Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ВНЕСЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ С СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ВЕРТОЛЕТОВ

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ВНЕСЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ С СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ВЕРТОЛЕТОВ"



На оравах рукописи

ДУДНИК ВИТАЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ВНЕСЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ С СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ВЕРТОЛЕТОВ

11.00.11. - «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов (технические науки)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону 1998

Диссертационная работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения

Научный руководитель;

доктор технических наук, профессор, член-кор. Международной Академии Наук экологии и безопасности жизнедеятельности Медиокригский ЕЛ.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Штокман Е.А.

кандидат технических наук, доцент Егоров ПА.

Ведущая организация: ОАО «ОКБ Ростов-Миль»

Зашита состоится " - декабря " 1993 года вУГ

часов

на заседании диссертационного совета К.063.64.04 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Ростовском государственном строительном университете по ддресу; 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

С диссертацией можно ознакомиться а библиотек1; Ростовского государственного строительного университета. ■ 7

Автореферат разослан " /5 " "НОйВрЯ .

Ученый секретарь диссертадаонногр^ейета, К.ТЛ1., допент - Пугаенко СЛ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ:

Проблема производства сельскохозяйственной продукции, в связи с перенаселенностью нашей планеты в последние годы, становится весьма актуальной.

Авиахимические работы являются составной частью процесса, производства продуктов гагтания. Они применяются во многих случаях, тахих как борьба с насекомыми, внесение удобрений и микроэлементов, борьба с болезнями растений, аэросев, дефолиация. Обработка посевов с воздуха способствует существенному повышению урожайности сельскохозяйственных-культур и рентабельности производства продуктов питания. Однако, одновременно с этим, с особой остротой стоит проблема защиты окружающей среды, которой наносятся существенный урон при неправильном внесении удобрений и ядохимикатов, вследствие их высокой токсичности.

Наиболее ощутимым из отрицательных эффектов, присутствующих при авиахимической обработке, является снос химикатов, который наносит большой вред окружающей среде и угодьям, расположенным вблизи обрабатываемых участков. Исследования, проведенные при обработке полей в Краснодарском крае и Ростовской области, показали, что каждый ■ сельскохозяйственный вертолет Ми-2 в результате сноса химикатов ежедневно подвергает несанкционированной обработке до 25 га угодий. Опасность сноса заключается в том, что химикат может попасть на посевы, для которых он не предназначен, и повредить их. Например, селективные гербициды могут уничтожать или наносить вред многим сельскохозяйственным и плодоовощным культурам, лесным массивам, причем в некоторых случаях опасность представляют даже незначительные дозы. Химикаты могут убивать пчел и рыбу, загрязнять посевы, предназначенные в пищу человеку или на корм скоту. Степень опасности зависит от применяемого химиката. Некоторые из них едва ли представляют опасность, что же касается других, то опасны даже их пары. Кроме того, сносимый химикат не попадает на обрабатываемые посевы, снижая тем самым эффективность обработки. Большинство авнахимических работ требует очень точного распределения химикатов. При применении ряда препаратов неточности быстро становятся очевидными, так как вызывают неравномерный рост или окраску

НАЛЬНАЯ ..ЛУЧНАЯ БИьЛИОТЕНА Моск. селижохое. ахал«»***

посевов, проявляющуюся в виде полос или пятен на поле. Неравномерный рост вызывает полегание более высоких посевов. В связи с появлением препаратов, содержащих высокие концентрации, равномерное внесение становится все более сложным, а неточности все более очевидными.

Современные пестициды, несмотря на свою высокую токсичность, имеют, как правило, небольшое время детоксикации, то есть в течение сравнительно небольшого промежутка времени препараты трансформируются и разлагаются на относительно безопасные соединения. В этих условиях, особую роль играет повышение экологичности именно методов внесения химикатов.

В нашей стране, не смотря на общеэкономический кризис, авиахимические работы широко используются при обработке посевов; и исследование методов, уменьшающих вредное воздействие на окружающую среду и. повышающих точность внесения,химических веществ с воздушного судна, в настоящее время является весьма необходимым:

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является изучение эффективности существующих и разработка новых методов уменьшения вредного воздействия авнахимических работ на окружающую среду.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов заключается в:

- создании методики компьютерного анализа осаждения распыленных капель;

- разработке модели движения частиц в индуктивном следе сельскохозяйственного вертолета;:

- установлении эффекта дисбаланса плотности и размеров полосы обработки между распыляющими, устройствами, расположенными справа и слева от сельскохозяйственного вертолета.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ научных исследований подтверждается использованием классических положений динамики, экспериментами на сельскохозяйственных вертолетах н удовлетворительной сходимостью полученных при моделировании результатов с экспериментальными данными.'

