САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙСЯ ЭКРАНОПЛАН
SELF-STABILISING HOVERCRAFT

Изобретение относится к области транспортной техники, в частности к самостабилизирующимся экранопланам.
Известен самостабилизирующийся экраноплан АДП-05 «Орфей» [1], выполненный по схеме «Утка», содержащий основное (кормовое) крыло, переднее горизонтальное оперение (ПГО), соединенные между собой двумя продольными балками, на кормовых частях которых установлено двухкилевое вертикальное оперение (ВО) с рулями направления. Между продольными балками на двух пилонах установлена кабина с винтомоторной группой. Нижние части носовых оконечностей продольных балок выполнены в виде поплавков большого удлинения. Горизонтальное оперение имеет концевые шайбы.
Продольная устойчивость данного экраноплана обеспечивается только за счет влияния экранного эффекта, что для схемы «Утка» вполне достаточно, но только в малом диапазоне относительных отстояний.
Недостатком данного аппарата является то, что при такой компоновке (выборе площадей, аэродинамических плеч, удлинений и установочных углов горизонтального оперения и кормового крыла) и используемой центровке балансировка обеспечивается только при движении вблизи экрана. Это приводит к ограничению по крейсерской скорости.
Известен самостабилизирующийся экраноплан [2], выполненный по схеме «Утка», содержащий фюзеляж, в передней части которого установлено прямоугольной формы в плане переднее горизонтальное оперение, а в кормовой части фюзеляжа - крыло малого удлинения с установленным на нем двухкилевым вертикальным оперением с рулями направления. Двигатели с движителями размещены в носовой части фюзеляжа над ПГО с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси.
1
2
1
2
Достижение устойчивости данного экраноплана обеспечивается за счет выбранного авторами соотношения площадей S, S и плеч L, L ПГО и основного крыла соответственно.
Также в первой части формулы изобретения патента [2] утверждается, что зона продольной устойчивости аппарата должна находиться ниже пределов соотношения
ПГО
кр
В отличительной части формулы изобретения патента [2] заявлено, что предлагаемый самостабилизирующийся экраноплан отличается тем, что относительное удлинение горизонтального оперения меньше относительного удлинения крыла малого удлинения (то есть λ<λ).
По содержанию вышеописанного изобретения можно отметить следующие недостатки:
- ПГО прямоугольной формы в плане, малого удлинения, имеющее обычный плоско-выпуклый или симметричный профиль на экранопланах схемы «Утка» способно обеспечить продольную устойчивость только в диапазоне очень малых ветроволновых возмущений и только на относительных отстояниях, существенно меньших 0,1. Это объясняется тем, что влияние близости экрана на несущую поверхность малого удлинения существенно ниже, чем на несущую поверхность большого или среднего удлинений, а значит, и стабилизирующий момент, обеспечиваемый таким ПГО, при движении экраноплана на умеренных отстояниях будет явно недостаточным. Такой экраноплан можно назвать самостабилизирующимся (в данном случае в продольной плоскости) только в малом диапазоне эксплуатационных отстояний. Заметим, что под самостабилизацией [3, стр.272] понимается такое свойство экраноплана, когда после воздействия внешнего возмущения, при новом положении летательного аппарата, без вмешательства управления сохраняется необходимый запас устойчивости воздушного судна для компенсации всех внешних ветроволновых возмущений, допустимых для экранопланов заданного класса;
- установка на экраноплане схемы «Утка» вертикального оперения с рулем направления в кормовой части фюзеляжа, вместе с кормовым крылом, приведет к неэффективности вертикального оперения;
2
1
- выбранное значение  в описании изобретения значительно ниже линии полинома и таково, что, исходя из уравнения балансировки аппарата в продольной плоскости, дает результат Су≈2,5Су, который при указанных в описании изобретения установочных углах и меньшем удлинении ПГО, чем крыла, может быть обеспечен только за счет функции влияния экрана. Следует также заметить, что коэффициент 2,5 в вышеприведенном равенстве при практическом проектировании выполнить невозможно, так как в этом случае экраноплан должен взлетать с отрицательным утлом тангажа с большой взлетной скоростью, порядка 300-350 км/час;
ВО
- рекомендуемые в патенте [2] диапазоны относительных величин  и  и их функциональная зависимость между собой не могут обеспечить расчет абсолютных геометрических параметров аэродинамических плеч, определяющих необходимый запас продольной устойчивости экраноплана схемы «Утка», так как являются относительными величинами и не связывают возмущение, получаемое экранопланом по углу тангажа, с изменением отстояния ПГО. При малых значениях плеча вертикального оперения L и заднего аэродинамического комплекса в целом возникает реальная вероятность разворота аппарата относительно вертикальной оси и его дальнейшее движение «блинчиком». Такая совместная продольно-путевая неустойчивость может приводить к так называемому «голландскому шагу» и для экранопланов схемы «Утка» является наиболее опасным явлением, поскольку способствует возникновению аварийной ситуации на кратком временном отрезке, когда пилот не успевает воспользоваться органами управления. При этом следует учитывать, что аппарат движется на большой скорости вблизи опорной поверхности.
