ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНЫЙ ПОПЛАВКОВЫЙ ГИДРОВЕРТОЛЕТ-АМФИБИЯ "ДЕЛЬФИН"
"DOLPHIN" SEARCH-AND-RESCUE FLOAT SEA HELICOPTER

Гидровертолет «Дельфин» предназначается для поисково-спасательных работ на море с целью спасания людей, терпящих бедствие, путем приводнения и взлета непосредственно на месте катастрофы, а также может совершать посадку и взлет с аэродромов наземного базирования, заснеженных равнин, замерзших рек и озер, и может быть использован в качестве патрульного, противолодочного, пожарного в качестве грузопассажирского для доставки грузов и людей на острова при полетах над морем или иной водной поверхности.
2.1. Областью техники, к которой относится гидровертолет «Дельфин», является гидроавиация в подразделениях, осуществляющих поисково-спасательные операции на акваториях.
2.2. Раскрытие изобретения
Сущность изобретения, как технического решения, заключается в разработке поплавкового гидровертолета-амфибии тримаранной схемы компоновки, способного приводняться и взлетать с акватории моря при волнении до 3÷4-х баллов (ветровая волна 2,0 м), с дальностью полета 2000 км, с максимальной скоростью полета 400 км/час, со взлетной массой 18000 кг, выраженного в совокупности применения существенных отличительных признаков;
2.2.1. Применением дельтовидного крыла малого удлинения, на которое сверху накладывается фюзеляж вертолета (конструкция фюзеляжа, силовая установка несущих винтов, исключая нижнюю часть фюзеляжа, хвостовое оперение с двигателем горизонтальной тяги, аналогично вертолету КА-92 фирмы «Комов»);
2.2.2. Установкой под крылом 3-х длинных, узких цельнометаллических поплавков (удлинение = 10 ед.). центральный поплавок расположен в передней части крыла, два боковых по бокам крыла. Поплавки имеют сплошное крепление к крылу по всей поверхности соприкосновения, при этом поплавки не выступают за переднюю кромку крыла. Такая схема опоры гидровертолета на водную поверхность квалифицируется как тримаранная.
2.2.3. Поплавки оборудованы демпфирующими (амортизирующими) скользящими гидролыжами, выпускаемыми при взлете, посадке и убираемыми в полете. Своеобразное шасси, с помощью которого осуществляется взлет и посадка гидровертолета. Гидролыжа имеет саблевидную форму, содержащую углевую и горизонтальную составляющие. Нижняя поверхность горизонтальной составляющей плоская без реданов, верхняя поверхность выпуклая. Поверхность угловой составляющей имеет килеватную форму.
2.2.4. Применением двухкилевого хвостового оперения, у которого кили опираются на поплавки, а в верхней части соединяются стабилизатором с хвостовой фюзеляжной балкой.
2.2.5. Установкой на килях хвостового оперения двухавтономных движителей с толкающими винтами, создающими горизонтальную тягу.
2.2.6. В задней части дельтовидного крыла устанавливается отклоняемый щиток или выдвижной закрылок.
2.2.7. Особенностью гидровертолета является то, что его фюзеляж, хвостовое оперение, крыло, поплавки выполняются герметичными из материала, не подвергающегося коррозии морской воды.
Все перечисленные выше существенные признаки гидровертолета взаимосвязаны, и совокупное их применение обеспечивает получение следующих технических результатов:
а) Повышение остойчивости гидровертолета.
При нахождении гидровертолета на водной поверхности или при его движении по ней остойчивость повышается применением тримаранной схемы компоновки поплавков, разнесенных относительно продольной и поперечной осей гидровертолета. Чем длиннее поплавки, тем выше продольная остойчивость. Удлинение поплавков (отношение длины к условному диаметру) составляет ≤10 ед., а длина волны, которую перекрывают поплавки, равняется 12 м. При этом низко расположенное крыло за счет сил молекулярного сцепления повышает как поперечную, так и продольную остойчивость. Кроме того, остойчивость повышается применением гидролыж. При нахождении гидровертолета на плаву выпущенные гидролыж играют роль плавающих якорей, которые гасят как продольные, так и поперечные колебания.
