Апрель,
1995.
Исследования
СА.Арасланов, А.В. Ткаченко
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
СВЕРХЛНГКИХ САМОЛЕТОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГАЗОМАГИСТРАЛЕЙ
Более 32 000 км газопроводов проложено по территории Украины.
Утечка газа при нарушении герметичности трубопровода на любом отрезке его линейной
части чревата серьезными последствиями и представляет угрозу жизни людей и экологии
среды обитания. Поэтому необходим постоянный контроль состояния магистралей,
масштаб которого можно оценить, учитывая, что общая протяженность газопроводов
лишь на 25 % меньше длины экватора Земли. Наиболее эффективным средством контроля
состо-яния линейной части магистральных газопроводов (ЛЧ МГ) являются дистанционная
диагностика с помощью специальных авиационных лаборато-рий, для оборудования
которых до
недавнего времени использовались бипланы Ан-2. В связи с дефицитом топлива и
его высокой стоимостью эксплуатация этих самолетов в настоящее время практически
прекратилась. Действительно, при средней стоимости аренды Ан-2 около 4 млн.
крб. в час (в ценах первого полугодия 1994 г.) только на один облет всей сети
газо-проводов потребуется более 870 млн. крб. Вполне очевидно, что для надежной
диагностики с помощью Ан-2 необходимы затраты в миллиарды карбованцев в год.
Таким образом, сегодня остро стоит вопрос о выборе более дешевого носителя аппаратуры
для контроля состояния газомагистралей.
Разумеется, что снижение затрат на диагностику трубопроводов не может быть достигнуто
за счет ухудшения ка-чества контроля. Поэтому возможность переоборудования нового
самолета в авиационную диагностическую лабора-торию (АДЛ) следует связывать
как с экономическими показателями, так и с требованиями к составу и условиям
работы контрольной аппаратуры.
Рассмотрим комплекс приборов, составлявших основу авиационной лаборатории на
базе Ан-2 (табл.1).
Таблица 1
|
Масса и габариты диагностической аппаратуры
контроля линейной части магистральных газопроводов
|
№ п/п |
Наименование прибора |
Масса, кг
|
Габариты, мм х мм х мм
|
1 |
Сканирующий инфракрасный радиометр СИР |
30
|
30 х 200 х 180
|
2 |
Тепловизор "Thermovision-488":
сканнер
блок управления
телекамера
|
3
5,8
0,6
|
92 х 150 х 300
270 х 155 х 322
70 х 70 х 141
|
3 |
Видеокамера |
1,5
|
116 х 148 х 352
|
4 |
Видеомагнитофон |
4,3
|
360 х 94 х 303
|
5 |
Персональный компьютер |
0,4
|
270 х 210 х 30
|
|
Итого
|
46
|
-
|
6 |
Лазерный газоанализатор |
240
|
-
|
|
Всего
|
285,6
|
-
|
Применение в этом комплексе инфракрасной техники накладывает ряд ограничений
на условия эксплуатации самолета:
- поверхность земли должна иметь минимальный растительный покров для обеспечения
контрастной съемки газопровода;
- градиент температур на контролируемом участке должен быть незначительным;
- полет должен проходить на высотах 100 - 300 м в светлее время суток с наивыгоднейшей
скоростью не более 150 км/ч;
- в течение полета должны быть обеспечены минимальные отклонения от заданной
высоты;
- дальность полета должна быть максимальной при установленных санитарных нормах
рабочего времени летно-подъемного состава.
Исходя из перечисленных требований можно заключить, что наиболее эффективными
будут полеты диагностической лаборатории ранней весной и поздней осенью, утром
в простых метеоусловиях на высотах от 100 м до 300 м с наивыгоднейшей скоростью,
обеспечивающей минимальный километровый расход топлива, то есть максимальную
дальность полета при имеющемся на борту запасе горючего. Естественно, что контроль
ЛЧ МГ не должен иметь сезонный характер, поскольку повреждения трубопровода
могут случиться в любое время года. Поэтому, принимая к сведению первое требование,
рассмотрим более подробно остальные, поскольку они определяют облик самолета.
Минимальный градиент температур на поверхности земли обеспечивает наиболее контрастное
изображение газопровода на мониторе тепловизора, одновременно создавая наименьшую
турбулентность атмосферы, от которой существенно зависит способность самолета
выдерживать заданную высоту горизонтального полета. Очевидно, что контроль состояния
газомагистралей в условиях грозы должен быть исключен. Поэтому при выборе носителя
для АДЛ достаточно оценить турбулентность атмосферы в ясном небе, а также вблизи
и внутри кучевых облаков, которые могут встретиться на маршруте. В качестве
критериев такой оценки обычно принимают масштаб турбулентности - длину участка
поверхности земли 1т, над которым скорость восходящего потока постоянна, среднеквадратическое
значение вертикальной турбулентной скорости
и его стандартное отклонение /1,2/.
