Результаты вычислительных экспериментов по исследованию динамики вертолета и груза на его внешней тросовой подвеске при полете в неспокойном воздухе

2008

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 125

УДК 629.735.07

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ДИНАМИКИ ВЕРТОЛЕТА И ГРУЗА НА ЕГО ВНЕШНЕЙ ТРОСОВОЙ ПОДВЕСКЕ ПРИ ПОЛЕТЕ В НЕСПОКОЙНОМ ВОЗДУХЕ

В.В. ЕФИМОВ, С.А. ПАРШЕНЦЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Представлены результаты математического моделирования динамики вертолета и груза малой плотности на его внешней тросовой подвеске при воздействии порывов ветра различной интенсивности на различных скоростях горизонтального полета.

В общем случае полет вертолета с грузом на внешней тросовой подвеске представляет собой движение системы тел, связанных между собой. Движение отдельных элементов этой системы определяется как внешней нагрузкой, так и внутренними силовыми воздействиями.

Аэродинамические воздействия внешней среды на исследуемую систему можно рассматривать как существенно нестационарные и периодические, что естественным образом приводит к возбуждению колебаний вертолета и груза на его внешней подвеске (ВП).

Анализ этого явления позволяет систематизировать процессы динамики поведения груза на ВП, которая во многом определяется скоростью транспортировки, формой груза, распределением массы по объему груза, относительной плотностью и видом используемой подвески.

В настоящее время известен ряд работ, в которых рассматриваются только отдельные вопросы обтекания и аэродинамические характеристики некоторых сфероподобных тел [1, 2]. Однако практически нет данных по влиянию на аэродинамические коэффициенты этих тел и тел более сложных форм разнообразных надстроек, решеток, проточек или выступающих частей. Остаются до сих пор не решенными и другие, требующие углубленного исследования проблемы, связанные с аэродинамикой различных компоновок грузов, транспортируемых на ВП вертолетов. Для разработки проектов производства работ монтажа таких конструкций, проектирования и создания специальных технических средств, способов их крепления на ВП вертолетов, эффективной стабилизации и азимутальной ориентации в полете необходимы базы данных по действующим на них силам и моментам. Такие конструкции относятся к классу плохообтекаемых тел и характеризуются отрывом потока с их поверхности.

Режимы отрывного обтекания зависят от таких факторов, как форма транспортируемого груза, состояние его поверхности, чисел М, Яе и т.д. Отрывное обтекание часто сопровождается интенсивными пульсациями давления, других параметров набегающего потока и может вызывать изменение как аэродинамических конфигураций транспортируемого груза в полете, так и служить причиной его прогрессирующих колебаний на ВП [3]. Все это делает весьма актуальным детальное изучение обтекания и аэродинамических характеристик транспортируемых грузов, аргументирует необходимость создания управляемой стабилизирующей силы, а также разработку методов и средств их эффективной азимутальной ориентации в полете.

Важную роль в решении такого рода задач играют методы математического моделирования, поскольку они в сочетании с возможностями современной вычислительной техники позволяют проводить исследования развития особых ситуаций без угрозы жизни и здоровью людей, а также без причинения ущерба материальной части. При этом успех их использова-

ния во многом связан с возможностью построения таких нелинейных математических моделей (ММ) аэродинамики и динамики полета, которые позволяли бы представлять зависимости нелинейных аэродинамических нагрузок от кинематических параметров в виде известных функций. Однако эта комплексная задача является чрезвычайно сложной, и в настоящее время ее удалось решить лишь в части динамики полета.

На основе ММ движения вертолета с грузом на ВП, основные положения которой описаны в работах [4, 5], было создано программное обеспечение, позволяющее проводить вычислительные эксперименты (ВЭ) по исследованию динамики системы "вертолет — груз на ВП" при воздействии ветра любого направления и скорости при условии, что аэродинамические характеристики вертолета и груза являются стационарными.

Так, например, с помощью данного программного обеспечения были выполнены исследования поведения порожнего водосливного устройства (ВСУ) на ВП вертолета при воздействии ветра.