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНА ЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ состоит в возможности использования разработанной методики расчета траектории капель при проектировании распыляющей аппаратуры

и для совершенствования подготовки и переподготовки пшютов сельскохозяйственных вертолетов. Кроме того, разработано устройство, которое может быть включено в состав навесного сельскохозяйственного оборудования вертолета. Применение его показывает хорошие результаты п приводит к существенному сокращению площадей, подверг* шихся несанкционированной обработке, снижению психофизиологической нагрузки па пилота, уменьшению расхода химикатов и снижению эксплуатационных расходов для сельскохозяйственного вертолета.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы были внедрены:

при обработке сельскохозяйственных угодий в Ростовской области и Краснодарском крае авиапредприятисм "АэроКубань", г£йск;

в учебном процессе при подготовке н переподготовке пилотов сельскохозяйственных вертолетов в СК УТЦ ГА, г.Ростов-на-Дону.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Текущие выводы и результаты исследований были представлены наследующих конференциях:

• "Промышленная экология - 97"—СЛетербург, 1997г;

• ■ третья международная конференция " Экология и здоровье человека". - Ростов-на-Дону, 1997г;

• двенадцатая научно-техническая конференция "Машиностроение: интеграция отраслевой и вузовской пауки". - Ростов-на-Дону, 1998г;

• межвузовской научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды" 1997, 1998гг. г.Ростов-иа-Дону.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, содержит 155 страниц, из них 128 страниц основного текста, 30 рисунков, 3 приложения, 13 таблиц.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие основные положения:

- методика компьютерного анализа осаждения распыленных капель;

- модель движения частиц в индуктивном следе сельскохозяйственного вертолета;

- метод повышения точности внесения химических веществ с сельскохозяйственных вертолетов путем использования системы двойных интерцепторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для оценки эффективности методов уменьшения сноса химикатов при различных атмосферных условиях и наглядной демонстрация физической картины этого явления была создана динамическая модель движения капель после выброса из распылителей сельскохозяйственного вертолет Построение модели связано с поиском компромисса между чрезмерной усложненностью и недостоверностью: модель должна адекватно описывать реальные физические явления и в то же время должна бьпь достаточно простой, чтобы ее можно было применять для решения практических задач. Процесс распыления капель при авиахимических работах можно рассматривать как двухфазную среду с очень малой концентрацией- В этом случае можно полагать, что присутствие частиц не влияет на параметры несущей среды (приближение единичной частицы). Тогда вначале решаются уравнения движения газа, а затем по известным его параметрам определяются траектории частиц и изменение их состояния вдоль траекторий. Траектория частицы после выброса может быть определена интегрированием проекций мгновенных скоростей под воздействием различных сил и потоков воздушных масс. ,

При неравномерном движении сферической частицы в вязкой несжимаемой жидкости на нес действуют: продольные силы сопротивления (квазнстационарная сила, зависящая от числа Рейнольдса; инерционная сила, зависящая от мгновенного значения ускорения; сила Бассе, зависящая от предыстории движения и определяемая функционалом сложного вида) п поперечные силы (сила Магнуса, вызванная вращением частицы и сила Сафмеяа, возникающая при движении вращающейся частицы в жидкости со сдвигом).Существуют и другие составляющие силы сопротивления частицы, зависящие от формы и состояния поверхности частиц, степени турбулентности потока, разреженности газа, градиента давления и других факторов (турбофореза, термофореза, фотофореза). Сюда следует добавить силы, возникающие вследствие вращательного движения потока вокруг центров вихревых шнуров. Таким образом общее уравнение движения единичной частицы имеет следующий вид:

л

где щ - масса частицы; у - вектор скорости единичной частицы; V ¡Г. - суммарный вектор сил действующих на частицу.

1

Однако сипы, действующие на часпшу и имеющие порядок по отношению к силе лобового сопротивления равный отношению плотности воздуха к плотности частицы в расчет не принимались.

В рассматриваемом случае величина коэффициента лобового сопротивления частицы однозначно определялась четырьмя размерными величинами: диаметром частицы, относительной скоростью, плотностью и вязкостью среды. Эта величины имеют три независимые размерности. Из них можно составить только один безразмерный параметр -число Не:.

Для описания стандартной кривой сопротивления использовались степенные зависимости:

Ск=АКе"п; (2)

при этом значения коэффициентов Лип задавались в параметрическом виде в зависимости от числа Н.е.

Движение воздушных масс внешнего потока. рассматривалось происходящим под действием природных атмосферных потоков и воздушных масс, перемещаемых несущим винтом вертолета.

