САМОЛЕТ БИПЛАННОГО ТИПА

Полезная модель относится к области авиационной техники, в частности к самолетам бипланного типа, обладающим расширенными возможностями базирования для осуществления пассажирских и грузовых перевозок на местных воздушных линиях.
Повышение транспортной доступности отдаленных регионов Российской Федерации, развитие местных воздушных линий в обеспечение внутри региональных и межрегиональных авиационных перевозок пассажиров и грузов, оказание медицинской помощи населению отдаленных регионов, выполнение авиационных работ (лесопатрульные работы, сельскохозяйственные работы и др.) с использованием воздушных судов малой авиации являются государственными задачами и приоритетными направлениями социально-экономического развития регионов Сибири и Дальнего Востока.
Известен эксплуатируемый с 1947 года неприхотливый к условиям эксплуатации самолет биплан Ан-2 (энциклопедия авиации, М.: «Научное издательство «БРЭ», 1994 г., стр. 56).
Самолет эксплуатировался на местных воздушных линиях для перевозки пассажиров и грузов, на линиях, связывавших областные центры с небольшими городами, поселками, селами и деревнями. Будучи простым в эксплуатации, пригодным для работы на неподготовленных грунтовых площадках и обладая малым разбегом и пробегом, Ан-2 был незаменим в сельскохозяйственной и санитарной авиации, его можно было увидеть как в районах Крайнего Севера, так и в среднеазиатских пустынях и высокогорных районах.
Вопрос замены устаревших самолетов АН-2 назрел давно, с этой целью в 2010 году в Сибирском научно-исследовательском институте авиации им. С.А. Чаплыгина (СибНИА, Новосибирск) началась разработка проекта ремоторизации Ан-2 в самолет ТВС-2МС.
Новый самолет получил новый турбовинтовой двигатель Honeywell ТРЕ-331-12 мощностью 1100 л.с, работающий на различных видах топлива, включая авиационный керосин и автомобильный бензин.
Одним из приоритетов ремоторизации машины являлось максимальное сохранение оригинальной конструкции Ан-2, поэтому изменению подверглась только его носовая часть, в связи с установкой нового двигателя с меньшей массой была разработана новая моторама и перекомпонован двигательный отсек для установки дополнительного оборудования (патент на полезную модель №142783). Этот самолет принят за прототип.
Прототип по патенту №142783 также имеет ряд недостатков, а именно, силовая схема бипланного крыла включает в себя набор стоек и расчалок, которые создают дополнительное лобовое сопротивление и дополнительный вес конструкции, закрылки имеют ограниченную эффективность, пассажирская кабина не соответствует современным требованиям безопасности полетов, отсутствует современная аэронавигационная аппаратура для эксплуатации самолета в северных широтах.
ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» в 2019 году была проведена НИОКР «Комплексные исследования в обеспечение разработки и создания перспективного легкого многоцелевого самолета для местных воздушных линий», Шифр «Байкал ТП-ЭП» (Отчет №07-19 от 05.07.2019, СибНИА, Новосибирск), по результатам Технического предложения (аванпроекта) была подтверждена возможность и целесообразность создания самолета бипланного типа для местных воздушных линий в соответствии с приведенным ниже техническим обликом и конфигурацией, рекомендовано использовать полезную модель для практической реализации и внедрения. По результатам расчетов были определены массовые и центровочные характеристики самолета (приведены в составе НТО инв. №12391А, ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», Новосибирск, 2019 г.).
При создании заявленной полезной модели была поставлена задача - сохраняя аэродинамические характеристики самолета, повысить эксплуатационные преимущества прототипа, а также упросить и облегчить конструкцию.
По программе импортозамещения установлен другой турбовинтовой двигатель. Взамен двигателя ТРЕ331-12 фирмы Honeywell, установленного на ТВС-2МС, установлен двигатель ТВД-20-03, взлетной мощностью 1430 л.с. производства ОДК.
В целях обеспечения требуемых характеристик, был убран набор стоек и расчалок, что облегчило конструкцию.
