Некоторые результаты математического моделирования взлета и посадки вертолета с учетом ветровых нагрузок

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 111

УДК 629.735.07

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ ВЕРТОЛЕТА С УЧЕТОМ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК

В.И. БУГАЙ, В.В. ЕФИМОВ, М.Г. ЕФИМОВА Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Представлены результаты математического моделирования взлета и посадки вертолета с учетом ветровых нагрузок различной интенсивности.

При моделировании взлета вертолета необходимо определиться, какой способ взлета будет рассматриваться: по-самолетному (с предварительным разгоном по земле) или по-вертолетному (отрыв от земли без предварительного разгона). Выбор способа взлета определяется как взлетной массой вертолета (т.е. запасом мощности двигателей), так и внешними условиями (параметрами воздуха, направлением и скоростью ветра, размерами и состоянием поверхности взлетной площадки, а также наличием препятствий в направлении взлета).

Взлет по-вертолетному является основным способом взлета вертолета и может осуществляться несколькими способами:

- с разгоном вне зоны влияния земли;

- с одновременным разгоном и набором высоты по наклонной траектории;

- с разгоном в зоне влияния земли.

Последний способ используется с площадок, имеющих открытые подходы. Этот вид взлета возможен при работе двигателей на номинальном режиме, а значит, с достаточным запасом мощности для выполнения маневров. Вследствие этого данный вид взлета является наиболее безопасным и широко применяется при взлете с аэродромов. В данной статье рассматривается именно этот способ взлета как наиболее часто используемый.

Взлет с разгоном в зоне влияния земли можно условно разделить на несколько участков:

- отрыв от земли и зависание на высоте около 3 м;

- разгон до некоторой скорости горизонтального полета;

- перевод вертолета в набор высоты с дальнейшим разгоном.

В Руководстве по летной эксплуатации [1]

приведены приземные опасные зоны полета в координатах "высота-скорость". Для обеспечения безопасного взлета необходимо, чтобы скорости вертолета по высотам удовлетворяли допустимому диапазону, находящемуся вне областей А и Б (рис. 1, заштрихованная область). Зона А - это опасное сочетание скоростей и высот при посадке вертолета с отказом одного двигателя, границы зоны Б устанавливаются для предупреждения столкновения вертолета с землей на большой скорости.

С помощью математической модели полета вертолета [2] были получены зависимости "высота-скорость" при взлете и начале набора высоты без учета ветровых нагрузок, а также при попутном ра 16 м/с является предельной скоростью попутного ветра с точки зрения управляемости при принятых исходных данных. Эта скорость была получена в результате серии вычислительных экспериментов [2].) Кроме того, во всех трех случаях определялась взлетная дистанция для определения влияния ветра на ее длину. Взлетной дистанцией является расстояние по горизонтали Ь от точки старта до точки, соответствующей набору высоты стандартного препятствия, в качестве которой принята высота Н = 10,7 м.

Рис. 1

ветре со скоростью 5 м/с и 16 м/с. (Скорость вет-

Анализ полученных результатов показывает, что зависимости Н - V во всех трех случаях находятся вне опасных зон.

При отсутствии ветровых нагрузок кривая Н - V проходит между опасными зонами А и Б, а дистанция взлета в этом случае составляет 125 м (рис. 2).

При попутном ветре 5 м/с кривая Н -

V стремится сдвинуться вправо, что, однако, удается предотвратить за счет большего отклонения кольца автомата перекоса. Взлетная дистанция при взлете с ветром 5 м/с возрастает до 140 м.

Определенные при этом углы отклонения кольца автомата перекоса в плоскости ОХУ и ОУ2 при взлете и начале набора высоты без воздействия ветра и с ветром 5 м/с показывают наличие существенных запасов управления по тангажу и крену в этих случаях.

При скорости попутного ветра 16 м/с также удается удержать кривую Н - V в нужном коридоре, не попав в опасную зону Б (рис. 1). Взлетная дистанция при этом составляет 160 м (рис. 2). Однако угол отклонения кольца автомата перекоса по тангажу находится на пределе, т.е. запасы по управлению в этом канале при данной скорости попутного ветра отсутствуют. Запасы же управления по крену еще сохраняются.

Другим неблагоприятным ветровым воздействием, влияющим на безопасность при взлете, является ветер справа. Вычислительные эксперименты [2] показали, что такое воздействие незначительно влияет на вид кривой Н - V и на взлетную дистанцию, однако оказывает большое влияние на запасы управления по крену и рысканию. При скорости ветра справа 10 м/с запасы хода ручки управления по крену оказываются практически исчерпанными.