б) Повышение мореходности
Мореходность находится в прямой зависимости от остойчивости. Чем выше остойчивость, тем выше мореходность. При этом необходимо отменить, что применение гидролыж повышает мореходность на 25%.
Кроме того, при использовании поддува от несущих винтов вертолета, создающего под крылом воздушную подушку, которая формируется боковыми поплавками и отклоняемым щитком, улучшаются взлетно-посадочные характеристики гидровертолета и, как следствие, повышается мореходность.
в) Снижение гидродинамического сопротивления
Основное преимущество катамаранов-тримаранов согласно теории Фруда, заключается в том, что их узкие и длинные корпуса при движении по воде создают меньшее сопротивление встречному потоку, чем более широкие корпуса лодок. (См. «Парусные катамараны» Ю.С.Крючков, Судостроение, 1967 г.). При этом корпуса поплавков выполняются без скул, изгибов, реданов в более оптимальной гидродинамической форме - килеватной, чем снижается их гидродинамическое сопротивление по сравнению с лодочной компоновкой гидровертолета.
Кроме того, используя и суммируя подъемную силу гидролыж, возникающую при движении, подъемную силу крыла и подъемную силу поддува под крыло несущими винтами гидровертолет поднимается на водную поверхность (клиренс увеличивается до 2 м) и может скользить по ней с гидродинамическим сопротивлением, достигая скорости свыше 100 км/час.
г) Повышение прочности конструкции гидровертолета
Дельтовидное крыло малого удлинения, состоящее из усиленных лонжеронов и нервюр, представляет собой цельнометаллическое крыло-платформу, на которое сверху накладывается фюзеляж вертолета, а снизу устанавливаются поплавки, имеющие сплошное соединение с крылом по всему периметру соприкосновения. На кормовую часть боковых поплавков опираются кили хвостового оперения, которые стабилизатором соединяются с хвостовой фюзеляжной балкой. В целом образуется коробчатая конструкция, которая обладает большим запасом прочности, чем консольная, и позволяет исключить возможность скручивания крыла, колебания поплавков и стабилизатора при восприятии ударных посадочных и волновых нагрузок, позволяет установить на килях винтовые движители.
д) Снижение ударных нагрузок на конструкцию гидровертолета
- Применение на гидровертолете гидролыж, которые первыми воспринимают посадочные и волновые нагрузки, снижают их воздействие на конструкцию вертолета за счет демпфирования и скольжения.
- Тримаранная компоновка поплавков распределяет посадочные и волновые нагрузки на три линии, чем снижает их воздействие на конструкцию вертолета.
- Воздушная подушка, которая образуется от поддува под крыло несущими винтами, и формируемая боковыми поплавками и отклоняемым щитком снижает воздействие посадочных и волновых нагрузок на конструкцию вертолета.
ж) Защита от брызгового потока двигателей.
- Дельтовидное крыло перекрывает водную поверхность перед двигателями, чем препятствует воздействию на них брызгового потока, возникающего при посадке гидровертолета на водную поверхность или при его движении по ней.
- Смещение поплавков за переднюю кромку крыла убирает брызговой поток под крыло, снижая его воздействие на винты двигателей.
- Применение гидролыж, обеспечивающих скольжение гидровертолета по водной поверхности с меньшим гидродинамическим сопротивлением, уменьшает величину брызгового потока.
- Поддув от несущих винтов гидровертолета сдувает брызговой поток, уменьшая его воздействие на винты двигателей.
з) Обеспечение большей дальности полета.
- Применение дельтовидного крыла позволяет разместить в его кессонах большее количество топлива, чем в компоновке лодка-фюзеляж, что увеличивает дальность полета.