Известен случай возникновения особой ситуации, приведшей к катастрофе вертолета Ми-26 под городом Чита в 2003 г., когда при тушении пожара после сброса воды из ВСУ и последующей его транспортировки в порожнем состоянии к месту забора воды произошло попадание троса ВП, на котором было подвешено ВСУ, в рулевой винт (РВ) вертолета с последующим его разрушением. Это привело к потере управляемости вертолета и, как следствие, к катастрофе. Одной из вероятных причин данного авиационного происшествия является воздействие на порожнее, а соответственно, легкое, ВСУ сильного порыва ветра.

Данный случай вызвал особый интерес среди исследователей [6, 7, 8]. Однако в их работах используются ММ с большим количеством допущений. Например, рассматривается движение груза только в одной плоскости, отсутствует влияние динамики груза на динамику вертолета и др.

Описанная в работах [4, 5] ММ позволяет отказаться от подобных допущений. Программное обеспечение, созданное на ее основе, позволяет провести ВЭ с целью определения скорости ветра заданного направления и параметров полета вертолета, при которых возможно попадание троса подвески ВСУ в РВ вертолета.

Необходимые аэродинамические характеристики ВСУ были взяты из работы [6]. При этом была проведена их экстраполяция, необходимая для функционирования программного обеспечения.

Программа виртуального полета вертолета строилась следующим образом. Вертолет выполняет взлет с набором высоты 150 м и разгоном до заданной скорости горизонтального полета, затем на 150-й секунде полета начинается воздействие ветра. Профиль порыва показан на рис. 1, где W - скорость порыва, а 1 - время.

^тах

о

/

2с

Рис. 1. Профиль порыва ветра

Таким образом, ветер достигает своего максимального значения WшЯУ за 2 с и остается постоянным до окончания ВЭ.

При проведении ВЭ использовалась ММ вертолета Ми-8, описанная в работе [9], адекватность которой с учетом доработки в части груза на ВП, описанной в работах [4, 5], была подтверждена в работе [10].

Серия ВЭ показала, что наиболее опасным является вертикальный восходящий порыв ветра. При этом трос подвески ВСУ изменяет начальный угол отклонения от вертикали, который зависит в числе прочего от скорости полета вертолета, т.е. от скорости набегающего потока. Причем процесс изменения этого угла, очевидно, будет колебательным с некоторым перерегулированием, которое и представляет наибольшую опасность, т.к. угол отклонения троса от вертикали будет в этот момент наибольшим. На рис. 2 показан процесс изменения во времени угла отклонения троса от вертикали при скорости горизонтального полета 100 км/ч и скорости порыва 20 м/с.

Рис. 2. Изменение во времени угла отклонения троса от вертикали

Однако одно лишь изменение во времени угла отклонения троса от вертикали не дает достаточной информации об опасности попадания троса в РВ вертолета. Для этого необходимо знать взаимное положение вертолета и троса.

При вертикальном восходящем порыве ветра угол атаки вертолета увеличивается. Статически устойчивый вертолет должен начать движение вокруг поперечной оси на уменьшение угла атаки, т.е. на пикирование. При этом, очевидно, будет уменьшаться и угол тангажа вертолета. Таким образом, хвостовая балка вертолета с расположенным на ней РВ должна двигаться в ту же сторону, что и трос подвески ВСУ. Это является положительным фактором, т.к. расстояние между тросом и РВ будет сокращаться медленнее.

Но при воздействии на ВСУ вертикального восходящего порыва ветра в начальный момент времени уменьшается сила натяжения троса подвески (рис. 3), создававшая до этого значительный пикирующий момент.

В результате после встречи с рассматриваемым порывом ветра вертолет из-за резкого уменьшения пикирующего момента сначала будет не уменьшать угол тангажа, как ожидалось, а наоборот, увеличивать его (рис. 4). Спустя некоторое время угол тангажа вертолета начнет уменьшаться, но к этому времени уже может произойти встреча троса подвески с РВ.

