Экраноплан
GROUND-EFFECT VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к транспортным средствам на динамической воздушной подушке и касается экранопланов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны транспортные средства на динамической воздушной подушке.
Известен экраноплан интегральной аэрогидродинамической компоновки (патент RU 2629463, 2016). Экраноплан содержит комбинацию крыльев, при этом внутреннее крыло образует корпус. Транспортное средство имеет двухкилевое вертикальное оперение, единую силовую установку с воздушной подушкой поддува и маршевого полета с двумя воздушными винтами, расположенными на концах балки установленной перпендикулярно в носовой части центрального крыла.
Основным недостатком известного экраноплана является возможность его эксплуатации только над водной поверхностью, длина разбега, высокая скорость выхода на экранный режим полета, низкая управляемость и маневренность на маршевом режиме. Известен экраноплан (RU 2646776, 2014). Экраноплан содержит фюзеляж, крылья, установленные по схеме «биплан-тандем». На верхних крыльях установлены движители – воздушные винты, причем на головных крыльях и следующих за ними движители установлены наклонно, хвостовой маршевый движитель горизонтально. В плоскостях нижних экранирующих крыльев размещены воздушные винты, связанные с соответствующими двигателями, а на верхних и нижних поверхностях крыльев выполнены каналы для прохождения воздушных потоков. Воздушный поток всасывается через каналы на верхней плоскости и создает разрежение, а выходящий поток создает избыточное давление под крылом. Совместно с направленным воздушным потоком от винта под крылом создается активная динамическая подушка, которая позволяет сократить длину разбега, снизить скорость выхода на экранный режим и увеличить высоту полета на этом режиме. Экраноплан обладает амфибийностью. Основными недостатками известного экраноплана являются большое лобовое сопротивление крыльев, установленных по схеме «биплан-тандем», применение многочисленных двигателей (поддува, маршевых), что приводит к снижению экономичности транспортного средства. Экраноплан имеет низкую управляемость и маневренность на режиме полета, а также безопасность при отказе двигателя поддува.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является конструкция самолета вертикального взлета и посадки (патент US 9487286, 2016).
Известный самолет содержит фюзеляж, в верхней части которого последовательно установлены вентиляторы.
По бокам вдоль фюзеляжа по всей его длине неподвижно закреплены крылья, передней кромкой друг к другу, параллельно и симметрично относительно продольной оси самолета. Воздушный поток вентиляторов делится на две части. Первый поток направлен от фюзеляжа в стороны на обтекание крыльев и создание подъемной силы. Второй поток по воздуховодам направляется в хвостовую часть фюзеляжа и далее наружу, создавая тем самым реактивную тягу, необходимую для сообщения самолету горизонтальной скорости.
Несущая система СВВП в известном самолете применяется на всех режимах полета: вертикальный взлет и посадка, крейсерский.
Достоинством известного технического решения является большая грузоподъемность несущей системы на режиме вертикального взлета.
Основным недостатком известного технического решения является то, что при движении самолета с некоторой горизонтальной скоростью происходит снос (отклонение) воздушного потока вентиляторов набегающим воздушным потоком. В результате этого крыло обтекается воздушным потоком, направленным под некоторым углом к передней кромке (эффект скольжения), что приводит к снижению подъемной силы (уменьшается перпендикулярная составляющая скорости). Для компенсации потери подъемной силы необходимо увеличить скорость воздушного потока вентиляторов и направить его под некоторым углом навстречу набегающему воздушному потоку, что несомненно ведет к дополнительным энергозатратам.
Из вышеизложенного следует, что увеличение горизонтальной скорости полета самолета приводит к снижению его экономичности и грузоподъемности. Одновременное истечение двух воздушных потоков с равными скоростями, направленными в стороны и назад от фюзеляжа, не позволяют самолету осуществлять вертикальный взлет и посадку. Взлет и посадка возможны только с коротким разбегом. В результате чего самолету недоступны режимы висения, вращений, боковых перемещений, торможения и движения задним ходом.
