АМФИБИЙНОЕ СУДНО НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ
AMPHIBIOUS SHIP RUNNING ON COMPRESSED AIR FLOW

Изобретение относится к устройствам, повышающим эффективность динамической воздушной подушки транспортного средства, образуемой путем поддува сжимаемого воздуха в пневмоканалы, закрепленные под днищем судна, и подъемной силы, создаваемой струей от импеллера, который установлен на оси вращения, под углом в корпусе носовой части судна, и может быть использовано в качестве движителя на водном транспорте, снегоходах и перемещения на земле.
Известен экраноплан, включающий крыло, горизонтальное и вертикальное оперение, шасси, фюзеляж, маршевый и стартовый двигатели, соединенные с соответствующим энергоприводом, при этом стартовый движитель расположен перед передней кромкой крыла и в носовой части фюзеляжа, водозаборник канала расположен выше его сопла, нижняя часть фюзеляжа в месте расположения сопла оснащена отклоняемым передним щитком, выполненным, по меньшей мере, с одно поперечной щелью, оснащенной створкой, которая оснащена приводом ее отклонения (Патент RU 2297933, кл. B60V 1/08, 2007).
Недостатком такого устройства является сложность конструкции, низкое КПД и низкий напор воздуха вследствие того, что выходное сопло, перекрывающееся щитком, направляет весь поток воздуха под днище судна, он ударяется в жидкость по всей ширине днища судна. В результате чего происходит недостаточная подъемная сила, которая не может быть создана ни в общепринятом, ни в теоретическом смысле. Таким образом, площадь днища воспринимает большие затраты энергии на создание самой воздушной подушки, отсутствует направленная сжатая струя от соответствующего двигателя, например, применяемого от воздушного винта, методы расчета которых не предназначены для создания больших давлений воздуха, типа компрессор или импеллер. Известное также обладает тем недостатком, что для создания необходимой величины тяги при приемлемых габаритов устройства приходится затрачивать большую мощность; подъемная сила обычно сразу не может быть создана по времени без использования проточных пневмоканалов, сжимающих сжатый воздух в конце нижней кормовой части судна, отсутствует как бы воздушная продольная прослойка воздуха по всей длине между днищем и опорной поверхностью для создания на старте движения, как отсутствует и само размещение устройство движителя в виде импеллера, располагающегося в вертикальной плоскости под углом к днищу судна, чтобы создать непосредственно такую струю, которая бы поступала в пневмоканалы, уступ, который размещен на уровне днища и скошен под углом в сторону кормы. Таким образом, оно малоэффективно при эксплуатации.
Из известных устройств наиболее близким к заявляемому является воздушные сани в виде транспорта с воздушными винтами, создающими давление воздуха под днищем и двигающими транспорт, с юбкой, удерживающей воздух под плоским днищем и поплавки, поддерживающими транспорт на воде, при этом днище выполнено из частей под различными углами для расположения под днищем поворачивающихся колец с крыловидными вставками, создающим динамическое давление на профильную часть днища с экранопланным эффектом и реактивное давление на качающиеся створки, расположенные на передней части транспорта (Патент RU 2478502, кл. B60V 1/04, В62В 15/00, 2010).