Табл.2 Основные
характеристики сравниваемых самолетов
|
№ |
Наименование
параметра |
Х-32 |
Як-18Т |
Ан-2 |
1 |
Максимальная
взлетная масса, кг |
450 |
1650 |
5250 |
2 |
Расчетная
масса АДЛ, кг |
496 |
1522 |
4740 |
3 |
Масса
пустого самолета , кг |
250 |
1200 |
3367 |
4 |
Масса
аппаратуры, кг |
46 |
46 |
46 |
5 |
Масса
экипажа с оператором, кг |
160 |
160 |
240 |
6 |
Масса
ГСМ на борту, кг |
40 |
116 |
560 |
7 |
Размах
крыла, м |
9,2 |
11,16 |
18,18 |
8 |
Площадь
крыла, кв.м |
12,6 |
18,8 |
71,53 |
9 |
Нагрузка
на крыло, Дан/кв.м |
39,4 |
80,96 |
66,23 |
10 |
Удлинение
крыла |
6,6 |
6,6 |
7,7 |
11 |
Сужение
крыла |
1 |
1,88 |
1 |
12 |
Хорда
крыла, м |
1,37 |
1,68 |
2,45 |
13 |
Производная
dCy/da |
3,95 |
3,9 |
4,1 |
14 |
Мощность
двигателя, кВт |
47 |
265 |
603 |
15 |
Часовой
расход топлива, л/ч |
15 |
47 |
110
|
16 |
Максимальная
скорость, км/ч |
130 |
295 |
246 |
17 |
Наивыгоднейшая
скорость, км/ч |
90 |
175 |
140 |
18 |
Экономическая
скорость, км/ч |
85 |
150 |
115 |
19 |
Скорость
сваливания, км/ч |
65 |
97 |
90 |
20 |
Посадочная
скорость, км/ч |
60 |
125 |
85 |
21 |
Длина
разбега, м |
90 |
340 |
120 |
22 |
Длина
пробега, м |
50 |
455 |
140 |
23 |
Посадочная
дистанция, м |
120 |
640 |
530 |
24 |
Техническая
дальность, км |
300 |
-
|
845 |
25 |
Расчетная
цена, долл |
16000 |
22000 |
30000 |
Многочисленные исследования показали, что на высотах до 300 м над равнинной
и холмистой местностями масштаб турбулентности равен высоте, то есть Lт =100...300
м. При этом в ясную погоду
= 0,832 м/с при стандартном отклонении 0,335 м/с, а в кучевой облачности
= 1,45
м/с при отклонении 0,29 м/с /2/. Эти данные согласуются с результатами других
исследователей, поэтому для расчетов можно принять величины среднеквадратических
значений турбулентной скорости в ясную погоду и в кучевой облачности равными
соответственно:
Очевидно, что чем меньшие перегрузки будет испытывать самолет от вертикальных
порывов, тем более он пригоден для использования в качестве АДЛ.
При полете в турбулентной атмосфере вертикальные перегрузки зависят от профиля
полета. При нормальном резко ограниченном вертикальном порыве приращение перегрузки
определяют по соотношению
/1/
(1)
где - производная
коэффициента подъемной силы крыла самолета по углу атаки;
р - плотность воздуха на высоте полета;
V0 - скорость горизонтального полета самолета;
W - скорость вертикального порыва; p=G/S - удельная нагрузка на крыло самолета;
G - взлетный вес самолета; S - площадь крыла самолета.
Резко ограниченный вертикальный порыв встречается крайне редко. В действительности
скорости воздушных порывов изменяются в пространстве по некоторому закону и
имеют случайный характер. Величина среднего квадратичсского значения перегрузки
где
k для случая нарастания порыва по линейному закону вычисляют
по зависимости /1/:
Учитывая случайный характер турбулентности атмосферы, можно определить вероятность
достижения заданной перегрузки
при полете в болтанку в различных погодных условиях /1/
где Т и V - продолжительность и скорость полета;
b - средняя хорда крыла;
- коэффициент;
- относительные
продолжительности полета в ясную погоду, при кучевой и грозовой облачности;
-
средние квадратические значения средней квадратической скорости порыва
при полете в ясную погоду, при кучевой и грозовой облачности /1/.
