БЕСПИЛОТНЫЙ САМОЛЕТ - АМФИБИЯ
UNMANNED AMPHIBIOUS AIRCRAFT

Предлагаемое изобретение относится к области авиации, а именно касается устройства днища лодки (фюзеляжа) беспилотного самолета - амфибии и его общей компоновки.
Беспилотный самолет - амфибия предназначается в основном для выполнения тушений лесных пожаров и их обнаружения осуществлением облетов лесных массивов.
Он может быть также использован для опрыскивания полей сельскохозяйственных культур, сброса абсорбентов на разливы нефти на водной поверхности.
Современные беспилотные летательные аппараты невозможно применить для вышеуказанных целей без их существенных доработок. Для этих работ нужны беспилотные летательные аппараты больших весов и размеров, чтобы можно было разместить в них необходимое оборудование, емкости для набора огнегасящей жидкости, системы ее набора и управления при сбросе на пожар, химических растворов для опыления полей или абсорбентов для сброса на нефтяные разливы на водной акватории.
В настоящее время в мире эксплуатируются беспилотные летательные аппараты, в основном производящие взлеты и посадки с суши. Есть беспилотные летательные аппараты весом до 3000 кг (Ту - 300 «Коршун», www.airwar.ru). Но беспилотных летательных аппаратов, способных производить наборы воды с поверхностей водоемов на режимах глиссирования и ее сбросы, нет. Нет в технической прессе и описаний днища лодок некоторых беспилотные летательные аппаратов США, способных сесть на водную поверхность. К тому же их веса и геометрические размеры небольшие (до 300 кг) и цели их создания не имеют ничего общего с процессами набора воды. Известны самолеты и самолеты - амфибии, которые производят тушение лесных пожаров (CL - 415, Бе - 200ЧС, Ил - 76П и некоторые другие военные сухопутные самолеты, доработанные в США). Самолеты - амфибии производят набор воды на открытых водоемах в процессе глиссирования на водной поверхности рек, озер, прибрежных зон морей и океанов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является самолет - амфибия Бе - 200 (фиг. 1, 2).
Для выполнения взлетов, посадок и глиссирования на водной поверхности он снабжен днищем лодки 1, имеющим свои специфические формы. При этом применена «одноточечная» схема глиссирования. У самолетов - амфибий с «одноточечной» схемой глиссирования поверхностью глиссирования является часть нижней поверхности носовой части днища лодки, примыкающей к редану 2 и включающей его. Редан 2 в этом случае всегда расположен позади центра тяжести (ц.т.). В процессе глиссирования самолет амфибия совершает продольные колебания по углу дифферента.
При этом возникают и вертикальные перемещения по высоте его центра тяжести.
На фиг. 3 приведена зона устойчивости глиссирования динамически подобной модели самолета - амфибии Бе - 200.
Движение самолета - амфибии на воде с углами ниже нижней границы (фиг. 3) приводит к его колебаниям по углу дифферента с нарастающей амплитудой и частотой. На больших скоростях может возникнуть и уход с курса движения, с последующей аварией. Движение самолета - амфибии выше верхней границы приводит к движению с нарастающими по амплитуде углами дифферента и вертикальным перемещениям его центра тяжести. На больших скоростях при этом возникают выбросы самолета из воды. Зона устойчивости глиссирования находится между нижней и верхней границами.
Она представляет собой зависимость углов дифферента ϕ самолета - амфибии от скорости глиссирования V. Согласно фиг. 3 наименьший диапазон углов дифферента составляет четыре градуса при скорости 12 м/с. На предвзлетных скоростях этот диапазон углов существенно возрастает. При испытаниях динамически подобных моделей, в соответствии с теорией физического подобия, обеспечивается выполнение необходимых критериев подобия. Выполнение этих критериев динамического подобия позволяет многие параметры, полученные при испытаниях модели, без пересчета перенести на натурный объект. Так углы дифферента переносятся на натуру без пересчета. Скорости движения увеличиваются в корень квадратный от величины масштаба геометрического подобия модели и натуры.
В соответствии с зоной устойчивости глиссирования, в инструкциях по эксплуатации рекомендуются углы дифферента ϕ, которые летчик должен установить и удерживать в процессе глиссирования. Только опытный летчик способен удерживать указанные углы дифферента при глиссировании на волне. Иногда, в помощь летчику, устанавливается демпфер продольных колебаний, который может быть эффективен лишь для определенных сочетаний высот волн (нет возможности настроить демпфер на все возможные варианты ветровых волн, когда этот процесс носит случайный и нестационарный характер).