Недостатком прототипа является, также как и других известных устройств аналогичного назначения, создание воздушной подушки, и тяги недостаточно эффективны при стартовой или малой поступательной скорости транспортного средства, так как установка таких движителей не может реализовать под днищем судна образования сжатого пневмопотока в виде струй, которая могла бы стараться обеспечить тем самым судно на старте движения. То есть известные технические решения невозможно использовать в многократном режиме из-за огромной затраты известного двигателя на разгон судна до скорости, необходимой одновременно и для его оперативного отрыва в движении от опорной поверхности. Устройство вставок и качающейся створки не приспособлены для создания мощной струи и поступления их в пневмоканалы, выход воздуха которого связан только по всей поперечной ширине под днищем, и поток, расширяясь, ударяется непосредственно в толщу водного потока (опорная поверхность). Коэффициент удельной тяги и подъемная сила низки, а затрачивать приходится большую мощность. Кроме того, это связано с применением двигателей, воздушного винта, которые не могут создать достаточной реактивной силы тяги для заполнения сжатым воздухом свободное пространство пневмоканалов, при создании уступом со скошенным углом со стороны кормовой части судна и тем самым отсутствие одновременно судна для движения на старте или на малой скорости, то есть вся энергия тратится на расширение воздуха по всей ширине и длине днища на воздушной подушке. Кроме того, компоновка прототипа, с такими, как воздушные сани с использованием воздушной тяги, снегоход и т.п. весьма затруднительна из-за того, что тяга там перпендикулярно плоскости зависит от удара воздуха непосредственно в толщу воды (опорная поверхность), что приводит к необходимости затрачивать большую мощность, а это снижает КПД судна, и в этих условиях не используется импеллер, для создания направленной струи прямолинейно выходя из его сопла в сторону уступа в направлении непосредственно в пневмоканалы, разделенные уступом в концевой части кормы. Как отмечено в аналоге - прототипе, поток, поступающий через отверстия под днищем, движется между полозами, и днищем, и поверхностью, по которой скользят полозы, а сами поворотные створки не пропускают воздух, так как на них давит реактивная сила, которая создает нежелательные вихри, значительно затрачивается сама энергия на создание таких вихрей для создания воздушной подушки. Таким образом, выходящий воздух под днищем судна претерпевает эффект внезапного расширения, создается турбулентность потока и при этом теряется часть энергии не менее 30%; не обеспечивается эффективность управления судном (разворотов). Кроме того, воздух, подаваемый от нагнетательного устройства, расположенного вертикально в носовой части, направляется многочисленными крыловидными вставками, создают большие сопротивления, отрицательно влияющие на движение судна. Судно может эффективно перемещаться только по ровной поверхности. В случае перемещения судна по воде в условиях волнения возникает значительное сопротивление. Перемещение по твердой неровной поверхности при использовании в качестве амфибии весьма затруднительно.
При участии авторов настоящего изобретения была испытана возможность снижения потребной тяги движителя на малых и больших скоростях движения за счет использования импеллера при использовании пульта управления для исследуемых моделей для указанных выше условий перемещения судна, которая показала перспективность ее использования. За счет выполнения в конце кормы в плане продольного уступа со срезом (под углом), образующего по обе его стороны проточные пневмоканалы, что позволяет вместе с другими предложенными элементами создать перемещение судна по воде, земле, траве и т.д.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции амфибийного судна на сжатом пневмопотоке, которое наряду с обеспечением устойчивости в продольном и поперечном направлениях, уменьшает утечку воздуха из-под днища, уменьшает сопротивление движению, пропускает воздух в атмосферу на старте движения судна и на малых скоростях движения, регулируемую часть воздуха не к бортам корпуса судна, а направляет воздух разделенным уступом со срезом в узкие два пневмоканала, непосредственно на старте и малых скоростях, забирая воздух, выходящий из регулируемого сопла импеллера, расположенного наклонно к оси судна.
Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в том, что амфибийное судно на сжатом пневмопотоке, создающее давление воздуха под днищем, днище выполнено из частей под различными углами, створка расположена на передней части корпуса, руль поворота, в кормовой части корпуса непосредственно перед рулевым устройством, днище выполнено продольным уступом со срезом в сторону носовой части с воздухозаборным каналом нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух, из сопла которого подается под углом под днищем судна, уступ размещен в нижней средней части кормы по центру днища и образует два пневмопотока с двух сторон между уступом, при этом за соплом импеллера дополнительно закреплена подвижная горизонтальная перегородка на оси вращения для продолжения воздушного канала в сторону уступа со срезом, кроме того, к днищу, в зоне уступа, образованного с пневмоканалами, закреплен поворотный щиток на горизонтальной оси с возможностью его примыкания в закрытом положении к дну продольного уступа, при этом на внешней стороне бортов судна закреплены направляющие в виде выступов - открылок из двух соединенных между собой вертикальных пластин, одна из которых жестко закреплена к борту и является ограничителем против откидывания второй пластины на внешнюю сторону, причем вторая пластина имеет ось вращения с возможностью ее поворота и примыкания к скошенному участку нижней части борта судна в сторону днища и подпружинена относительно первой пластины, кроме того, руль поворота со щитком дополнительно содержит второй щиток, закрепленный шарнирно к первому, и подпружинен относительно первого щитка, с возможностью его поворота в вертикальной плоскости.
