕФИМОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Рассматриваются некоторые особые ситуации, которые могут возникнуть при транспортировке груза на внешней тросовой подвеске вертолета. Приводится анализ условий их возникновения.

Ключевые слова: вертолет, математическая модель, груз на внешней подвеске, особые ситуации, колебания.

В процессе транспортировки груза на внешней тросовой подвеске (ВП) вертолета возможно возникновение ряда особых ситуаций, связанных с динамикой вертолета и груза. Напомним, особая ситуация (ОС) - это ситуация, возникающая в полете в результате воздействия неблагоприятных факторов или их сочетаний и приводящая к снижению безопасности полетов (БП) [1].

В настоящей работе рассматриваются следующие ОС:

- превышение допустимой нагрузки на систему ВП;

- касание окантовки люка грузовой кабины вертолета центральным тросом ВП;

- столкновение груза и троса с элементами конструкции вертолета.

Первые две ОС возможны как при колебаниях вертолета и груза, так и в установившемся полете. Третья ОС обычно возникает при колебаниях груза с большим размахом.

При превышении допустимой нагрузки на систему ВП возможно ее разрушение с потерей груза, т. е. данная особая ситуация может привести, как минимум, к аварии.

Касание окантовки люка грузовой кабины вертолета центральным тросом ВП обычно не допускается, т.к. при дальнейшем увеличении угла отклонения троса это вызовет повышенный момент тангажа от силы натяжения троса, а также может привести к повреждению троса и элементов конструкции вертолета при поперечных колебаниях груза, поскольку в этом случае трос будет тереться об окантовку люка.

Столкновение груза и троса с элементами конструкции вертолета возможно, когда возникают колебания груза с большим размахом, а также при забросах груза из-за воздействия сильного одиночного порыва ветра, что наиболее опасно при транспортировке парусных грузов, т.е. грузов, имеющих большой баллистический коэффициент [2].

Для исследования динамики вертолета и груза на его ВП автором была разработана математическая модель (ММ) динамики системы "вертолет - груз на ВП" [3, 4]. На основе этой ММ автором было создано соответствующее программное обеспечение - комплекс программ для персонального компьютера:

- Balance - программа для исследования установившегося полета вертолета с грузом на ВП;

- Pendulum - программа для исследования колебаний груза по тангажу при установившемся прямолинейном движении точки подвеса груза;

- Pendulum 3D - программа для исследования колебаний груза в трехмерном пространстве (по тангажу, крену и рысканию) при установившемся прямолинейном движении точки подвеса груза;

- HeliCargo - программа для исследования динамики вертолета Ми-8МТВ и груза на его ВП в трехмерном пространстве с учетом их силового взаимодействия как в установившемся, так и в неустановившемся полете.

Рассмотрим сначала условия возникновения ОС в установившемся полете на примере транспортировки вертолетом Ми-8МТВ водосливного устройства для тушения пожаров ВСУ-5 А.

Прежде всего, необходимо отметить, что ВСУ-5А может иметь различные конфигурации при транспортировке на ВП. Оно может быть пустым и заполненным водой, что существенно влияет на его баллистический коэффициент.

В качестве аэродинамических характеристик ВСУ-5А используем характеристики, полученные в работе [5] для ВСУ-15, поскольку формы этих устройств близки. Известны также следующие параметры устройства:

- масса пустого шГр.пуст = 160 кг;

- максимальный объем емкости для воды Wbct = 4,5 м ;

- диаметр входного отверстия Drp = 2,2 м;

- длина троса гт = 20... 40 м.

Для проведения исследований с помощью программы Balance достаточно вычислить характерную площадь данного груза Бгр, определить средние значения коэффициента лобового сопротивления cxa.ip и аэродинамического качества груза Кгр.

