САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙСЯ ЭКРАНОПЛАН
SELF-STABILISING WING-IN-GROUND-EFFECT PLANE

Предлагаемое изобретение относится к области транспортной техники, в частности к самостабилизирующимся экранопланам.
<mrow><mover accent="true"><mi>h</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>></mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow>
Известен самостабилизирующийся экраноплан АДП-05 «Орфей» [А.С. №915372 СССР, МПК B60V 1/08, Самостабилизированный экраноплан по схеме «Утка» / Панченков А.Н., Уризченко В.Я., Попов К.Б и др. заявитель и патентообладатель Иркутский вычислительный центр СО АН СССР - №2895857; заявл. 19.04.80.], выполненный по схеме «утка», содержащий фюзеляж, основное крыло прямоугольной формы в плане, вертикальное оперение с рулем направления, двигатель с воздушным винтом, переднее горизонтальное оперение (ПГО), состоящее из одной несущей поверхности, прямоугольной формы в плане. Достижение продольной устойчивости данного экраноплана достигается только за счет выбранных определенным образом: площадей, аэродинамических плеч, удлинений, установочных углов ПГО и кормового крыла. Недостаток экраноплана в том, что продольная устойчивость, обеспечивается только на малых относительных отстояниях (до
) и при малых ветроволновых возмущениях. Такой экраноплан можно назвать самостабилизирующимся (в данном случае в продольной плоскости движения) только в малом диапазоне эксплуатационных отстояний. Заметим, что под самостабилизацией понимается такое свойство экраноплана, когда после воздействия внешнего возмущения, при новом положении летательного аппарата, без вмешательства управления сохраняется необходимый запас устойчивости воздушного судна для компенсации всех внешних ветроволновых возмущений, допустимых для экранопланов этого класса мореходности.
7
Известен самостабилизирующийся экраноплан [Пат. 2224671 Российская Федерация, МПК B60V 1/08. Самостабилизирующийся экраноплан/ Суржик В.В., Скороходов П.А. и др., заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Технологии СДП» - №2003100793; заявл. 09.01.03, - опубл. 27.02.04. Бюл. №6. - 5, с: ил.1.], выполненный по схеме «утка», содержащий фюзеляж, в передней части которого установлено прямоугольной формы в плане переднее горизонтальное оперение (ПГО), а в кормовой части фюзеляжа - крыло малого удлинения с установленным на нем двухкилевым вертикальным оперением с рулями направления. Двигатели с движителями размещены в носовой части фюзеляжа над ПГО с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси.
1
2
1
2
Достижение устойчивости данного экраноплана обеспечивается за счет выбранного авторами соотношения площадей S, S и плеч L, L ПГО и основного крыла соответственно.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>L</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>59</mn><mo>−</mo><mn>4</mn><mo>,</mo><mn>5</mn></mrow>
;
.
Также в первой части формулы изобретения патента [2] утверждается, что зона продольной устойчивости аппарата должна находиться ниже пределов соотношения:
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>598417</mn><mo>+</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>592371</mn><mo>⋅</mo><msub><mrow><mover accent="true"><mi>L</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>138457</mn><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi>L</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
.
ПГО
кр
В отличительной части формулы изобретения патента [2] заявлено, что предлагаемый самостабилизирующийся экраноплан отличается тем, что относительное удлинение горизонтального оперения меньше относительного удлинения крыла малого удлинения (то есть λ<λ).
