CC BY
394
УДК 629.735.07
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ТРЕНАЖЕРЕ ОСОБЫХ СИТУАЦИЙ, СВЯЗАННЫХ С АВАРИЙНЫМ СБРОСОМ ГРУЗА С ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКИ ВЕРТОЛЕТА МИ-8МТВ
А.Н. СВИРИДЕНКО, А.Н. ШИШОВ, И.Д. РУСЬЯНОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье представлены результаты экспериментальных исследований на тренажере особой ситуации, связанной с аварийным сбросом груза с внешней подвески вертолета Ми-171 из-за отказа двигателя, а именно:
- отказ двигателя при вертикальном подъеме груза;
- отказ двигателя в процессе горизонтального разгона вертолета.
Получена оценка опасных зон полета в координатах "высота - скорость" для взлета вертолета предельной взлетной массы с грузом на внешней подвеске. Предложена структура "безопасной" траектории взлета с грузом на внешней подвеске.
Ключевые слова: вертолет, математическая модель, динамика полета, груз на внешней подвеске.
Введение
При выполнении полета с грузом на внешней подвеске (ВП) возможны особые ситуации, которые при неправильных действиях экипажа могут привести к катастрофическим последствиям. В Руководствах по летной эксплуатации (РЛЭ) вертолетов типа Ми-8 определены ситуации, требующие экстренного сброса груза с внешней подвески (рис. 1) [1].
При
произвести вынужденную посадку, когда приземление с
невозможно
Рис. 1. Особые ситуации сброса груза с внешней подвески вертолета
Однако, по мнению авторов, ситуации, связанные со сбросом груза с ВП вертолета, недостаточно исследованы и освещены в научной литературе и не отражены в нормативных документах по выполнению полетов.
Очевидно, что это связано, с одной стороны, с невозможностью аналитических исследований сложной эргатической системы "летчик - вертолет - груз на ВП" и, с другой стороны, не-
безопасностью проведения весьма дорогостоящих летных испытаний. Именно ввиду уникальности таких исследований следует отметить проведенные в ОАО НИК "ПАНХ" (г. Краснодар) в 2003 г. летные экспериментальные исследования по оценке предельных технических возможностей вертолета Ми-8АМТ (Ми-8МТВ) с грузом на внешней подвеске в случае отказа одного двигателя [2; 3].
В отличие от вышеупомянутых летных исследований, в которых оценивалась возможность продолжения полета вертолета и/или выполнение посадки с особо важным грузом, сброс которого невозможен по социальным (аварийная эвакуация людей) или экономическим (уникальное дорогостоящее оборудование) причинам, в настоящей работе исследовались вопросы безопасного взлета вертолета (с максимальной взлетной массой) с грузом на внешней подвеске в случае отказа двигателя.
Таким образом, цель настоящей работы можно сформулировать следующим образом:
- во-первых, экспериментально исследовать особую ситуацию (ОС), связанную с отказом двигателя вертолета при взлете с грузом на внешней подвеске;
- во-вторых, показать возможность непосредственного моделирования указанной ОС на комплексном тренажере экипажа вертолета и получения объективных данных по функционированию системы "летчик - вертолет - груз на ВП" в этой аварийной ситуации;
- в-третьих, отработать методические вопросы моделирования рассматриваемой ОС на тренажере с целью создания в дальнейшем учебной "Программы тренировки (на тренажере) летного состава действиям в ОС при отказе двигателя в полете с грузом на ВП".
1. Описание экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились на комплексных тренажерах экипажа вертолета Ми-8МТВ в ЗАО ЦНТУ "Динамика" (г. Жуковский, Московская область) и в Учебном авиационном центре ФГУП "Авиалесо-охрана" (г. Пушкино, Московская область).
В состав этих тренажеров входит дополнительная опция, позволяющая моделировать полет вертолета с грузом на внешней подвеске [4] и применение его при тушении лесных пожаров с использованием водосливного устройства на внешней подвеске [5; 6]. К сожалению, эти тренажеры не оснащены системой подвижности (fixed base simulators), что снижает адекватность восприятия летчиком "полета" на некоторых важных режимах, например, висении [7], но, тем не менее, позволяет отрабатывать действия экипажа в особых ситуациях без привития ложных навыков.
