ЭКРАНОПЛАН

Полезная модель относится к летательным аппаратам, использующим при движении экранный эффект.
Известно судно на воздушной подушке или экраноплан, патент GB 2120990 (А) - 1983-12-14, МПК B60V 1/08, B60V 3/08. Судно содержит два параллельных корпуса, соединенных посредством центрального крыла, под которым между корпусами образовано открытое спереди пространство, а также хвостовую часть. Два турбовентиляторных двигателя расположены перед крылом с возможностью наклона относительно горизонтальной поперечной оси. Благодаря этому при взлете и посадке воздушный поток от двигателя может быть направлен под центральное крыло, а во время плавания он может перемещаться вдоль верхней поверхности крыла для увеличения аэродинамической подъемной силы. Каждый корпус имеет острую килевую часть, совмещенную с его внутренней стороной. Боковые крылья установлены на корпусах ближе к корме, чем центральное крыло, с тем, чтобы компенсировать смещение точки приложения подъемной силы к центральному крылу при переходе от режима плавания к режиму свободного полета на высоте нескольких метров над водной поверхностью. Недостатками этого экраноплана являются: отсутствие амфибийности, более высокие нагрузки в режиме контакта с водой, нежели у компоновки с надувными баллонетами на корпусе и скегах, невысокое аэродинамическое качество и проблемы с устойчивостью полетов вблизи экрана - особенно над взволнованной поверхностью.
Судно-экраноплан, патент RU 2073343, МПК B60V 1/08, B64C 35/00, опубл. 10.02.1997, содержит крыло-центроплан с центральным и бортовыми (концевыми) поплавками-скегами и соединенные с крылом-центропланом боковые консоли. Центроплан и консоли имеют общую хорду в месте соединения и переднюю кромку одинаковой стреловидности в диапазоне углов 20…30°. Центроплан и консоли имеют S-образный профиль, относительная толщина и вогнутость которых изменяются по размаху в диапазонах 0,06…0,16 и 0,02…0,04 соответственно, причем верхние значения соответствуют сечению центроплана по оси симметрии судна. Консоли выполнены в форме равнобедренной трапеции с относительным сужением >2. В кормовой части центроплана позади плоскости воздушного винта расположен отклоняемый на угол 30…45° от верхней поверхности центроплана воздухозаборник с воздушным каналом, выполненным в виде профилированной щели, соединяющим верхнюю и нижнюю поверхности центроплана. Центральный поплавок выполнен в виде водоизмещающего корпуса с глиссирующими обводами и поперечным реданом, расположенным перед центром масс на расстоянии, равном полуширине водоизмещающего корпуса. Бортовые поплавки выполнены в виде ножеобразных шайб. Геометрический центр площади центроплана смещен в корму относительно центра масс на расстояние, равное полуширине водоизмещающего корпуса. В кормовой части корпуса размещены маршевый двигатель с воздушным винтом и стартовая силовая установка с вентилятором. Бортовые поплавки-скеги плавно переходят в кормовой части судна в вертикальные кили, на которых установлено горизонтальное оперение. Центроплан оборудован носовыми и кормовыми щитками, а консоли - закрылками и элерон-закрылками. К недостаткам судна-экраноплана относятся: старт на статической воздушной подушке, при котором мореходность по взлету и посадке ниже, чем при поддуве, кроме того наличие вентилятора в центроплане снижает аэродинамическое качество экраноплана; амфибийность при статической воздушной подушке и жестких скегах хуже, чем при наличии надувных баллонетов на днище фюзеляжа и скегах, которые к тому же снижают перегрузки при контакте с водой, т.е. позволяют снизить массу конструкции и повысить весовую отдачу; невысокое аэродинамическое качество такого составного крыла, а, следовательно, и компоновки.
