АППАРАТ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

Полезная модель относится к аппаратам на воздушной подушке, оснащенным системой автоматического управления колебаниями по углам тангажа и крена для обеспечения продольной и поперечной устойчивости движения аппарата на воздушной подушке.
Из уровня техники известны аппараты на воздушной подушке (далее - АВП), оснащенные системой стабилизации. Так, в патенте США №5454440, МПК B 60 V 1/12, НПК 180/118, дата публикации 03.10.1995, принятом за наиболее близкий аналог, представлен АВП, содержащий корпус, ограждение воздушной подушки, снабженное воздуховодом, разделенным, по меньшей мере, на две изолированные полости, и гибким ограждением, силовую установку, содержащую, по меньшей мере, один двигатель, соединенный посредством трансмиссии с воздушным движителем, один или более нагнетателей, пневматически связанных с соответствующей изолированной полостью, оснащенной заслонкой, систему управления, содержащую датчики углов, угловой скорости и углового ускорения тангажа и крена, датчики давления, а также вычислитель, вырабатывающий по сигналам от указанных датчиков сигнал на привод отклонения соответствующей заслонки. Недостатком данного АВП является необходимость принятия дополнительных мер для увеличения восстанавливающего момента при изменении угла тангажа (или дифферента) и крена в связи с небольшим удалением центра давления силы, создающей восстанавливающий момент.
Решаемой полезной моделью задачей является повышение продольной и поперечной устойчивости движения АВП по взволнованной водной и неровной грунтовой поверхностям путем автоматического управления колебаниями АВП направленным изменением моментов тангажа и крена за
счет перераспределения потоков воздуха за нагнетателями воздушной подушки в ее отдельные секции.
Технический результат полезной моделью состоит в обеспечении продольной и поперечной устойчивости движения АВП по взволнованной водной и неровной грунтовой поверхностям путем автоматического управления колебаниями АВП, обеспечивающего уменьшение амплитуд угловых перемещений и перегрузок АВП, обусловленных возмущающим воздействием неровностей пути.
Полезная модель характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.
АВП, как и в наиболее близком аналоге, представленном в патенте США №5454440, содержит корпус, ограждение воздушной подушки, снабженное воздуховодом, разделенным, по меньшей мере, на две изолированные полости, и гибким ограждением, силовую установку, содержащую, по меньшей мере, один двигатель, соединенный посредством трансмиссии с воздушным движителем, один или более нагнетателей, пневматически связанных с соответствующей изолированной полостью, оснащенной заслонкой, систему управления, содержащую датчики углов, угловой скорости и/или углового ускорения тангажа и крена, датчики давления, а также вычислитель, вырабатывающий по сигналам от указанных датчиков сигнал на привод отклонения соответствующей заслонки, но в отличие от наиболее близкого аналога, воздуховод расположен вдоль периметра корпуса АВП, изолированные полости пневматически связаны с гибким ограждением, состоящим из конусных элементов, соприкасающихся друг с другом боковыми поверхностями, каждый конусный элемент оснащен расположенными внутри своей полости двумя перфорированными диафрагмами, выполненными смыкающимися друг с другом выше нижних кромок конусного элемента, при этом одна диафрагма простирается от нижней наружной кромки конусного элемента, а другая -от нижней внутренней кромки конусного элемента.
АВП характеризуется тем, что за воздушным движителем расположены аэродинамические горизонтальные рули высоты, при этом с вычислителем связаны привод механизма отклонения соответствующей заслонки и привод механизма отклонения соответствующих аэродинамических горизонтальных рулей.
АВП характеризуется тем, что за воздушным движителем расположены аэродинамические вертикальные рули.
АВП характеризуется тем, что он оснащен двумя воздушными движителями, а с вычислителем связаны приводы механизма отклонения аэродинамических горизонтальных рулей, обеспечивающие по управляющему сигналу с вычислителя отклонение аэродинамических горизонтальных рулей в разных направлениях для создания момента по крену.
АВП характеризуется также тем, что размещенный вдоль периметра корпуса воздуховод ограждения разделен на две полости мембранами, расположенными в диаметральной плоскости.
АВП характеризуется тем, что стенки воздуховода ограждения выполнены в виде жесткого короба.
АВП характеризуется тем, что внешняя стенка воздуховода ограждения выполнена из гибкого материала, закрепленного в верхней части по периметру корпуса, а в нижней части - посредством разъемного соединения с конусными элементами.
При этом выполненная из гибкого материала стенка воздуховода между местом крепления внешней стенки и разъемными элементами соединения с конусными элементами соединена вдоль периметра корпуса с бортами корпуса посредством перфорированной мембраны.
АВП характеризуется тем, что, по меньшей мере, один воздушный движитель выполнен в виде воздушного винта с изменяемым шагом.
АВП характеризуется тем, что воздушный движитель выполнен в виде винта в кольце.
АВП характеризуется тем, что он оснащен двумя нагнетателями выполненными в виде осевых вентиляторов, входной патрубок которых направлен в сторону носа АВП.