По содержанию вышеописанного изобретения можно отметить следующие недостатки:
- ПГО прямоугольной формы в плане, малого удлинения, имеющее обычный плоско-выпуклый или симметричный профиль на экранопланах схемы «утка» способно обеспечить продольную устойчивость только в диапазоне очень малых ветроволновых возмущений и только на относительных отстояниях, существенно меньших 0,1. Это объясняется тем, что влияние близости экрана на несущую поверхность малого удлинения существенно ниже, чем на несущую поверхность большого или среднего удлинений, а, значит, и стабилизирующий момент, обеспечиваемый таким ПГО, при движении экраноплана на умеренных отстояниях, будет явно недостаточным;
Известен самостабилизирующийся экраноплан АДП-07 [А.С. №1316170 СССР, МПК B60V 1/08, Экранопланы по схеме «утка»/ Попов К.Б., Гусев И.Н. и др. - №3928768/40-23; заявл. 17.07.85, - опубл.27.11.85.], выполненный по схеме «утка», содержащий фюзеляж, основное крыло, вертикальное оперение с рулем направления, двигатель с движителем, ПГО, состоящее из передней и задней частей, соединенных общими боковыми шайбами, образуя так называемую «обратную щель». Достижение продольной устойчивости данного экраноплана имеющего ПГО «с обратной щелью» [Панченков А.Н., Экспертиза экранопланов / А.Н. Панченков, П.Т. Драчев, В.И. Любимов / Н.Новгород. ООО «Типография «Поволжье», 2006. С.600-601], достигается за счет того, что углы установки и положение по высоте передней части относительно задней части ПГО обеспечивают, при увеличении угла тангажа экраноплана, усиление интенсивности вихревых жгутов, сходящих с передней части такого ПГО. Эти жгуты, попадая под нижнюю поверхность задней части ПГО, уменьшают общий перепад давлений на ПГО. Это приводит к тому, что в определенном диапазоне приращения углов тангажа и отстояний наблюдается более пологая зависимость подъемной силы ПГО от угла атаки или даже падение подъемной силы ПГО вцелом в некотором диапазоне углов тангажа и отстояний. Как следствие, при использовании такого ПГО, при воздействии встречных и встречно-боковых ветровых порывов, продольная устойчивость экраноплана в определенном диапазоне углов тангажа улучшается.
Однако при использовании для соединения передней и задней частей ПГО общих боковых шайб интенсивность вихревых жгутов, сходящих с передней части такого ПГО, значительно ослабевает вследствие их разрушения и торможения от соприкосновения с поверхностью этих общих боковых шайб. Это приводит к значительному уменьшению или даже исчезновению эффекта падения подъемной силы на таком ПГО при увеличении угла тангажа экраноплана.
Недостатком данного экраноплана [Панченков А.Н., Драчев П.Т., Любимов В.И. Экспертиза экранопланов. Н.Новгород. ООО «Типография «Поволжье», 2006, С.600.] являются:
- недостаточно широкий диапазон углов тангажа и отстояний ПГО, на которых наблюдается меньшее влияние угла атаки на подъемную силу ПГО. Это приводит к уменьшению запаса продольной устойчивости, требуемого для компенсации влияния внешних ветроволновых возмущений;
- использование в качестве передней части ПГО несущей поверхности нестреловидной формы в плане, с одной стороны, уменьшает интенсивность вихревых жгутов, создающих описанный выше эффект, с другой, - способствует увеличению подъемной силы на передней несущей поверхности ПГО. Все это снижает описанный выше эффект и вцелом уменьшает запас продольной статической устойчивости.
Рассмотренный последний самостабилизирующийся экраноплан является наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявленному и принимается за прототип.
Задачей, на решение которой направлены изменения конструкции самостабилизирующегося экраноплана, является улучшение характеристик продольной устойчивости экраноплана при действии ветроволновых возмущений.
Указанный технический результат, заключается в том, что:
- в результате действия внешних ветроволновых возмущений и отклонения от заданного положения в продольной плоскости в определенном диапазоне углов тангажа будет наблюдаться более ярко выраженный обеспечиваемый аэродинамическими силами возвращающий момент;
- при действии встречных ветровых порывов, приводящих к увеличению угла тангажа экраноплана в рабочем диапазоне углов атаки, не возникает резкого приращения подъемной силы ПГО, а в некоторых случаях наблюдается ее уменьшение, приводящее к исключению момента на кабрирование, способного привести к опрокидыванию экраноплана. В совокупности с возникающим с временной задержкой компенсирующим моментом крыла это приводит к тому, что экраноплан ведет себя устойчиво при действии больших ветровых возмущений, чем обеспечивается больший эксплуатационный диапазон использования экраноплана по отстоянию и углу тангажа. Количественно полезный эффект также выражается:
- в увеличении запаса продольной статической устойчивости экраноплана;
- улучшении динамических свойств экраноплана, в частности снижении амплитуды и времени переходного процесса.