- Размещение в поплавках дополнительных топливных баков увеличивает заправляемое количество топлива и, как следствие, увеличивает дальность полета.
и) Увеличение скорости полета,
- Установка на килях хвостового оперения двух двигателей с толкающими винтами (движителями) увеличивает горизонтальную составляющую скорости, увеличивает скорость полета до 400 км/час.
к) Улучшению взлетно-посадочных характеристик
Особенностью гидровертолетов по сравнению с их сухопутными аналогами является то, что гидровертолет не может вертикально оторваться от водной поверхности. Этому препятствуют силы молекулярного сцепления, возникающие за счет смачивания конструкции вертолета, находящейся в воде. Чтобы уменьшить силы молекулярного сцепления, гидровертолету необходимо движение по водной поверхности в горизонтальной плоскости. Этому способствуют движители, установленные на килях хвостового оперения гидровертолета «Дельфин», которые создают горизонтальную составляющую скорости движения гидровертолета в горизонтальной плоскости, уменьшая силы молекулярного сцепления, снижая нагрузку на несущие винты, создающие подъемную силу, обеспечивая отрыв гидровертолета от водной поверхности.
Вместе с тем, при движении гидровертолета по водной поверхности в режиме скольжения на гидролыжах уменьшается смачиваемая поверхность конструкции гидровертолета, уменьшаются силы молекулярного сцепления, облегчается отрыв гидровертолета от водной поверхности.
Кроме того, поддув под крыло, осуществляемый несущими вентами и создающий под крылом воздушную подушку, увеличивает подъемную силу крыла, облегчая отрыв гидровертолета от водной поверхности.
При посадке гидровертолета гидролыжи за счет демпфирования и скольжения снижают ударные посадочные и волновые нагрузки, делают посадку более мягкой.
Воздушная подушка, создаваемая под крылом за счет поддува несущими вентами, также снижает ударные посадочные и волновые нагрузки, обеспечивая более мягкую посадку.
л) Обеспечение большей безопасности полета.
- Применение в конструкции гидровертолета поплавков и гидролыж обеспечивает амфибийность и, как следствие, возможность более широкого выбора места посадки: море, озеро, река, ледовая поверхность, заснеженная равнина, грунтовая поверхность, тем самым обеспечивается большая безопасность полета по сравнению с сухопутным вертолетом.
- Восприятие гидролыжами посадочных и волновых нагрузок, их демпфирование и их снижение при скольжении на гидролыжах повышает безопасность полета.
- в режиме авторотации при отказе двигателей несущих винтов или разрушение несущих винтов, гидровертолет «Дельфин» имеет возможность планировать за счет применения в конструкции дельтовидного крыла, а так же за счет горизонтальной составляющей скорости, создаваемой движителями, установленными на килях хвостового оперения, чем обеспечивается более высокая степень безопасности полета.
Обобщая вышеизложенное, можно констатировать, что, применяя на гидровертолете «Дельфин» все перечисленные существенные признаки, можем достигнуть основных технических результатов: взлет и посадку на волновую поверхность при волнении до 4-х балов, обеспечение дальности полета равной 2000 км, достижение скорости полета до 400 км/час.
2.3 Уровень техники
Наиболее близким по своему функциональному назначению к заявленному изобретению - гидровертолету «Дельфин» является созданный в СССР поисково-спасательный вертолет-амфибия - МИ-14ПС (Шунков В.Н. «Авианесущие корабли и морская Авиация». Попури. г.Москва 2003 г.).