Выбор способа посадки определяется из тех же соображений, что и выбор способа взлета. В данной статье рассмотрим посадку по-вертолетному с зависанием в зоне влияния близости земли, как наиболее часто используемую. Этот способ позволяет избежать опасной ситуации при возможном отказе одного из двигателей, упрощает технику пилотирования вертолета, повышает точность его приземления.

Посадке вертолета предшествует этап снижения с крейсерской высоты полета до высоты стандартного препятствия. При установившемся снижении выдерживаются постоянными поступательная

V и вертикальная Vy скорости, углы наклона траектории и рыскания. Вертикальная скорость снижения ограничивается величиной Vy = -3,0 м/с.

Поступательная скорость при снижении зависит от характера конкретного полета и барометрической высоты. Обычно на высоте Н » 100 м начинается плавное уменьшение поступательной скорости с тем, чтобы при дальнейшем снижении миновать опасную зону Б (рис. 1).

Проанализируем движение вертолета на участках выравнивания и выдерживания, а также непосредственно примыкающего к ним участка снижения.

Одним из важнейших требований к выполнению посадки является заход на посадку по возможности против ветра. Это увеличивает запасы по мощности двигателей, продольному и путевому управлению, что способствует повышению безопасности при выполнении посадки. Однако выполнение этого условия не всегда возможно. Попутный же ветер и ветер сбоку, особенно справа, усложняют условия выполнения посадки.

В ходе вычислительных экспериментов, моделирующих посадку, были проанализированы случаи захода на посадку без ветра, с попутным ветром 5 м/с и 16 м/с, а также с ветром справа со скоростью 5 м/с и 7 м/с.

Согласно РЛЭ на этапе снижения и посадки допустимые значения скорости ветра сзади и справа также составляют 5 м/с. Проведенные ВЭ показали, что требуемые запасы управления при такой скорости ветра сохраняются. При попутном ветре 5 м/с вид кривой "высота - скорость" изменяется незначительно, а посадочная дистанция увеличивается с 130 м (без ветра) до 160 м (рис. 3). При увели-

/

у? /

-Без ] ветра ' / / /

ьетер :> м/с  -Ветер 16 м/с / /

у

0 50 100 150 200

Дальность, м

Рис. 2

чении скорости ветра до 16 м/с также удается не допустить опасных сочетаний высоты и поступательной скорости. Посадочная дистанция при этом возрастает до 225 м (рис. 3), а запасы управления по тангажу оказываются практически исчерпанными.

На этом этапе полета была также определена предельная скорость ветра справа, при которой сохраняется управляемость вертолета. Она оказалась меньше, чем на этапе висения - вместо 10 м/с она составила 7 м/с.

Таким образом, результаты математического моделирования взлета и посадки вертолета с учетом различных ветровых воздействий позволили определить, при каких ветровых нагрузках обеспечивается управляемость вертолета с сохранением необходимых запасов управления, а также позволили определить предельные скорости ветра, при которых еще возможен управляемый полет, но с уже практически исчерпанными запасами управления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вертолет Ми-172А. Руководство по летной эксплуатации. 172А.0000.00 РЛЭ. Утверждено Генеральным директором - Генеральным конструктором ОАО "МВЗ им. М.Л. Миля" 30.06.1997 г.

2. Исследование проблемы повышения эффективности летной эксплуатации и обеспечения безопасности полета ВС Ми-8 на взлете и посадке в условиях низких температур и ветровых воздействий. Описание математической модели динамики полета ЛА на взлете и посадке в условиях низких температур и ветровых воздействий: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель Ципенко В.Г., Ответственный исполнитель В.В. Ефимов. - М.: МГТУ ГА, 2006.

THE MATHEMATICAL MODELING SOME OF RESULTS OF THE HELICOPTER TAKE-OFF AND LANDING WITH REGARD TO WIND EFFECTS

Bugay V.I., Efimov V.V., Efimova M.G.

The helicopter take-off and landing mathematical modeling results with regard to different intensity wind effects are presented.

Сведения об авторах

Бугай Виктор Иванович, 1953 г.р., окончил КИИ ГА (1983), начальник Управления инспекции по безопасности полетов и расследования авиационных событий Федерального агентства воздушного транспорта Министерства транспорта РФ, соискатель кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор 2 научных работ, область научных интересов - летная эксплуатация и безопасность полетов вертолетов.

Ефимов Вадим Викторович, 1965 г.р., окончил МАИ (1988), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор 23 научных работ, область научных интересов -математическое моделирование, системотехника, эффективность летательных аппаратов.

Ефимова Марина Григорьевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (1993), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - аэродинамика, эффективность транспорта.

ч.

у \\ \. \ч :чЧ. —Бе: Be —Be з ветр гер 5 тер 1< >а м/с

5 м/с

—

"—

\

0 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300

Дальность, м

Рис. 3