Низкая управляемость и маневренность известного самолета не дают возможности его применения с малоразмерных площадок в различных целях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей изобретения является повышение экономичности, грузоподъемности, управляемости и маневренности экраноплана на всех режимах полета.
Поставленная задача решена благодаря тому, что предлагаемый экраноплан содержит в себе:
фюзеляж (1), имеющий носовую часть, хвостовую часть и среднюю часть, расположенную между ними,
по меньшей мере, один киль (5), расположенный в хвостовой части фюзеляжа (1), газотурбинный двигатель (13) с приводным валом (14), расположенный в средней части фюзеляжа,
вентиляторы (4), установленные в носовой и хвостовой части фюзеляжа (1) таким образом, что имеют возможность создавать поток текучей среды из отверстия в верхней части фюзеляжа в направлении от фюзеляжа в стороны,
приводной вал (14) кинематически соединен с осями вентиляторов через главный редуктор (15), устройство бесступенчатой трансмиссии (17) и, по меньшей мере, два редуктора,
крылья (2) выполнены таким образом, что подъемная сила создается потоком текучей среды в направлении от фюзеляжа в стороны,
крылья (2) соединены с валами (12) моторов (11),
моторы (11), выполненные с возможностью поворачивать крылья (2) относительно оси валов (12) таким образом, что в одном из положений крылья наклонены вперед, а в другом из положений наклонены назад,
обтекатели (3) с выполненными в них каналами с щелью (19) таким образом, что имеют возможность создавать поток текучей среды в направлении вверх и вниз от обтекателя,
на обтекателях (3) имеются сопла (8) выполненные с возможностью управления по тангажу, рысканию и крену на всех режимах полета.
По сути, поставленная задача достигается путем объединения достоинств несущей системы известного самолета на вертикальных режимах с преимуществами экраноплана с активной динамической подушкой следующим образом: экраноплан, имеющий фюзеляж, крылья, вентиляторы, отличается тем, что крылья установлены в обтекатели с выполненными в них каналами, из которых истекает скоростной плоский поток сжатого воздуха, при этом крылья имеют возможность быть наклонены вперед и назад.
Как будет понятно специалисту, преимущества предлагаемого экраноплана по сравнению с выбранным прототипом достигаются в основном благодаря тому, что крылья установлены в обтекатели с воздушной завесой и возможностью наклона крыльев вперед и назад.
В предпочтительных формах воплощения вышеописанного экраноплана:
- двигатель (13) выполнен турбовальным;
- он снабжен двумя килями, расположенными вертикально на расстоянии друг от друга в хвостовой части фюзеляжа (1).
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлен общий вид экраноплана в трех проекциях.
На Фиг. 2 показано сечение А-А.
На Фиг. 3 показано сечение Б-Б.
На Фиг. 4 изображена кинематическая схема.
На Фиг. 5 показано создание воздушной завесы крыльев и горизонтальной тяги.
На Фиг. 6 показано сечение В-В.
На Фиг. 7 показан сопловый аппарат в двух проекциях.
Позициями 1-19 обозначены:
1 - фюзеляж,
2 - крылья,
3 - обтекатели крыльев,
4 - вентиляторы,
5 - кили,
6 - шасси,
7 - штанги,
8 - сопловые аппараты,
9 - воздухозаборник,
10 - редукторы,
11 - моторы,
12 - валы моторов,
13 - двигатель,
14 - приводной вал,
15 - главный редуктор,
16 - промежуточный редуктор,
17 - устройство бесступенчатой трансмиссии,
18 - валы трансмиссии,
19 - каналы с щелью.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По компоновочной схеме экраноплан однодвигательный с верхним воздухозаборником. Вертикальное оперение двухкилевое. Шасси «обычное» трехстоечное, неубирающееся. Как показано на Фиг. 1, экраноплан содержит:
фюзеляж 1,
крылья 2,
обтекатели крыльев 3,
вентиляторы 4,
кили 5,
шасси 6,
штанги 7,
сопловые аппараты 8.
