Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие авиации общего назначения (АОН) в России характеризуется усилением государственного регулирования. Одно из направлений этого регулирования - сертификация воздушных судов (ВС). Особое место в АОН занимает сверхлегкая авиация. Сверхлегкая авиация как самостоятельное направление развития авиационной техники начала формироваться в середине 70-х годов после появления дельтаплана. За короткое время сверхлегкие летательные аппараты (СЛА) благодаря своей простой конструкции, невысокой стоимости, неприхотливости в эксплуатации завоевали огромную популярность во всем мире. Большое достоинство СЛА – доступность обучения. Полная программа обучения включает в себя 15–25 летных часов и около 50–70 часов теории. Большой интерес представляют моторные СЛА, которые используются не только для развлечений, обучения и спорта, но и в различных отраслях экономики.
Основными критериями, в соответствии с которыми ВС может быть отнесено к категории СЛА или сверхлегких воздушных судов (СВС) являются: масса конструкции, взлетная масса, нагрузка на крыло и минимальная скорость полета.
По классификации, принятой международной авиационной федерацией (FAI), к СЛА относятся воздушные суда с взлетной массой: не свыше 300 кг -одноместные и двухместные в сухопутном варианте не выше 450 кг, в гидроварианте не свыше 495 кг и минимальной скоростью полета не превышающей 65 км/час. В Воздушном кодексе России определено, что к СВС относятся ВС взлетная масса которых не превышает 495 кг, исключая средства спасания. Основанием для выделения СВС в отдельную категорию служит то, что эти ВС благодаря своей небольшой массе и малой скорости полета представляют собой незначительную опасность для третьих лиц и окружающей среды. Причем для некоторых классов СВС эта опасность сравнима с опасностью бегущего человека. В связи с этим международной авиационной организацией ICAO не разработаны стандарты для СЛА, а многими странами приняты для них упрощенные требования к летной годности (ТЛГ) и процедуры допуска к эксплуатации.
Особое место среди СВС занимают дельталеты. Дельталет - один из наиболее массовых классов моторных СВС, его достоинства: простота конструкции и невысокая стоимость, хорошая эксплуатационная технологичность и ремонтопригодность, возможность выполнения авиаработ. Количество СВС этого класса в России сегодня можно оценить цифрой 1500-2000 экземпляров. Все эти СВС не имеют сертификата типа, выданного государственным уполномоченным органом. По своей конструкции дельталет принципиально отличается от других летательных аппаратов (ЛА), однако принятые в 2003 году федеральные авиационные правила (ФАП) «Положение о порядке допуска к эксплуатации единичных экземпляров воздушных судов авиации общего назначения» и «Требования к летной годности единичных экземпляров гражданских воздушных судов авиации общего назначения» не учитывают особенностей дельталетов. Такая ситуация препятствует нормальному процессу сертификации дельталетов.
Таким образом, таким научное обоснование ТЛГ и методов оценки соответствия (МОС) дельталетов установленным требованиям является сегодня весьма актуальной проблемой.
Состояние проблемы. Проблема разработки ТЛГ и МОС дельталетов может быть решена на основе комплексного анализа: особенностей конструкции, аэродинамики и эксплуатации; особенностей их применения для решения различных задач, в том числе выполнения авиационных работ (АР); безопасности полетов; анализа ТЛГ и процедур допуска к эксплуатации, принятых в различных странах; научного обоснования методов оценки соответствия элементов конструкции; проработки вопросов теории полета, являющейся основой для математического моделирования, с учетом особенностей их аэродинамики и управления; разработки методов математического моделирования и экспериментальной оценки летных характеристик устойчивости и управляемости.
Изучением этих вопросов занимались различные коллективы. Прежде всего, это отделение СЛА ОКБ О.К. Антонова (Клименко А.П., Белоус О.Г, Дашивец А.Н., Азарьев И.А., Горшенин Д.С., Силков В.И. и др.). Работы этого коллектива были ориентированы в основном на проектирование, изучение особенностей аэродинамики, динамики и опасных режимов полета дельтапланов и дельталетов.
Учеными ВВИА им. Н.Е.Жуковского (Апаринов В.А., Ништ М.И., Бухтояров И.И., Караск А.А., Ситдиков С.М.) был выполнен ряд работ, связанных с исследованием особенностей аэродинамики и моделирования динамики полета дельталета.
В 80-х годах прошлого века в ЦАГИ был выполнен ряд продувок полномасштабных моделей крыльев дельталетов и дельтапланов в аэродинамическй трубе.
Учеными СибНИА им. С.А. Чаплыгина (Кашафутдинов С.Т., Темляков Ю.Н., Усольцев Е.Г. и др.) были проведены исследования характеристик устойчивости, управляемости и маневренности спортивных сверхлегких ЛА, разработаны: руководство для конструкторов ЛА самостоятельной постройки и методы оценки прочности их конструкции, а также проведены исследования особенностей конструкции и аэродинамики СЛА.
В 70-х годах прошлого столетия в ЛИАП проводились исследовании характера обтекания и были разработаны методики расчета аэродинамических характеристик гибких крыльев (Кудрявцев Г.С.).
В ОАО НПК «ПАНХ» проводились работы по исследованию возможностей, условий, экономических аспектов и особенностей использования дельталетов для авиационных химических работ (АХР) (Козловский В.Б, Худоленко О.В., Деревянко В.С.).
Специалистами фирмы «МВЕН» (Ермоленко В.Г, Невельский М.А.) и в МАИ (Севбо И.Р.) проводились исследования быстродействующих парашютных систем (БПС).
