СИСТЕМА ЗАПОЛНЕНИЯ ВОДОЙ БАКОВ-ОТСЕКОВ ГИДРОСАМОЛЕТА НА ГЛИССИРОВАНИИ
SYSTEM OF FILLING SEAPLANE STRUCTURAL FUEL TANKS WITH WATER USING AQUAPLANING

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике, а именно к системе заполнения водой баков-отсеков на противопожарных гидросамолетах при глиссировании по водной поверхности.
Известно водозагрузочное устройство противопожарного самолета системы заполнения водой баков-отсеков противопожарного самолета по патенту RU 2174934, МПК B64D 1/16, имеющее размещенный за реданом водозаборник и водовод, состоящий из приемного патрубка водовода и выходного патрубка водовода, присоединенного к отверстию в боковой стенке бака.
Недостатками такого устройства являются:
- повышение гидростатического давления при заполненных водой баках;
- отсутствие устройства, исключающего слив воды из бака по водоводу после уборки водозаборного устройства. Водовод является сифоном, и после уборки ковшей водозаборника вода из баков будет по нему сливаться до нижнего уровня входного отверстия в бак.
Известна система заполнения водой баков-отсеков самолета-амфибии на глиссировании по патенту RU 2294301, МПК B64D 1/16, имеющая размещенный за реданом водозаборник и водовод, состоящий из приемного патрубка водовода и выходного патрубка водовода, присоединенного к отверстию в боковой стенке бака.
Для исключения слива воды из бака по водоводу после уборки водозаборного устройства водозаборное устройство снабжено заслонкой. Заслонка шарнирно связана с ковшом водозаборника и при его уборке перекрывает входное отверстие приемного патрубка.
Недостатками такого устройства являются:
- повышение гидростатического давления в баках-отсеках при заполненных водой баках;
- сложность конструкции.
Известен самолет для тушения пожаров по авторскому свидетельству SU 1807599 A1, МПК B64D 1/16, имеющий водозаборное устройство, водовод, распределительный узел, соединяющий водовод с баками для воды, впускные и выпускные клапаны в баках, каждый бак имеет дренаж.
Недостатком системы наполнения баков водой является наличие впускных и выпускных клапанов и системы управления ими, что усложняет конструкцию, снижает ее надежность.
Известна конструкция заполнения водой баков-отсеков на гидросамолете по патенту US №3423053, МКИ B64D 1/16, НКИ 244-136, 1969 г.
Она содержит водозаборник, водовод, размещенный внутри бака, и дренажный канал, расположенный выше бака. Система набора воды имеет устройство, которое автоматически убирает водозаборник по сигналу датчика уровня воды в баке. Уровень воды в баке зависит от массы израсходованного топлива и устанавливается летчиком из кабины во время полета перед набором воды.
Недостатком данного устройства является замер уровня воды в одной "точке". Выливаясь из водовода в бак, вода будет иметь поверхность с наклоном, растекаясь от места слива до стенок бака, что не обеспечивает точности определения объема (массы) набранной воды. При большой площади поверхности воды погрешность в замере может быть значительной.
Наиболее близким к заявляемому решению, выбранным за прототип, является конструкция системы заполнения водой баков-отсеков на самолете-амфибии Бе-200. Была изготовлена геометрически подобная модель одного переднего бака-отсека, на которой моделировалось движение жидкости при наборе воды самолетом на глиссировании (Сборник докладов VII научной конференции «Гидросалон-2008», «Исследование течения жидкости в трубопроводах при заполнении водяных баков противопожарного самолета-амфибии Бе-200», стр. 92. Копия прилагается).
Конструкция содержит бак-отсек с дренажным каналом в верхней части бака и трубопровод. Трубопровод имеет участок, выполненный в виде "колена" (поворот трубопровода на 180°), выход трубопровода расположен внутри бака-отсека.