_pDi = р(2,2)2

'гр 4 4

Характерная площадь груза S =-= » 3,8 м . По данным работы [5] можно оп-

ределить, что среднее значение коэффициента лобового сопротивления схагр = 1,1, а аэродинамического качества Кгр = - 0,7.

Теперь можно определить баллистические коэффициенты груза в порожнем состоянии и в полностью заполненном:

- ca = ^хаЛ = MlM»0,026м2/кг;

Ш гр.пуст 160

- Саполн = -ха^р-гр = 1,1 • 3,8 » 0,0009 м2/кг .

аполн ш гр.пуст 160 + 4500 '

Для проведения вычислительных экспериментов (ВЭ) с помощью программы Balance необходимы также исходные данные, касающиеся вертолета, в качестве которых используем параметры вертолета Ми-8МТВ:

- масса вертолета без груза шв = 8000 кг;

- расстояние от плоскости вращения горизонтальных шарниров (ГШ) несущего винта (НВ) до точки подвеса груза на вертолете гтпуЬ = - 3,29 м;

- продольная центровка вертолета хт = 0,22 м;

- вертикальная центровка вертолета (расстояние от плоскости вращения ГШ до ц.м. вертолета) ут = - 2,272 м;

- максимально допустимый угол отклонения троса от оси вращения НВ Jybax = -30°;

- угловая скорость вращения НВ ЮнВ = 20,064 рад/с;

- радиус НВ ЯНВ = 10,65 м;

- производная коэффициента подъемной силы лопасти cya л = 6,52 1/рад;

- коэффициент заполнения НВ о = 0,0777;

- максимальный фактический общий шаг НВ ф0 = 16°.

Будем считать, что полет происходит на барометрической высоте h = 150 м.

Результаты ВЭ показали, что при транспортировке ВСУ-5А в порожнем состоянии существует ограничение по скорости, равное 94 км/ч. Это ограничение вызвано касанием троса окантовки люка (рис. 1). Сила натяжения троса в порожнем состоянии не превышает допустимого значения (5000 кг) (рис. 2). В заполненном же состоянии угловой зазор не выбирается (рис. 3),

но на скорости около 150 км/ч величина силы натяжения троса доходит до предельного значения (рис. 4).

Скорость горизонтального полета, км/ч

Рис. 1. Угловой зазор между тросом и окантовкой люка при порожнем ВСУ-5 А

Скорость горизонтального полета, км/ч

Рис. 2. Сила натяжения троса при порожнем ВСУ-5А

Скорость горизонтального полета, км/ч

Скорость горизонтального полета, км/ч

Рис. 3. Угловой зазор между тросом Рис. 4. Сила натяжения троса

и окантовкой люка при заполненном ВСУ-5А при заполненном ВСУ-5А

Следует отметить, что выявленное ограничение по скорости полета с порожним ВСУ-5А на практике обычно не соблюдается. Порожнее ВСУ-5А разрешается транспортировать на скоростях до 160 км/ч. Это связано с тем, что в данном случае сила натяжения троса невелика (по результатам ВЭ на скорости 95 км/ч она равна примерно 350 кгс, а на скорости 160 км/ч - примерно 700 кгс). Но, тем не менее, нужно помнить, что трос ВП может получить повреждение при трении об окантовку люка.

Перейдем к рассмотрению условий возникновения ОС в неустановившемся полете. БП в данном случае рассматривается с точки зрения обеспечения полета вертолета без опасного раскачивания вертолета и груза на его ВП. Опасным можно считать раскачивание груза, когда максимальное отклонение троса таково, что он касается окантовки люка, через который он пропущен. При этом могут создаваться значительные моменты силы натяжения троса, усложняющие пилотирование вертолета. Кроме того, при сильной раскачке возникает значительное динамическое нагружение тросов и замков ВП, появляется опасность столкновения груза или троса ВП с рулевым винтом (РВ) или другими элементами конструкции вертолета.