В беспилотном самолете - амфибии летчик отсутствует. Днище лодки беспилотного самолета - амфибии, выполненное по «одноточечной» схеме глиссирования, приведет к зоне устойчивости глиссирования, подобной приведенной на фиг. 3. При этом беспилотный самолет - амфибия будет иметь широкий диапазон углов дифферента в зоне предвзлетных скоростей. Для удержания его в оптимальном угле дифферента понадобится эффективная система демпфирования. Рулевые поверхности, обеспечивающие продольную устойчивость беспилотного самолета - амфибии на режимах глиссирования по волне, будут больше в сравнении с теми, которые могут быть у беспилотного самолета – амфибии, глиссирующего на этой же волне, но с малыми амплитудами продольных колебаний по углу дифферента и малыми перемещениями центра тяжести по высоте. Система демпфирования будет работать с большими угловыми скоростями рулевых поверхностей и находиться в интенсивной работе при наборах воды. При этом будет ускоряться выработка ее ресурса.
Кроме этого, колебания беспилотного самолета - амфибии в режимах глиссирования на волне создадут повышенные внешние нагрузки на его корпус и рулевые поверхности, что приведет к усилению конструкции, увеличению веса пустого беспилотного самолета - амфибии и ухудшению его эксплуатационных характеристик. Для применения беспилотного самолета - амфибии необходимо будет иметь варианты программы демпфирования его продольных колебаний по углу дифферента при наборах воды на глиссировании. Для каждого водоема необходима будет своя программа, поскольку каждый водоем имеет свой частотный и энергетический спектр волнения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение более устойчивого глиссирования беспилотного самолета - амфибии на волне и устранение указанных недостатков, а именно:
- уменьшение амплитуд продольных угловых колебаний и перемещений центра тяжести беспилотного самолета - амфибии в процессе его глиссирования на волне,
- уменьшение диапазона углов дифферента во всем диапазоне скоростей глиссирования;
- снижение гидродинамических нагрузок на корпус лодки;
- создание оптимальных условий для работы системы продольного и поперечного управления, способствующих сохранению ее ресурса и беспилотного самолета - амфибии в целом.
Технический результат достигается тем, что обводы днища лодки предлагаемого беспилотного самолета - амфибии выполнены с двумя эффективными в работе поперечными реданами. Первый редан располагается впереди центра тяжести беспилотного самолета - амфибии. Вторым реданом является кормовая часть лодки, имеющая необходимую ширину для эффективной гидродинамической работы. В поперечных сечениях лодки на реданах установлен профиль переменной поперечной килеватости, обеспечивающий два срыва потока воды, идущей по поперечным обводам днища. Это позволяет существенно снизить нагрузки на днище лодки за счет уменьшения избыточных вертикальных перегрузок при глиссировании беспилотного самолета - амфибии на волне.
Реданы, расположенные таким образом, обеспечивают стабилизацию углов дифферента при глиссировании. Центр тяжести беспилотного самолета - амфибии находится между первым и вторым реданами (при виде сверху и с боку). На днище лодки созданы две поверхности, воспринимающие нагрузки в процессе глиссирования. От этих нагрузок возникают два момента сил относительно центра тяжести. При определенном угле дифферента эти моменты равны и беспилотный самолет - амфибия глиссирует с этим углом дифферента. Два редана не позволяют существенно изменить этот установившейся угол дифферента.
Многолетняя эксплуатация торпедных катеров с двумя реданами и их центром тяжести, расположенным между ними, подтверждают это - катера проекта «Комсомолец», выпуска 1953 - 1960 годов с весом от 19,5 до 21 тонны, имели амплитуду продольных колебаний по углу дифферента на режимах глиссирования, не превышающую 1°. Угол дифферента, с которым должен глиссировать беспилотный самолет - амфибия, должен быть выбран при разработке обводов днища лодки. Существенную роль при этом играет величина угла продольной килеватости межреданной части днища (дистанция между первым и вторым реданом). Таким образом, можно обеспечить движение беспилотного самолета - амфибии с незначительными изменениями угла дифферента на режиме глиссирования по волне и оптимальный угол стабилизации (3÷5)°.
Таким образом, заявляемая конструкция (компоновка) беспилотного самолета - амфибии соответствует критерию изобретения «новизна». Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими защищенными патентами техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень». Заявленное решение пригодно к осуществлению в авиационной промышленности.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами, где:
На фиг. 4 изображен беспилотный самолет - амфибия (вид сбоку);
На фиг. 5 изображен беспилотный самолет - амфибия (вид сверху);
На фиг. 6 изображен беспилотный самолет - амфибия (вид спереди).
Днище лодки выполнено с реданом 3 и реданом 4, которые имеют переменную поперечную килеватость. На боковых поверхностях носовой части лодки расположены щитки 5. По форме они плоские и опущены ниже скулы лодки. Крыло 6 беспилотного самолета - амфибии необходимо правильно установить относительно центра тяжести. Для обеспечения надежной работы систем продольной и путевой устойчивости беспилотного самолета - амфибии горизонтальное 7 и вертикальное 8 оперение размещено на продольных балках 9, отходящих от крыла 6 беспилотного самолета - амфибии и совмещенных с гондолами 10 силовой установки беспилотного самолета - амфибии.