Известен экранолет, патент RU 099217, МПК B60V 1/08, B64C 39/00, B64C 25/54, B64C 3/56, опубл. 20.12.1997, содержащий составное крыло, включающее центроплан и консоли, хвостовое оперение, фюзеляж, взлетно-посадочное устройство, силовую установку, двигатели которой размещены в центроплане и соединены с движителями в виде винтов в кольце посредством промежуточного вала и двухстепенных шарниров, оси которых совпадают с осью поворотных пилонов, на которых установлены движители. Взлетно-посадочное устройство выполнено в виде поплавков, включающих гибкую лыжу, соединенную с корпусом поплавка гибкой обшивкой, а также упругим элементом и двухзвенным механизмом. Перегородки внутри корпуса образуют замкнутые камеры, в каждой из которых имеется амортизационный клапан. Привод складывания крыльев обеспечивает подъем и фиксацию консолей для улучшения маневренности на плаву и не выходит за габариты центроплана. Такие компоновки, но нашему опыту, позволяют достичь довольно высокое аэродинамическое качество на малых относительных высотах от экрана (порядка 0,1 средней аэродинамической хорды крыла), но имеют слабую «привязку» к экрану, что делает проблематичным продолжительный устойчивый полет на экранных высотах без довольно сложной для таких компоновок системы автоматического управления движением, особенно в условиях ветро-волновых возмущений. Большая толщина профиля центроплана, обусловленная размещением в нем двигателей снижает аэродинамическое качество и «привязку» к экрану. Т.е. данный экранолет в условиях ветро-волновых возмущений не может безопасно эксплуатироваться на малых экранных высотах полета, где он имеет наибольшие величины аэродинамического качества и, следовательно, экономичность. На внеэкранных высотах его аэродинамическое качество значительно уменьшается, и он становится неэкономичным.
В качестве прототипа принято транспортное средство на динамической воздушной подушке - авторское свидетельство СССР SU 786768, МПК B60V 1/08, опубл. 27.07.1996. Транспортное средство (фиг.1, 2, 3) содержит фюзеляж 1 с хвостовым оперением, состоящим из вертикального оперения 2 с рулем направления и горизонтального оперения 3, несущее крыло 4 с закрылками и расположенными на нем автомобильными двигателями 5, соединенными с движителями карданными валами 6. С торцов крыла смонтированы боковые скеги 7, нижние части которых и фюзеляжа образованы пневмобаллонами 8, 9. Крыло выполнено прямоугольным в плане с размахом, равным 0,8..1,2 хорды и с S-образным профилем. Параметры хвостового горизонтального оперения и места его установки зависят от хорды и площади крыла. Движители - воздушные винты 10 в кольцевых насадках 11 с управляемыми горизонтальными лопатками 12 установлены на пилоне 13 перед крылом на расстоянии 1,7…2,2 диаметра винта под углом, соединены валопроводами 6 с двигателями 5 и снабжены поворотно-подъемным механизмом. Транспортное средство является амфибийным, основной режим движения - полет с «поддувом» иод крыло отклоненных поворотными лопатками струй от воздушных винтов на микрозазоре от экранирующей поверхности. Недостатком данного транспортного средства является невысокая экономичность и низкая мореходность, которые существенно снижают его транспортную эффективность. Крыло малого удлинения со слабонесущим S-образным профилем (с максимальной толщиной на 30% хорды и весьма тонким на оставшейся части хорды) имеет низкий коэффициент подъемной силы, который недостаточен для выполнения полета со спецификационной скоростью и соответственно невысокую величину аэродинамического качества, которая требует значительной величины мощности двигателей. Дополнительная подъемная сила на крыле в полете создается отклонением закрылков на угол, при котором задняя кромка крыла находится в положении профиля без S-образности (при этом средняя линия профиля получается ломанной), а также за счет «поддува» струй от винтов под крыло. На насадках винтов и установленных за ними отклоненных в полете горизонтальных лопатках также создается дополнительная подъемная сила. Однако, насадки винтов с горизонтальными лопатками являются дестабилизаторами, ухудшающими характеристики устойчивости на основном режиме движения. На режиме полета с «поддувом» и отклоненными закрылками и горизонтальными лопатками на микрозазоре (относительная высота задней кромки крыла 0.065…0.075 хорды) данное транспортное средство имеет достаточную для полета со спецификационной скоростью величину подъемной силы и удовлетворительные аэродинамическое качество, характеристики устойчивости и экономичность. Даже незначительное увеличение высоты полета сопровождается резким снижением величины подъемной силы и аэродинамического качества, вследствие чего возникает дефицит тяги, и транспортное средство возвращается на исходную микровысоту, что, собственно, и гарантирует невыход из области устойчивых режимов полета, безопасность полета. Однако это обстоятельство также гарантирует низкую мореходность. Кроме того примененные на транспортном средстве автомобильные двигатели для обеспечения необходимой для полета величины тяги винтов работают на максимальных оборотах, что снижает их ресурс.
Целью (задачей) полезной модели является улучшение мореходных качеств названного прототипа - экраноплана типа "A" по классификации ИМО (серийно строившегося экраноплана "Волга-2",) за счет повышения аэродинамического качества и увеличения диапазона высот экранного полета, в котором обеспечивается безопасность его эксплуатации, а также повышения экономической эффективности. При этом обеспечивается увеличение ходового времени и расширение района эксплуатации.