В работах [6, 7] указывалось, следует различать осесимметричные и неосесимметричные грузы, поскольку их динамическое поведение на ВП может существенно различаться. В связи с этим рассмотрим подходы к исследованию динамики осесимметричных и неосесимметричных грузов.

В качестве примера осесимметричного груза возьмем водосливное устройство для тушения пожаров ВСУ-5А, безопасность транспортировки которого в установившемся полете была рассмотрена выше.

С помощью программы Pendulum была определена наиболее опасная конфигурация ВСУ-5А (пустое водосливное устройство с минимальной длиной троса - 20 м) и наиболее опасные режимы полета (при скоростях полета, начиная с 120 км/ч, углы отклонения троса от вертикали велики и слабо зависят от скорости).

Опираясь на данные результаты и результаты, полученные выше с помощью программы Balance, можно сделать вывод, что полет с пустым ВСУ-5А нельзя считать в полной мере безопасным практически ни на какой скорости полета из рассматриваемого диапазона, поскольку рассматриваемый восходящий порыв ветра с параметрами H = 106,8 м и Wyg = 17,1 м/с может привести к соприкосновению троса ВП с конструкцией вертолета.

Однако для полной уверенности в том, что данный порыв ветра приведет к соприкосновению троса ВП с окантовкой люка, необходимо провести ряд ВЭ с помощью программы HeliCargo.

Программа полета вертолета будет следующей:

- отрыв от земли с зависанием на высоте 4 м;

- вертикальный набор высоты, отрыв груза от земли с зависанием;

- вертикальный набор высоты 150 м с последующим разгоном до заданной скорости в несколько этапов;

- встреча с заданным порывом ветра;

- полет после встречи с порывом.

На рис. 5 показано типовое изменение углового положения вертолета относительно нормальной системы координат при ВЭ. В данном случае производился разгон вертолета до горизонтальной скорости полета 60 км/ч, и на 300-й секунде полета происходила встреча с вертикальным восходящим порывом ветра.

Рис. 5. Изменение углов тангажа, крена и Рис. 6. Изменение угла тангажа груза при про-рыскания вертолета при проведении вычис- ведении вычислительного эксперимента

лительного эксперимента

Порыв ветра привел также к изменению углового положения груза. В основном это произошло с углом тангажа груза (рис. 6). Углы крена у1 и рыскания у1 груза изменились слабо.

На рис. 7 показана траектория центра масс груза в горизонтальной плоскости за все время проведения ВЭ. Однако для БП важнее траектория точки пересечения троса с плоскостью люка, которая показана на рис. 8. Из этого рисунка видно, что при отклонении троса по тангажу произошло касание окантовки люка. Это касание не привело к существенному изменению динамики вертолета, т.к. сила натяжения троса в данном случае невелика, но оно является нежелательным, т.к. такие частые касания могут привести к повреждению троса ВП.

—-—1 >

о о о о о о

10 I о

1=

I -О

§ -0.

5

О -О

-о -о -о -о -о

Отклонение вдоль оси 01Хд1. м

-0,328 -0,246 -0,164 -0,082 0 0,082 0,164 0,246 0,328 Отклонение вдоль оси 01ХЫ. м

Рис. 7. Траектория центра масс груза в горизонтальной плоскости

Рис. 8. Траектория точки пересечения троса и плоскости люка

Для БП важен также минимальный угол между плоскостью 0X7 связанной системы координат вертолета и тросом Х<ж7. На рис. 9 показано изменение угла £,0Хг при проведении данного ВЭ. В данном случае угол велик, что говорит о достаточной безопасности транспортировки ВСУ-5А на данной скорости полета с точки зрения, например, возможности его попадания в РВ вертолета Ми-8МТВ. С увеличением скорости полета минимальный угол между тросом и плоскостью 0X7 вертолета при воздействии порыва уменьшается, что увеличивает возможность столкновения груза с РВ вертолета. На рис. 10 показана зависимость минимального угла между тросом и плоскостью 0X7 вертолета при воздействии порывов ветра с различных направлений при различных скоростях полета вертолета. Из данного рисунка видно, что наиболее опасной будет встреча с вертикальным восходящим порывом ветра Wyg на больших скоростях полета, поскольку в этом случае угол £,0Хг между плоскостью 0X7 вертолета и тросом будет минимальным.