Особое место при сертификации ВС занимает математическое моделирование. Наибольшие успехи в разработке математических моделей (ММ) полета ВС были достигнуты в 80-х годах: в Риге (РЭЦ ГосНИИГА и РКИИГА – Тотиашвили Л.Г., Бурдун И.Е., Санников В.А., Гребенкин А.В.); в Москве (ГосНИИГА – Кофман В.Д., Егоров Г.С., Моисеев Е.М., Страдомский О.Ю.) и (МИИГА, ныне МГТУ ГА – Ципенко В.Г., Кубланов М.С.).
За рубежом рядом исследователей (Nielsen J., Ormiston B., Оprecht U., Schonher M., Valle G.) выполнялись работы, связанные с исследованием особенностей аэродинамики гибкого крыла, устойчивости, управляемости и опасным режимам полета дельтаплана. Все эти работы были посвящены исследованиям очень важных, но частных вопросов.
Таким образом, проблема разработки ТЛГ и МОС дельталетов до настоящего времени в комплексной постановке не ставилась и не рассматривалась.
Диссертация посвящена именно этой проблеме и базируется на работах автора, осуществленных с начала 80-х годов по настоящее время в МИИГА (с 1993 г. – МГТУ ГА).
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является научное обоснование и разработка ТЛГ и методов оценки соответствия дельталетов. В процессе достижения этой цели решены задачи:
– научного анализа динамики развития, особенностей конструкции, летно-технических характеристик, особенностей эксплуатации, результатов использования в отраслях экономики, вопросов безопасности полетов дельталетов;
– научно-методического обоснования ТЛГ дельталетов;
– разработки метода аналогов для оценки годности элементов конструкции дельталета;
– разработки теории и методов математического моделирования полета дельталета;
– разработки средств и методов экспериментального определения параметров полета, оценки летных характеристик, устойчивости и управляемости дельталета.
Методы исследования. В работе использованы методы летного эксперимента, вычислительной математики, теории вероятностей и математической статистики, теоретической механики и динамики полета, а также методы математического моделирования полета.
Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов летного эксперимента и теоретических исследований данной работы обоснована строгим применением теории математической статистики. Достоверность результатов подтверждается:
1) непосредственным сравнением результатов расчета с данными летных испытаний;
2) оценкой адекватности (точности и непротиворечивости) результатов математического моделирования данным полетов с помощью статистических критериев;
3) успешным многолетним использованием предложенных требований и методов при сертификации дельталетов.
Научная новизна. Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что впервые поставлены и решены следующие задачи:
1) научный анализ особенностей конструкции, характеристик и особенностей эксплуатации дельталетов, их роли и места в гражданской авиации;
2) научное обоснование и уточнение ТЛГ дельталетов;
3) выбор оптимальных методов для решения задач сертификации дельталетов;
4) разработка и обоснование метода аналогов для оценки годности элементов конструкции дельталетов;
5) разработка теории полета дельталета, уравнений его движения с учетом особенностей конструкции и характеристик;
6) разработка методов и средств экспериментального определения и оценки летных характеристик устойчивости и управляемости дельталетов.
Теоретическая значимость результатов исследований. Особенности теории полета, полученные уравнения движения, математическая модель полета и результаты отдельных разработок могут быть использованы:
- для изучения динамики полета дельталета и влияния на нее конструктивных и эксплуатационных факторов;
- для изучения динамической устойчивости и опасных режимов полета;
- для разработки компьютерных систем имитации полета и программ тренажеров дельталета.
Практическая ценность. Разработаны: ТЛГ, комплекс методов и средств, которые позволяют проводить работы по оценке летной годности дельталетов с минимальными затратами и высокой достоверностью результатов. С использованием предложенных ТЛГ и МОС решено большое количество прикладных задач сертификации и допуска дельталетов к эксплуатации в гражданской авиации, разработаны и внедрены в эксплуатацию в различных отраслях экономики и государственной службы несколько модификаций дельталетов «Поиск-06». Предложенные ТЛГ дельталетов использовались при разработке технических требований, принятых в РОСТО (ДОСААФ) и ОФ СЛА России, а также в требованиях к летной годности единичных экземпляров ВС АОН.
Результаты работы использованы и внедрены в РОСТО (ДОСААФ), ОФ СЛА России, в ГосНИИГА, в центре по сертификации ЕЭВС ООО «ЛТЦ «ЭЛИЦ СЛА», дельталеты «Поиск-06» используются в ФСБ и МЧС России, в различных организациях сельского хозяйства для аэрофотосъемки и других целей.
– Отдельные результаты используются в учебном процессе АУС «ЛТЦ «ЭЛИЦ СЛА» при подготовке пилотов СЛА.
Апробация работы. Основные положения работы, научные и практические результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на: Московских аэрокосмических салонах (1997 г., 1999 г., 2001 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г.), научных чтениях, посвященных творческому наследию Н.Е. Жуковского (Москва, 1997 г.), а также обсуждались на всесоюзных, всероссийских, отраслевых и вузовских научно-технических конференциях и семинарах (КИИГА 1991 г., МИИГА – МГТУ ГА, 1990-2008 г.г.). В 1997 г. работы автора были удостоены гранта МГТУ ГА.
Публикации. Отдельные результаты диссертации опубликованы в 59 печатных работах и в 18 отчетах о НИР, в которых автор являлся ответственным исполнителем или научным руководителем.
На защиту выносятся:
1. Требования к летной годности дельталетов.
2. Особенности теории полета дельталетов.
3. Математическая модель динамики полета дельталета.
4. Использование метода аналогов для оценки годности элементов конструкции дельталета.
5. Экспериментальные методы, критерии и средства оценки летных характеристик, устойчивости и управляемости дельталетов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 246 наименований. Общий объем диссертации 340 страниц, содержащих 157 рисунков и 68 таблиц. Основная часть работы изложена на 320 страницах текста.