ц/пл
ск
Решение задачи достигается тем, что в экраноплане, содержащем корпус, несущее прямоугольное или трапецевидное крыло малого удлинения λ=0,8…1,0 (монокрыло), оперение, двигательную установку, согласно сути заявляемой полезной модели экраноплана (фиг.4, 5, 6), вместо монокрыла применяется составное крыло, примерно, той же площади, но существенно большего удлинения λ=2,8…3.0. В отличие от монокрыла у составного крыла выделяется центроплан малого удлинения λ=0.7…1.0, к которому пристыковываются консоли, существенно увеличивающие размах крыла и за счет которых удлинение составного крыла достигает величин λ=2,8…3.0. На долю консолей приходится (20…30)% площади составного крыла. Центроплан имеет концевые шайбы и оборудован однощелевыми закрылками. Консоли оборудуются концевыми устройствами в виде концевых шайб или в виде крыльевых элементов либо их комбинацией (фиг.7 - вариант концевого устройства). Верхняя поверхность центроплана без уступов переходит в верхнюю поверхность переходной части консоли (наплыва) и собственно консоли. Верхняя дужка корневого сечения наплыва совпадает с верхней дужкой концевого сечения центроплана, при этом хвостик профиля наплыва находится на верхней дужке профиля центроплана. По нижней поверхности профиль наплыва совпадает с профилем концевого сечения центроплана в носовой части профиля. Консоли имеют стреловидность по передней и задней кромкам, небольшую положительную V-образность и положительную крутку, при которой геометрический угол атаки по размаху консоли увеличивается от корневого сечения наплыва до ее концевого сечения. Такая компоновка составного крыла позволяет максимально использовать энергию концевого вихря центроплана для увеличения угла атаки и соответственно повышения несущих свойств консоли, а также создание составляющей вектора подъемной силы в направлении движения. На фиг.8 - сочетание профилей конца центроплана и корня наплыва консоли (внешняя сторона скег), (Vп - направление и скорость полета, ΔW - скорость вихреобразующего потока); показаны хорда корня 23 наплыва, контур профиля корня 24 наплыва, плоскость хорд 25 центроплана. При этом имеет место обратное влияние консоли на центроплан, в результате которого происходит перераспределение нагрузки на центроплане.
В результате взаимодействия концевых вихрей центроплана и консолей уменьшается их энергия и соответственно индуктивное сопротивление.
Центроплан с концевыми шайбами и отклоненным однощелевым закрылком обеспечивает создание воздушной подушки за счет поддува струй от поворотных винтов в насадках под центроплан составного крыла при старте экраноплана, а также прирост подъемной силы составного крыла в полете с приближением к экрану. Подъемная сила составного крыла возрастает с приближением к экрану как за счет ее увеличения непосредственно на центроплане, так и за счет обусловленного этим эффектом увеличения интенсивности концевых вихрей центроплана, которые увеличивают скос потока и угол атаки консолей и, соответственно, их вклад в подъемную силу. Т.е. консоли испытывают влияние экрана непосредственно и через интенсивность концевых вихрей центроплана. Вторая составляющая имеет предел, зависящий от размаха консолей. В отличие от монокрыла с составного крыла сходят не два, а четыре концевых вихря: с центроплана и консолей. В результате взаимодействия концевых вихрей центроплана и консолей индуктивное сопротивление составною крыла существенно меньше, чем у монокрыла. Величина полного сопротивления составного крыла на (20…40)% меньше сопротивления монокрыла. Аэродинамическое качество К составного крыла на 4…7 единиц (в зависимости от высоты полета) больше К монокрыла при более раномерном изменении К составного крыла с высотой от экрана. Концевые устройства консолей типа концевых шайб или крыльевых элементов, как установлено нашими исследованиями, дополнительно повышают аэродинамическое качество составного крыла на ΔК=1.5…2 единицы.
На взлетно-посадочных режимах для увеличения подъемной силы крыла выпускаются однощелевые закрылки центроплана. Применение в качестве несущего крыла экраноплана составного крыла согласно сути полезной модели обеспечивает экраноплану аэродинамическое качество экранного полета К=15…18 (в зависимости от высоты полета, зависящей от степени волнения), что позволяет при сохранении мощности силовой установки экраноплана с монокрылом малого удлинения использовать в полете экономичный режим работы двигателей, в результате чего существенно повышается экономическая эффективность экраноплана и увеличивается ресурс автомобильных двигателей. Высокое качество составного крыла позволяет отказаться от применения поворотных лопаток прототипа, которые обеспечивали прототипу повышение подъемной силы за счет ее прироста на отклоненных лопатках и поддува струй винтов под крыло в полете. При этом аэродинамическое качество при поддуве выше, чем без него, хотя приводит к потере горизонтальной составляющей тяги и работе двигателей в полете на режиме максимальных оборотов.