% 30

р

град

- - - -

- 1- - -

- -

-О-Шд - -Щд

Рис. 9. Изменение угла между тросом и плоскостью 0X7 вертолета

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 ™'4

Рис. 10. Зависимость угла между тросом и плоскостью 0X7 вертолета от скорости горизонтального полета вертолета и направления ветра

Наименее опасен с данной точки зрения боковой порыв ветра Wzg, но он неприятен тем, что при его воздействии возникает значительная поперечная раскачка груза. На рис. 11 показана траектория движения центра масс груза при проведении соответствующего ВЭ (Угп = 80 км/ч). В данном случае раскачка быстро затухает, но при этом трос ВП скользит по окантовке люка (рис. 12), что способствует его повреждению.

Таким образом, проведенное исследование динамики ВСУ-5А, использованного в качестве примера осесимметричного груза, показало, что это устройство, заполненное водой, можно транспортировать на ВП вертолета Ми-8МТВ без особого риска. Пустое же ВСУ-5А является парусным грузом, что обуславливает возможность возникновения ОС при ветровом воздействии. Особенно опасен при этом вертикальный восходящий порыв ветра.

0.24 0,205

; -С.041 \ -O.OS2

-0,154 -0,205

-I.......!.......I........[.......I........i........i......I.....

i

I

......-.......!......

Рис. 11. Траектория движения центра масс груза при воздействии бокового порыва ветра

-0,328 -0,246 -0,164 -0,082 0 0,082 0,164 0,246 0,328 Отклонение вдоль оси 01ХЫ. м

Рис. 12. Траектория движения точки пересечения троса с плоскостью люка при воздействии бокового порыва ветра

В качестве примера неосесимметричного груза возьмем вертолетный контейнер быстрого реагирования ВКБР. Аэродинамические характеристики ВКБР сильно зависят от его углов атаки и скольжения. В связи с этим использование программ Balance и Pendulum может сопровождаться большими погрешностями. Поэтому исследование динамики ВКБР следует начать сразу с использования программы Pendulum 3D.

В зависимости от загрузки ВКБР относится к непарусным грузам или грузам средней парусности (при угле атаки a1 = 0 заполненный ВКБР имеет баллистический коэффициент

2 2 с = 0,003 м2/кг, а пустой - с = 0,0075 м2/кг). В связи с этим можно ожидать, что воздействие

порывов ветра на данный груз само по себе не приведет к возникновению ОС. При этом, однако, поскольку ВКБР является неосесимметричным грузом, при воздействии порыва возможно возникновение автоколебаний. Практика полетов вертолетов с ВКБР на ВП, проведенные ВЭ и физические эксперименты (ФЭ) в аэродинамической трубе с его моделью показывают, что в некотором диапазоне скоростей полета это имеет место быть.

Для определения наиболее опасных сочетаний параметров полета и параметров ВКБР была проведена серия ВЭ с помощью программы Pendulum 3D. Для того чтобы вывести груз из состояния равновесия, при различных скоростях полета моделировалось воздействие слабого бокового порыва ветра Wzg = 0,2 м/с (длина участка нарастания порыва H = 106,8 м) на 180-й секунде полета. Результаты ВЭ показывают, что во всех рассмотренных конфигурациях ВКБР при его транспортировке возможно возникновение автоколебаний. Однако в разных конфигурациях размахи колебаний различны, различаются также и диапазоны скоростей, в которых возможны автоколебания.