Градиент ветра в приземном слое задавался параметрически. Движение воздуха в следе, организуемом несущим винтом вертолета, в общем случае, можно представить в виде индуктивного патока несущего винта, проходящего через диск и движущегося вниз под углом к продольной. оси и двух вихревых шнуров, циркуляция которых обусловлена разностью давлений между верхней и нижней поверхностью диска несущего винта.

Импульсная теория несущего винта, используемая па первом этапе расчета индуктивного следа, позволяет рассчитать среднюю ин-. дукгивную скорость несущего винта в зависимости от параметров движения. При пропульсивном движении воздушного вшгга структура нн-дукгавного следа претерпевает значительные изменения. Скорости внутри него значительно выравниваются. В таких условиях, в расчетах

с достаточной степенью точности можно использовать величину средней скорости индуктивного потока. Исключение составляет район вблизи плоскости симметрии вертолета. Существующая в этой части рледа, дорожка Кармана, вызванная нестацнонарностью обтекания фюзеляжа и баков химаппаратуры приводит к существенному искажению следа в центральной части. Однако, в этой зоне работает только задняя распыляющая штанга, которая удалена от границ выброса и центров вихревых шнуров и не может оказывать значительного влияния на величину сноса химических веществ. В исследовании рассматривалось распыление только из боковых штанг. Для решения уравнения индуктивного потока использовался метод Ньютона. Начальная циркуляция вихревых шнуров ГО определялась по формулам полученным в ЦАГИ. Однако, в остающемся после вертолета вихревом следе интенсивность шнуров уменьшается. Через некоторое время шнуры распадаются и их циркуляция становится равной нулю. Полностью оценить процесс распада вихря довольно сложно, поэтому

в рассматриваемом случае использовалась линейная зависимость:

\

(3)

Г = Г0

1- — к '«

где t, - время существования вихря.

Для определения величины времени жизни вихрей был выполнен эксперимент. В ходе него для вертолета Мн-2 на режимах сельскохозяйственных работ была определена средняя величина t,=22.6 (с).

По описанной методике на языке Borland С была создана программа расчета траектории частиц, распыленных вертолетом Ми-2 в процессе сельскохозяйственной обработки. Также было выполнено несколько модификаций этой программы, оптимизированных, для определения отдельных параметров. Интегрирование уравнений движения с учетом поля скоростей внешнего потока производилось численным методом. Заданный временной интервал - 0.001с обеспечивал хорошую сходимость и достаточно высокую точность результатов.

В процессе расчета программа визуализировала траекторию и создавала файлы данных, в которые заносились координаты траектории частиц.

Для уменьшения затрат машинного времени точки выброса на распыляющей штанге были заданы неравномерно. В центральной

зоне, там, где капли меньше оказывают влияние на снос, точки выброса были заданы реже. Ближе к внешней границе пгганг точки задавались гуще.

Торцевая форсунка, выбрасывающая крупные капли, не может оказывать существенного влияния на снос и поэтому не представляла значительного интереса в данном исследовании. Однако, дня демонстрационных целей она была введена. Данные о диаметре и функции изменения поперечной скорости исходящих оттуда капель ие были определены, поэтому были заданы приближённо. Примеры результатов расчетов по данной методике представлены на рис.1.

Расчеты, выполненные для определенных соотношений параметров, сравнивались с затемненными фотографиями реального распыления и показали весьма близкую картину движения капель. Более точно особенности распределения в дальнейшем были подтверждены экспериментом

Как следует из расчетов, траектории частиц небольшого диаметра имеют достаточно сложную форму. Часть капель оказывается поднятой на значительную высоту, существенно превышающую высоту выброса. Более сильное циркуляционное движение, крайних капель приводит к расширению полосы обработки.. Крупные капли меньше подвержены влиянию боковых вихрей, существующих в следе вертолета. Расчеты показали, что воздействие циркуляции вихревых шнуров может приводить к несколько парадоксальному результату, который невозможен при распылении с наземных установок. При некоторых соотношениях параметров полоса, обработанная штангой, расположенной со стороны обратной ветровому потоку, существенно расширяется, в то время как полоса от подветренной штанги может даже сужаться. Соответственно значительно меняется плотность распределения химиката. Использование устройства, регулирующего различную подачу жидкости в левую и правую штанги, в зависимости от текущих атмосферных условий, помогло бы решить эху проблему.

Практически при любых сосггаошениях. параметров частицы в центральной зоне, находящейся непосредственно под воздействием индуктивного патока несущего винта, ведут себя сравнительно «спокойно» - и имеют небольшую величину смещения относительно точки выброса.

Расчеты, выполненные дня капель малого диаметра (<3,=200шсм и менее), показали, что они легко увлекаются вихревыми шнурами и

О /0 20 30 40 50 и

Рис. 1 Траектории осаждения капель диаметром 275мкм с высоты Зм при различных скоростях бокового ветра.

