Разработка методики определения рациональных проектных параметров сельхозсамолёта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Шнырёв, Андрей Геннадьевич

• Шнырёв, Андрей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шнырёв, Андрей Геннадьевич

Введение

Глава 1. Анализ определяющих факторов АХР

1.1. Условия проведения АХР

1.2. Производственный цикл АХР

1.3. Кинематические зависимости полета на АХР

1.4. Описание программы "Траектория"

1.5. Определение данных для исследования

1.6. Понятие технической эффективности сельхозсамолета

1.7. Влияние метеоусловий на годовой объем АХР

1.8. Влияние кадастровых условий на производительность АХР

1.9. Понятие безопасности АХР

1.10.Требования к летной годности

1.11. Выводы к главе

Глава 2. Определение требований к сельхозсамолету

2.1. Часовая производительность АХР

2.2. Влияние параметров виража на производительность АХР

2.3. Годовое время работ

2.4. Вес полезной нагрузки

2.5. Концепция определения рациональной грузоподъемности

2.6. Выводы к главе

Глава 3. Определение проектных параметров

3.1. Определение максимального взлетного веса

3.2. Выбор силовой установки

3.3. Существенные ограничения на значение проектных параметров

3.4. Область существования

3.5. Выбор удлинения крыла.

3.6. Влияние скорости виража

3.7. Определение рациональной нагрузки на крыло

3.8. Параметры схемы

3.9. Выводы к главе

Глава 4. Решение о выборе проектных параметров и его оценка

-34.1. Методика определения проектных параметров

4.2. Пример определения проектных параметров

4.3. Анализ достоверности результатов применения методики

4.4. Исследование влияния условий проведения АХР на проектные параметры самолета

4.5. Выводы к главе 4 102 Заключение 103 Библиографический список 105 Приложение 1 Требования Part 23 FAR USA, не применяемыепри сертификации типа к сельхозсамолетам 109 Приложение 2 Анализ параметров существующих самолетов для авиахимработ 118 Приложение 3Результаты оценочного расчета экономики деятельности эксплуатанта 3 самолетов в течение 3 лет

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики определения рациональных проектных параметров сельхозсамолёта»

Авиационное распределение химических веществ и биологических объектов (чаще используется термины - авиахимработы, АХР) играет важную роль в повышении эффективности сельского и лесного хозяйств. Проведение АХР увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур в несколько раз при повышении расходов всего на 10-20%. При этом можно полностью избежать потерь урожая путем эффективной борьбы с вредителями.

В СССР 43% общего объема химических работ в сельском хозяйстве выполнялось авиацией: приходящаяся на авиацию доля работ по химической защите растений от вредителей и болезней составляла 37,9%, по борьбе с сорняками - 59,4% и по дефолиации растений - почти 100%. Более 35% минеральных удобрений вносилось с помощью авиации [7, 26]. Максимальный объем авиационных работ в сельском хозяйстве в СССР был достигнут в 1986 году и составил 55,1 млн. Га [20].

Основной парк сельхозсамолетов составляли Ан-2 и его модификации.

После распада СССР произошел спад в сельскохозяйственном производстве и объём АХР сократился до 14 млн. Га в 1999 году [20]. Производство самолетов, предназначенных для АХР в сельском хозяйстве (сельскохозяйственных самолетов, СХС) прекратилось еще раньше.

В начале XXI века в Российской Федерации начался рост объемов сельскохозяйственного производства, вызвавший рост спроса на АХР, который в настоящее время удовлетворяется в основном эксплуатантами, выполняющими полеты либо на сверхлегких летательных аппаратах, либо на самолетах Ан-2, имеющих большой износ и невысокую эффективность применения.

Выполнение АХР на сверхлегких летательных аппаратах сильно зависит от погодных условий, и не обеспечивает приемлемого уровня, как экологической безопасности, так и безопасности полетов. При этом условия выполнения работ создают реальную угрозу жизни и здоровью людей.