В связи с этим более информативным будет рассмотрение процесса изменения угла между тросом и плоскостью 0X2 связанной системы координат вертолета. Этот процесс при описанных выше условиях показан на рис. 5.

Время. С

Рис. 4. Угловые перемещения вертолета

О 50 100 150

Время, с

Рис. 5. Изменение по времени угла между тросом и плоскостью 0X2 вертолета

Из рис. 6 видно, что, как и следовало ожидать, при увеличении скорости порыва при прочих равных условиях минимальный угол между плоскостью 0X2 вертолета и тросом сокращается.

N

X

о

*

У

•

-Wyg=10 м/с Wyg=15 м/с Wyg=20 м/с Wyg=25 м/с Wyg=30 м/с Wyg=35 м/с Wyg=40 м/с

60,0

50,0

40,0

30,0

20,0

10,0

0,0

0

Рис. 6. Зависимость минимального угла между плоскостью 0X2 вертолета и тросом от скорости горизонтального полета Угп и скорости вертикального восходящего порыва ветра Wyg

Однако зависимость минимального угла между плоскостью 0X2 вертолета и тросом от скорости горизонтального полета при прочих равных условиях не столь очевидна.

При сравнительно небольших скоростях порыва < 20 м/с) минимальный угол между плоскостью 0X2 вертолета и тросом с увеличением скорости горизонтального полета сначала уменьшается, затем в некотором диапазоне скоростей остается практически неизменным, а потом начинает монотонно возрастать. Здесь играет роль взаимодействие двух соперничающих тенденций. С одной стороны, при увеличении скорости полета растет максимальный угол отклонения троса от вертикали, а с другой стороны, растет сила натяжения троса и, соответственно, пикирующий момент, увеличивающий угол между плоскостью 0X2 вертолета и тросом. На малых скоростях полета преобладает первая тенденция, а на больших - вторая.

При больших скоростях порыва картина несколько иная. Прежде всего, необходимо отметить, что при скоростях порыва Wyg > 20 м/с увеличение скорости горизонтального полета приводит к уменьшению максимального угла отклонения троса от вертикали, в то время как при меньших скоростях порыва наблюдается обратная картина (рис. 7).

Это связано с изменением угла атаки ВСУ, а значит, и с изменением коэффициентов его аэродинамических сил. Слабый порыв ветра в меньшей степени влияет на угол атаки ВСУ, чем сильный (рис. 8). Это значит, что величина максимального угла отклонения троса от вертикали в случае слабого порыва определяется в большей степени скоростным напором. Поэтому с ростом скорости горизонтального полета максимальный угол отклонения троса увеличивается. Влияние же порыва на данный угол по мере роста скорости горизонтального полета постепенно ослабевает, т.к. доля скорости, которую привносит порыв, постепенно уменьшается.

Сильный вертикальный порыв ветра влияет не только на скоростной напор, но и в значительной степени изменяет угол атаки ВСУ. При этом на малых скоростях горизонтального полета угол атаки ВСУ меняет знак с отрицательного на положительный и уходит далеко в область положительных углов атаки. В результате коэффициент подъемной силы ВСУ, а

значит, и сама подъемная сила ВСУ также становятся положительными. Это способствует увеличению угла отклонения троса от вертикали. С ростом же скорости горизонтального полета максимальный угол атаки ВСУ уменьшается и постепенно переходит в область отрицательных значений (рис. 9). Все это в целом приводит к тому, что при сильных порывах ветра с ростом скорости горизонтального полета максимальный угол отклонения троса подвески ВСУ от вертикали уменьшается.

ч:

ТО

О

о

—Wyg=10 м/с

ю и та 3 + м/с

Wyg=20 м/с

Wyg=25 м/с

Wyg=30 м/с

ю 3 = та 3 + м/с

Wyg=40 м/с

Рис. 7. Зависимость максимального угла отклонения троса от вертикали от скорости горизонтального полета и скорости вертикального восходящего порыва ветра

140 145 150 155 160 165 170 175 180

Время, с

Рис. 8. Изменение угла атаки ВСУ во времени при горизонтальной скорости полета 60 км/ч и

скорости порыва: а) 10 м/с; б) 30 м/с.

