СКОРОСТНОЕ СУДНО НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ РАЗГРУЗКОЙ
HIGH-SPEED AIR-CUSHION VESSEL WITH AERODYNAMIC DISCHARGE

Изобретение относится к транспортным средствам на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой, у которых на основном режиме движения часть веса транспортного средства уравновешивается аэродинамической подъемной силой, и может использоваться в конструкциях скоростных суден на воздушной подушке, таких как летательные аппараты на динамической воздушной подушке.
Уровень техники в области скоростных суден на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой, рассматриваемых в настоящем описании изобретения, характеризуется ограниченным набором типовых решений конструкций указанных суден. В качестве примера одного из таких суден можно привести известное амфибийное судно на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой «Тунгус-18» судостроительной компании «Аэроход» (см. сайт в Интернете: http://www.aerohod.ru/asvp-tungus.html).
Особенностью этого судна является наличие в его конструкции крыла, соединенного с фюзеляжем, снабженным оперением, маршевых двигателей с винтами, обеспечивающими поступательное движение судна, а также нагнетательной системы - двигателя и вентилятора с воздухозаборником. К нижней поверхности крыла присоединено бортовое ограждение воздушной подушки скегового типа, частично препятствующее боковому истечению воздуха из динамической воздушной подушки - истечению в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна.
Общим недостатком таких суден является значительный ресурс совершенствования их конструкции за счет повышения эффективности использования аэродинамических подъемных свойств динамической воздушной подушки.
В качестве прототипа предлагаемого скоростного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой выбран известный летательный аппарат с шасси на воздушной подушке (см. патент РФ №2066644, B60V 3/08, 1996), с возможностями скоростного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой за счет наличия в его конструкции фюзеляжа с крылом, оперением и маршевыми двигателями, а также бокового ограждения воздушной подушки с подкрылочными скегами, передним и задним подвижными элементами с механизмом их уборки, областью воздушной подушки, сообщенной с нагнетателями воздуха, имеющими приводные двигатели для создания повышенного давления в указанной области.
Транспортное средство-прототип обладает высокими аэродинамическими характеристиками, однако не использует технические возможности увеличения аэродинамических характеристик на режимах движения вблизи подстилающей поверхности при обеспечении динамической воздушной подушки, что ухудшает его ходовые эксплуатационные свойства.
Технический результат от использования предлагаемого скоростного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой заключается в усовершенствовании конструкции такого судна, обладающего увеличенной дальностью движения при повышенных аэродинамическом качестве и ходкости судна при его скоростном движении вблизи подстилающей поверхности за счет формирования скоростного напора при обеспечении динамической воздушной подушки повышенной эффективности в результате создания боковой вихревой завесы, повышающей аэродинамические подъемные свойства динамической воздушной подушки и одновременно улучшающей аэродинамические свойства и ходкость самого судна.
Для достижения указанного технического результата в скоростном судне на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой, содержащем фюзеляж как минимум с одним крылом, оперением и маршевыми двигателями, а также боковое ограждение воздушной подушки с подкрылочными скегами, передним и задним подвижными элементами с механизмом их уборки, область воздушной подушки, сообщенную как минимум с одним нагнетателем воздуха, имеющим как минимум один приводной двигатель для создания повышенного давления в указанной области, в боковое ограждение воздушной подушки встроено как минимум одно сопло выдува, выполненное с возможностью принудительного нагнетания воздуха в область воздушной подушки в режиме образования боковой вихревой завесы для повышения подъемных свойств динамической воздушной подушки.
В частном исполнении предлагаемого скоростного судна как минимум одно сопло выдува встроено с соблюдением угла направления выдува к наружной поверхности одного из подкрылочных скег бокового ограждения воздушной подушки, составляющего величину не менее 90°, и сопряжено на его входе с воздуховодом, проложенным как минимум в одном крыле и в фюзеляже с возможностью подачи воздуха с помощью входного патрубка как минимум от одного нагнетателя воздуха, имеющего как минимум один приводной двигатель для создания повышенного давления в области воздушной подушки, через указанное сопло выдува в область воздушной подушки в режиме образования боковой вихревой завесы для повышения подъемных свойств динамической воздушной подушки.