м
Редан 3 расположен впереди центра тяжести беспилотного самолета - амфибии. Реданом 4 является кормовая часть лодки. Редан 4 выполнен аналогично редану 3 и имеет одинаковую с реданом 3 гидродинамическую эффективность. Центр тяжести беспилотного самолета - амфибии находится между реданом 3 и реданом 4. Такое расположение центра тяжести относительно реданов создает беспилотному самолету - амфибии устойчивое глиссирование на волне с определенным углом дифферента. Угол дифферента, с которым беспилотный самолет - амфибия будет глиссировать на волне, зависит от соотношения нагрузок между реданом 3 и реданом 4. При разном размещении центра тяжести беспилотного самолета - амфибии, между реданом 3 и реданом 4, получатся различные углы дифферента, вокруг которых будет происходить его стабилизация при глиссировании. Выбором угла продольной килеватости межреданной части днища лодки γ и положения центра тяжести между реданом 3 и реданом 4 можно получить различные углы дифферента на глиссировании. Ожидаемый угол дифферента обычно незначительно выше угла продольной килеватости межреданной части лодки. Желательно центр тяжести беспилотного самолета - амфибии расположить на удалении от редана 3 к корме лодки на величину 25÷30% длины межреданной части лодки (расстояния по оси ОХ между реданом 3 и реданом 4). Угол продольной килеватости межреданной части лодки составляет 4°. В этом случае угол дифферента при глиссировании будет в пределах 5°. Это вполне приемлемо как с гидродинамической, так и аэродинамической точек зрения.
В процессе глиссирования на волне между реданом 3 и реданом 4 лодки установится положение равновесия. Если угол дифферента на режиме глиссирования увеличится, то на редане 3 гидродинамическая нагрузка уменьшится, а на редане 4 увеличится. При этом создадутся разные моменты от гидродинамических сил относительно центра тяжести. Это приведет к изменению угла дифферента, изменению нагрузок и моментов от них. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не наступит балансировка моментов. Практика показала, что стабилизация происходит довольно быстро (1÷1,5 секунды), а размахи колебаний по углу дифферента незначительные ±(30÷40)'. Таким образом, можно иметь устойчивое глиссирование беспилотного самолета - амфибии на волне с маленьким диапазоном размахов колебаний по углу дифферента. Это существенно улучшает условия работы системы его продольной устойчивости. Происходит экономия ресурса системы. Частота изменений и величина гидродинамических нагрузок на днище лодки также уменьшаются. В совокупности это приводит к улучшению надежности в эксплуатации такого беспилотного самолета - амфибии и улучшению его характеристик.
Щитки 5 носовой части лодки расположены на ее боковых поверхностях, симметрично диаметральной плоскости нижней части лодки. На поверхностях щитков 5 в шахматном порядке выполнены отверстия. При погружениях носовой части лодки в воду, с возникшей угловой скоростью, отверстия не дают возможности возникнуть давлению воды между днищем лодки и щитком 5, стравливая давление за счет отверстий. Этим ликвидируется возможность возникновения от щитков 5 вертикального всплеска воды, способного попасть в двигатели. Экспериментальные испытания самолета А-40 на ПАО "ТАНТК им. Г.М. Бериева" подтвердили это.
Относительно центра тяжести необходимо правильно установить крыло 6 беспилотного самолета - амфибии. Крыло 6 беспилотного самолета - амфибии имеет свой диапазон аэродинамической центровки. Им является диапазон (расстояние) между предельно передней и предельно задней центровкой средней аэродинамической хорды крыла (САХ). Центр тяжести должен располагаться в пределах центровки крыла - САХ крыла.
Для обеспечения надежной работы систем продольной и путевой устойчивости беспилотного самолета - амфибии необходимо горизонтальное 7 и вертикальное 8 оперение. Размещать его на развитой конструкции от кормы лодки нецелесообразно - большие потери в весе и заливаемость струями воды ее кормы. Поэтому горизонтальное 7 и вертикальное 8 оперение размещено на продольных балках 9, отходящих от крыла 6 беспилотного самолета - амфибии и совмещенных с гондолами 10 силовой установки беспилотного самолета - амфибии. Таким образом, у беспилотного самолета - амфибии отсутствует кормовая часть лодки, присутствующая у всех гидросамолетов или самолетов - амфибий.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения выражается в обеспечении более устойчивого глиссирования беспилотного самолета - амфибии на волне. Достигается путем уменьшения амплитуд продольных угловых колебаний и перемещений центра тяжести беспилотного самолета - амфибии в процессе его глиссирования на волне; уменьшения диапазона углов дифферента во всем диапазоне скоростей глиссирования; снижения гидродинамических нагрузок на корпус лодки; создания оптимальных условий для работы системы продольного и поперечного управления, способствующих сохранению ее ресурса и беспилотного самолета - амфибии в целом.