1.1. Комплексный тренажер экипажа вертолета Ми-171
Комплексный тренажер экипажа вертолета Ми-171 состоит из следующих основных частей:
- макета кабины летчиков и грузовой кабины вертолета (рис. 2, 3);
- вычислительного комплекса;
- проекционной системы внешней визуальной обстановки для летчиков (рис. 4);
- системы визуализации внешней обстановки для оператора внешней подвески;
- рабочего места инструктора - руководителя обучения.
Для изготовления макетов кабины летчиков и грузовой кабины использована передняя часть фюзеляжа вертолета Ми-8МТВ (рис. 2). В макете кабины летчиков оборудованы два рабочих места для командира воздушного судна и второго пилота. Приборное оборудование доработано для взаимодействия с вычислительным комплексом тренажера. Рычаги управления -ручки управления циклическим и общим шагом несущего винта, педали - реальные рычаги управления вертолета Ми-8МТВ. Интерьер макета кабины полностью идентичен кабине вертолета (рис. 3).
Рис. 2. Кабина летчиков и грузовая кабина
Рис. 3. Интерьер кабины летчиков
Рис. 4. Проекционная система внешней визуальной обстановки
Система визуализации внешней обстановки для летчиков - шестиканальный проекционноэкранный комплекс со сферическим экраном и углами обзора 220° по горизонтали и 70° по вертикали. Система генерации изображения внекабинной обстановки имеет разрешение 1600x1200 пикселей и частоту смены кадров не менее 50 Гц (рис. 4).
Рабочее место инструктора - руководителя обучения - консоль с тремя мониторами, клавиатурой, связной гарнитурой, позволяющая ему управлять процессом тренировки:
- наблюдать за действиями обучаемых по телевизионному изображению с установленных в кабине тренажера телекамер;
- наблюдать за полетом вертолета как со стороны, так и с места пилота;
- оперативно вносить изменения в сценарий тренировки, в т. ч. вводить отказы систем вертолета, изменять метеоусловия и т.д.;
- осуществлять голосовую связь с обучаемыми в кабине тренажера.
1.2. Груз на внешней подвеске вертолета
В качестве типового груза на внешней подвеске использовался стандартный 20-футовый морской контейнер (высота х ширина х длина: 2350 мм х 2330 мм х 5867 мм) полной массой тконт = 3200 кг (рис. 5).
Для определения аэродинамических сил и моментов, действующих на контейнер, были использованы материалы экспериментальных исследований по обтеканию различных тел [9; 10]. В результате были получены аппроксимационные зависимости, позволяющие оценить силы и моменты, действующие на тело в форме параллелепипеда, в зависимости от его геометрических
параметров и ориентации относительно вектора скорости набегающего потока. Контейнер прикреплен к верхнему замку внешней подвески посредством 20-метрового упругого стального каната и четырех 5-метровых строп.
Рис. 5. Стандартный 20-футовый контейнер
1.3. Методика проведения экспериментов
С целью усиления эффекта отказа двигателя, оставаясь в рамках эксплуатационных ограничений, установленных в РЛЭ, взлетная масса снаряженного вертолета была принята равной тв = 10100 кг, а температура окружающего воздуха 1° = 30°С.
Типовая траектория взлета вертолета с грузом на внешней подвеске, рекомендованная РЛЭ, представлена на рис. 6.
Рис. 6. Траектория взлета вертолета с грузом на внешней подвеске
Наиболее критичная к отказу двигателя часть траектории взлета (после подцепки груза) состоит из двух участков: вертикального подъема груза и горизонтального разгона до скорости 60 км/ч - 70 км/ч с последующим набором высоты и продолжается около 40 с. Именно на этом временном интервале (после отрыва груза от земли) инструктор вводил команду на отказ одного двигателя. Момент ввода отказа был случайным с равномерным распределением.
В соответствии с требованиями РЛЭ при возникновении такой особой ситуации летчик обязан сбросить груз с ВП путем нажатия кнопки "Аварийный сброс" на ручке "Шаг-газ" и выполнить посадку вертолета на одном работающем двигателе.