При этом импеллер расположен таким образом, чтобы угол его наклона в носовой части создавал прямолинейное поступление воздуха в канал днища, сопряженного по длине с пневмоканалами, разделенными посредством продольного уступа со срезом.
2
Достоинство - это значительная стартовая скорость и плавучесть хода, угол разворота может быть резко уменьшен на несколько градусов меньше. Уменьшается давление на воде и на грунте днища судна. Мощность двигателя может уменьшить до 30%, чем известное. Многоканальные узкие пневмоканалы, разделенные (обособленные) уступом с наклоном по центру днища судна только в кормовой части, дают возможность воздушному потоку от импеллера поступать в закрытые пневмоканалы на малом ходу практически для всего воздуха, прохода в кормовой части в атмосферу, т.е. на старте и на малом ходу движения судна, направляя весь поток из сопла, который поступает вначале в узкие пневмоканалы, что существенно влияет на скоростные характеристики судна (этот момент подтвердили испытания модели в нескольких вариантах выполнения), когда судно в движении достигает крейсерской скорости, воздух далее начинает расширяться по ширине и длине днища без ограничения. Следовательно, глубина и ширина таких пневмоканалов существенно влияет на скоростные характеристики судна (этот момент должен рассматриваться при детальных модельных исследованиях). Максимальное давление может достигнуть величины скоростного напора q=ρV/2, где q - расход воздуха; ρ - плотность воздуха; V - скорость движения судна.
В узких пневмоканалах образуется воздушно-пузырьковый поток, уменьшается осадка судна в воде при маневрировании на малых (начальных) скоростях. Повышенная плотность воздушного потока в пневмоканалах позволяет судна легко двигаться как по воде, так и на земле со сложным рельефом местности, а также с растительностью. Скорости могут достигать авиационных (сравнимо с самолетом).
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
На фиг. 1 дан вид сбоку предлагаемого амфибийного судна на сжатом пневмопотоке (в разрезе на диаметральной плоскости); на фиг. 2 показан вид сверху; на фиг. 3 - вид снизу на днище судна в кормовой части; на фиг. 4 - вид спереди импеллера сверху; на фиг. 5 показан импеллер сверху; на фиг. 6 - вид на кормовую часть судна сзади (руль повернут); на фиг. 7 - вид на направляющее устройство из пластин на борту судна сбоку; на фиг. 8 - транспортное средство, одна из моделей исследования.
Амфибийное судно на сжатом пневмопотоке содержит корпус 1, который включает импеллер 2 в кожухе 3, где движение происходит в закрытом пространстве. Кроме того, по периферии вала импеллера имеется полость 4, через которую свободно проходит воздушный поток. В результате этого увеличивается давление воздуха на выходе. Колесо 5 со спиральными лопатками вращается совместно и концентрично с импеллером 2, расположенным в полости 4. Движителем является импеллер 2 с соплом 6, расположенным в носовой части корпуса 1. Сопло 6 снабжено плоской закрылкой в виде створки 7, подамортизированной и управляемой цилидром-амортизатором. Кормовая часть судна в нижней части состоит из образованного продольного уступа 8 со стороны руля, кроме того, уступ 8 имеет скос 9 под углом α° в сторону носовой части соединенного основанием с дном 10 воздухозаборного канала нагнетательного устройства в виде импеллера 2 с соплом 6. Таким образом, плоское днище в зоне кормовой части судна разделяется уступом 8 со скосом 9 и образует два узких пневмоканала 11 и 12, которые дают возможность для прохода воздушного сжатого воздуха в виде сквозных выходов сзади судна. При этом в зоне размещения уступа 8 с пневмоканалами 11 и 12 закреплен поворотный щиток 13 на горизонтальной оси вращения с возможностью его примыкания в закрытом положении к дну продольного