ЗА КАЧЕСТВО АВИАРАБОТКачество авиационных работ в сельском хозяйстве в значительной мере зависит от точности внесения заданной нормы вещества на единицу обрабатываемой площади. Указанная точность зависит как от погрешности расхода вещества через дозирующее устройство, так и от равномерности его распределения на обработанном поле. Снижение погрешности расхода достигается путем оптимизации конструкции дозирующего устройства, а улучшение равномерности распределения - соответствующим размещением распыливающих (рассеивающих) устройств относительно летательного аппарата. При этом необходимо учитывать влияние на траектории осаждения частиц различных факторов: размера и формы частиц вещества, их начальных векторов скорости движения, турбулентности атмосферы, а также движения воздушной среды, индуцируемого вихревым следом, и др. Вихревой след за летательным аппаратом является фактором, постоянно влияющим на осаждение и распределение вещества по обрабатываемой поверхности. Влияние это может быть как положительным, так и отрицательным. Чтобы полнее использовать положительное влияние вихревого следа на качество распределения веществ по обрабатываемой поверхности и уменьшить его отрицательное воздействие, выражающееся в неравномерном распределении и нежелательном сносе вещества за пределы обрабатываемого поля, необходимо проведение исследования влияния этого фактора на процесс осаждения распыленных веществ. Анализ траекторий осаждения частиц вещества с учетом влияния на них вихревой системы летательного аппарата и начальных условий распыла позволит найти оптимальные зоны размещения распылителей относительно летательного аппарата в зависимости от параметра оптимизации (например, от равномерности распределения распыляемого вещества по обрабатываемой поверхности).
В настоящее время широкое применение в сельскохозяйственном производстве находят сверхлегкие летательные аппараты, в том числе дельталеты, которые, как указывалось в статье "Путь к успеху" ("АОН", №7'99), имеют существенные отличия от своих предшественников в общей компоновке, оригинальности крыла и в других элементах конструкции, которые неизбежно отражаются и в особенностях вихревого следа. Поэтому перенести имеющиеся технологии выполнения авиационных работ с использованием самолетов и вертолетов на дельталет без соответствующей корректировки не представляется возможным. Для решения этой задачи необходимо проведение специальных летных исследований вихревой системы дельталета и изучение особенностей ее влияния на процессы осаждения веществ в условиях, характерных для выполнения авиационных работ.
В вертикальной плоскости с удалением от задней кромки крыла кривизна осей результирующих вихрей меняется и они асимптотически приближаются к некоторой поверхности, параллельной земле. Причем направление отклонения осей существенно зависит от высоты полета (см. статью "Путь к успеху", "АОН", №7'99). В горизонтальной плоскости оси вихревых жгутов вначале сближаются, а затем расходятся в стороны с некоторым ускорением. На определенном расстоянии за дельталетом удаление вихрей друг от друга прекращается. И в таком положении они остаются до полного угасания. В случаях полета с боковым ветром вихревые жгуты смещаются по направлению ветра. При этом жгут, расположенный вторым по направлению ветра, перемещается вверх от земли, а первый прижимается к земле.
В вертикальной плоскости вихревые жгуты, как правило, под действием индуктивного потока отклоняются вниз по закону, описываемому некоторой алгебраической функцией, которая имеет асимптоту, параллельную обрабатываемой поверхности. Расстояние этой асимптоты от обрабатываемой поверхности зависит от полетной массы дельталета, размаха и площади крыла, скорости и высоты полета, характера подстилающей поверхности и состояния атмосферы. При выполнении полетов на малых высотах асимптота может находиться выше крыла дельталета. Выявление закономерностей поведения вихревых жгутов от указанных факторов требует постановки специальных летных исследований в условиях, характерных для выполнения авиационных работ по распределению веществ.
Как уже отмечалось, поле скоростей воздушной среды за дельталетом оказывает существенное влияние на процесс осаждения распределяемых авиационным способом веществ. Механизм этого влияния становится более понятным, если использовать простой и наглядный метод определения поля скоростей вокруг вихревого жгута. Для этого в аэродинамике рассматривают бесконечно длинный прямолинейный вихревой жгут с напряжением, эквивалентным циркуляции Г. В плоскости, перпендикулярной вихрю, проводят окружность, ограничивающую поверхность ядра вихря, радиуса rо с центром на оси вихревого жгута (рис. 4). Считают, что во всех точках этой окружности тангенциальные скорости Uо одинаковы по величине и направлены по касательной к окружности. Тогда циркуляцию скорости Го по этой окружности в момент образования вихря определяют по формуле:
В то же время циркуляция скорости Го в границах r > rо без учета затухания вихря может быть определена по формуле Н.Е. Жуковского: Го = Yо / с VL, Тогда, зная диаметр вихревого жгута (радиус rо) и Го, легко определить скорость циркуляции за пределами ядра вихревого жгута, т.е. при r > rо:
Если предположить, что угловая скорость вращения w по сечению вихря постоянна и ядро вихря вращается, как твердое тело, то внутри вихря тангенциальная скорость будет изменяться по линейному закону и на оси ядра вихря она будет равна нулю. Эта модель не вскрывает истинную физическую сущность явления, однако является удобной математической моделью этого процесса. При этом индуцируемая вихревым жгутом скорость в окружающей воздушной среде по мере удаления от поверхности ядра вихря в направлении, где отсутствует поверхность раздела сред, будет изменяться, убывая по гиперболическому закону. А в направлении, где существует поверхность раздела сред (например, обрабатываемая поверхность), скорость будет изменяться таким образом, что на поверхности раздела она будет равна нулю. Из этого следует, что воздействие поля скоростей на осаждающиеся частицы будет различным в зависимости от места расположения распыливающих устройств. При этом необходимо учитывать размеры ядра вихря, которые, как показали предварительные исследования, вполне соизмеримы с размахом крыла и колеблются от 1,5 до 2,5 м. Результаты замеров диаметра ядра вихря из-за недостатка статистического материала не позволяют сделать определенные выводы о динамике его развития. Однако имеющиеся данные свидетельствуют об увеличении диаметра ядра с течением времени, что согласуется с теоретическими положениями аэродинамики. Наряду с описанной выше динамикой поведения вихревого следа за дельталетом в летных исследованиях нами выявлены и некоторые особенности, представляющие на наш взгляд практический интерес.
