Методика исследований и разработки пневмобаллистических систем спасения сверхлегких летательных аппаратов

В конце 1970;х годов за рубежом, в первую очередь в развитых странах (США, Англия, Франция, ФРГ, Канада, Япония, Италия), сформировалось новое направление в развитии авиационной техникиультралегкие либо сверхлегкие летательные аппараты — УЛА или CJIA. Возникли фирмы, которые начали разработку и серийное производство различных типов СЛА.

Первые CJIA появились в конце 1960;х годов, их разработкой и постройкой занимались конструкторы-любители. С применением новых материалов (композиционных, пленочных и др.), небольших двигателей стал возможен массовый выпуск УЛА, хотя и в настоящее время большое число УЛА создаются любителями (особенно у нас в стране).

СЛА используются в спортивных целях, как частные самолеты, для воздушного патрулирования, обучения пилотов авиации общего назначения. Сейчас практически доказана высокая эффективность СЛА на авиахимработах с применением аппаратуры для УМО. Постепенно к УЛА проявляют интерес и вооруженные силы, которые предполагают применять их в качестве связных, разведывательных самолетов, ночных бомбардировщиков.

В 1981 г. Международная авиационная федерация (ФАИ) определила, что к данному типу летательных аппаратов относятся однои двухместные ЛА с массой пустого аппарата не более 150 кг и площадью крыла в м, равной 0,1 массы пустого аппарата в кг, но не менее 10 м, [36]. В ряде стран (США, Англия, Франция и др.) существуют свои определения CJIA. В ФАИ был создан международный комитет по микроавиации (CIMA), который имеет тесные контакты с комитетами легкомоторной авиации общего назначения (CIAG), дельтапланеризма (CIVVL) и конструкторов-любителей (CIACA).

Конструкция CJIA представляет собой, в основном, аппараты с подкосно-расчалочным крылом, ферменным фюзеляжем, например, CJIA Айпер «Квиксильвер», Ротек «Ралли», «T-Bird» (рис. 1).

Обшивка несущих поверхностей чаще всего выполняется из пленочного материала, однако, существуют УЛА с алюминиевой обшивкой крыла. Управление осуществляется несколькими способами. На многих СЛА поперечное и продольное управление осуществляется смещением центра масс, как на дельтапланах (рис. 2). В последнее время для поперечного управления используют интерцепторы или элероны. Продольное и путевое управление осуществляется традиционными рулями, а на мотодельтапланах путевое отсутствует.

В качестве силовой установки используются мотоциклетные двух и четырехтактные моторы, двигатели от картингов и снегоходов. В настоящее время многие фирмытакие как «Ротакс», «Зауэр», «Мослер» выпускают специализированные двигатели для СЛА двух и четырехтактные моторы с воздушным и водяным охлаждением. Диапазон мощностей изменяется от 10 до 100 л.с. Применяются как тянущие так и толкающие воздушные винты. Сейчас, в связи с значительным увеличением количества СЛА, используемых на коммерческих работах, таких как патрулирование, обучение, АХР,.

0взл.=450 кг GrrycT =220 кг.

Умакс.=150 км/ч.

Vcb.=55 км/ч.

N=64 л.с.

CJIA «Т-Bird» ввзл =450 кг GnycT =220 кг.

Умакс =145 км/ч.

Vcb.=53 км/ч.

N=64 л.с.

CJIA «Quicksilver» Рис. 1. CJIA ферменно-расчалочнои конструкции. f.

0взл.=120 кг GnycT.=32 кг.

Умакс.=110 км/ч.

Умин.=30 км/ч.

S=14 м2.

Рис. 2. Безмоторный балансирный CJIA (дельтаплан).

Овзл.=385 кг GnycT.=175 кг.

Умакс.=130 км/ч.

Усв.=50 км/ч.

N=64 л.с.

S=15 м2.

Рис. 3. Моторный балансирный CJIA (мотодельтаплан).