За рубежом основная часть АХР выполняется на самолетах, специально сконструированных для работ по распределению химических веществ и биологических объектов, применение которых позволяет достигнуть высокого уровня безопасности и эффективности выполнения работ. Однако как показано в настоящей работе, полное копирование производственных процессов АХР и параметров зарубежных сельхозсамолетов нецелесообразно вследствие существенных различий в климатических и кадастровых условиях выполнения АХР.

Решению проблемы оснащения российских эксплуатантов современными сельхозсамолетами придается большое значение на государственном уровне.

Так, в целях реализации транспортной стратегии Российской федерации принята Федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)», утвержденная постановлением Правительства Российской Федерации от 5 декабря 2001 года № 848.

Разделом 4.3 Подпрограммы "Гражданская авиация" Федеральной целевой программы "Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы), разработанной в соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации от 16 февраля 2001 года № 232, предусмотрена поставка сельскохозяйственных самолетов новой разработки.

Также, в разделе 3 "Развитие парка воздушных судов нового поколения" упомянутой подпрограммы указывается, что "Одной из важных задач в реализации Подпрограммы является внедрение современных воздушных судов для авиации общего назначения (АОН), сельскохозяйственной авиации и авиации для обслуживания отраслей экономики, здравоохранения, защиты от пожаров".

При разработке новой авиатехники большую роль в повышении эффективности опытно-конструкторских работ может сыграть применение методик по определению проектных параметров, реализующих современные достижения в областях проектирования, производства и эксплуатации авиационной техники, с учетом актуальных норм летной годности.

Ранее, в основном при социалистическом укладе экономики, проблемам проектирования сельхозсамолетов и проведения АХР уделялось большое внимание.

Основные в СССР и России исследования в области применения авиации в сельском хозяйстве, внедрению новой техники и технологий выполняются в НПК "ПАНХ" (ранее - ВНИИСХСП ГА, ВНИИ ПАНХ). В трудах ПАНХ, его сотрудников, а также JI.C. Бякова, Н.И. Васильева, Р. Газиева, Ю.В. Иванова, Х.Р. Квонтика, В.Н. Драчкова освящены основные вопросы организации АХР, предложены критерии их эффективности.

Результаты исследований НПК ПАНХ обобщены в диссертации на соискание степени доктора экономических наук О.В. Худоленко "Повышении эффективности авиационных работ в отраслях национальной экономики: теория, практика" в которой разработана модель структурной оптимизации парка воздушных судов для применения в отраслях экономики, позволяющая привести количество и типы воздушных судов отдельных авиапредприятий и подотрасли в целом к таким пропорциям, которые способствовали бы наиболее полному удовлетворению спроса и высокому уровню эффективности выполнения авиационных работ.

В ПАНХ были проведены исследования (А.И. Плешаков, 1980г.) вопросов оптимизации парка воздушных судов для применения в отраслях национальной экономики, в результате которых установлен парк воздушных судов, в том числе и для применения в сельском хозяйстве. Результаты этих исследований использованы и в техническом задании на техническое предложение на сельскохозяйственный самолет грузоподъемностью 700-800 кг. Однако, по мнению НПК ПАНХ, для учета изменившихся условий хозяйствования, оптимальный типоразмерный ряд нуждается в уточнении [20].

-7В работе Н.З. Султанова "Оптимизация технологий и парка машин для проведения сельскохозяйственных авиационно-химических работ" проведен анализ модели авиационной сельскохозяйственной системы с используемыми (Ан-2, Ан-2М, Ми-2, Ка-26) и создаваемыми (Ка-126, Ка-226, Ка-32) воздушными судами.

Вопросы безопасности при выполнении АХР посвящены работы сотрудников и соискателей Академии гражданской авиации (С-Петербург), а также труды Б.А. Портникова в которых особое внимание уделено минимизации нецелевого воздействия АХР на окружающую среду.