Про создании вертолета МИ-14ПС были широко использованы узлы и агрегаты сухопутного многоцелевого вертолета МИ-8Т. Конструкция фюзеляжа, исключая его нижнюю часть, включая кабину пилотов, грузовой отсек, силовую установку с двумя газотурбинными двигателями и одним несущим винтом, хвостовую балку с рулевым винтом, аналогична конструкции МИ-8Т. В связи с тем, что вертолет МИ-14ПС предназначен для поисково-спасательных работ над большими водными пространствами, нижней части фюзеляжа придана форма лодки, по бокам фюзеляжа установлены надувные баллоны (поплавки). Благодаря этим конструктивным решениям МИ-14ПС может садиться и взлетать с воды, сохранять устойчивое положение при волнении 3-4 балла и глиссировать со скоростью 60 км/час.
Тем не менее вертолет МИ-14ПС значительно уступает гидровертолету «Дельфин»:
- По остойчивости как продольной, так и поперечной, так как разнос поплавков относительно продольной и поперечной осей гидровертолета «Дельфин» перекрывает опорную площадь в два раза большую, чем лодка у МИ-14ПС с надувными баллонами при одинаковых габаритных размерах конструкции вертолетов.
- По скорости полета, в связи с дополнительной горизонтальной составляющей скорости, создаваемой двумя двигателями, установленными на килях гидровертолета «Дельфин».
- По дальности полета в два раза за счет размещения большего количества топлива в кессонах дельтовидного крыла и дополнительных боках в поплавках.
- По безопасности полета, так как гидровертолет «Дельфин» при отказе двигателей несущих винтов, а также при повреждении несущих винтов имеет возможность планировать за счет дельтовидного крыла и горизонтальной составляющей скорости движителей, установленных на килях.
Кроме того, гидролыжи за счет демпфирования и скольжения по водной поверхности снижают ударные посадочные и волновые нагрузки.
2.4 Краткое описание рисунков.
На рисунках №1, 2, 3 изображен поплавковый поисково-спасательный гидровертолет-амфибия «Дельфин» с тримаранной схемой компоновки поплавков, конструкция которого включает:
- Фюзеляж полуцилиндрической формы, с хвостовой балкой, кабиной пилотов, грузовым отсеком (п.1);
- Силовую установку из двух газотурбинных двигателей несущих винтов (п.8);
- Два жестких соосных несущих винта (п.9);
- Дельтовидное крыло малого удлинения (п.10), на которое сверху накладывается фюзеляж, а снизу устанавливается три поплавка удлиненной киливатной формы (удлинение ≤10 ед.) (п.2 п.4), которые разнесены относительно продольной и поперечной осей вертолета, при этом поплавки не выходят за переднюю кромку крыла;
- Гидролыжи с выраженной угловой килеватной составляющей и плоской горизонтальной с выпуклой верхней частью. Гидролыжи в передней части крепятся к поплавку через шарнирный узел, а в задней части опираются на телескопические гидравлические стойки. Гидролыжи убираются в полете во внутрь поплавков, выпускаются при посадке и взлете (п.3 п.5);
- Двухкилевое хвостовое оперение, которое килями (п.6) опирается на боковые поплавки (п.4), а в верхней части через стабилизатор (п.12) соединяется с хвостовой фюзеляжной балкой (п.11);
- Два двигателя с толкающими винтами, создающими дополнительную составляющую горизонтальной скорости. Двигатели установлены в верхней части килей хвостового оперения (п.7);
- Отклоняемый щиток, расположенный в задней части крыла, формирующий совместно с боковыми поплавками воздушную подушку под крылом (п.13).
Рисунок №1 (Боковой вид)
Обозначения:
1 - Фюзеляж
2 - Центральный поплавок
3 - Передняя гидролыжа
4 - Боковой поплавок
5 - Боковая гидролыжа
6 - Киль
7 - Движители (вертикальные с толкающими винтами)
Рисунок №2 (Вид сверху)
8 - Силовая установка несущих винтов
9 - Несущие жесткие соосные винты
10 - Дельтовидное крыло
11 - Хвостовая балка
12 - Стабилизатор
13 - Отклоняемый щиток.