Рис. 5. СЛА «Katana» возрос спрос на сертифицированные двигатели повышенной мощноститакие как «Ротакс-912» и «Ротакс-914» .

В 1984;85г.г. появились УЛА нового поколения с хорошими аэродинамическими формами, широким применением композиционных материалов и т. д. К этим самолетам относятся американские СЛА Голдуинг «Аэростар», «Силуэт», «Сан Рэй», английский «Шэдоу», итальянский СЛА «Скай Арроу» (рис.4), австрийский «Катана» (рис. 5).

Из всего разнообразия схем и компоновок СЛА наиболее простым и массовым является мотодельтаплан. Так стали называть СЛА с дельта-крылом, балансирным управлением и мототележкой (рис. 3).

К началу 90-х годов число сверхлегких самолетов в мире составило около 500 ООО шт. В настоящее время мировой парк самолетов и вертолетов гражданской авиации, вооруженных сил, частных, спортивных составляет около 300 000 шт. Таким образом, можно ожидать, что в ближайшее время парк СЛА превзойдет по своему количественному составу парк обычных летательных аппаратов более чем в два раза (рис. 6). Динамика увеличения численности УЛА свидетельствуем прежде всего о том, что они пользуются большим спросом на мировом рынке [36]. Это закономерно, поскольку СЛА обладают широкими возможностями для решения целого спектра задач, которые до нестоящего времени возлагались на легкие самолеты и вертолеты, но требуют меньших затрат.

Зарубежные специалисты считают, что УЛА могут выполнять некоторые виды работ, характерные для легких вертолетов, с лучшими показателями по критерию их эффективностистоимости.

Наибольшее развитие УЛА получили в США, где уже к началу 1984 г. имелось около 70 крупных и мелких фирм, занимающихся проектированием и постройкой УЛА. В 1984 г. уже было выпущено.

9000 самолетов и эксплуатировалось более 35 ООО СЛА, в 1985 г. уже 50 000. В августе 1982 г. FAA выпустило новые правила FAR 103, в которых дается определение СЛА. По ним к СЛА относится одноместный самолет, предназначенный для спортивных и развлекательных целей. Масса пустого самолета без парашюта и поплавкового шасси не должна превышать 115 кг, максимальная скорость 100 км/ч, скорость сваливания не более 45 км/ч, запас топлива не более 19 л. Уже в 1986 г. «бум» в США на СЛА прошел (рис. 7). Причиной относительного снижения активности среди фирм и конструкторов-любителей стали принятые FAA жесткие правила и ограничения по постройке и эксплуатации СЛА. Новые СЛА должны создаваться с учетом многих факторов: безопасности, простоты эксплуатации и т. п.

В Англии в конце 1979 г. была организована Британская ассоциация мини-самолетов. В апреле 1981 г. САА (управление гражданской авиации Англии) выпустило распоряжение об обязательной регистрации СЛА. Причем заявило, что до выработки особых правил при этой регистрации не требуется прохождение сертификации, получения лицензии на полеты и медицинского освидетельствования (для СЛА с массой пустого не более 70 кг). В сентябре 1983 г. САА заявило, что оно разработало новые требования (САР 482 раздел S). В них оговаривается обязательная сертификация СЛА с взлетной массой от 150 до 500 кг. В 1984 г. в Англии проектированием и постройкой УЛА занимались 23 фирмы.

К началу 1984 г. во Франции насчитывалось около 20 фирм. Уже к сентябрю 1984 г. число СЛА существенно превысило количество самолетов авиации общего назначения.

СЛА.

По Британским нормам летной годное&trade-, раздел S: ^.

1) максимальный разрешенный полный вес СЛА не более 390 кг;

2) нагрузка на крыло при разрешенном полном весе не более 25 кг/мj.

3) максимальный объем топлива не более 50 кг;

4) рассчитаны не более, чем на 2 чел. •.

Безмотороные.

Парапланы;

Парапланы.