2
Поставленная задача решается благодаря тому, что самолет бипланного типа содержит фюзеляж поз. 1, состоящий из носового, среднего и хвостового отсеков поз. 2, верхнее крыло поз. 3, нижнее крыло поз. 4, однокилевое вертикальное оперение поз. 5 и горизонтальное оперение поз. 6, шасси поз. 7, основную силовую установку, причем верхнее и нижнее крылья выполнены в виде замкнутого контура, верхнее крыло выполнено неразъемным со срезом по передней кромке, консоль верхнего крыла самолета снабжена предкрылками по всему размаху консолей поз. 8, расположенными вдоль передней комки верхнего крыла и состоящими из двух секций, соединенных между собой тендером, который позволяет производить регулировку зазоров между секциями, при этом нижнее крыло выполнено разъемным, причем верхнее и нижнее крылья имеют профиль, который выполнен однорежимным переменной толщины в корневой части крыла 15,7% и в концевой 12,8% относительно хорды крыла, сечение горизонтального оперения выполнено в виде несимметричного профиля относительно хорды крыла, причем с целью расширения эксплуатационного диапазона центровок и повышения эффективности продольного управления площадь горизонтального оперения составляет не менее 12,6 м, при этом мотоотсек поз. 9 включает в себя вспомогательную силовую установку, состоящую из газотурбинного двигателя малого размера.
3
В средней части самолета бипланного типа размещен грузопассажирский отсек с общим объемом не менее 12 м, оборудованный легкосъемным оборудованием, грузовой дверью, совмещенной с пассажирской дверью, кроме того, имеется аварийный выход. Хвостовая часть представляет собой технический отсек, предназначенный для хранения самолетного оборудования. Фюзеляж выполнен прямоугольного сечения с герметизацией. Фонарь кабины выполнен из изогнутых прозрачных износостойких панелей и имеет систему электрического подогрева лобовых стекол. Внешний обвод капотов силовой установки представляет собой поверхность плавного изменения сечения от окружности в месте подхода к фюзеляжу до эллипса в начальной зоне.
Верхнее крыло самолета бипланного типа снабжено предкрылками по всему размаху консолей поз. 8 и однощелевыми закрылками в корневой части консолей (до элерона). Нижнее крыло снабжено однощелевыми закрылками по всему размаху консолей поз. 10 и интерцепторами поз. 11. Закрылки выполнены выдвижными с одной профилированной щелью между обводообразующими поверхностями крыла и закрылка. Интерцепторы расположены на верхней поверхности хвостовой части нижнего крыла самолета.
Верхняя плоскость нижнего крыла в зоне расположения входной двери экипажа выполнена усиленной с антискользящим покрытием. В каркасе самолета бипланного типа его вертикального и горизонтального оперения, верхнего и нижнего крыла, киля используются композиционные материалы на основе углеродной ткани.
Силовая установка заявленной полезной модели включает в себя один турбовинтовой двигатель со свободной турбиной, воздухозаборник двигателя установлен на носовой части капотов.
Комплекс бортового радиоэлектронного оборудования самолета бипланного типа включает в себя пилотажно-навигационное оборудование, содержащее не менее двух дисплеев, не менее двух курсовертикалей со встроенным датчиком системы воздушных сигналов, не менее двух датчиков магнитного курса, по крайней мере один контроллер приборов контроля двигателя и систем самолета, по крайней мере один резервный авиагоризонт, по крайней мере один преобразователь интерфейсов для связи с навигационным прибором. Агрегаты внешней сигнализации содержат транспордер.
Изображение самолета по заявленной полезной модели представлено на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 - изображение полезной модели в аксонометрической проекции (вид спереди, вид сбоку, вид сверху).
Конструктивно самолет состоит из фюзеляжа, неразъемного верхнего и разъемного нижнего крыльев, киля, оперения, двигателя, вспомогательной силовой установки, состоящей из газотурбинного двигателя малого размера и служащей для функционирования системы кондиционирования воздуха, а также обеспечения выработки электричества. Фюзеляж выполнен в форме прямоугольного сечения с герметизацией (фиг. 4). Герметизация предполагает защиту внутренних отсеков от попадания атмосферных осадков, как в полете, так и на стоянке.
3
В средней части размещен грузопассажирский отсек с общим объемом не менее 12 м, оборудованный легкосъемным оборудованием, в частности аварийно-спасательным, грузовой дверью, совмещенной с пассажирской дверью с аварийным выходом.