Таким образом, для сравнения самолетов-носителей по условиям
работы в турбулентной атмосфере будем использовать значения ,и,
принимая во внимание, что чем меньше их величины, тем выгодней применение данного
самолета по сравнению с другими.
В настоящее время в Украине и качестве АДЛ кроме Ан-2 можно
использовать Як-18Т и сверхлегкий самолет Х-32 фирмы "Лилиенталь"
(г. Харьков). Этот выбор обусловлен следующими соображениями. Во-первых, несколько
Як-18Т, выпущен-ных до 1979 г., до сих пор остаются в эксплуатации. Кроме того,
имеется возможность импорта этих самолетов из России, поскольку их производство
может быть возобновлено па Смоленском авиационном заводе. Во-вторых, Х-32 пока
остается почти единствен-ным сверхлегким самолетом, который в Украине выпускают
серийно с темпом две машины в месяц. В табл.2 при-ведены основные характеристики
Х-32, Як-18Т и Ан-2.
Сравнение самолетов по грузоподъемности, габаритам кабины, по условиям компоновки
и центровки позволяст заключить, что ни Х-32, ни Як-18T не могут транспортировать
полный комплект аппаратуры (см. табл.1). Размещение комплекса без лазерного
газоанализатора не представляет сложности на Як-18Т, но требует увеличения объема
кабины Х-32, что технически вполне возможно, поскольку ее стенки не включены
в силовую схему и не воспринимают внешние нагрузки. Установка на борту Х-32
дополнительного груза массой 46 кг приведет к увеличению взлетного веса самолета
за счет больших полезной нагрузки, запаса топлива и массы нового, более мощного
двигателя. При этом летные характеристики не существенно изменятся в связи с
тем, что возможна модификация самолета с сохранением таких параметров как энерговооруженность,
удельная нагрузка па крыло и относительное удлинение. Таким образом, по конструкции
оба самолета лишь частично пригодны для использования в качестве АДЛ, эквивалентной
по составу оборудования АН-2. При этом Х-32 должен быть более существенно доработан
по сравнению с Як-18Т. Тем не менее, оба самолета пригодны для транспортировки
малого комплекта оборудования.
Сравнение самолетов по летным данным показывает, что Х-32 имеет наилучшие взлетно-посадочные
характеристики и минимальную рабочую скорость - 90 км/ч. Выбор в качестве рабочей
наивыгоднейшей скорости Vнв диктуется следующими соображениями. Во-первых, эта
скорость обеспечивает максимальную дальность полета самолета при фиксированном
запасе топлива на борту. В отличие от наивыгоднейшей экономическая скорость
Vэк позволяет достичь наибольшей длительности полета. Но этот параметр для контроля
газомаги-стралей менее важен по сравнению с максимальной дальностью. Во-вторых,
безопасный полет на минимальных высотах и течение длительного времени должен
проходить на первом режиме горизонтального полета, когда скорость самолета больше
Vэк. Таким образом, не смотря на то, что Як-18Т и Ан-2 могут выполнять устойчивый
полет на скоростях 150-115 км/ч, для эффективного и безопасного исполь-зования
этих самолетов при контроле газопроводов скорость полета должна быть в 1,56...1,94
раза больше, чем у Х-32. Следовательно, по рабочей скорости сверхлегкий самолет
обеспечивает лучшие условия для работы диагностической аппаратуры.
Рассмотрим поведение сравниваемых самолетов на скоростях Vнв при полете в турбулентной
атмосфере. Расчеты, выполненные по формулам (1) - (4), показывают, что перегрузки
и среднеквадратические
отклонения
у всех самолетов практически одинаковы, но Як-18Т имеет наибольшую вероятность
появления больших
перегрузок в полете (табл.3). Следовательно, по возможности стабильно обеспечить
заданную высоту полета Х-32 не уступает Як-18Т и Ан-2.