Вертолеты.

Моторные.

Аэродинамическое управление ^.

Бапансирное управление дельтапланы).

Аэродинамическое управление.

Баланейрное управление (мотодельтапланы),.

300 Количество эксплуатируемых в США ЛА, тыс.

95 год.

Рис. 6. Динамика увеличения численности СЛА.

Область возможного применения СЛА:

— как частные самолеты;

— воздушное патрулирование;

— обучение пилотов АОН- -авиахимработы;

— буксировка планеров, безмоторных СЛА;

— авиатуризм, развлекательные полеты;

— военное применение: связь, разведка.

Рис. 7. Производство СЛА на примере США.

В нашей стране из-за отсутствия большого количества CJIA, выпускаемых фирмами, малого объема продаж, широкое развитие получило самодеятельное творчество.

Желание построить самолет собственными руками привело к появлению большого числа разнообразных, как правило, выполненных в одном экземпляре летательных аппаратов. Хотя сейчас уже делаются серьезные попытки организовать серийный выпуск CJIA в РФ и в странах СНГ. Так можно назвать серийно выпускаемые самолеты «Авиатика» (Москва), «Аэропракт» (Киев), существует довольно много производителей дельтапланов и мотодельтапланов. К сожалению качество предлагаемой техники очень разное: от отвечающей мировым стандартам до просто опасной.

Большой проблемой является отсутствие действующих правил, регламентирующих порядок сертификации, регистрации и эксплуатации CJIA в России. Поэтому большинство последующих выводов будет сделано на основе зарубежного опыта.

Таким образом, можно сказать, что из аппаратов, предназначенных исключительно для развлечения немногочисленных любителей, CJIA превратились в целую отрасль авиационной техники. Количество людей летающих на CJIA всех типов превысило число всех остальных военных и гражданских пилотов, включая авиацию общего назначения. Тоже самое можно сказать о количестве самих CJIA. С финансовой точки зрения сверхлегкие аппараты составляют уже значительную часть рынка продаж авиационной техники.

Состояние вопроса. Вопросам безопасности полетов CJIA, к сожалению пока не уделяется достаточного внимания. Это связано прежде всего с тем, что данный тип JIA появился недавно и развивается очень динамично, опережая развитие науки. Данная ситуация схожа с моментом рождения авиации, когда практические достижения таких практиков как, О. Лилиенталь, братья Райт и др. ушли вперед от теории. Кстати, аварийность тогда также была очень высокой.

Первые работы, посвященные CJ1A — это книги Ордоди М. [19], Осташева В. Г. [20], Жеглова В. А., Рыбкина В. Б., Мацепуро О. В. [9], технический обзор ЦАГИ [36]. Вопросы безопасности полетов и возможность ее увеличения путем использования автостендов и другими способами были рассмотрены в книге Азарьева И. А., Горшенина Д. С., Силкова В. И. [4,3]. Проектированию мотодельтапланов посвящена работа Клименко А. П., Никитина И. В. [12]. В работе под ред. Белоцерковского С. М. [6] исследуются дельтапланы с учетом упругости и проницаемости оболочки.

Конструкции парашютов, способы расчета на прочность куполов и других элементов в достаточном объеме присутствуют в книгах Сахарова Б. И., Оболенского Е. П., Стрекозова Н. П. [2], Матвеенко A.M., БекасоваВ.И. и др. [4], Лобанова Н. А. [10].

Использованию спасательных систем на СЛА посвящен патент США N 4 445 654 [15], упомянуто в книгах Алексеева С. М., Балкинда Я.В.и др.

1], Агроника, А .Г., Эгенбурга Л. И. [3]. Много информации общего характера находится в периодической публикации [13, 14, 43, 44, 45, 46].

Большую помощь в расчете стреляющих механизмов, прочных корпусов, баллонов сжатого газа оказали работы Алексеева С. М., Балкинда Я. В. [1], Сахарова Б. И., Оболенского Е. П., Стрекозова Н.П.