уступа со срезом. Регулируя обороты импеллера, а также углы положения поворотного щитка 13, регулируют давление внутри канала под днищем до величины, обеспечивающей заданную разгрузку судна, от нулевой до максимальной скоростях движения. Таким образом, под днищем перераспределяется давление воздуха. При этом еще до включения импеллера 2 в работу пневмоканалы 11 и 12 частично заполнены атмосферным воздухом, играющим роль части воздушной подушки судна в целом, что влияет при стартовом движении судна, соответственно, можно уменьшить мощность импеллера 2 для малых скоростей судна. Форма и параметры двух пневмоканалов 11 и 12 и продольного уступа 8 со скосом 9 выбираются расчетно-экспериментальным путем. Кроме того, в зоне выхода сжатого воздушного потока из пневмоканалов 11 и 12 со стороны торца уступа 8, шарнирно к оси вращения закреплен управляемый руль 14 с двумя щитками 15 и 16, один щиток 15 закреплен жестко к оси вращения руля 14, напротив пневмоканалов и отклоняющий воздушный поток для поворота судна, одновременно в работу вступает второй щиток 16, погруженный в воду, который через шарнир 17, соответственно, соединен со щитком 15 руля 14 с установленной пружиной 18, что образует целостность руля 14 для поворота судна. Подпружиненный щиток 16 контактирует с боковой стороной неподвижного щитка 15 с рулем 14, это создает конструкцию компактную, позволяющую одновременно перемещать судно по твердой поверхности земли, траве, за счет отжатия вверх подвижного щитка 16 по неровностям рельефа местности. Это играет особенно благоприятную роль на воде при повороте судна на малых углах разворотов, так как использует не только сжатый воздух, выходящий через один из пневмоканалов, но и гидродинамику водного потока. Кроме того, это необходимо также и вследствие уменьшения трения по рельефу местности, во-первых; а при движении судна по воде - увеличить возможность поворотов (разворотов) по меньшему радиусу рулем 14, во-вторых. Площадь щитков 15 и 16 руля 14 выбрана так, чтобы использовать при движении по воде судна для создания повышения маневренности судна и, в частности, обеспечения поворотов (разворотов) по малым радиусам, не только используя воздух, но и воду. По бортам корпуса 1 судна ближе к носовой части размещены направляющие пластины 19 и 20 в виде выступов - открылок, одна из пластин 19 жестко закреплена к борту судна и является ограничителем поворота для второй пластины 20, которая соединена с первой посредством горизонтальной оси 21, и пластина 20 является створкой с пружиной 22. Кроме того, нижние кромки бортов корпуса судна в местах крепления направляющих пластин с обеих сторон борта имеют снизу скос для возможного примыкания каждой в отдельности пластин 20 к скосу в нижней части борта при повороте судна, соответственно, вправо или влево. Форма и параметры направляющих пластин 19 и 20 оптимизируются и выбираются таким образом, чтобы дополнительно обеспечить повышение маневренности судна и, в частности, обеспечить поперечную и продольную устойчивость судна, и дополнительно обеспечить повороты (развороты), что связано с работой руля 14, так как, например, поворот судна вправо, направляющая пластина 20 с правого борта судна, вращаясь на горизонтальной оси, прижимается к скосу борта, а вторая направляющая пластина 20 с левого борта (противоположного) наоборот расположена вертикально и упирается верхним концом в неподвижную пластину 19. Таким образом, пластина 20 с левой стороны борта удерживается динамическим давлением воды на пластину на повороте вправо по вертикали. В результате всех связей элементов судно начинает плавно двигаться в стартовом положении на пневмопотоке, когда само днище находится на плаву или на твердой поверхности земли, а в дальнейшем происходит достижение до крейсерской скорости.