При глиссировании гидросамолета водозаборные устройства создают в системе водоводов (трубопроводов) гидродинамические потоки воды, которые проходят по водоводам в баки-отсеки. Основное назначение баков-отсеков - отсеки непотопляемости. Высота расположения "колен" трубопроводов и люков дренажных каналов обеспечивает непотопляемость гидросамолета, исключая попадание забортной воды в баки-отсеки при аварийной ситуации гидросамолета, когда затоплены другие отсеки. Участок водовода "колено" - простая и надежная конструкция, исключающая попадание воды в баки-отсеки при эксплуатации самолета с убранными ковшами водозаборников.
Скорость самолета при наборе воды на глиссировании 170÷210 км/ч (относительно воды). При глиссировании самолета, например, со скоростью 50 м/с (180 км/ч), с выпущенными ковшами водозаборников, на выступающие ниже редана части ковшей будет действовать скоростной напор:
c
2
2
4
2
2
2
2
q = 0.5⋅ρ⋅v = 0.5⋅102 кг⋅с/м⋅2500 м/с = 127500 кГ/м = 12.75 кГ/см ≈ 12 атм,
где: q - скоростной напор воды;
2
4
ρ=102 кг⋅с/м - плотность воды;
c
v=50 м/с - скорость самолета.
Момент наполнения баков-отсеков определяется по началу истечения воды из дренажных люков.
Согласно закону Бернулли в стационарном потоке сумма статического и динамического давлений остается постоянной. Эта сумма соответствует гидростатическому давлению покоящейся жидкости,
в
0
2
z+ρ⋅g⋅h+0.5⋅ρ⋅v=p=const,
0
где: p - полное давление, в данном случае равное скоростному напору;
z, м - расстояние от поверхности водоема до дренажного люка, этой величиной можно пренебречь;
2
4
ρ=102 кг⋅с/м - плотность воды;
h, м - высота уровня воды в баках.
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
в
v - скорость воды в водоводе.
2
При наборе воды по системе прототипа при неполных баках-отсеках давление на стенки будет статическое (ρ⋅g⋅h). Когда вода истекает из дренажного люка, бак-отсек становится частью водовода, соединяя водовод с дренажным каналом, через него проходит динамический напор. Динамическое давление (0.5⋅ρ⋅v) уменьшится пропорционально отношению площади сечения водовода к площади сечения бака и возрастет статическое давление. Статическое давление в баках-отсеках, в данном случае, предполагается 5÷7 атмосфер.
Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа, является высокое давление в баках-отсеках при их полном заполнении.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эксплутационной возможности, экономической эффективности, снижение веса конструкции.
Технический результат достигается тем, что система заполнения водой баков-отсеков гидросамолета на глиссировании содержит баки-отсеки с дренажными каналами, водозаборные устройства с выдвигаемыми при наборе воды ковшами, водоводы, имеющие «колена» и дистанционно управляемые краны. Система снабжена распределительным устройством, соединенным водоводами с дренажными каналами баков-отсеков, при этом водозаборные устройства соединены с входом распределительного устройства, а выходы распределительного устройства - с водоводами, на которых установлены водомерные устройства, измеряющие расход воды.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с выявленными аналогами подтверждает, что предложенная система заполнения водой баков-отсеков гидросамолета на глиссировании новая. Вся совокупность признаков изобретения не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, поэтому заявленная система отвечает критерию изобретательного уровня. Изобретение промышленно применимо и позволяет достигнуть технический результат.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид гидросамолета;
на фиг. 2 дан вид А (вид на левый борт самолета, система набора воды);
на фиг. 3 - сечение Б-Б (показан вид на кормовые баки в изометрии);
на фиг. 4 - сечение В-В (сечение по дренажным каналам с водоводами);
на фиг. 5 - сечение Г-Г (сечение по дренажным каналам).