По совокупности существенных признаков самостабилизирующийся экраноплан, рассмотренный последним, является наиболее близким к заявленному и принимается за прототип.
Задачей, на решение которой направлены изменения конструкции самостабилизирующегося экраноплана, является:
- расширение диапазона эксплуатационных отстояний, на которых обеспечивается самостабилизация аппарата;
- выбор наиболее оптимальной компоновки с точки зрения обеспечения безопасности, уменьшения шумности от винтов, увеличения полезной нагрузки;
Технический результат, который обеспечивается заявленными изменениями компоновки, заключается в том, что:
- увеличивается диапазон эксплуатационных отстояний, на которых проявляется действие стабилизирующих моментов;
- существенное увеличение плеч задних аэродинамических поверхностей положительно отражается на путевой устойчивости и управляемости;
- равенство средней аэродинамической хорды (САХ) ПГО и основного крыла, при соблюдении «правила продольного V» [4], обеспечивает эффект самостабилизации экраноплана на всем диапазоне эксплуатационных отстояний и даже в безграничной жидкости;
- значительно увеличивается момент инерции аппарата относительно поперечной оси, что благоприятно сказывается на динамической устойчивости аппарата в продольной плоскости.
Достижение данной задачи обеспечивается:
ПГО
кр
кр
ПГО
- выбором, с одной стороны, аэродинамической схемы «Утка» (по соотношению площадей основного крыла и ПГО), а с другой стороны - схемы, близкой к схеме «Тандем» (по соотношению подъемных сил и плеч ПГО и основного крыла), когда Y/Y=0,8÷1,2, а L/L=0,8÷1,2 (в обратной зависимости);
ПГО
САХ ПГО
- увеличением длины корпуса аппарата, при котором плечи крыла и ПГО пропорционально увеличиваются, таким образом, чтобы абсолютное значение плеча ПГО L составляло (2÷5)b;
кр
САХ ПГО
САХ кр
- выбором удлинения основного (кормового) крыла близким к оптимальному λ=3-4, а носового (меньшего удлинения) таким образом, чтобы абсолютные значения хорд крыла и ПГО были в отношении b/b=0,95÷1,05.
Необходимая центровка обеспечивается размещением в носовой и кормовой частях аппарата соответствующих винтомоторных групп, в частности в носовой части - размещением стартовых двигателей, а в кормовой - основных (маршевых) двигателей. Разнос в направлении продольной оси основных агрегатов (двигателей) аппарата со значительной массой увеличивает момент инерции относительно поперечной оси (т.е. в продольной плоскости), что уменьшает реакцию аппарата на воздействие внешних ветроволновых возмущений.
ПГО
корм
ПГО
корм
Сущность заявленного самостабилизирующегося экраноплана состоит в том, что соответствующим выбором компоновки и геометрии несущих поверхностей достигается близость величин подъемных сил ПГО и крыла Y, Y на всем диапазоне эксплуатационных отстояний, а значит, и их аэродинамических плеч L, L. В результате проще конструктивно выполнить большее плечо не только крыла, но и вертикального оперения, что увеличивает как продольную, так и путевую устойчивость, тем самым устраняя возможность проявления «голандского шага» на экранопланах схемы «Утка» [5].
Кроме того, в связи с увеличением длины корпуса аппарата, а значит, и расстояния между несущими поверхностями:
- изменения отстояний ПГО и крыла сопровождаются минимальным изменением угла тангажа аппарата, благодаря чему уменьшается дестабилизирующий момент от ПГО в продольной плоскости;
- уменьшается отрицательное влияние интерференции от ПГО на основное крыло.
САХ ПГО
САХ кр
В результате выбора геометрии крыла и ПГО, благодаря которым обеспечивается близость по значениям хорд b/b=0,95÷1,05 приводит к отсутствию пикирующего или кабрирующего момента, связанного с изменением отстояний несущих поверхностей на всем диапазоне эксплуатационных отстояний (эффект самостабилизации).
На фигуре 1 изображен самостабилизирующийся экраноплан, выполненный по схеме «Утка».