Особый интерес при изучении вопросов безопасности полетов при АХР представляет Руководство по авиационным работам (Doc. 9408-AN/922), изданное Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) на основе информации, предоставленной Организацией объединенных наций. В нем описаны не только аспекты управления безопасностью полетов при выполнении АХР, но и приведены результаты исследования в области экономики АХР.

Большую роль в написании диссертационной работы сыграла работа "Авиация в сельском хозяйстве: история, техника, технология, экономика" под редакцией В.П. Копычко. В ней собраны и обобщены знания не только в области организации АХР, но и приведены результаты исследований влияния атмосферных явлений на траекторию полета частиц распыленного вещества.

Вопросы определения проектных параметров сельхозсамолетов наиболее подробно были освещены в трудах А.А. Бадягина и Х.Г. Сарымсакова, их учеников и последователей.

Однако в современных условиях результаты ранее выполненных работ не всегда можно использовать в полной мере. Изменились требования к летной годности самолетов, условия проведения АХР, разработчики авиационной техники стали самостоятельными субъектами экономики, которым не всегда доступны услуги сторонних научных организаций по формированию технического задания и т.д.

Таким образом, проведение исследований вопросов определения проектных параметров современного сельхозсамолета являются актуальной задачей в области самолетостроения.

Целью исследований является создание методики определения основных проектных параметров сельхозсамолета, с учетом условий проведения АХР и современных норм летной годности, предназначенной для использования разработчиками (конструкторскими организациями, КБ) при создании сельхозсамолетов.

В отечественной практике проектирование традиционно разделялось на два этапа - внешнее и внутреннее. Внешнее проектирование, фактически формирование технического задания на создание самолета, производилось профильными НИИ, а внутреннее - реализация технического задания, первым шагом которого являлось техническое предложение, производилось конструкторским бюро во взаимодействии с авиационными заводами. При переходе от внешнего к внутреннему проектированию происходило взаимное уточнение технического задания и технического предложения. На это уходило много времени, и этот процесс, являлся, по сути, процессом устранения неточностей внешнего проектирования и компенсации недостаточной информированности разработчика о внешних требованиях к проектируемому изделию.

Для устранения описанных недостатков в основу созданной методики заложен новый, впервые применяемый при разработке сельхозсамолетов принцип "сквозного проектирования", который предусматривает выполнение работ по определению проектных параметров самолета на основе результатов изучения условий его применения.

В первой главе проведен анализ условий АХР и внешних требований, который позволил сформулировать подход к оценке производительности АХР как основного критерия технической эффективности сельхозсамолета и выявить летно-технические характеристики (JITX) сельхозсамолета и условия проведения АХР, от которых наиболее существенно зависит производительность АХР. Также, в первой главе определены сертификационные требования и приведены результаты изучения международного опыта по сертификации сельхозсамолетов.

Во второй главе определена зависимость между производительностью и значимыми JITX сельхозсамолета. В частности, разработана методика определения рационального веса полезной нагрузки, которая дополнительно позволяет в первом приближении выявить основные типоразмеры парка сельхозсамолетов. В результате, на основе полученных зависимостей можно разработать конкретные требования, которые составят основу технического задания (войдут в документацию КБ).

Основной задачей, решаемой в третьей главе, является установление зависимостей, определяющих реализацию требований к сельхозсамолету в процессе выбора проектных параметров. Кроме того, установлены зависимости, позволяющие определить максимальный взлетный вес первого приближения, предложены рекомендации по выбору силовой установки для сельхозсамолета. При этом выявлены наиболее существенные ограничения, определяющие область допустимых значений проектных параметров.

По результатам анализа данных по существующим конструкциям сельхозсамолетов, условий эксплуатации и анализа путей повышения безопасности АХР выработаны рекомендации по определению схемы и вопросам компоновки фюзеляжа.