Для увеличения эффективности импеллера, особенно на малых скоростях движения, что необходимо для проходимости на мелководье или выходе на необорудованный берег, где недостаточно сохранить сжатый воздух под днищем, на каждом из боковых бортов устанавливаются тонкие бортовые колеса в виде исполнения шасси с цилиндрами управления (на чертеже не показано для упрощения). Колеса могут быть использованы в качестве дополнительного устройства для тяговой силы амфибийного суда. Амфибийное судно на сжатом пневмопотоке функционирует следующим образом. Воздух от импеллера 2, расположенного в наклонном горизонтальном положении по отношению к горизонтальной плоскости судна, через сопло 6 подается в канал по ширине и длине днища; далее воздух, встречая уступ 8 со скосом 9, разделяется им и подается в пневмоканалы 11 и 12 и выходит сзади кормовой части судна, что обеспечивает горизонтальную силу движения на стартовом этапе, затем судно быстро разгоняется. Благодаря этому, на начальном этапе поступление сжатого воздуха от импеллера 2 уменьшает потребный расход воздуха по всей ширине и длине днища, так как в кормовой части весь воздух поступает только в два узких пневмоканала и не выходит из-под днища по всему контуру, соответственно, снижаются энергозатраты, Движение судна, например, по воде, начинается медленно двигаться. Таким образом, размывание границ струи воздуха отсутствует в пневмоканалах 11 и 12, ограниченных с одной стороны уступом 8, а с другой - выступом днища судна. Руль 14 служит для поворотов судна по малому радиусу. Для повышения маневренности судна и в, частности, обеспечения поворотов по малым радиусам руль 14 в основании своем имеет два щитка 15 и 16 (створки). Неподвижный щиток 15 своей боковой плоскостью жестко соединен с поворотом руля 14 с возможностью при повороте частично перекрывать выход воздуха в одном из пневмоканалов 11 или 12, уменьшая выход воздуха в атмосферу, а подвижный нижний щиток 16 (створка) одновременно находится в воде также под углом, так как он шарнирно соединен с боковой плоскостью верхнего щитка 15, жестко связанного с рулем 14, и, перекрывающих друг друга, при этом нижний щиток 16 подпружинен пружиной 18.
При повороте судна на правый или левый борт происходит некоторое оседание судна в одну из сторон, при этом увеличивается гидростатическое давление воды на направляющую пластину 20 с осью вращения со стороны опущенного борта, и она примыкает к скошенному участку борта судна, а со стороны приподнятого борта направляющая пластина 20 ограничена неподвижной направляющей пластиной 19 и расположена в вертикальном положении.
Форма конструкции направляющих пластин 20 позволяет обеспечить вместе с работой руля 14 со щитками 15 и 16 синхронный разворачивающий момент в сторону опущенного борта судна. Кроме того, во время движения судна по воде обеспечивается поперечная и продольная устойчивость, как и при движении судна по земле и траве, подвижные пластины могу автоматически сглаживать неровности поверхности земли и поворачиваться внутрь, в сторону скошенных участков бортов снизу судна. Усилия пружин 18 могут быть отрегулированы.
Воздух, выходя из сопла, проходит в камеру, и дальше под днищем продолжает поступать прямолинейно за счет горизонтальной перегородки, которая крепится к оси вращения, и, соответственно, поворачиваясь, перегородка может создавать давление на воду и подъем носовой части судна в движении, что особенно важно после начального разбега по волновой воде. Наличие поворотного щитка 13, перекрываемого дно уступа и пневмоаналы 11 и 12 в стартовом движении, создает в пневмоканалах эффект воздушно-пузырькового потока, снижающего трение днища судна в сторону опорной поверхности (воды) и уменьшает оседание судна, что увеличивает КПД движителя (импеллера). Увеличив до крейсерской скорости движения, поворотным щитком 13 возможно будет регулировать соответственно поток воздуха для равномерного заполнения большего объема по ширине и длине днища судна, который частично будет выбрасываться горизонтально в атмосферу сзади судна со стороны кормы. Задача состояла в поиске такого технического решения на работе только сжатого пневмопотока, которое бы наиболее оптимально характеризовало бы минимальное сопротивление в движении судна, особенно это касается стартового движения и на малых скоростях, далее скоростной режим (крейсерская скорость). Это вызывает экономичность амфибийного судна, т.е. большая отдача подведенной к нему мощности.
Естественно, что взаимосвязь всех элементов судна под днищем, рулевое устройство, боковые направляющие, а также днище, ограниченное боковыми килями, позволяет использовать весь воздушный поток от импеллера, когда пневмоканалы размещены в кормовой части корпуса непосредственно и разделены уступом со срезом перед рулевым устройством.
Отметим, что высокие амфибийные качества судна и схема образования давлений в пневмоканалах обеспечивались при сравнительно полном использовании воздуха на малом ходу движения судна за счет повышенного расхода воздуха непосредственно через проточные пневмоканалы в прямом направлении, поскольку в носу и в корме подкупольное пространство не имело механических ограждения, кроме уступа 8 со скосом 9, разделяющего воздух по центру на два боковых потока только в концевой зоне кормы.
v. Вх.