Хвостовая часть представляет собой технический отсек, предназначенный для хранения самолетного оборудования (фиг. 5).
Особенностью данной конструкции является конструкция обшивки, которая представляет собой цельную панель сложной формы, изготовленную из нескольких слоев углеродной ткани, пропитанной связующим веществом. По этой причине нагрузка на хвостовую часть фюзеляжа воспринимается обшивкой и в данном случае не требуется проектирование сложного силового каркаса (продольный и поперечный силовые наборы).
Углеродная ткань состоит из очень прочных волокон армированного полимера, которые имеют чрезвычайно маленький вес, кроме того данные волокна чрезвычайно теплостойки и трудновоспламеняемы. За счет использования данного материала специалистам удалось существенно снизить вес самолета, улучшив его безопасность.
Носовой средний и хвостовой отсеки фюзеляжа представляют собой самостоятельные сборочные единицы (фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8), данная модульность конструкции позволяет собирать отсеки в отдельных стапелях, что улучшает показатели ремонтопригодности при эксплуатации самолета.
Верхнее крыло выполнено неразъемным по размаху со срезом по передней кромке и снабжено предкрылками по всему размаху консолей и однощелевыми закрылками в корневой части консолей (до элерона) (фиг. 9). Максимальное отклонение закрылок составляет 35 градусов относительно хорды крыла.
Нижнее крыло снабжено однощелевыми закрылками по всему размаху консолей и интерцепторами, при этом закрылки выполнены выдвижными с одной профилированной щелью между обводообразующими поверхностями крыла и закрылка.
Интерцепторы расположены на верхней поверхности хвостовой части нижнего крыла самолета.
Механизация задней кромки крыльев выполнена с применением выдвижных закрылков, которые перемещаются по рельсовым направляющим, механизация нижнего крыла дополнена поворотным интерцептором (фиг. 10).
В рабочем положении интерцепторы левой и правой консолей отклонены от верхней поверхности крыла на угол до 40 градусов к набегающему потоку (фиг. 11).
Верхняя плоскость нижнего крыла в зоне расположения входной двери экипажа выполнена усиленной с антискользящим покрытием (фиг. 12).
Допустимый диапазон центровок при полной загрузке самолета находится в диапазоне от 20 до 30% от длины средней аэродинамической хорды (фиг. 13).
Средняя часть фюзеляжа устроена так, что расположение грузов не оказывает существенного влияния на путевую устойчивость самолета в процессе выполнения летного задания.
Закрылки предназначены для улучшения взлетно-посадочных характеристик проектируемого самолета, располагаются в хвостовой части верхнего и нижнего крыла и выполнены выдвижными с одной профилированной щелью между обводообразующими поверхностями крыла и закрылка. Закрылки конструктивно по размаху делятся на 2 секции: внутреннюю и внешнюю.
Выдвижные закрылки характерны тем, что при выпуске во время взлета и посадки выдвигаются назад с последующим отклонением на заданные углы, тем самым увеличивая не только кривизну профиля, но и площадь крыла. В убранном положении закрылки вписываются в контур крыла.
Закрылки имеют по 2 узла навески на секцию и подвешиваются с помощью рельсов, жестко закрепленных на задних лонжеронах верхнего и нижнего крыла и кареток установленных по краям секций закрылков.
Для обеспечения эффективности горизонтального оперения на взлетно-посадочных режимах при выпущенной механизации крыла в условиях высокой интенсивности работы силовой установки в профилеровке горизонтального оперения применен несимметричный профиль (фиг. 14).
Несимметричный профиль относительно хорды крыла способствует затягиванию срыва потока на горизонтальном оперении (ГО) при больших углах скоса потока в области ГО, возникающих при отклонении закрылков, что позволяет сохранить устойчивость самолета при более задних центровках, а особенно в условиях обледенения.
Фонарь кабины выполнен из изогнутых прозрачных износостойких панелей увеличенной площади, что существенно снизило количество непрозрачных перемычек металлического переплета фонаря.
Силовая установка включает в себя один турбовинтовой двигатель со свободной турбиной, воздухозаборник двигателя установлен на носовой части капотов (фиг. 15).