ПНП
ЗНП
ПНП
ЗНП
ПНП
ЗНП
ПНП
ПНП
ПК
ЗК
ПК
ЗК
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в самостабилизирующемся экраноплане, выполненном по схеме «утка», содержащем фюзеляж, переднее горизонтальное оперение (ПГО), основное кормовое крыло, вертикальное оперение с рулем направления, маршевый двигатель с движителем, согласно изобретению ПГО выполнено в виде передней (ПНП) и задней (ЗНП) несущих поверхностей, соединенных между собой центральным пилоном, при этом ПНП выполнена в виде крыла со стреловидностью 30…75° по передней кромке и нулевой по задней кромке, а ЗНП выполнена в виде крыла с нулевой стреловидностью по передней кромке и дугообразной задней кромкой отрицательной стреловидности при нулевом угле тангажа, имеющей одинаковое отстояние от горизонтальной плоскости на всем ее протяжении, при этом параметры ПНП и ЗНП выбраны из соотношений: удлинение ПНП λ к удлинению ЗНП λ лежит в пределах 0,7…1,3; соотношение площади ПНП S к площади ЗНП S лежит в пределах 0,15…0,6; соотношение угла атаки ПНП α к углу атаки ЗНП α лежит в пределах 1,2…1,5, по положению задняя кромка ПНП в продольном направлении находится впереди передней кромки ЗНП на расстоянии r, определяемом из соотношения r/b=0…0,5, где b - средняя аэродинамическая хорда ПНП, а по высоте задняя кромка ПНП ниже передней кромки ЗНП на величину h, выбираемую из соотношения h/(h-h)=0,3÷1,0, где h-h - превышение передней кромки ЗНП над ее задней кромкой.
Сущность изменений конструкции самостабилизирующегося экраноплана состоит в том, что взаимное расположение и выбранные параметры ПНП и ЗНП ПГО при действии встречных ветровых порывов позволяют усилить свойства самостабилизации присущие экранопланам данного класса.
Так, выбор геометрии ПНП определен в виде крыла со стреловидностью 30…75° по передней кромке и нулевой по задней кромке, что в полете над опорной поверхностью с положительным углом атаки в результате схода воздушного потока со стреловидных кромок ПНП способствует формированию вихрей за этой несущей поверхностью. При этом ЗНП выполнена в виде крыла с нулевой стреловидностью по передней кромке и дугообразной задней кромкой отрицательной стреловидности при нулевом угле тангажа имеющей одинаковое отстояние от горизонтальной плоскости на всем ее протяжении.
Действие встречного ветрового порыва на ПГО приводит к увеличению угла атаки его несущих поверхностей, возникновению возмущающего момента от дополнительного приращения подъемной силы на ПГО, в результате чего получит первоначальное увеличение угла тангажа. В связи с этим увеличивается угол атаки и перепад давлений на нижней и верхней сторонах ПНП и, следовательно, становятся более интенсивными боковые вихри, которые попадают под ЗНП.