Рисунок №3 (Фронтальный вид)
2.5. Осуществление изобретения
Гидровертолет «Дельфин» предназначается для поисково-спасательных работ на море путем приводнения и взлета непосредственно на месте катастрофы, а также может быть использован в качестве патрульного, противолодочного, пожарного, в качестве грузопассажирского для доставки грузов и людей на острова при полетах над морем или иной водной поверхности.
Гидровертолет «Дельфин» разрабатывался в соответствии с концепцией развития поплавковой гидроавиации (Гидросамолеты: «Буревестник, МРАК-1, Альбатрос»).
Использование летательных аппаратов водного базирования, основанных на применении конструкционных и технических решений, составляющих ряд отличительных существенных признаков гидровертолета «Дельфин», позволяют с высокой степенью эффективности проводить ряд поисково-спасательных и специальных операций на морских акваториях. Данное положение подтверждается выпиской из письма ЦАГИ им. Профессора Н.Е.Жуковского №51-189/16 от 24.10.2003 г. (См. приложение).
Кроме того, жизнеспособность данных летательных аппаратов подтверждается выпиской из письма ТАНТК им. Г.М.Бериева №410/2699 от 1.09.2003 г. (См. приложение).
В статическом состоянии на плаву гидровертолет опирается на водную поверхность тремя поплавками, установленными по тримаранной схеме компоновки на нижней поверхности дельтовидного крыла. Центральный поплавок (Рис.1 п.2) установлен в носовой части крыла, боковые поплавки (Рис.1 п.4) по бокам крыла с креплением к нему по всему периметру соприкосновения. Поплавки имеют удлинение 10 ед. и при условном диаметре поплавка = 0,9 м. Обладают водоизмещением 19 тон, что достаточно для удержания на плаву гидровертолета с установленной взлетной массой 18000 кг. Поплавки разнесены относительно продольной и поперечной осей гидровертолета, чем обеспечивается их остойчивость, и мореходности при волнении моря до 4-х баллов (Ветровая волна = 2,0 м). Поплавки оборудуются демпфирующими скользящими гидролыжами, которые в статическом состоянии работают как плавающие якоря, повышая мореходность гидровертолета на 25%.
Демпфирующие скользящие гидролыжи (Рис.1 п.3 п.4), которые носовой частью крепятся шарнирным узлом к поплавку, а в задней части опираются на телескопическую гидравлическую стойку, является крылом сверхмалого удлинения и при движении обладает подъемной силой (см. Шашин В.М. Гидроаэромеханика морских Л.А. МАИ, 1997 г.).
Хвостовое оперение гидровертолета двухкилевое, чем осуществляется устойчивое управление по курсу. Кили (Рис.1 п.6) опираются на хвостовую часть поплавков, а в верхней части соединяются через стабилизатор (Рис.2 п.12) с хвостовой фюзеляжной балкой (Рис.2 п.11), образуя прочную коробчатую конструкцию, предотвращая скручивание крыла и колебания поплавков при восприятии ударных посадочных и волновых нагрузок.
На килях установлены движители (Рис.1 п.7) с толкающими винтами, осуществляющие движение гидровертолета в горизонтальной плоскости, кроме того, двигатели могут быть использованы при рулении по курсу как в полете, так и при маневрировании на водной поверхности. Кроме того, движители осуществляют достижение гидровертолетом скорости полета до 400 км/час (см. Национальный Аэрокосмический журнал «Взлет» 8-9/2009 г. www.take-off.ru).