140 145 150 155 160 165 170 175 180

Время, с

Рис. 9. Изменение угла атаки груза (альфа) во времени при скорости порыва 30 м/с и скорости горизонтального полета: а) 80 км/ч; б) 150 км/ч.

Это объясняет изменение характера зависимостей минимального угла между плоскостью 0X2 вертолета и тросом при переходе от малых скоростей порыва к большим (рис. 6).

При этом, однако, нельзя однозначно говорить о том, что для уменьшения возможности попадания троса подвески в РВ вертолета при транспортировке порожнего ВСУ нужно стремиться увеличить горизонтальную скорость полета, поскольку используемая ММ не учитывает всех аспектов обтекания ВСУ. Так, например, не учитывается нестационарность аэродинамических характеристик ВСУ. Между тем математическое моделирование в данном случае позволило выявить основные закономерности движения "парусных" грузов на внешней подвеске вертолета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров К.П. Аэродинамика тел простейших форм. - М.: Факториал, 1998.

2. Свирщевский С.Б., Семенчков Н.В., Тархов Е.Л., Чернов Г.Ф. Влияние формы кормовой части на характеристики устойчивости сфероподобных тел. // Научный Вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика и прочность. 2003. № 60. С. 121 - 128.

3. Паршенцев С.А. Надежность функционирования системы "экипаж-вертолет-груз на внешней подвеске" в условиях развития неблагоприятного фактора - М.: Полет, 2005. № 4. С. 34 - 41.

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

5. Ефимов В.В., Кубланов М.С., Ципенко В.Г. К вопросу о создании математической модели движения вертолета и груза на его внешней подвеске. // Материалы XVIII школы-семинара "Аэродинамика летательных аппаратов". П. Володарского 1 - 2 марта 2007 г. / ЦАГИ. 2007. С. 56.

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

7. Асовский В.П. Исследование динамики парусных грузов на внешней подвеске вертолета в условиях порыва ветра. // Научный Вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика и прочность. 2007. № 111. С. 140 - 146.

8. Куклев Е.А., Павлов С.С. Оценка возможности заброса троса с пустой емкостью на большие углы при ее транспортировке вертолетом. // Научный Вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика и прочность. 2007. № 119.

С. 128 - 133.

9. Исследование проблемы повышения эффективности летной эксплуатации и обеспечения безопасности полета ВС Ми-8 на взлете и посадке в условиях низких температур и ветровых воздействий: Отчет о НИР (промежуточный) / Руководитель Ципенко В.Г. № ГР 01200506615. - М.: МГТУ ГА, 2005.

10. Исследование проблемы обеспечения безопасности полетов при выполнении авиационных работ с применением специальных технических средств: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель Кубланов М.С. № ГР 01200607252. - М.: МГТУ ГА, 2007.

THE RESULTS OF THE MATHEMATICAL FLIGHT SIMULATION OF THE HELICOPTER WITH THE CARGO ON THE EXTERNAL SLING

Efimov V.V., Parshentsev S.A.

The results of the mathematical flight simulation of the helicopter with the low volume density cargo on the external sling with regard to different intensity wind effects in the different forward velocity is proposed.

Сведения об авторах

Ефимов Вадим Викторович, 1965 г.р., окончил МАИ (1988), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор 28 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование, системотехника, эффективность летательных аппаратов.

Паршенцев Сергей Алексеевич, 1957 г.р., окончил РКИИ ГА (1980), кандидат технических наук, начальник отдела экспериментальных авиационных работ и летных испытаний авиационной техники ОАО НПК "ПАНХ", бортинженер-испытатель 1-го класса, автор 30 научных работ, область научных интересов - летная эксплуатация воздушных судов.