длительное время опускаются на землю. После выброса капли таких размеров чувствительно подвержены испарению, особенно в условиях продолжительного падения.

Анализируя полученные данные предельной величины смещения частиц, можно констатировать следующие особенности.

Наиболее сильно на величину сноса влияет диаметр капель. Введение в состав химиката незначительного количества вяжущего реагента, увеличивающего размер капель, например, с 300 до 500мкм, уменьшает снос на 48.7%. В тоже время, снижение высоты полета с 5 до Зм уменьшает величину сноса всего на 17.6%. Таким образом, бытующее среди пилотов сельскохозяйственной авиации мнение о том, «tro неиспользование вяжущих добавок может компенсировать уменьшение высоты обработки, нельзя считать истинным..

Как показали1 расчеты, увеличение: вертикальной составляющей скорости выброса, направленной в сторону земли, не приводит к существенному результату . Капли, особенно мелкие, достаточно быстро тормозятся в атмосфере.

Для < определения: соответствия; описанных: ранее особенностей реальному движению капель был выполнен эксперимент по изучению осаждения капель жидкости, выброшенных с вертолета при различных атмосферных условиях. В ходе эксперимента производился выброс капель красящего раствора из сельскохозяйственной аппаратуры вертолета Ми-2 в полете с параметрами, соответствующими режимам авиаци-овно-химической i обработки¡ растений с - высоты; 4м. На ■ поверхности земли раскладывались. три полосы - белойi бумаги шириной; 0 Д97м и -длиной 38м. Для эксперимента использовалась стандартная конфигурация комплекта распылительной аппаратуры, настроенная на крупнокапельную обработку. При этом центральная штанга была заглушена. Такое распыление позволлло отследить ие только внсншие границы обработанного участка, но и ширину участка, обработанного каждой: боковой штангой.

Было выполнено два пролета над контрольными участками с распылением красителя:

1. с правым боковым ветром;

2. со встречным ветром.

Скорость ветра контролировалась анемометром У-4, установленным на шесте.-Бумага раскладывалась поперек линии движения вертолета.' На контрольной отметке бокового ветра раскладывалась две

полосы бумаги. Некоторый разнос полос по дистанции представлял, определенный интерес для выявления возможной продольной неравномерности распределения капель.

Распыление начиналось на расстоянии ~30м до полос и заканчивалось на расстоянии —30м после пролета над полосами. После про» супшвания на полосах бумаги остались следы красителя. Полученные таким образом; контрольные отпечатки подвергались сканированию. Дня этих цепей специально был разработан метод компьютерной обработки данных осаждения красителя и создана программа.

После сканирования рисунка в черно-белом диапазоне производилось < приведение ; по идентификационным - зависимостям. к массе красителя на одном листе. Для уменьшения времени обработай данных разрешение: при; сканировании: было- пришгго 75<1ри Чтобы уменьшить. неравномерность,. вызванную - влиянием; мелких. сдвигов атмосферы, суммировалась масса красителя на шли листах (1метр по длине;бумаги). Листы,.на;которых отсутствовали следы попадания красителя, сканированию не подвергались.

Скорость ветра по данным анемометра составляла 1.8м/с, что соответствовало скорости ветра 2.05м/с вне приземлого слоя.

По результатам обработки данных всех контрольных отпечатков были отмечены некоторые общие тенденции. На всех трафиках четко отслеживалось значительное количество красителя в центральной части, . в начале полосы оседания. Этот, максимум < обусловлен высокой -степенью давления жидкости на входе в распылительную штангу. Еще один максимум наблюдался ближе к оконечности распыленной полосы. Этот пик вызван использованием на внешнем торце штанги распылительной форсунки увеличенного диаметра.- Более крупные капли го этой форсушш меньше подвержены влиянию вихрей, поэтому, несмотря на наличие боковой скорости, падают ближе к оси симметрии, чем мелкие капли из соседних форсунок. На перекрытом участке на большинстве отрезков данные распределения по дистанции меняются незначительно.

При обработке данных был определен общий интеграл обработки каждой полосы. В обоих пролетах правая штанга выбросила меньше красителя, чем левая. Как оказалось в дальнейшем, это было вызвано дефектом нагнетающего устройства распыляющей аппаратуры испытательного вертолета. Кроме того, в результатах заметно существенное уменьшение количества красителя, выброшенного в ходе

второго пролета. Это объясняется общими техническими недостатками ■ химаппаратуры. Давление в системе распыления зависит от уровня-: жидкости в баках н времени, прошедшего посяг включения насоса.