вх
2
От напора зависит производительность пневмоканалов (объемный воздух). Сопло импеллера расположено практически прямолинейно в сторону пневмоканалов, воздушный поток выравнивается под днищем, и только далее в кормовой части разделяется на два потока посредством уступа с плавным срезом посередине оси судна, тем самым повышается КПД и снижается шумность нагнетателя. При работе нагнетателя в виде импеллера на его входе образуется разряжение: P=ρV /2, а на выходе создается давление, так называемое полное давление за нагнетателем Pv. Таким образом, полный напор нагнетателя составит Pv.полн.=Pv.вx+Pv.
Известно, что под днищем судна для обычных средств передвижения по воде возникает впадина, глубина которой зависит от давления воздуха, который, тогда как в предложенном техническом решение, вначале идет поступление сжатого воздушного потока в пневмоканалы 11, 12, разделенные уступом 8 со скосом 9 на старте движения, и на малом ходу, и только на крейсерских скоростях, воздушный поток растекается по всему днищу судна, где уже действуют другие силы подъема. Таким образом, создана продольная воздушная тяга пневмоканалами для выхода воздуха в атмосферу, и на этот момент все днище соприкасается с водной поверхностью.
Воздушное сопротивление вычисляется по формуле
где ρ - плотность воздуха; V - скорость движения судна; S - площадь поперечного сечения пневмоканалов; Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от формы судна.
Импульсное сопротивление зависит от массы воздуха, подаваемого нагнетателем в виде импеллера в пневмоканалы, и скорости движения судна, то есть Хмин=ρQV, где ρ - плотность воздуха; Q - объемный расход воздуха в пневмоканалах; V - скорость движения судна.
Таким образом, движитель создает горизонтальную тягу, при нагрузке в пневмоканалах остается часть пустоты, которая заполняется объемом воздуха и обеспечивает точное маневрирование судна на малых скоростях. При управлении судном на сжатом пневмопотоке комплекс перечисленных сил моментов обусловлен работой рулевого устройства судна, и совместная работа направляющих, закрепленная на бортах, способствует повышению маневренности судна и в, частности, обеспечения поворотов (разворотов) по малому радиусу, таким образом, судно приобретает дополнительный разворачивающий момент в сторону опущенного борта, обеспечивается безопасность маневрирования его в режиме на пневмопотоке. При достижении скорости в движении судна, при которой аэродинамическая подъемная сила обеспечивает требуемый режим движения, начинается отклонение средств: такие как горизонтальная пластина, в виде створки 7 с приводом поворота и поворотный щиток 13, примыкающий к дну уступа 8 с пневмоканалами 11 и 12, обеспечивают эффективность работы при крейсерских скоростях. Торможение такого судна осуществляется посредством увеличения силы сопротивления при подачи воздуха в оба пневмоканала и работы импеллера, до полного его отключения.
Опытные испытания модели предлагаемой конструкции доказали ее эффективность и полностью подтвердили ее работоспособность.
Модель предлагаемого технического решения в движении на воде, на земле и траве снималась на видео (записано на видеодиске) для последующей ее рекламы и опытного изготовления в производство. Комплекс испытаний модели, проведенных авторами на водоеме с растительностью и на земле, показали, что струи сжатого воздуха внутри пневмоканалов, а также другие элементы судна, создают устойчивое состояние, как движение на прямой, так и на разворотах (поворотах).
Описанная принципиальная схема работы заявляемого судна при проектировании реального транспортного средства (с определенными народнохозяйственным назначением и параметрами) может детально отрабатываться на маломасштабных, радиоуправляемых и самоходных моделях, возможно, представляется перспективным применение управления процессами разбега и торможения с использованием ЭВМ.
Современный уровень техники позволяет реализовать представленное в описание амфибийного судна на специализированном предприятии с использованием известных расчетных и экспериментальных методов и технологий. Таким образом, представленная в описании совокупность признаков и степень раскрытия сущности изобретения достаточны для его реализации при разработке и изготовлении амфибийного судна на сжатом пневмопотоке.