Внешний обвод капотов силовой установки представляет собой поверхность плавного изменения сечения от окружности в месте подхода к фюзеляжу до эллипса в начальной зоне (фиг. 16).
Самолет включает в себя комплекс бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО), который включает в себя пилотажно-навигационное оборудование, состоящее из дисплеев, курсовертикалей со встроенным датчиком системы воздушных сигналов, датчиков магнитного курса, контроллера и резервного авиагоризонта. Современный комплекс БРЭО позволяет эксплуатировать самолет днем и ночью, в различных климатических условиях, в том числе в северных широтах.
Основным источником электроэнергии является стартер-генератор (СГ) постоянного тока с необходимой для оборудования самолета эксплуатационной мощностью, приводящийся во вращение через коробку приводов двигателя. Эксплуатационная мощность основного источника не менее 9 кВт.
В качестве аварийного источника электроэнергии используются две аккумуляторные батареи, которые подключаются непосредственно шине 27 В.
Все потребители электроэнергии постоянного тока, независимо от степени их важности, подключены к шине 27 В распределительного устройства.
При отказе или отключении основного источника или при отключенном аэродромном питании основная шина получает питание от аварийного источника - аккумуляторных батарей (АКБ).
Аккумуляторные батареи АКБ в нормальном режиме работы СЭС подключена через контакторы к шине 27 В. В этом режиме она обеспечивает компенсацию мощности при перегрузках и бесперебойность питания при коммутациях.
В состав оборудования входят две посадочные фары WHELEN 71674, расположенные в передних кромках нижнего крыла по левому и правому бортам, также выполняют функцию рулежных фар.
Включение фар, а также выбор режима работы (посадочный, рулежный) производится переключателем, установленным на панели управления внешним освещением. Панель управления внешним освещением расположена на приборной панели слева от центрального пульта.
Электропитание рулежной и посадочных фар осуществляется от бортовой сети.
Кроме того, в состав полезной модели входят агрегаты внешней сигнализации, обеспечивающие световое обозначение самолета в полете при рулении и стоянке (аэронавигационные огни, хвостовой огонь, проблесковые маяки, огни предотвращения столкновений), а также транспондер, который является бортовой частью системы вторичной радиолокации, обеспечивающей решение задач управления воздушным движением (УВД) на трассах и в районе аэродрома. Транспондер служит для автоматической передачи наземным вторичным радиолокаторам по их запросу, ответных сигналов для определения радиолокационных координат самолета и сигналов, содержащих информацию о номере самолета, высоте полета. Кроме указанного, имеется возможность автоматической передачи диспетчеру УВД сигнала об аварийной обстановке на самолете и сигнала индивидуального опознавания по запросу с земли.
В состав полезной модели входит метеорадар, который размещается в законцовке левой консоли верхнего крыла, так чтобы в зону работы не попадала кабина экипажа и моторный отсек, в радиопрозрачном обтекателе.
Метеорадар представляет собой импульсный радиолокатор со сканирующей в азимутальной плоскости антенной.
Объектами, от которых метеорадар принимает отраженные сигналы, могут быть гидрометеообразованиями, характеризующиеся достаточно большими диаметрами водяных капель, удерживающими восходящими потоками воздуха (зоны грозовой деятельности, мощная кучевая облачность и т.д.), а также наземные сооружения, надводные объекты и участки земной поверхности. Дальность обнаружения объекта зависит от величины эффективной площади поверхности рассеивания.
Кроме того, полезная модель самолета оснащена системой для снабжения воздухом потребителей других систем, а также используется для обогрева остекления фонаря во избежание обледенения и обогрева кабины пилотов и грузового отсека теплым воздухом для создания и поддержания комфортных условий членам экипажа и пассажирам.
Обоснование рациональности конструктивных решений при создании самолета по предлагаемой полезной модели подтверждается многочисленными прочностными, аэродинамическими, наземными и летными испытаниями, проведенными в лаборатории ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» на натурном макете.
Применение данного самолета позволит повысить транспортную доступность ряда регионов РФ и может быть представлено такими видами работ как грузопассажирские и грузовые перевозки, административные перевозки, первоначальная летная подготовка, сельскохозяйственные работы, мониторинг состояния лесного хозяйства, геофизические работы, осуществление поисково-спасательных операций, экскурсионно-развлекательные цели.