Определение условий эквивалентности по характеристикам вихревого следа для беспилотных летательных аппаратов экологического назначения

О.В. Соловьев, директор, к.т.н., старший научный сотрудник 
Чугуевский авиаремонтный завод, г. Чугуев

Н.В. Кобрина, к.т.н., доцент 
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского, г. Харьков
 

Беспилотные авиационные комплексы (БпАК), имеющие в своем составе беспилотные летательные аппараты (БПЛА), широко применяются для мониторинга окружающей среды [1, 2]. Кроме экологических исследований, связанных с мониторингом, БпАК могут выполнять и другие функции, связанные с защитой окружающей среды. Например, это могут быть работы по транспортировке грузов в труднодоступные места или распыление химических или биологически активных компонентов.

При защите сельскохозяйственных и лесных угодий биологическими средствами большое значение имеет способ внесения трихограммы: ручной, механизированный (наземный) или авиационный – с помощью малой авиации или БПЛА. Все они имеют право на жизнь, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. При использовании ручного, наиболее трудоемкого, способа можно подкармливать возрожденного паразита медом, сахарным сиропом и увеличивать как продолжительность его жизни, так и плодовитость на 30…40 %. Механизированный и авиационный способы применяют для внесения трихограммы за сутки до ее полета. И здесь очень важно, чтобы этот срок был наименьшим, так как природные энтомофаги с удовольствием поедают куколок паразита (иногда до 40 % от внесенного количества).

Преимущества внесения трихограммы при использовании БПЛА:

- низкая стоимость (20 грн/га);

- высокая точность внесения;

- сохранение до 20 % урожая;

- экологически чистое уничтожение вредителей;

- эффективность против скрытых вредителей;

- отсутствие риска для жизни людей (пилотов).
 

Как правило, препараты для очистки водной поверхности от разливов нефти и нефтепродуктов, защиты сельскохозяйственных и лесных угодий биологическими средствами вносятся с БПЛА либо мелкими каплями, либо путем рассеивания биологических объектов (яиц, насекомых и т.д.), которые также имеют незначительную массу и размеры. Поэтому для создания облака из вносимых компонентов и его дальнейшего осаждения необходимо знать характеристики дальнего вихревого следа, сгенерированного БПЛА в полете. Решить поставленную задачу можно с помощью математической модели дальнего вихревого следа [3].

Систематические исследования характеристик дальнего вихревого следа за различными летательными аппаратами (рис. 1, 2) показали, что вихревые следы имеют общие закономерности [4, 5]. При соблюдении определенных условий можно получить подобия течения в дальнем вихревом следе.

При рассмотрении процесса формирования вихревого следа за тонким прямоугольным крылом умеренного удлинения (рис. 3) при безотрывном обтекании его передней кромки, видно, что пелена, стекающая с задней и боковых кромок, с течением времени сворачивается в два вихревых жгута, которые затем опускаются вниз.
 

Рис. 3. Вихревая пелена (λ = 4,0; α = 10°; τ = 5)
 

Вихревые следы, имеющие близкие турбулентные характеристики, могут быть сгенерированы различными по геометрическим характеристикам несущими поверхностями или системами, следовательно, l₀ и Г₀ можно считать параметрами подобия аэродинамических несущих поверхностей по характеристикам спутного следа. Для плоских монопланных крыльев простой формы в плане, характеризуемых удлинением λ, углом стреловидности по передней кромке χ_ПК и сужением η, условия эквивалентности по характеристикам вихревого следа, т.е. соотношения подобия, могут иметь вид

Величины без индекса в (1) относятся к некоторому базовому крылу, а с индексом k = 1, 2 – к семейству эквивалентных крыльев.

Таким образом, при изучении характеристик вихревого следа за ЛА, используя критерии подобия                       

где индексы 1 и 2 – принадлежность соответствующих величин к характеристикам сопоставляемых крыльев, задачу можно свести к рассмотрению характеристик и возмущений, генерируемых эквивалентным крылом. Такой подход позволяет заметно упростить проведение численных исследований, например, по воздействию дальнего вихревого следа на аэродинамические характеристики и динамику движения ЛА при решении экологических задач, что существенно сокращает количество рассматриваемых вариантов.
 

Список использованной литературы

1. Общие виды и характеристики беспилотных летательных аппаратов: справ. пособие [Текст] / А.Г. Гребеников, А.К. Мялица, В.В. Парфенюк и др. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2008. – 377 с.

2. UAV.ru - Беспилотная авиация, www.uav.ru, «Гражданские перспективы беспилотников» [Электронный ресурс] / Владимир Карнозов

(спецвыпуск Milex - ISSE 2011), изд. ООО Информационно-аналитический центр «Новые технологии».

3. Нелинейная теория крыла и ее приложения [Текст] / Т.О. Аубакиров, С.М. Белоцерковский, А.И. Желанников и др. – Алматы: Гылым, 1997.

4. Распыление биодеструкторов вблизи плоскости раздела сред при помощи беспилотных летательных аппаратов [Текст] / О.В. Соловьев, С.М. Еременко, Н.В. Кобрина, О.А. Трухмаев // Экология и промышленность. – Х., 2014. – № 3. – С. 30-32.

5. Теоретические исследования процессов распыления химических или биологически активных компонентов в целях защиты окружающей среды с использованием БПЛА [Текст] / О.В. Соловьев, Н.В. Нечипорук, С.М. Еременко и др. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2013. – Вып. 62. – С. 134-140.