Как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, по бокам в передней и хвостовой части фюзеляжа 1 передней кромкой друг к другу, параллельно и симметрично относительно продольной оси экраноплана установлены крылья 2, закрытые с концов обтекателями 3. При этом кривизна аэродинамического профиля обеспечивает отклонение части воздушного потока вентиляторов вниз.
Как показано на Фиг. 3, посередине между вентиляторами 4 в пространстве между стенками воздуховодов установлены моторы (пневмо/гидро) 11, валы 12 которых соединены с крыльями 2.
Как показано на Фиг. 4, за кабиной экипажа расположен моторно-трансмиссионный отдел, в котором установлен газотурбинный двигатель (ГТД) 13, который приводным валом 14 соединен с главным редуктором 15. Главный редуктор 15 посредством промежуточного редуктора 16, устройства бесступенчатой трансмиссии 17, редукторов 10 и валов трансмиссии 18 передает крутящий момент двухступенчатым вентиляторам с роторами противоположного вращения 4.
Как показано на Фиг. 5, в передних обтекателях 3 в верхней и нижней поверхностях выполнены каналы с щелями 19, из которых истекает скоростной плоский поток сжатого воздуха поступающий от компрессора двигателя.
Как показано на Фиг. 7, на штангах 7 установлены сопловые аппараты 8.
Вертикальный взлет осуществляется следующим образом:
1) после запуска двигателя 13 приводной вал 14 передает крутящий момент главному редуктору 15;
y
x
2) крутящий момент от главного редуктора 15 посредством промежуточного редуктора 16, устройства бесступенчатой трансмиссии 17, редукторов 10 и валов трансмиссии 18 доводится до вентиляторов 4. Воздушный поток вентиляторов, обтекая крылья 2, создает подъемную силу (F) и силу лобового сопротивления (F) и далее частично отклоняясь вниз создает силу тяги (N) (Фиг. 2). Отраженный от поверхности отклоненный воздушный поток создает избыточное давление под крылом.
Для обеспечения продольной устойчивости, управляемости и балансировки транспортного средства на всех режимах полета крутящий момент на вентиляторы 4 расположенные в хвостовой части фюзеляжа передается через устройство бесступенчатой трансмиссии 17, которое способно плавно изменять коэффициент передачи во всем рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий;
y
3) как только вертикальная тяга, как сумма подъемных сил крыльев (F) и силы тяги вентиляторов (N), станет больше силы тяжести, произойдет отрыв экраноплана от поверхности и начнется вертикальный взлет.
Осуществление маршевого полета:
г
y
в
y
в
1) после набора определенной высоты моторы 11 поворотом валов 12 синхронно наклоняют крылья 2 на одинаковый угол вперед (Фиг. 3, Фиг. 5). При наклоне крыльев вперед образуется горизонтальная составляющая (F) подъемной силы (F), которая и сообщает экраноплану горизонтальную скорость (Фиг. 5). Наклон крыльев уменьшает вертикальную составляющую (F) подъемной силы (F), что может привести к потере высоты полета экраноплана. Чтобы этого не произошло, на экраноплане используется система «угол-газ», которая одновременно с увеличением угла наклона крыльев подает команду в топливную автоматику на увеличение оборотов двигателя. Увеличение оборотов двигателя повышает скорость воздушного потока вентиляторов и следовательно увеличивает подъемную силу. Тем самым исключается уменьшение вертикальной составляющей (F) подъемной силы.