На рис. 13 показано влияние расстояния между ц.м. заполненного ВКБР и его фокусом по углу скольжения на размах колебаний по крену при длине троса 20 м. При увеличении длины троса размахи автоколебаний растут. На рис. 14 показано влияние длины троса на размах автоколебаний.

Следует обратить внимание на то, что при автоколебаниях ВКБР с большим размахом значительно возрастает сила натяжения троса. Это особенно опасно при заполненном ВКБР, по-

скольку абсолютная величина этой силы при автоколебаниях существенно превышает допустимую нагрузку даже усиленной системы ВП вертолета Ми-8МТВ (максимально допустимая масса груза, перевозимого на внешней подвеске Ми-8МТВ — 5000 кг [8]), что хорошо видно из графика, приведенного на рис. 15.

71. град

-Л-и =20м -а- |гт| = 30 м

Рис. 13. Зависимость максимального угла крена ВКБР при автоколебаниях от расстояния между его центром масс и фокусом по углу скольжения и скорости полета

Рис. 14. Зависимость максимального угла крена ВКБР при автоколебаниях от длины троса и скорости полета

Рис. 15. Зависимость максимальной абсолютной величины силы натяжения троса при автоколебаниях ВКБР от скорости полета

Проведенные ВЭ с помощью программы HeliCargo показали, что диапазон скоростей полета и диапазоны изменения параметров груза, при которых возможны автоколебания, оказались уже, чем полученные с помощью программы Pendulum 3D. Размахи колебаний также оказались меньшими. Это связано с тем, что под действием изменяющей свое направление силы натяжения троса вертолет раскачивается, и энергия колебаний груза частично расходуется на это раскачивание. ВЭ с помощью HeliCargo также показали, что при возникновении автоколебаний как заполненного, так и пустого ВКБР касания тросом ВП окантовки люка грузовой кабины вертолета не происходит. Тем не менее, для обеспечения БП с ВКБР на ВП необходимо особое внимание уделять его продольной центровке, которая должна быть наиболее передней.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории, 2004.

2. Ефимов В.В. Исследование влияния параметров груза на условия его равновесия на внешней подвеске вертолета // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 151 (1). - С. 130 - 137.

3. Ефимов В.В. Математическое описание движения груза на внешней подвеске вертолета // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2007. - № 111. - С. 121 - 128.

4. Козловский В.Б., Паршенцев С.А., Ефимов В.В. Вертолет с грузом на внешней подвеске. - М., 2008.

5. Исследование поведения водосливного устройства ВСУ-15 на тросовой подвеске под воздействием ветровых нагрузок: Отчет о НИР // Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова; Руководитель С.В. Гувернюк. - № 4648. - М., 2003.

6. Ефимов В.В. К вопросу о динамической устойчивости груза при его транспортировке на внешней тросовой подвеске вертолета / Материалы XXII научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского 3 - 4 марта 2011 г. - М.: ЦАГИ, 2011. - С. 64 - 65.

7. Ефимов В.В. Динамическая устойчивость груза на тросовой внешней подвеске вертолета // Общероссийский научно-технический журнал "Полет", 2011. - № 3. - С. 26 - 32.

8. Руководство по летной эксплуатации вертолета Ми-8МТВ (с дополнениями и изменениями). Введено в действие отделом летной эксплуатации Департамента воздушного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации 14 мая 1994 г.

STUDY OF THE ORIGIN OF SPECIAL SITUATIONS DURING THE TRANSPORTATION OF CARGO ON THE HELICOPTER EXTERNAL SLING

Efimov V.V.

Some special situations that may arise during the transportation of cargo on the helicopter external sling are considered. The analysis of the conditions of their occurrence is presented.

Key words: helicopter, mathematical model, cargo on the helicopter external sling, special situations, vibration.

Сведения об авторе

Ефимов Вадим Викторович, 1965 г.р., окончил МАИ (1988), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор более 40 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование динамики летательных аппаратов, эффективность летательных аппаратов.