Задача считалась невыполненной, если:
- посадка была "жесткой", т.е. были превышены установленные ограничения по максимальной вертикальной скорости и перегрузке вертолета при посадке Уу < У“ах, пу < пУу^;
- груз касался земли до момента расцепки.
С целью мобилизации действий летчика в моделируемой ОС была введена задержка от момента нажатия на кнопку "Аварийный сброс" до срабатывания замка ВП т0 » 2,5 с.
При проведении экспериментальных исследований летчик должен был выполнить следующее задание:
выполнить взлет, подлететь к расположенному вблизи контейнеру и по командам бортоператора "зависнуть" над ним на высоте, обеспечивающей подцепку груза;
после подцепки груза оторвать его от земли и выполнить вертикальный подъем до заданной по условиям эксперимента высоты Нгп (при заданных параметрах ВП и размерах контейнера отрыв груза от земли происходил на высоте Н = Нотр » 29,3 м);
выполнить горизонтальный разгон до скорости 60 км/ч - 70 км/ч с последующим набором высоты;
при возникновении ОС "Отказ двигателя" действовать согласно РЛЭ.
2. Результаты экспериментальных исследований
Было выполнено 3 серии по 20 полетов (Нгп = 30 м; 35 м и 40 м), результаты которых приведены в табл. 1 и на рис. 7 - 9.
Таблица 1
Нгп, м Среднее арифметическое Нгп, м Результат Всего
Успешно Жесткая посадка Касание грузом
30 32,8 3 7 10 20
35 33,5 6 8 6 20
40 39,5 13 7 - 20
Серия 1
40
(П
Є
§35
3
сю
• успешно ■ “зацеп”
▼ жест, посадка
Зона С
. •^ТНср..
зо
/ ▼ / /Т _ /
.▼ ''Зона А
Зона В
Нотр
50 100
Скорость [км/ч]
150
Рис. 7. Серия 1 - Нгп = 30 м
Серия 2
45
40
■о
оо
25
20
• успешно ■ “зацеп” ▼ жест, посадка
■4 1 \ Зона С ~ '' • / X Я
■
^ Зона А -У Нср ■ ■
А ■ V з Нотр она В
50 100
Скорость [км/ч]
150
Рис. 8. Серия 2 - Нгп = 35 м
Результаты 1-й серии полетов (рис. 7) достаточно очевидны: при отказе двигателя на вертикальном участке полета или в начале разгона (V £ 30 км/ч) - зона "А” - вследствие недостаточной высоты вертолет совершает "жесткую" посадку.
Отказы двигателя на участке разгона - зона "В" - в основном заканчиваются касанием грузом земли.
Среднее время реакции летчика на отказ двигателя (до нажатия на кнопку "Аварийный сброс") составляет тл » 0,4 с. Отметим, что выполнение поставленной задачи требовало от опытного летчика (общий налет более 4000 ч) значительных усилий и концентрации внимания: выполнение на тренажере более 20-ти "полетов" подряд нецелесообразно.
Во 2-й серии полетов (рис. 8) также выделяются характерные зоны "А" и "В" , но появляется область режимов полета - зона "С", в которой отказ двигателя не приводил к аварийной ситуации (доля успешных посадок около 30 %). Видно, что во всех успешных полетах имеется запас высоты АН » 2 м ^ 3 м.
В 3-й серии полетов (рис. 9) отказы двигателя на участке разгона успешно парировались летчиком: груз сбрасывался с ВП, вертолет совершал успешную посадку на одном двигателе (зона "С" - 70 %). Отказы на участке вертикального подъема завершались "жесткой" посадкой (зона "В" - 30 %).
' .. 50
45 40
со
30
Я 25
20
15
10
5
0
\ 1
\ 1 ✓ V \ Ь у -V > ; > г? ▼ т\ 1 ^ • > • „ • езопасная траектория ••• -г.. — I» • - ■ ■■ .