Известное транспортное средство с устройством для создания воздушной подушки в соответствии с патентом РФ №2207264, B60V 1/02, B60V 1/16, 2003 не противоречит изобретательскому уровню предлагаемого скоростного судна в связи с тем, что в указанном транспортном средстве отсутствует использование боковой вихревой завесы для повышения аэродинамических подъемных свойств динамической воздушной подушки и ходовых свойств транспортного средства.
x
y
На фиг. 1 показан общий вид в аксонометрии (фиг. 1а), вид сбоку носовой части (фиг. 1б), половина вида спереди (фиг. 1в) предлагаемого скоростного судна и узел бокового скега с соплом выдува (фиг. 1г) в конструкции судна на фиг. 1а-в; на фиг. 2 - схема образования боковой вихревой завесы в области бокового скега на фиг. 1г; на фиг. 3 - зависимость аэродинамического качества К предлагаемого скоростного судна от мощности выдува из сопла выдува на фиг. 1г для различных величин ширины указанного сопла при его одинаковой длине; на фиг. 4 - кривые коэффициентов сопротивления C и подъемной силы C, а также аэродинамического качества предлагаемого скоростного судна с боковой вихревой завесой и без нее.
Предлагаемое скоростное судно на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой в примере выполнения (см. фиг. 1а) содержит крыло 1, соединенное с фюзеляжем 2 (с оперением 3), маршевые двигатели 4 с винтами, обеспечивающие поступательное движение судна, а также нагнетательную систему 5 (см. фиг. 1б) - приводной двигатель и вентилятор с воздухозаборником. В направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна, крыло 1 соединено с консолями 6 (см. фиг. 1в). К нижней поверхности крыла 1 присоединено бортовое боковое ограждение 7 воздушной подушки скегового типа, частично препятствующее боковому истечению воздуха из воздушной подушки - истечению в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна.
Сопло 8 выдува (см. фиг. 1г) встроено на внешней поверхности бортового бокового ограждения 7 воздушной подушки с соблюдением угла направления выдува к наружной поверхности одного из подкрылочных скег указанного бокового ограждения 7, составляющего величину не менее 90°, и сопряжено на его входе с воздуховодом 9, проложенным в крыле 1 и фюзеляже 2 с возможностью подачи воздуха с помощью входного патрубка (не показан) от нагнетательной системы 5 - вентилятора с воздухозаборником, имеющего приводной двигатель.
Предлагаемое скоростное судно функционирует на основе формирования динамической воздушной подушки следующим образом.
Сопло 8 выдува (которое может быть встроено в бортовое боковое ограждение 7 воздушной подушки в количестве более одного), выполненное с возможностью принудительного нагнетания воздуха в область воздушной подушки, испуская воздушную струю, обеспечивает создание вихревой завесы в области между бортовым боковым ограждением 7 и подстилающей поверхностью. Тем самым достигается снижение бокового истечения из воздушной подушки на скоростном режиме движения на динамической воздушной подушке.
Подача воздуха в сопло 8 выдува осуществляется по воздуховоду 9, проложенному в крыле 1 и одном из подкрылочных скег бортового бокового ограждения 7, от работающей нагнетательной системы 5 и может осуществляться другим способом, не превышающим способ принудительной подачи воздуха в сопло 8 по затратам мощности.
Образование вихревой завесы в области бортового бокового ограждения 7 воздушной подушки осуществляется по следующей схеме (см. фиг. 2). С внешней стороны подкрылочного скега по длине части этого скега, близкой к подстилающей поверхности, размещено сопло 8 выдува, поперечная плоскость сечения которого, задающая угол направления выдува к наружной поверхности указанного скега, расположена перпендикулярно или под углом более 90° к поверхности скега. За счет эффекта Коанда воздушная струя, испускаемая соплом 8 выдува, движется преимущественно по поверхности рассматриваемого скега. В области ее пересечения с потоком бокового истечения из воздушной подушки образуется вихревая завеса.