Наиболее существенный результат, который был получен в ходе эксперимента, подтверждал теоретические исследования, и заключался в том, что при наличии бокового ветра полоса, обработанная штангой, расположенной < с подветренной стороны,- существенно сжимается, а полоса от противоположной штангп расширяется. Соответственно, и платность концентрации химических веществ с одной стороны возрастает, а с другой падает.

Условия, существовавшие во время опыта, были использованы для: теоретического ятгспаримеитй ■ С круп НИМИ уяптигмттчридтучтыв ттр<У-грамму решения дифференциальных уравнений движения капель. Теоретическая модель достаточно хорошо объясняла данные, полученные -в реальном эксперименте. Модель показала, что на асимметрию обработки в условиях даже небольшого бокового ветра существенное влияние оказывает взаимодействие капель с вихревыми шнурами. Некоторое различие в величине внутренней границы полосы, обработки, очевидно, объясняется торможением индуктивного потока у земли. Однако, на величину сноса это явление практически не оказывает, влияния, так как капли, резко опустившиеся почти до земли, уже не могут оказать существенного влияния на общую величину сноса химикатов.

Как следует из расчетов, уменьшение сноса химикатов увеличением размеров частиц весьма эффективно. Однако, более высоких результатов можно добиться, совмещая такие методы с методами, повышающими точность отслеживания траектории сельскохозяйственного летательного аппарата в зависимости от атмосферных условий. Фактически = первое направление позволяет уменьшить. ширину полосы несанкционированной обработки, а второе - уменьшить длину этой полосы.

Вертолет Ми-2,.который;широко используется на авнахимиче-ских работах,, был: спроектирован- главным образом- как учебно-тренировочный-вертолет ВВС и. ДОСААФ; и его характеристики на режимах сельхозобрабатки не являются оптимальными. При низкоско* -ростном. опылении растений * вертолет очень плохо - разворачивается -вправо, а при некоторой величине бокового ветра поворот становится вообще невозможен. Из-за этого время реакции вертолета на нестабильные атмосферные условия и орографическую турбулентность при

необходимости перемещения вправо имеет значительную продолжительность, что отрицательно сказывается на точности внесения хими- -ката, прячем особенно на величине сноса при движении у края поля.

Дня возможности компенсации этого недостатка было решено использовать систему двойных шггерцепторов хвостовой балки. Результаты предварительных исследований показали, что максимальную эффективность интер-цепторы имеют именно на режимах сельскохозяйственной обработки. Фактически устройство могло стать конверсионной доработкой вертолета Ми-2, значительно улучшающей. характеристика движения; во время выполнения ; химических работ. Само устройство предельно просто и представляет собой два интерцептора, расположенные на од ном борту хвостовой балки вертолета, один в верхней части, другой в нижней,™.

Верхний ивтерцепгор слрывал индуктивный г поток несущего винта, обтекающий хвостовую, балку и создавал разность давлений с правой и левой стороны, что приводило к возникновению сипы, стремящейся развернуть вертолет в сторону, противоположную реактивному моменту несущего винта. Нижний шггерцегггор гарантировал обеспечение невозврата оторванного потока • в > случае' значительного * бокового ветра. Полученный таким образом момент, относительно оси I несущего винта,- - позволял частично компенсировать несимметричность путевого управления на=режимах сельскохозяйственной обработки.

Эффективность влияния навесных интерцепгоров на уменьшение сноса химикатов была рассчитана решением-дифференциальных; уравнений динамики движения совместно с программой расчета траектории капель.

Определение размеров участка снесенных химикатов возможно -путем отслеживания; траектории' движения' сельскохозяйственного вертолета при горизонтальных; атмосферных возмущениях. В первую -очередь, рассматривалась' возможность - опыляющего вертолета развернуться за минимальное время, чтобы выйти на новую траекторию, которая позволила бы опрыскивать только те участки,- которые необ- -ходимо обработать. Рассматривалась необходимость правого смещения - после: воздействия атмосферных; изменений, так ; как /именно в -этом случае вертолет не имеет возможности быстро сместиться на необходимую траекторию. Левый поворот при этом может выполняться очень интенсивно. Он ограничен' конструктивно : величиной1 угловой скорости - 20%. -

Расчет максимальной угловой скорости в каждый момент времени при правом повороте велся путем решения уравнений момента количества движения

М = (КЗ/ск; (4)

где С - - вектор момента количества движения. Максимальный управляющий момент, который может возникнуть при правом повороте ограничен многими факторами. В первую очередь,. это скорость движения, направление и скорость ветра, температура воздуха, барометрическое давление и высота площадки над уровнем моря.. Источником этого момента является рулевой винт вертолета, который: изменением углов установки лопастей создает дополнительную силу на плече хвостовой балки. Увеличить величину путевого момента можно установкой дополнительных устройств • двойных интерцепторов. Максимальный путевой момент рассчитывался по следующей зависимости: М^Мр.-Мр^+М.; (5)

где Мр. - момент создаваемый рулевым винтом; реактив-

ный момент несущего винта; М, - дополнительный путевой момент создаваемый интерцепторами.