На фигуре 2 приведен макет предлагаемого экраноплана.
ПГО
корм
корм
ПГО
ПГО
ПГО
САХ ПГО
CAX
САХ кр
САХ ПГО
ПГО
корм
Устройство содержит основное крыло 1, ПГО 2, вертикальное оперение 3 с рулем направления, фюзеляж 4, маршевые двигатели 5 (с движителями) в кормовой части аппарата и стартовые двигатели 6 (с движителями) - в носовой, шасси 7. Причем основное крыло и ПГО с отношением площадей S/S=0,8÷1,0 установлены относительно центра масс на плечах в отношении L/L=0,8÷1,2, при этом абсолютное значение плеча переднего горизонтального оперения L выбрано из диапазона соотношений L/b=5÷2 и b=b≈b с углом установки переднего горизонтального оперения - 6÷9° и углом установки основного крыла - 4÷6° в соотношении α≈2α.
Самостабилизация экраноплана обеспечивается следующим образом.
При возрастании скоростного напора в силу внешних возмущений или ошибок пилотирования будут изменяться по величине подъемные силы крыла и ПГО. В том случае, когда сумма подъемных сил крыла и ПГО станет больше веса летательного аппарата, будет наблюдаться отход экраноплана от опорной поверхности.
Для того, чтобы с отходом от опорной поверхности не возникло пикирующего или кабрирующего момента от изменения пропорции подъемных сил крыла и ПГО, необходимо, чтобы изменение функции влияния экрана ψ [3] на крыле и ПГО, связанное с этим отходом, происходило пропорционально их начальным значениям (в крейсерском режиме).
Заявленная схема экраноплана позволяет обеспечить ее такое изменение, сопровождающееся одинаковым (по абсолютным величинам) изменением отстояний крыла и ПГО. Это, в свою очередь, позволяет «проходить» такой отход без изменения угла тангажа аппарата и, следовательно, избежать изменений связанных с ним аэродинамических характеристик несущих поверхностей, а значит, избежать опасной раскачки аппарата, а также еще большего ухода от экрана по причине возрастания подъемных сил из-за возможного увеличения угла тангажа.
При внешних возмущениях, когда изменения отстояний крыла и ПГО происходят все-таки неодинаково, благодаря увеличенной длине корпуса аппарата уменьшается связанное с неравномерными увеличениями отстояний изменение угла тангажа, что также уменьшает вторичные (уже от изменения угла тангажа) изменения отстояний и, в целом, повышает самостабилизирующие свойства экраноплана.
При возникновении боковых ветровых порывов или при движении с углом скольжения увеличенное плечо ВО (и заднего аэродинамического комплекса в целом) в сравнительной оценке к плечу ПГО увеличивает по курсу стабилизирующие моменты от ВО и заднего аэродинамического комплекса в целом и уменьшает дестабилизирующий от ПГО, устраняя возможность появления так называемого «голландского шага», который (как было сказано выше) для экранопланов схемы «Утка» является наиболее опасным явлением.
Все вышеизложенные положительные эффекты обеспечивают самостабилизацию экраноплана схемы «Утка» в более широком диапазоне отстояний.
Область применения заявленного самостабилизирующегося экраноплана - круглогодичная эксплуатация над водной, заснеженной, ледовой, степной, пустынной и другими ровными поверхностями.
Список, использованной литературы
1. А.С. №915372 СССР, МПК В60V 1/08, Самостабилизированный экраноплан по схеме «Утка». / Панченков А.Н., Уризченко В.Я., Попов К.Б и др. заявитель и патентообладатель Иркутский вычислительный центр СО АН СССР - №2895857; заявл. 19.04.80.
7
2. Пат. 2224671 Российская Федерация, МПК В60V 1/08. Самостабилизирующийся экраноплан. / Суржик В.В., Скороходов П.А. и др., заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Технологии СДП» - №003100793; заявл. 09.01.03, опубл. 27.02.04. Бюл. №6. - 5 с.: ил.1.
3. Панченков А.Н., Экспертиза экранопланов. / А.Н.Панченков, П.Т.Драчев, В.И.Любимов. / Н.Новгород. ООО «Типография «Поволжье», 2006. С.245-247.
4. Егер С.М. Проектирование самолетов: Учебник для ВУЗов. / С.М.Егер, В.Ф.Мишин, Н.К.Лисейцев и др. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983 - С.99.
5. Бадягин АА., Проектирование легких самолетов. / А.А.Бадягин, Ф.А.Мухамедов. М.: Машиностроение, 1978. 208 с.