Дельтовидное крыло (Рис.2 п.10), на которое сверху накладывается фюзеляж (Рис.1 п.1) с силовой установкой (Рис.2 п.8) и несущими жесткими соосными винтами (Рис.2 п.9), а снизу устанавливаются поплавки (Рис.1 п.2), является элементом, объединяющим фюзеляж, поплавки и хвостовое оперение в единую конструкцию, обеспечивающую большую прочность конструкции гидровертолета по сравнению с консольным на пилонах креплением поплавков. (Дельтовидное крыло имеет большую прочность, чем прямое или стреловидное). Вместе с тем, в кессонах крыла, а также в дополнительных топливных баках поплавков можно разместить в 2 раза большее количество топлива, чем в баках вертолета МИ-14ПС, что обеспечивает дальность полета гидровертолета «Дельфина» равной 2000 км. Кроме того, при движении гидровертолета по водной поверхности, а также в полете крыло обладает подъемной силой, а за счет поддува несущими винтами под крылом образуется воздушная подушка, формируемая боковыми поплавками и отклоняемым щитком (Рис.2 п.13), которая увеличивает подъемную силу крыла.
Взлет гидровертолета с водной поверхности осуществляется не вертикально, что практически невозможно из-за сил молекулярного сцепления смачиваемой поверхности конструкции, а путем движения гидровертолета по водной поверхности за счет горизонтальной составляющей тяги движителей. При этом подъемная сила несущих винтов, дельтовидного крыла, воздушной подушки и гидролыж поднимает гидровертолет над водной поверхностью и при необходимости, гидровертолет может скользить по ней на гидролыжах со скоростью свыше 100 км/час. За счет скольжения и уменьшения смачиваемой поверхности силы молекулярного сцепления практически падают до нуля и позволяют оторваться гидровертолету от водной поверхности. Клиренс при скольжении увеличивается до 2-х м, при этом гидролыжи демпфируют путем отклонения в вертикальной плоскости ударные волновые нагрузки, осуществляя взлет гидровертолета при волнении моря до 4х баллов.
Посадка гидровертолета на водную поверхность может осуществляться как вертикально за счет вертикальной составляющей тяги несущих винтов, так и по глиссаде, используя при этом не только тягу несущих и толкающих винтов, но и подъемную силу крыла и воздушную подушку, создаваемую поддувом под крыло несущими винтами. При этом воздушная подушка и гидролыжи за счет демпфирования и скольжения снижают ударные посадочные и волновые нагрузки при волнении моря до 4-х баллов.
Защита двигателей несущих винтов и движителей толкающих винтов от брызгового потока, возникающего при движении гидровертолета по водной поверхности, осуществляется:
- Воздушным потоком от несущих винтов, который сдувает брызговой поток, рассеивая его в атмосфере;
- Дельтовидное крыло, которое покрывает водное пространство над поплавками, направляя брызговой поток от поплавков под крыло;
- Применением гидролыж, которые снижают брызговой поток путем скольжения демпфирования и уменьшения гидравлического сопротивления за счет сокращения площади соприкосновения с водной поверхностью, в режим скольжения при посадке и взлете.
Большая степень безопасности полета на гидровертолете «Дельфин», особенно при полетах над морем, осуществляется:
- Возможностью большего выбора посадочной площадки (море, реки, озера, заснеженная равнина, грунтовка) по сравнению с вертолетами берегового базирования;
- Применением гидролыж, которые путем демпфирования и скольжения снижают ударные посадочные нагрузки;
- Образованием воздушной подушки от поддува несущими винтами воздушного потока под крыло с формируемого боковыми поплавками и отклоняемым щитком;
- Возможностью планирования за счет подъемной силы дельтовидного крыла и горизонтальной составляющей тяги (скорости) движителей с толкающими винтами при отказе двигателей несущих винтов или при разрушении несущих винтов;
Амфибийность гидровертолета «Дельфин» осуществляется применением гидролыж, которые играют роль 3-х опорного лыжного шасси.
3. Название изобретения
«Поисково-спасательный поплавковый гидровертолет Амфибия-Дельфин».
Название характеризует его назначение для поисково-спасательных работ на море с целью спасения людей, терпящих бедствие, путем приводнения и взлета непосредственно на месте катастрофы.
Название «Дельфин» применено с целью идентификации вертолета. Вместе с тем, название «Дельфин» характеризует гидровертолет, как морской, что соответствует его назначению.