Величина дополнительного момента, созданного навесными устройствами равна:

Щ = Тс^Да,)^ 8х6.со3?Ас1х (6)

■ ■ «2: . . . 7 где X) и х2 продольные координаты передней и задней границы интерцепторов,- Се,* - коэффициент боковой силы,' создаваемой интерцепторами, Ухе - скорость потока обтекающего хвостовую балку, Е^ - характерная площадь, Л - угол скоса потока.

Угол атаки а* в данном случае зависит от боковой составляющей скорости ветра. Для определения величины коэффициента боковой силы в зависимости от величины угла а*, потребовалось проведение экспериментов в аэродинамической трубе.

Опыты проводились с уменьшенной моделью дифференцированного элемента средней части хвостовой балки вертолета. Для: выполнения продувок было изготовлено две модели в масштабе 1:3.1. Дня ■ исключения влияния концевого перетекания потока на результаты, экспериментов, - по краям. моделей; устанавливались шайбы диаметром:

<і„=0.8(Ім. Уменьшение влияния поверхностного трения было достигнуто покрытием моделей мелкодисперсным лаком. Первая модель была геометрически подобна средней части хвостовой балки сельскохозяйственного вертолета Ми-2 стандартной конфигурации и представляла собой цилиндр с установленным впереди гаргротом.

По поверхности цилиндра с шагом 10° были нанесены отметки < с указанием величины азимута. Вторая модель была в целом аналогпч- -на первой, однако, имела установленные по одному борту ингерцепто-

ры с угловым расположением ф(=540 и фі=136.5в относительной высотой 0.07^ и 0.05^. Аэродинамические весы, соединенные с узлами. подвески, позволяли измерять подъемную силу, силу лобового сопротивления и аэродинамический момент.

В ходе эксперимента первоначально определялась зона автомо-делыюсти по постоянству коэффициента аэродинамического сопротивления Сц> от числа Не.

Для этого были выполнены продувки первой модели на разных

скоростях с выдерживанием постоянного угла атаки (Х^Н)0.

После достижения Ке=1.3х105 (У=8м/с) величина С^, оставалась практически постоянной. Основные эксперименты были выполнены при 11е=1.97Х10* 12 м/с).

Из полученных данных следовало, что на большинстве рабочих углов атаки установка двойных интерцепторов приводит к появлению существенной дополнительной величины боковой сипы. При этом коэффициент силы сопротивления также возрастает, однако это увеличение сравнительно небольшое: Для: более детального анализа такого результата в ходе эксперимента на некоторых углах атаки измерялись давления в потоке, обтекающем дифференцированный элемент. Для измерения использовалась трубка Пито, соединенная с микроманометром. Был обнаружен эффект, несколько прояснивший полученные результаты. После - введения элементов, инициирующих отрыв' потока, средняя линия тока сместилась вправо (в сторону иптерцепторов, рис. 2), что вызвало преждевременный отрыв потока - с левой стороны

(примерно на 15°). Разрежение, вызванное обтеканием выпуклых поверхностей, смещается вперед по потоку, превращаясь при этом в подсасывающую силу.

иитерцепторов (вверху) и с ннгерцепторами (внизу) при нулевом угле атаки.

Подобный эффект был обнаружен н на других углах атаки.

Таким образом, результат был несколько парадоксальным. После дополнения тела неудобообтекаемыми поверхностями на тело начинала действовать весьма значительная по величине подсасывающая сила, частично компенсирующая силу лобового сопротивления.

Описанная выше методика была использована для создания программы на языке Borland С, позволяющей моделировать траекторию * движения сельскохозяйственного вертолета при нестабильных атмосферных условиях совместно с программой осаждения-капель. Она позволяла рассчитать площадь несанкционированной обработки при движении у края поля с использованием ингерцепторов и без них.. В программе были приняты следующие допущения:

1. Изменение величины бокового ветра происходит мгновенно;

2. Граница обработки точно совпадает с краем поля;

Вычисление производилось с временным интервалом 0,05с. На рнс.З представлены расчеты траекторий г и площадей несанкционированной обработки для сельскохозяйственного вертолета, оборудованного интерцепторами и не оборудованного, при скорости движения-15 м/с, высоте Зм, ¿=300мкм и изменении скорости бокового ветра с 2 до 5м/с. Посевы, сохраненные от несанкционированного опрыскивания, показаны одинарной штриховой линией.