В четвертой главе приводится методика определения проектных параметров сельхозсамолета, для подтверждения ее корректности проводятся расчеты. На основе приведенной методики определены проектные параметры моделей гипотетических сельхозсамолетов. Результаты их сравнения с самолетами иностранного производства с точки зрения эффективности применения в условиях Российской Федерации позволяет утверждать о необходимости разработки отечественного сельхозсамолета.

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Шнырёв, Андрей Геннадьевич

4.5. Выводы к главе 4 В главе 4:

Приведенная методика позволяет определить проектные параметры G0,

S,N0,1.

Исследования влияния условий проведения АХР на проектные параметры продемонстрировали существенные отличия параметров самолетов, эффективных при различных условиях применения.

Сравнение результатов использования методики с характеристиками существующих сельхозсамолетов позволяет утверждать, что ее применение позволит определить такие параметры сельхозсамолета, реализация которых позволит создать самолет с более высокой производительностью.

-103 -Заключение

1. Определены наиболее существенные условия проведения авиационно-химических работ: кадастровые - длина гона и расстояние между взлетно-посадочной площадкой и местом проведения работ; факторы безопасности и метеорологические условия.

2. Исходя из анализа траектории производственного полета и требований к летной годности установлены ограничения на проектные параметры.

3. Разработана методика "сквозного проектирования", которая, учитывая современные требования по безопасности, устанавливает взаимосвязи между значимыми условиями проведения авиационно-химических работ и проектными параметрами самолета, может применяться как при маркетинговых исследованиях (внешнее проектирование), так и при формировании облика самолета для проведения авиахимических работ (начальный этап внутреннего проектирования).

4. В рамках создания методики "сквозного проектирования" разработана имеющая самостоятельное значение математическая модель и программный комплекс, имитирующие с высокой точностью производственный полет самолета при выполнении авиационно-химических работ.

5. На основе анализа отечественных правил и международной практики установлено, что сертификационный базис при проектировании самолета для авиахимических работ должен формироваться на базе требований к нормальной категории легких самолетов гражданской авиации с учетом особенностей, изложенных в диссертационной работе.

6. Выявлено, что от условий проведения авиахимических работ в наибольшей степени зависят вес полезной нагрузки самолета и удельная нагрузка на крыло.

7. Разработанная методика "сквозного проектирования" самолета предназначена для использования в проектно-конструкторских организациях на начальных стадиях проектирования, а таюке для научно-технического обоснования организации и проведения конкурсов на разработку самолетов для авиационно-химических работ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шнырёв, Андрей Геннадьевич, 2006 год

1. Авиация в сельском и лесном хозяйстве. Сб. научн. тр. / Научн. ред. С.И. Родионов / ВНИИПАНХ. М.: Колос, 1995.-208 с.

2. Авиация в сельском хозяйстве: история, техника, технология, экономика / Под редакцией В.П. Копычко. Харьков : TAJI "Слобожанщина", 2002.-404 с.

3. Авиационные правила. Часть 23. Нормы летной годности гражданских легких самолетов (АП-23) / Межгосударственный авиационный комитет. М. : МАК, 2000. 145 с.

4. Александров А.Н. Воздушные винты. М. : Оборонгиз, 1957.529 с.

5. Арепьев А.Н. Вопросы проектирования легких самолетов. М. : МГТУ ГА, 2001.- 136 с.

6. Арепьев А.Н. Предварительное определение параметров легкого пассажирского самолета. М. : Научный вестник МГТУ ГА, 2002, № 53. -с. 26-31.

7. Бадягин А.А., Мухамедов Ф.А. Проектирование легких самолетов. -М. : Машиностроение, 1978. 293 с.

8. Бяков JI.C. Авиационные работы: Учебное пособие. / Академия гражданской авиации. СПб. : Академия гражданской авиации, 2003. - 70 с.

9. Васильев Н.И., Литвинов Б.П. Гектары неба. М. : Агропромиздат, 1987.- 152 с.

10. Газиев Радик Авиация и сельскохозяйственное производство. -Ташкент: из-во "Знание" УзССР, 1984.-24 с.