Система заполнения баков-отсеков водой установлена на гидросамолете 1 (фиг. 1), имеющем баки-отсеки 2 (фиг. 2) с дренажными каналами 3 и 4, которые заканчиваются на борту самолета дренажными люками 5. Имеются также водозаборные устройства 6, снабженные выпускаемыми при наборе воды ковшами 7 и соединенные с входом в распределительное устройство 8 (фиг. 3). Выходы распределительного устройства 8 соединены с водоводами 9. Водоводы 9 соединяют выходы распределительного устройства 8 с дренажными каналами 3 баков-отсеков 2 (фиг. 4), при этом на водоводах 9 установлены дистанционно управляемые краны 10 и водомерные устройства 11. Водоводы 9 имеют участки, выполненные в виде "колена".
Работа устройства происходит следующим образом.
При глиссировании гидросамолета 1 (фиг. 1) из водозаборных устройств 6 (фиг. 2) выпускаются ковши 7, которые поворачивают набегающий на них поток воды на 90°, направляя их на входы в водозаборные устройства 6. Из водозаборных устройств 6 вода поступает в распределительное устройство 8 (фиг. 3) и по водоводам 9 в дренажные каналы 3 (фиг. 4) и сливается в баки-отсеки 2. По мере наполнения баков-отсеков водой воздух будет выходить через дренажные каналы 4 (фиг. 5). При переполнении баков-отсеков 2 вода из водоводов 9 будет сливаться через дренажные люки 5, не создавая гидродинамического потока в баках-отсеках 2. После уборки ковшей 7 водозаборных устройств 6 вода, находящаяся в водоводах 9 и распределительном устройстве 8, будет сливаться через водозаборное устройство 6 под днище гидросамолета. Гидростатическое давление на днище баков-отсеков будет зависеть от высоты уровня воды в баках-отсеках. При высоте бака 1,2 м давление составит 0,12 атм.
Когда масса самолета ограничивает объем набираемой воды (емкость баков больше), воду можно набирать без использования водомерных устройств 11, оставляя открытыми краны 10 баков-отсеков 2, в которые будет набираться вода.
3
3
3
3
При тушении пожаров предполагается за один вылет самолета-амфибии с аэродрома неоднократный набор воды на водоеме и слив ее на пожаре. По мере выработки определенной массы топлива появляется возможность набирать больший объем воды. Объем набираемой воды определяется летчиком перед каждым забором и регулируется открытием или закрытием дистанционно управляемых кранов 10 перед набором воды. Использование водомерных устройств, например, турбинного типа позволит набирать воду не порциями по 3 м (средний объем каждого бака-отсека 2), а до максимального веса самолета при отрыве от воды, что значительно повысит эксплутационные возможности гидросамолета доставлять к месту пожара больший объем воды. Например, если масса самолета при отрыве от поверхности водоема позволяет набрать 7,5 м, то в три бака заливается по 2,5 м воды, а без водомерного устройства только в два бака 6 м. Процесс уборки ковшей 7 после набора воды можно автоматизировать, используя бортовой компьютер. Можно ввести данные максимальной массы гидросамолета при отрыве и во время набора воды считывать данные массы самолета, с учетом израсходованного топлива, и данные водомерных устройств. Когда масса самолета с набранной водой достигнет заданной массы отрыва самолета от воды, ковши 7 водозаборных устройств 6 убираются.
Таким образом:
- исключается статическое давление, создаваемое динамическим давлением при уменьшении скорости потока воды в баках-отсеках, остается статическое давление от высоты воды в баках, что больше чем на порядок снижает статическое давление в баках-отсеках и повышает надежность при эксплуатации и возможность снижения веса конструкции;
- при каждом наборе воды уменьшается время набора воды, имеется возможность набирать больший объем воды, что дает возможность сократить дистанцию набора воды и тем самым повысить эксплутационные возможности;
- сокращается время работы двигателей на взлетном режиме и уменьшается расход топлива при наборе воды, что повышает экономичность в эксплуатации;
- исключаются механизмы, препятствующие сливу воды из баков-отсеков по водоводам после уборки ковшей водозаборников, что повышает надежность системы в эксплуатации и снижает ее вес.