При распылении капель диаметром ЗООмкм, без ингерцепторов, рассчитанная - площадь несанкционированной обработки при единичном изменении ветра составляет. 3542м1 (0.354га). Установка ингерцепторов снижает эту величину на 645м1 (0.065га) или 18.2%. При использовании капель диаметром 500мкм площадь несанкционированной обработки снижается с 1790м1 (0.179га) на 350м2 (0.035га) или 20%.

Совместное введение вяжущих добавок, повышающих размер капель с 300 до 500мкм, и использование ингерцепторов при рассмотренных условиях: приводит к уменьшению площади несанкционированной обработки на 2117м3 (0.212га) или на 59.7%.

Для подтверждения эффективности влияния двойных ингерцепторов на точность внесения химических веществ был создан экспериментальный . комплект навесных устройств для сельскохозяйствен-' ного вертолета Ми-2 состоявший из двух ингерцепторов, роль которых выполняли стандартные прессованные прямоугольные профили из алюминиево-литиевого сплава, прикрепленные к хвостовой балке вертолета при помощи хомутов через вязкоупругую прокладку.

Ветер

♦ 1 1

РнсРасчетам траектория движения сеяьеиисадйегвешюге вертолет* Мя-2 при Н^Эм. Уо-ий'с, ф»3£Юмш вблюи края поля при резки изменении скорости боювога ветра с 2 до 5м/с.

Непосредственному изготовлению устройства предшествовало выполнение некоторых прикладных расчетов.

На первом этапе была создана объемная модель - хвостовой балки в CAD системе ANVIL-5000. Были получены развертки хомутов, перенесенные на металл фотокоггтактым способом. Проверочный расчет элементов навесного комплекта выполнялся по нормам прочности Hill Б..

Кроме эффектов, связанных с повышением экологичностп авиахимических работ, в. ходе исследований удалось значительно улучшить условия работы пшюта сельскохозяйственного вертолёта.

Использование иптерцепгоров, совместно,-с диссипасгиввымн элементами, позволило вывести амплитуду колебаний на управляющих педалях пилота за порог чувствительности человека. Гашение производилось на этапе передачи колебаний от рулевого винта на педали. Интерцепторы, предназначенные для обеспечения отрыва потока воздуха, были использованы также в качестве виброзадерживающих рёбер жесткости. Прокладка из вязкоупругого материала, установленная между шггерцегггорами и хвостовой балкой, выполняла роль упругодис-сипативпого элемета, который гасит шшеречные колебания за счёт внутреннего трения материала.

Кроме описанного эффекта, в комплекте было использовано еще , одно : явление, улучшающее условия работы пилота : сельскохозяйственного вертолета при скоростных видах химической обработки. Ин-терцепторы увеличивали продольную устойчивость летательного аппарата. Для режима сельскохозяйственных работ этот эффект был положительным. Более спокойная реакция воздушного судна на местные небольшие изменения состояния атмосферы помогла уменьшить нервное напряжение пилота при движении на малой высоте. -

Расчеты, выполненные с учетом влияния пограничного слоя и интерференции показали, что на режимах скоростной авиахимической обработто!эффективностьста1шартаогостабнлнзаторавозраслана 14%.

Экспериментальный навесной комплект был установлен на сельскохозяйственный вертолет Ми-2 и "использовался пря авиахимической обработке полей в Ростовской области н Краснодарском крае. Эксплуатирующим предприятием было отмечено существенное влияние навесного комплекта на точность выброса химикатов и более рациональную траекторию движения.

Согласно результирующему комментарию эксплуатирующей организации использовавшей интерцепторы, были выявлены следующие эффекты:

1. На большинстве режимов авиахимических работ вертолет стал значительно легче разворачиваться вправо и точнее отрабатывать необходимую траекторию движения. Существенно повысилась точность внесения химикатов, особенно заметно при распылении у храя поля.

2. Сократилась потребная мощность винтов, особенно при боковых и попутных ветрах (до 5% от максимальной мощности), уменьшился расход топлива.

3. При скоростных видах сельскохозяйственной обработки вертолет перестал резко реагировать, на местные перепады давления а орографическую турбулентность, что привело к уменьшению психологической нагрузки на летчика.

4. Прекратилась вибрация педалей пилота и тряска всего вертолета при разворотах в конце поля.

В ходе дальнейших: исследований, для использования ишерцеп-торов в качестве стандартного дополнения навесного сельскохозяйственного оборудования, была разработана несколько иная, более удобная и надежная, схема крепления к продольным элементам хвостовой балки; Такая конструкция крепления также позволяет располагать интерцепгоры независимо от положения продольных силовых элементов хвостовой балки и может быть съемной.