Достигаемый технический результат подтверждается серией вычислительных экспериментов с математической моделью предлагаемого скоростного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой, эскизное изображение которого показано на фиг. 1.
Постановка задачи вычислительного эксперимента включает математическое моделирование обтекания указанного скоростного судна набегающим потоком воздуха на режиме движения на динамической воздушной подушке. Рассматривается установившееся движение скоростного судна со взлетной массой 15 тонн. Математическая модель включает прямое решение осредненных по Рейнольдсу уравнений движения вязкой несжимаемой жидкости - уравнений Навье-Стокса. Скорость набегающего воздушного потока принята равной V=50 м/с, что соответствует скорости движения скоростного судна на крейсерском режиме движения на динамической воздушной подушке. Рассматриваются режимы движения с углом тангажа α=0 и значениями зазора между задней кромкой крыла 1 и подстилающей поверхностью , измеряемого в долях средней аэродинамической хорды крыла 1.
Приведены результаты вычислительных экспериментов с моделями предлагаемого скоростного судна с соплом 8 выдува на бортовом ограждении воздушной подушки и без сопла 8 выдува. Показаны зависимости аэродинамического качества  (Y - подъемная сила, X - сила аэродинамического сопротивления) такого судна на крейсерском режиме движения с  от мощности течения воздушной струи из сопла 8 выдува для разных значений ширины d сопла 8 при одинаковой длине сопла 8 (см. фиг. 3). Для всех значений ширины сопла 8 в интервале значений мощности  наблюдается рост аэродинамического качества более чем на 3 единицы, что составляет более 13% аэродинамического качества скоростного судна без сопла 8 выдува. Дальнейшее увеличение мощности выдува не приводит к существенному увеличению значения аэродинамического качества.
Для детального анализа аэродинамических характеристик выбрана модель скоростного судна с соплом 8 выдува шириной поперечного сечения d=5 мм с соответствующей мощностью выдува  и средней скоростью истечения u=80 м/с из сопла 8.
x
y
Получены значения коэффициентов силы аэродинамического сопротивления c, коэффициентов подъемной силы c, аэродинамического качества К вариантов исполнения скоростного судна с соплом 8 выдува с выбранной шириной поперечного сечения и без сопла 8 выдува для разных значений зазорамежду задней кромкой крыла 1 и подстилающей поверхностью (см. фиг. 4).
Формулы для расчета перечисленных величин:
где ρ - плотность воздуха;
S - площадь крыла 1.
x
y
Полученные данные демонстрируют снижение значения коэффициента сопротивления c на 8% и увеличение значения коэффициента c на 5% модели скоростного судна с соплом 8 выдува по сравнению со значениями этих аэродинамических характеристик модели без сопла 8 выдува для зазора. С ростом высоты движения эффект увеличения аэродинамических характеристик становится менее заметным, поскольку увеличивается расход бокового истечения воздуха. Также в связи со снижением  на малых высотах движения можно констатировать улучшение характеристик устойчивости движения скоростного судна с соплом выдува.
За счет снижения силы аэродинамического сопротивления на режимах движения с одинаковыми значениями α,  и V суммарная полезная мощность скоростного судна с соплом 8 выдува не превышает полезную мощность скоростного судна без сопла 8 выдува. Для оценки дальности движения скоростного судна целесообразно воспользоваться соотношением
где  - относительный запас топлива (в долях взлетной массы скоростного судна);
e
C - часовой расход топлива на 1 Вт мощности (в килограммах);
- константа, g - ускорение свободного падения.
Таким образом, при одинаковых затратах полезной мощности, одинаковом запасе топлива и одинаковой взлетной массе дальность движения скоростного судна на режиме хода на улучшенной динамической воздушной подушке линейно зависит от аэродинамического качества и может быть соответственно увеличена на 13% за счет использования сопла 8 выдува в области бортового бокового ограждения воздушной подушки при движении на высотах порядка . Для скоростного судна со взлетной массой 15 тонн и  средняя дальность движения составляет около 1000 км. С использованием предлагаемого изобретения средняя достигаемая дальность скоростного судна увеличивается более чем на 130 км.