2], Матвеенко A.M., Бекасова В. И. и др. [4], Лобанова Н. А. [10]. Однако результаты данных работ не дают возможности оценить эффективность существующих систем спасения (СС). При этом не существует методики расчета и проектирования систем спасения СЛА.

Целью данной работы является увеличение безопасности полетов СЛА за счет использования систем спасения, разработка методики расчета и проектирования систем спасения превмобаллистического типа (ПБСС).

Объектом исследования в данной работе является спасательная система пневмобаллистического типа, предназначенная для установки на СЛА.

Методика исследований. Цель, поставленная в работе достигается путем:

• анализа и сравнения различных возможных способов повышения безопасности полетов;

• анализа и сравнения разных конструктивных схем существующих систем спасения СЛА и оценкой их эффективности;

• выбора оптимальной конструктивной схемы и ее обоснованием;

• создания математической модели перспективной системы спасения;

• создания экспериментальной системы спасения;

• натурного испытания созданной СС, определения основных ее энергетических показателей и эксплуатационных характеристик;

• уточнения и дополнения математической модели на основе полученных экспериментальных данных;

• сравнения результатов численного эксперимента по уточненной математической модели с натурным экспериментом;

• сравнительного анализа перспективной ПБСС с существующими системами спасения.

Достоверность результатов, полученных при использовании разработанной методики обеспечивается:

• использованием широко применяемых на практике методов расчета элементов стреляющих механизмов, применением апробированных численных методов для решения алгоритмов;

• введением в математическую модель параметров, полученных из натурного эксперимента;

• применением при математическом моделировании статистических зависимостей и возможностью сравнения результатов численного эксперимента с аналогичными параметрами разработанной системы спасения. Достоверность полученных результатов подтверждается идентификацией с результатами натурного эксперимента.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• создана математическая модель ПБСС, проведена ее идентификация с результатами натурных испытаний;

• создана методика расчета и проектирования ПБСС.

Практическая значимость работы заключается в том, что проведенные исследования позволят использовать на CJIA принципиально новую высокоэффективную, доступную систему спасения, сократить время на проектирование СС.

Реализация работы в промышленности. В целом диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной темы № 1.14.96. Результаты работы используются в практической деятельности МКБ «Взлет» МАИ.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах [24, 25, 27, 28, 29, 30, 37]. По результатам работы зарегистрирована заявка на патент № 2 000 112 948 дата приоритета 26.05.2000 г.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на семинаре 46-й международной выставки изобретений в Брюсселе 1997 г. (золотая медаль), на семинаре международного салона промышленной собственности на Кипре «Архимед — 98» (серебряная медаль), на семинаре международного салона промышленной собственности в Москве «Архимед — 99» (серебряная медаль), конкурсе «Молодые дарования» (международный гуманитарный фонд «Знание», 1998 г.), на заседании кафедры 103 (МАИ, Москва, 1998 г.).

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 113 страницах машинописного текста, иллюстрирована рисунками и таблицами на 34 страницах. Список цитируемой литературы содержит 46 наименований. Работа включает введение, пять глав и общие выводы.

Общие выводы.

1) Обоснована целесообразность применения спасательных систем на 100% парка СЛА.

2) Предложен принципиально новый принцип введения в действие парашютной системы. Сконструирована пневмобаллистическая система спасения (ПБСС).

3) Создана математическая модель, позволяющая определить основные рабочие и конструктивные параметры ПБСС:

• потребный объем сжатого газа и рабочее давление в системе;

• габаритные и весовые параметры;

• рассчитать на прочность узлы крепления СС, воспринимающие усилия от отдачи;

• начальную скорость вылета парашюта;

• определить нагрузки и рассчитать на прочность силовой корпус СС и другие элементы конструкциичто позволяет сократить сроки работ по конструированию и расчету, а также сократить объем экспериментальных исследований при создании новых образцов.