Дальнейшее увеличение угла атаки ПГО приводит к дальнейшему увеличению мощности сходящих с боковых кромок ПНП вихрей и приближению по высоте осей вихрей к уровню передней кромки ЗНП;
При этом положение ЗНП относительно ПНП по удалению в продольном направлении выбрано из условия, что задняя кромка ПНП в продольном направлении находится впереди передней кромки ЗНП на расстоянии г, определяемом из соотношения
ПНП
r/b=0…0,5,
ПНП
где b - средняя аэродинамическая хорда ПНП, а по высоте задняя кромка ПНП ниже передней кромки ЗНП на величину h, выбираемую из соотношения
ПК
ЗК
h/(h-h)=0,3÷1,0,
ПК
ЗК
где h-h - превышение передней кромки ЗНП над ее задней кромкой. Такое взаимное расположение ПНП к ЗНП приводит к тому, что в процессе стабилизации экраноплана оси сформировавшихся вихрей от ПНП не превышают уровня передней кромка ЗНП, т.е. основная доля воздушного потока, завихренная ПНП, попадает под ЗНП.
Эффект снижения прироста подъемной силы на ПГО при увеличении угла атаки, а в некоторых случаях даже ее снижения обеспечивается увеличением на нижней стороне ЗНП скорости обтекания воздушным потоком вследствие векторного сложения скоростей частичек воздуха от скоростного напора в продольном направлении и от циркуляции в вихре в поперечном. Увеличение скорости воздушного потока вблизи ЗНП с нижней стороны согласно закону Бернулли будет сопровождаться понижением давления на ЗНП.
Выбор геометрии ПНП по размаху из условия, что соотношение удлинений ПНП и ЗНП лежит в диапазоне
ПНП
ЗНП
λ/λ=0,7÷1,3,
площадей ПНП и ЗНП в диапазоне
ПНП
ЗНП
S/S=0,15÷0,6, углов атаки ПНП и ЗНП
ПНП
ЗНП
α/α=1,2÷1,5,
определен таким образом, чтобы вихри сходили вблизи боковых кромок ЗНП, усиливая описанный эффект.
Снижение подъемной силы ПГО усиливается тем, что вихри, сходящие с ПНП, складываются по направлению вращения со сходящими вихрями с боковых кромок ЗНП, тем самым, усиливают этот эффект перетекания воздушного потока в районе боковых кромок с нижней стороны ЗНП на верхнюю, уменьшая тем самым перепад давлений снизу и сверху, а значит, уменьшая прирост подъемной силы.
Крепление ПНП и ЗНП между собой центральным пилоном способствует свободному сходу вихрей с ПНП и дальнейшему развитию завихрения в направлении ЗНП, в отличие от крепления ПНП и ЗНП боковыми шайбами, где данный процесс менее выражен в силу частичного разрушения вихрей о них.
Эффект снижения прироста подъемной силы на ПГО при увеличении угла атаки в рабочем диапазоне изменения углов тангажа экраноплана, приводит к тому, что при прохождении воздушным потоком ПГО приращение подъемной силы значительно снижено и не возникает кабрирующего момента, способного перевести экраноплан к неустойчивым колебаниям по тангажу. При последующем распространении возмущенного воздушного потока к основному крылу происходит приращение подъемной силы на основном крыле и, как следствие, появление стабилизирующего момента на пикирование, что приводит к дальнейшему выравниванию экраноплана в воздушном потоке над опорной поверхностью.
Расширение диапазона рабочих углов атаки описанного эффекта снижения прироста подъемной силы на ПГО при увеличении угла атаки приводит к расширению диапазона эксплуатации по отстоянию.
Данный эффект будет наблюдаться при полете вне экрана. При полете вблизи экрана он может проявляться более ярко, а зависимость подъемной силы ПГО от угла атаки (в определенном диапазоне углов атаки) будет не только более пологая, но даже несколько отрицательная.
Использование данного эффекта на ПГО экраноплана в определенном диапазоне углов тангажа будет увеличивать запас продольной статической устойчивости, улучшать динамические свойства экраноплана, в частности снижение амплитуды и времени переходного процесса.
Область применения заявленного самостабилизирующегося экраноплана - круглогодичная эксплуатация над водной, заснеженной, ледовой, степной, пустынной и другими типами относительно ровных подстилающих поверхностей.