В результате наложения противоположно направленных течений воздушной среды (ветра и течения, индуцируемого ближайшим свободным вихрем), а также взаимодействия с вихрем, образуемым воздушным винтом дельталета, образуется новый вихрь, осевая линия которого навивается вокруг оси ближайшего результирующего вихря. Вокруг оси этого (дополнительного) вихря образуется вращательное движение, противоположно направленное движению, индуцируемому основным вихрем. В результате вращательного движения воздушной среды, возникающего вокруг оси дополнительного вихря, частицы распыленного вещества, находящиеся на орбитах вокруг оси основного вихревого жгута, переходят на орбиты вокруг дополнительного вихря, что создает дополнительное облако цилиндрической формы, вращающееся как вокруг собственной оси, так и вокруг оси основного вихря и являющееся в результате этого сложного движения источником сноса частиц вещества за пределы обрабатываемого поля. Образование дополнительных вихрей зависит от режимов и условий полета, в том числе от скорости и высоты полета, от силы и направления ветра. Проверка причин возникновения дополнительного вихря и оценки его влияния на агротехнические характеристики распределения веществ требует постановки летных исследований по специальной программе. Можно предположить, что образование дополнительного вихря (как спутника основного) характерно в подобных условиях и для других летательных аппаратов, используемых на авиаработах, что может при определенных условиях влиять не только на качество авиационных работ, но и на безопасность полетов. Таким образом, предварительные летные исследования показали следующее.
А.Н. Россихин, начальник отдела, канд. техн. наук; |
Опыт размещения распыливающих устройств на летательных аппаратах (например, на самолетах типа Ан-2, вертолетах типа Ми-2, Ми-8 и Ка-26), применяемых для обработки сельскохозяйственных угодий, в ОАО "Научно-производственная компания применения авиации в народном хозяйстве" (г. Краснодар) имеется. Многолетние исследования и данные на их основе рекомендации позволили не только модернизировать авиационную сельскохозяйственную аппаратуру, разработать новые технологии, но и предложить принципиально новые технические устройства для распределения веществ с указанных типов летательных аппаратов, многие из которых защищены авторскими свидетельствами на изобретение (а.с. СССР № 519360 "Устройство для авиационного опрыскивания"; а.с. СССР № 513905 "Летательный аппарат для сельскохозяйственных работ" и др.). Лучшая равномерность распределения была достигнута на вертолетах Ми-8 и Ка-26. При этом за счет оптимального размещения распылителей на вертолетах коэффициент неравномерности распределения был уменьшен с 70-75% до 20-25%. А качество обработки, как известно, тем лучше, чем меньше коэффициент вариации, характеризующий неравномерность.
Предварительные летные исследования (рис.1 и 2), проведенные ОАО НПК "ПАНХ" (г. Краснодар) в рамках Программы "Ассоциация" (исполнительный директор Ю.С.Ройтбург) совместно с ЗАО "Центр перспективных технологий" (исполнительный директор А.В.Ермолин, г.Тольятти) показали, что вихревая пелена за дельталетом в непосредственной близости к задней кромке крыла (рис.3), сворачивается в два результирующих вихревых жгута, начальное расстояние между осями которых равно 0,75 размаха крыла. Оси результирующих вихревых жгутов имеют переменную кривизну в пространстве.
Данное явление вполне объясняется существующими физическими представлениями об обтекании воздушным потоком твердого тела. Как известно, в аэродинамике вихревой жгут (ядро вихря) моделируют как вращающееся твердое, заполненное сплошным образом тело цилиндрической формы. Тогда в наблюдаемом явлении (рис.4) ядро второго по воздушному потоку результирующего вихря имеет на своей поверхности в верхней его части линейную скорость w rп, направленную противоположно скорости ветра W. Относительная скорость обтекания верхней поверхности ядра вихря будет равна сумме скоростей течения воздушной среды W и окружной скорости w rп поверхности этого ядра. Нижняя поверхность ядра вихря обтекается воздушной средой с относительной скоростью, равной разности модулей скорости течения воздушной среды и окружной скорости поверхности ядра, т.е. с меньшей относительной скоростью. Таким образом, второй по потоку вихревой жгут за счет образующейся подъемной силы Y2 удаляется от земли, а первый за счет аэродинамической силы Y1, направленной вниз, прижимается к земле. В результате таких перемещений вихревых жгутов поверхность, проходящая через их оси, своей верхней стороной как бы поворачивается навстречу ветру.
Общий вид геометрии вихревых жгутов за дельталетом, полученный на основе визуализации с использованием дымовой пелены и облака импульсно распыленной жидкости, представлен на рис. 5.
В частности, нами впервые визуально обнаружено появление дополнительного вихря, (рис. 3 и 6), ось которого, вероятно, имеет форму винтовой линии, обвивающей основной результирующий жгут. Это происходит при поперечном направлении течения воздушной среды к осям результирующих свободных вихрей. Здесь возможно следующее предположение.