Экономический "■ анализ, проведенный в работе, позволил констатировать, что величина ресурсов, сэкономленных эксплуатирующей организацией при' использовании мероприятий по охране окружающей среды, может-состоять из уменьшения выплат за вредное воздействие на окружающую флору и сокращения эксплуатационных расходов.

При использовании двойных интерцепторов, уменьшающих площадь несанкционированной обработки, удалось сократить и эксплуатационные затраты, а точнее, - расходы на топливо. Годовой экономический эффект, обусловленный только сокращением расходов на горючее,

составляет —4776 рублей (в ценах лета 1998 года).

Использование методов, уменьшающих вредное воздействие на окружающую среду, имеет также :, народнохозяйственный эффект, который заключается в предотвращении экономического ущерба от

загрязнения окружающей среды и в приросте экономической оценки природных ресурсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Следует отметить следующие результаты, полученные в процессе выполнения исследовательской работы.

Созданная модель движения капель жидкости после выброса из сельскохозяйственного вертолета позволяла получить наглядное представление о некоторых особенностях траектории частиц в индуктивном следе вертолета. В цепом, можно констатировать, что сходящие с диска несущего винта вихревые жгуты оказывают существенное влияние на движение частиц всех диаметров. В ходе исследований был проведён эксперимент по определению времени существования вихрей. Оно составило 22,6с..

Выполненные расчеты показали, что при некоторых соотношениях параметров. полоса, обработанная штангой, расположенной со стороны, обратной ветровому потоку, существенно расширяется, в то время, как полоса от подветренной штанги может сужаться.

Основные особенности, полученные- расчетным путем, 'были подтверждены экспериментально. Для этого было произведено распыление красящего вещества над полосами белой бумаги при встречном и боковом ветре. Впервые, для обработки полученных отпечатков, был использован метод компьютерного сканирования. Полученные результаты подтвердили необходимость введения в комплект навесного химического оборудования устройства, управляющего раздельной подачей жидкости в правую и левую распылительные штанги.

Для уменьшения длины участка, подвергающегося несанкционированной обработке, в данной работе было предложено использовать методы повышения точности движения сельскохозяйственного воздушного судна, адекватно текущим атмосферным условиям, в частности, обосновано использование двойных интерцепгоров хвостовой балки.

В ходе исследований выполнены эксперименты в аэродинамической трубе ■ по определению аэродинамических характеристик стандартной хвостовой балки и балки, оборудованной интерпепторами. Полученные характеристики были использованы для решения уравнений движения летательного аппарата и моделирования смещения химикатов при возможном изменении скорости ветра.

Созданы интерцепторы, которые благотворно повлияли не только на окружающую среду, но и на психофизиологическое состояние пилота сельскохозяйственного вертолета, В частности, была снята вибрация ног летчика и уменьшена психологическая нагрузка на него при скоростных видах химической обработки.

Использование системы двойных интерцепторов на одном сельскохозяйственном вертолете привело к сокращению годовых расходов

на топливо на ~477б рублей (в ценах лета 1998 года).

ПУБЛИКАЦИИ

1. Дудник D.D., Медаокритский EJL Уменьшение вредного воздействия авпахимичесхих работ на окружающую среду //Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды. Межвуз. сб. науч. тр. Ростов н/Д: РГАСХМ, 1997,-с.28-29.

2. Дудник В.В., Медиокритский ЕЛ., Уменьшение побочных эффектов при авиахимической обработке // Материалы третьей международной конференции "Экология н здоровье человека". - Росгов-на-Дону: РГЭА, 1997 г. -с.49-50.

3. Дудник В.В., Медиокритский ЕЛ. Уменьшение побочных эффектов при авиахнмичесхюй обработке //Материалы конференции "Промышленная экология-97", СПб, І997. -с.195-197.

4. Дудник В.В., Медиокритский ЕЛ., Добріша Ю.А. Улучшение условий работы пилота сельскохозяйственного вертолета //Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды. Межвуз. сб.науч. тр. Ростов н/Д: РГАСХМ, 1998. -с. 101-102.

5. Дудник В.В., Добрис;а ЮА, Медиокритский ЕЛ. Исследование экопогичности авиахимических работ // Материалы ХП конференции "Машиностроение: интеграция отраслевой и вузовской науки" -Ростов н/Д: РГАСХМ, 1998. -с.166-167.

Подписано в печаль 10.11.98.

Формат 60x847м. Бумага офсетная.

Уч.-изд. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 20/98.

Редакционно-издательский отдел Ростовской-на-Дону

государственной академии сельскохозяйственного машиностроения. 344023, пл. Страны Советов, 2.