Ъ т ▼ 1 ■ ^ и ;
1 Нотр
1
1 /
: 1
50 100
Скорость [км/ч]
Рис. 9. Серия 3 - Нгп = 40 м
о 50 юо_
Скорость [км/ч]
Рис. 10. "Безопасная траектория"
150
Суммируя полученные результаты (рис. 10), можно сформулировать некоторые рекомендации о структуре "безопасной" траектории взлета с грузом на ВП. При подъеме груза вертолет находится в зоне режимов полета, которую РЛЭ рекомендуют по возможности избегать (сплошные линии на рис. 10). Поэтому, по-видимому, целесообразно максимально быстро, минимизируя вероятность отказа двигателя в зоне "А", перевести вертолет в зону "С".
Тогда номинальная траектория взлета с грузом на ВП может быть такой:
- вертикальный подъем груза с максимально возможной скоростью (с учетом располагаемой мощности двигателей) до высоты 7 м - 10 м над землей;
- переход в горизонтальный полет с набором скорости до 50 км/ч - 60 км/ч;
- дальнейший разгон с набором высоты.
Естественно, приведенные в настоящей работе результаты являются оценочными и требуют уточнения, однако, учитывая, что в экспериментах моделировались предельные эксплуатационные ограничения, они могут служить отправной точкой для дальнейших исследований.
В заключение хотелось бы отметить, что проведенные экспериментальные исследования на тренажере, с очевидностью доказывают целесообразность использования современных комплексных тренажеров не только в качестве учебно-тренировочных средств, но и для выполнения прикладных научно-исследовательских работ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Руководство по летной эксплуатации вертолета Ми-8МТВ. - М.,1994.
2. Паршенцев С.А., Асовский В.П., Худоленко О.В. Проблемы и особенности использования вертолетов для спасения людей // VI Форум Российского вертолетного общества: сб. науч. тр. - М.: МАИ, 2004. - Разд. VII. - С. 81-85.
3. Козловский В.Б., Паршенцев С.А., Ефимов В.В. Вертолет с грузом на внешней подвеске. - М.: Машиностроение-Полет, 2008.
4. Свириденко А.Н. Математическая модель системы "вертолет - груз на внешней подвеске" // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2007. - № 111.
5. Свириденко А.Н. Математическая модель движения водосливного устройства на внешней подвеске вертолета (The mathematical model of the "Bumby Bucket" movement transported on helicopter external cargo sling) // Европейский вертолетный форум. - Париж, 2010.
6. Свириденко А.Н., Курулюк Д.В., Незь Н.Н. Моделирование операций по тушению лесных пожаров на комплексном тренажере экипажа вертолета (Modeling operations on suppression of forest fires on a helicopter training simulator) // Европейский вертолетный форум. - Милан, 2011.
7. Рыбкин П.Н. Комплексный летный тренажер с неподвижной кабиной в процессе тренажерной подготовки пилотов гражданских вертолетов // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2011. - № 172.
8. Компания РУКЭП (rucap). Модульная система позиционирования UM-16. www.rucap.ru.
9. Петров К.П. Аэродинамика тел простейших форм. - М.: "Факториал", 1998.
10. Девнин С.И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций: справочник. - Л.: Судостроение, 1983.
SIMULATOR MODELING OF INCIDENTS RELATED TO EMERGENCY CARGO RELEASE FROM THE MI-8MTV ROTORCRAFT EXTERNAL CARGO SLING
Sviridenko A.N., Shishov A.N., Rusianov I.D.
The article contains the results of simulator modeled experimental studies of a special situation related to the emergency cargo release from the Mi-8MTV rotorcraft external sling due to the engine failure, in particular:
- engine failure during vertical cargo lift;
- engine failure during rotorcraft level acceleration.
Key words: helicopter, mathematical model, flight dynamics, cargo on the helicopter external sling.
Сведения об авторах
Свириденко Александр Николаевич, 1956 г.р., окончил МФТИ (1979), кандидат технических наук, ведущий специалист ЦНТУ "Динамика", автор более 20 научных работ, область научных интересов - механика полета ЛА, математическое моделирование.
Шишов Александр Николаевич, 1963 г.р., окончил Уфимское высшее военное авиационное училище (1986), ведущий методист ЦНТУ "Динамика", область научных интересов - механика полета, математическое моделирование.
Русьянов Илья Дмитриевич, 1978 г.р., окончил МАИ (2002), инженер-программист ЦНТУ "Динамика", область научных интересов - механика полета, математическое моделирование.