Во время маршевого полета под крыльями создается активная динамическая подушка, которая позволяет увеличить высоту полета на маршевом режиме. Полет осуществляется на высоте, обеспечивающей наибольшие аэронесущие свойства крыльев. При наличии на маршруте по пути следования препятствий в виде повышенного волнения над водной поверхностью, неровностей на земле, высотных препятствий и т.д. экраноплан переходит на самолетный режим полета. Поэтому двигатель экраноплана должен располагать необходимым запасом мощности для самолетного режима полета;
2
1
2) на маршевом режиме полета включается система воздушной завесы крыльев. Сжатый воздух от компрессора двигателя 13 подается в каналы с щелями 19 в верхней и нижних поверхностях передних обтекателей 3. Набегающий воздушный поток (V), взаимодействуя со скоростной плоской струей сжатого воздуха (V), истекающего из щелей канала 19, тормозится и отклоняется (V). Для повышения эффективности воздушной завесы возможна установка нескольких каналов с щелями. Кроме того, для более плавного (ламинарного) обтекания крыльев, возможно регулирование скорости и направления истечения (угла) сжатого воздуха в зависимости от скорости движения экраноплана. (Фиг. 5)
Вертикальная посадка осуществляется следующим образом:
г
y
1) при приближении к месту посадки моторы 11 поворотом валов 12 синхронно наклоняют крылья 2 на одинаковый угол назад. Образующаяся горизонтальная составляющая (F) подъемной силы (F) будет направлена в противоположную сторону движения экраноплана и следовательно снижать его скорость.
Таким образом будет происходить торможение экраноплана в воздухе до его полной остановки. После остановки крылья 2 моторами 11 переводятся в исходное (горизонтальное) положение;
2) плавное уменьшение оборотов двигателя позволяет осуществить вертикальную посадку.
На всех режимах полета используется система струйного (реактивного) управления. Блоки сопловых аппаратов 8 установлены на штангах 7 (Фиг. 1).
Таким образом, при расположении в воздушном потоке вентиляторов крыльев, передней кромкой друг к другу, параллельно и симметрично относительно продольной оси экраноплана векторная сумма сил лобового сопротивления становится равной нулю.
у
х
Это дает возможность применения аэродинамических профилей с наибольшим коэффициентом подъемной силы (С) без учета их коэффициента лобового сопротивления (С).
Для повышения коэффициента подъемной силы применяется система управления пограничным слоем.
Реализация вышеперечисленных мероприятий, направленных на повышение коэффициента подъемной силы, позволяет значительно увеличить подъемную силу (при прочих равных условиях) при минимальных энергозатратах и, следовательно, повысить грузоподъемность и экономичность экраноплана.
Расположение крыльев вдоль по бокам фюзеляжа значительно снижает лобовое сопротивление крыльев набегающему воздушному потоку при движении экраноплана, повышая тем самым его экономичность.
Установка крыльев в обтекатели и воздушной завесой скоростным плоским потоком сжатого воздуха, направленного вверх и вниз от обтекателя, значительно снижает снос воздушного потока вентиляторов встречным потоком без дополнительных энергозатрат, что дает возможность повысить экономичность и грузоподъемность транспортного средства.
Применение на экраноплане единой силовой установки упрощает конструкцию и пилотирование, улучшает эксплуатацию и безопасность, повышает экономичность.
Соединение крыльев с валами моторов, выполненными с возможностью поворота крыльев относительно оси валов таким образом, что в одном из положений крылья наклонены вперед, а в другом положении назад, дают возможность экраноплану осуществлять вертикальный взлет и посадку, висение, движение вперед и назад, а также торможение в полете до полной остановки.
Применение струйных рулей позволяют экраноплану перемещаться боком, выполнять вращения вокруг вертикальной оси, парировать внешние воздействия (порыв ветра), а также управление по тангажу, рысканию и крену на всех режимах полета.
Повышение управляемости и маневренности на всех режимах, возможность вертикального взлета и посадки, а также самолетного режима полета, делают возможным применение экраноплана с необорудованных площадок ограниченных размеров в труднодоступной местности в различных целях.