11. П.Иванов Ю.В. Организация работы авиации в сельском хозяйстве Украины-Киев: из-во "Знание" УССР, 1983. 15 с.

12. Назруллаев Ф. Гражданская авиация в народном хозяйстве: -Ташкент: 1984. 39 с.

13. ОНТИ ММЗ «Скорость» Перевод FAR Part 23 с поправками до 23-27 включительно.

14. Организация авиационных работ по распределению веществ и биологических объектов: Учебное пособие для вузов /В. Н. Драчков, В. Н. Шило/ Л.ЮЛАГА, 1987. - 88 с.

15. Пашковский И.М. Динамика и управляемость самолета. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 248 с.

16. Проблемы и перспективы развития сельскохозяйственной авиации: Техническая информация ЦАГИ "Новости зарубежной науки и техники". Серия "Авиационная и ракетная техника", 1992, №8, с.

17. Проектирование самолетов / Егер С.М. и др. М. : Машиностроение, 1983. - 516 с.

18. Применение авиации в отраслях экономики. /Авт. сост. B.C. Деревянко Краснодар: Сов. Кубань, 2002. - 488 с.

19. Применение авиации в сельском хозяйстве. Справочное пособие / А.И. Тимин, А.В. Степанович, А.П. Скоробогатов и др. / Под ред. А.И. Заикина Минск: Ураджай, 1980. - 119 с.

20. Повышение эффективности авиационных работ в народном хозяйстве. /Метод, рекомендации/ Подгот. В.Ф. Лапшовым, В.М. Загорулько, Киев, О-во "Знание" Украины, 1991. 15 с.

21. Портников Б.А. Минимизация нецелевого воздействия химических веществ на компоненты окружающей среды при проведении специальных авиационных работ: На примере Оренбургского авиапредприятия: Автореф. дис. канд. техн. наук. 11.00.11. Оренбург, 1998.-221 с.

22. Руководство по авиационно-химическим работам ГА СССР: утв. МГА СССР 30.12.1982 : ввод в действие с 01.08.1984 М.: Воздушный транспорт, 1984. - 58с.

23. Руководство по авиационным работам: Издание первое. Международная организация гражданской авиации. /Doc 9408-AN/922. Монреаль, 1984.- 179с.

24. Сарымсаков Х.Г. Сельскохозяйственные самолеты. М. : Машиностроение, 1979. - 138 с.

25. Султанов Н.З. Оптимизация технологий и парка машин для проведения сельскохозяйственных авиационно-химических работ. Автореф. дис. д-ра техн. наук : 05.20.01. Оренбург, 1997. 39 с.

26. Торенбик Э. Проектирование дозвуковых самолетов: пер. с англ. / Пер. Голубков Е.П. М.: Машиностроение, 1983. - 648 с.

27. Шнырев А.Г. О зарубежных специальных требованиях к самолетам для авиахимработ. Научный вестник МГТУ ГА. 2002, № 53.- с.118-125.

28. Issuance of Type Certificate: Restricted Category Agricultural Airplanes / Advisory Circulars FAA USA: AC21.25-1., 01.12.1997., http://www.airweb.faa .gov/RegulatoryandGuidanceLibrary/rgAdvisoryCircular.nsf/, 2006.

29. Federal Aviation Regulation. PART 21: Certification procedures for products and parts / FAA USA : http://ecfr.gpoaccess.gov., 2006.

30. Federal Aviation Regulation. PART 137: Agricultural aircraft operations /FAA USA: http://ecfr.gpoaccess.gov., 2006.

31. Use of Automobile Gasoline in Agricultural Aircraft / Advisory Circulars FAA USA: AC 21-21, 24.08.1984., http://www.airweb.faa.gov/ RegulatoryandGuidanceJLibrary/rgAdvisoryCircular.nsf/, 2006.

32. NAAA Member's Media Kit / National Agricultural Aviation Association (NAAA USA): http://www.agaviation.org/, 2004.