ПНП
ЗНП
ПНП
ЗНП
ПНП
ЗНП
ПНП
ПНП
ПК
ЗК
ПК
ЗК
На фигуре 1 изображен самостабилизирующийся экраноплан, выполненный по схеме «Утка». Экраноплан содержит основное крыло 1, обратнощелевое ПГО 2, вертикальное оперение 3 с рулем направления, фюзеляж 4, маршевые двигатели с движителями 5 в кормовой части аппарата и стартовые двигатели с движителями 6 - в носовой, шасси 7. Причем ПГО выполнено в виде передней (ПНП) и задней (ЗНП) несущих поверхностей, соединенных между собой центральным пилоном. При этом ПНП выполнена в виде крыла со стреловидностью 30…75° по передней кромке и нулевой по задней кромке, а ЗНП выполнена в виде крыла с нулевой стреловидностью по передней кромке и дугообразной задней кромкой отрицательной стреловидности при нулевом угле тангажа, имеющей одинаковое отстояние от горизонтальной плоскости на всем ее протяжении. Параметры ПНП и ЗНП выбраны из соотношений: удлинение ПНП λ к удлинению ЗНП λ лежит в пределах 0,7…1,3; соотношение площади ПНП S к площади ЗНП S лежит в пределах 0,15…0,6; соотношение угла атаки ПНП α к углу атаки ЗНП α лежит в пределах 1,2…1,5. По положению задняя кромка ПНП в продольном направлении находится впереди передней кромки ЗНП на расстоянии r, определяемом из соотношения r/b=0…0,5, где b - средняя аэродинамическая хорда ПНП. По высоте задняя кромка ПНП установлена ниже передней кромки ЗНП на величину h, выбираемую из соотношения h/(h-h)=0,3÷1,0, где h-h - превышение передней кромки ЗНП над ее задней кромкой.
ПНП
ЗНП
ПНП
ЗНП
ПНП
ЗНП
ПНП
ПНП
ПК
ЗК
ПК
ЗК
На фигуре 2 приведена конструкция предлагаемого ПГО, которое представляет собой две несущих поверхности: переднюю (ПНП) в виде крыла со стреловидностью 30-75° по передней кромке и нулевой по задней кромке и заднюю несущую поверхность (ЗНП) с нулевой стреловидностью по передней кромке и задней кромкой с одним уровнем по размаху (ее проекция на фронтальную плоскость представляет горизонтальную линию), соединенные между собой центральным пилоном. Параметры ПНП и ЗНП выбраны так, что соотношение удлинений которых равно λ/λ=0,7÷1,3, соотношение площадей S/S=0,15÷0,6, соотношение углов атаки α/α=1,2÷1,5, при этом положение задней кромки ПНП в продольном направлении находится впереди передней кромки ЗНП на расстоянии r в соотношении к средней аэродинамической хорде b передней несущей поверхности r/b=0÷0,5, а по высоте задняя кромка ПНП ниже передней кромки ЗНП на величину h, выбираемую из соотношения 0,3…1,0 превышения h-h передней кромки ЗНП над ее задней кромкой h/(h-h)=0,3÷1,0.
Работа данного устройства состоит в следующем. При действии встречного ветрового порыва происходит отклонение экраноплана на кабрирование в продольной плоскости от исходного положения. Однако благодаря полезным эффектам, происходящим при взаимодействии его ПГО с возмущенным воздушным потоком при увеличении угла атаки в рабочем диапазоне изменений углов атаки экраноплана, это приводит к тому, что при прохождении воздушным потоком ПГО приращение подъемной силы на нем снижено и не возникает кабрирующего момента, способного перевести экраноплан к его опрокидыванию. Дальнейшее распространение возмущения к основному крылу экраноплана приводит к приращению подъемной силы на основном крыле и, как следствие, к возникновению стабилизирующего момента на пикирование, что приводит к дальнейшему выравниванию экраноплана в воздушном потоке над опорной поверхностью. Действие сил и моментов экраноплана при встречном ветровом порыве в полете при отсутствии влияния экранного эффекта аналогично.