С целью расширения области устойчивых режимов полета и повышения мореходности на экраноплане предусматривается применение системы автоматизированного управления движением (САУД), работающей в режиме стабилизации тангажа и курса. Для обеспечения режима стабилизации тангажа САУД на горизонтальном оперении устанавливается руль высоты. В ручном управлении руль высоты не участвует.
Управление экранопланом осуществляет один человек (судоводитель): в продольном канале - только тягой двигателей, в боковом - рулем направления.
Большая по сравнению с прототипом мореходность обеспечивает увеличение ходового времени и расширение района эксплуатации в сочетании с лучшей топливной эффективностью, что позволяет компенсировать удорожание катера-экраноплана от усложнения конструкции и применения САУД.
Полезная модель иллюстрируется чертежами:
На фиг.1, 2, 3 - изображена компоновка прототипа с монокрылом λ=1;
На фиг.4, 5, 6 - изображена компоновка заявляемого экраноплана с составным крылом λ=2.8…3.0.
Компоновка с составным крылом содержит: корпус 1 с надувным баллонетом 9 по нижней поверхности, крыло 4, выполненное составным, хвостовое оперение, включающее киль 14 с рулем направления 15, и горизонтальное оперение 3 с рулем высоты 16, движительную установку с поворотными винтами 10 в насадках 11, установленную на пилоне 13 в носовой части корпуса и соединенную валопроводом 6 с расположенными на центроплане 17 двигателями 5; поворот винтов в насадках осуществляется совместно с пилоном приводным электромеханизмом;
составное крыло 4 содержит:
пк
зк
уст
центроплан 17, его площадь составляет (70…80)% площади составного крыла, удлинение λ=0.7…1.0, относительная толщина профиля , угол стреловидности передней кромки χ=0…15°, угол стреловидности задней кромки χ=0…-15°, угол установки к основной плоскости (ОП) α=3°…6°;
центроплан имеет концевые шайбы 18 с надувными иневмобаллонами 8 по их нижним поверхностям и оборудован однощелевыми закрылками 19;
н
пк
зк
зак
уст
уст
н
пк
напл
кон
переходную часть консоли - наплыв 20, площадь которого составляет (6…9)% площади крыла, удлинение λ=0.65…1.0, относительная толщина профиля (10…13)%, угол V-образности ψ=3°…8°, стреловидность передней кромки χ=50…70°, стреловидность задней кромки χ=0…20°, положение корневой хорды 23 наплыва (фиг.8) относительно концевой хорды центроплана вследствие больших местных углов атаки характеризуется отрицательным углом заклинки, =-2.5…-4.5°, при котором угол установки корневой хорды 23 наплыва к ОП α =0.5°…2.5°, что позволяет отодвинуть отрыв потока с наплыва за пределы эксплуатационного диапазона углов атаки, профиль корневого сечения 24 наплыва (фиг.8) формируется таким образом, что точка его хвостика находится на линии верхней дужки концевой хорды центроплана, верхние дужки корневого сечения наплыва, и концевого сечения центроплана совпадают, их нижние дужки совпадают лишь в носовой части профиля, профиль корневого сечения наплыва с положительной круткой переходит в профиль корневого сечения собственно консоли 21, которая также имеет положительную крутку - угол установки концевого сечения консоли α =2.5°…3.5°, относительная площадь консолей (14…20)% площади крыла, удлинение λ=3…4, относительная толщина профиля (8…12)% (профиль RAF - 38 либо П-301М), угол V-образности ψ=3°…8°, стреловидность передней кромки χ=15…40°, положительная крутка консоли выполняется по линейному закону от корневого сечения наплыва к концевому сечению консоли, а также законы крутки наплыва и консоли могут отличаться друг от друга - при этом они формируются в пределах выше приведенных значений углов установки корневого и концевого сечений.
За счет большой стреловидности передней кромки наплыва консоли смещены ближе к хвостику концевого сечения центроплана за центр масс экраноплана с целью увеличения аэродинамического качества, положительного межфокусного расстояния и создания дополнительного к стабилизатору демпфирующего момента.
ку
ку
Концевые устройства 22 консолей выполняются в виде односторонних концевых шайб, расположенных вниз от плоскости хорд консоли, перпендикулярной ей, в виде стреловидных крыльевых элементов, отклоненных на угол φ=10°…15° наружу от диаметральной плоскости экраноплана и под углом ψ=3°…5° наружу от концевой хорды консоли, а также комбинации шайб и крыльевых элементов.