|
Табл.3 Характеристики сравниваемых самолетов при полете
в турбулентной атмосфере
|
№
|
Наименование параметра
|
Х-32
|
Як- 18T
|
Ан-2
|
1
|
Скорость горизонтального полета , м/с
|
25
|
48,6
|
38,8
|
2
|
Производная
|
3,95
|
3,9
|
4,1
|
3
|
Нагрузка на крыло, Дан/кв.м
|
39,4
|
80,96
|
66,3
|
4
|
Перегрузка при Wy=10 м/с
|
1,57
|
1,46
|
1,5
|
5
|
Перегрузка при Wy= 5 м/с
|
0,78
|
0,73
|
0,75
|
6
|
Перегрузка при \Vy= 2 м/с
|
0,31
|
0,29
|
0,3
|
7
|
Перегрузка при Wy= 1 м/с
|
0,16
|
0,15
|
0,15
|
8
|
F(0,3)
|
0,003
|
0,037
|
0,001
|
9
|
F(0,15)
|
0,103
|
0,258
|
0,151
|
При выборе носителя необходимо оценить безопасность его использования в качестве
АДЛ, поскольку самолет, пролетающий над газопроводом на предельно малой высоте
является источником повышенной опасности. Так, в случае отказа двигателя на
высоте 100 м следует оценить возможность сохранения АДЛ с экипажем и диагностической
аппаратурой без повреждения газомагистрали. Установленная на борту Х-32 парашютная
система МВЕН позволяет спасти самолет с экипажем при аварийной посадке с высоты
свыше 30 м. Вертикальная скорость снижения Х-32 с остановившимся двигателем
составляет 3 м/с. Следовательно, на принятие решения об использовании системы
спасения МВЕН при отказе двигателя на высоте 100 м летчик Х-32 имеет 23с. Самолеты
Як-18Т и Ан-2 при полете с Vim имеют максимальное аэродинамическое качество
Кмах = 10. Таким образом, в случае отказа двигателя на высоте 100 м Як-18Т и
Ан-2 могут планировать на расстояние около 1 км. При вынужденной посадке на
самолете Як-18Т с остановившимся двигателем его скорость должна быть не менее
160...170 км/ч, шасси убрано. Учитывая, что Vнв = 175 км/ч и посадочная дистанция
- 640 м, летчик Як-18Т практически не имеет шансов на успешную аварийную посадку
при отказе двигателя на высоте 100 м, поскольку время от отказа до встречи с
землей составляет немногим более 20 с. Кроме того, даже в случае удачной посадки
с убранным шасси Як-18Т будет выведен из строя. Несколько лучшие, по сравнению
с Як-18Т возможности за счет меньшей скорости полета и неубираемого шасси имеет
Ан-2. Однако более безопасным из трех самолетов следует признать Х-32.
По диапазону скоростей (Як-18Т- 120 км/ч, Ан-2 - 106 км/ч, Х-32- 40км/ч) и дальности
полета (см. табл.2) Х-32 уступает легким самолетам. Это означает, что его производительность
ниже, чем у Ан-2 и Як-18Т. Действительно, поскольку газопровод в большинстве
случаев находится в стороне от аэродромов, АДЛ должна часть полетного времени
и запаса дальности расходовать на подлет к трубопроводу и возвращение к месту
посадки. Поскольку среднее расстояние от аэродрома до газопровода неизвестно,
учесть непроизводительные затраты времени АДЛ пока невозможно. Поэтому определим
условное потребное количество самолетов для облета всей сети газопроводов один
раз в месяц при санитарной норме летного времени экипажей - 70 часов. Допускаем,
что аэродромы находятся в непосредственной близости от газопровода и весь путь
самолет проходит со скоростью Vнв. При этих допущениях получаем, что для однократного
контроля газмагистралей потребуется пять Х-32, три Як-18Т или три Ан-2. Учитывая
стоимость новых самолетов, получим, что затраты на приобретение пяти Х-32 (80
тыс. долл.) оказываются на 11% меньше стоимости трех Як-18Т или трех Ан-2 (90
тыс. долл.). Расчеты себестоимости летного часа, выполненные с учетом современных
цен на топливо, масло и другие расходы по состоянию на май 1994 г., показывают,
что Х-32 (себестоимость часа равна 25 долл.) в два раза выгодней по сравнению
с Як-18Т (60долл) и в четыре раза эффективней Ан-2 (110 долл.).
Таким образом, комплексное сравнение эффективности применения трех самолетов
в качестве авиационной лаборатории показывает, что в позволяет сократить расходы
на диагностику состояния газомагистралей при сохранении качества современных
условиях наиболее приемлемым вариантом является использование Х-32. Этот сверхлегкий
самолет контроля и при повышении безопасности полетов.
С.А.Арасланов, А.В. Ткаченко
Список литературы
1.Кан С.Н., Свердлов И.А. Расчет самолета на прочность. -М.: Машиногостроение,
1966.- 519 с.
2.Тейлор Д. Нагрузки, действующие на самолет (пер. с англ.).- М.: Машиностроение,1971.-
372 с.
АВИАЦИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ |
Информационный бюллетень |