АВП характеризуется тем, что двигатель соединен посредством трансмиссии, по меньшей мере, с одним воздушным движителем для создания тяги и с одним или более нагнетателями для создания воздушной подушки, при этом трансмиссия передачи крутящего момента на валы каждого из воздушных движителей и каждого из нагнетателей содержит ременную передачу.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен АВП при виде в плане.
На фиг.2 показан АВП в разрезе 1-1 на фиг.1.
На фиг.3 показан АВП в разрез 2-2 на фиг.1.
На фиг.4 приведен узел А на фиг.3.
На фиг.5 показан вид Б на фиг.4.
На фиг.6 показан вид В на фиг.4.
На фиг.7 показан вид Г и Д на фиг.4.
На фиг.8 дан вид Е на фиг.4.
На фиг.9 дан вид Ж на фиг.4.
На фиг.10 дан разрез 3-3 на фиг.4.
На фиг.11 показана схема расположение датчиков системы управления АВП.
На фиг.12 дана блок-схема системы стабилизации АВП.
Раскрытие полезной модели.
Аппарат на воздушной подушке (АВП) содержит, как показано на фиг.1, 2 и 3, корпус 1, силовую установку, содержащую, по меньшей мере, один двигатель 2 и трансмиссию, обеспечивающую кинематическую связь выходного вала 3 двигателя 2, по меньшей мере, с одним воздушным движителем для создания тяги АВП, и, по меньшей мере, с одним нагнетателем для создания воздушной подушки. Трансмиссия содержит
редукторы, выполненные, например, в виде ременных передач 4 и 5 между выходным валом 3 двигателя 2 и соответственно осями воздушных движителей и осями нагнетателей. Воздушный движитель для создания тяги может выполняться в виде воздушного винта 6, в том числе в кольце 7 (с образованием винто-кольцевого движителя - ВКД), вентилятора и т.п. Нагнетатели могут выполняться в виде центробежных (радиальных), диаметральных и осевых вентиляторов.
В предпочтительном варианте выполнения АВП имеется два воздушных движителя, выполненных в виде ВКД, нагнетатели выполнены в виде двух осевых вентиляторов 8 с входными патрубками 9, обращенными в сторону носа АВП, например, при расположении оси вращения вентиляторов 8 в плоскости, параллельной оси симметрии АВП. Винты 6 выполнены с лопастями изменяемого шага (ВИШ), за кольцами 7 ВКД установлены горизонтальные 10 и вертикальные 11 аэродинамические рули для балансировки АВП по тангажу (дифференту) и управления по курсу. Рули 10 оснащены приводом 12 их отклонения (фиг.11 12), выполненным, например, в виде гидроцилиндров или электромеханизмов, сблокированных с тягами ручного управления от штурвала (на фиг. не показано). Рули 11 отклоняются с поста управления педалями, соединенными тягами с рулями 11 (на фиг. не показано). По периметру корпуса 1 АВП прикреплено ограждение воздушной подушки, выполненное в виде воздуховодов 13 и соединенного с ними гибкого ограждения, выполненного в виде легкосъемных конусных элементов 14. Конусные элементы 14 выполнены сплющенными и соприкасающимися друг с другом плоскими боковыми поверхностями. При этом образованное воздуховодами 13 ограждение разделено мембранами 15 (фиг.1), по меньшей мере, на две изолированные друг от друга полости 16, каждая из которых соединена с соответствующим нагнетателем, например, с осевым вентилятором 8.
Воздуховоды 13 могут выполняться в виде жесткого короба (на фиг. не показано), или с внешней стенкой из гибкого материала, закрепленной в
верхней части по периметру корпуса 1, а в нижней части - с конусными элементами 14 гибкого ограждения посредством разъемного соединения, выполненного, например, в виде шнуровки (на фиг. не обозначено). При выполнении внешней стенки воздуховода 13 из гибкого материала воздуховод 13 оснащен мембранами 17 и 18 с перфорацией соответственно 19 и 20 (фиг.4, 5, 6). Мембраны 17 закреплены по контуру соединения ограждения с бортом 21 корпуса 1 и по контуру соединения ограждения с конусными элементами 14. Мембраны 18 закреплены по контуру соединения ограждения с днищем 22 корпуса 1, и по контуру соединения ограждения с конусными элементами 14.
Каждый из конусных элементов 14 гибкого ограждения АВП (фиг.4...9) имеет площадь горизонтального сечения со стороны корпуса 1 больше площади горизонтального сечения со стороны опорной поверхности, а со стороны нижнего основания оснащен двумя диафрагмами 23 с перфорацией 24 и 25 в верхней и нижней частях диафрагм 23 (фиг.7). Диафрагмы 23 выполнены смыкающимися друг с другом под углом 100°...120° (фиг.4) выше нижних кромок конусного элемента 14. К месту стыка диафрагм 23 крепится гибкий фартук 26 (фиг.4, 8), длина которого практически совпадает с высотой треугольника, образованного диафрагмами 23 и нижними боковыми кромками конусного элемента 14 (фиг.4). Диафрагмы 23 делят полость конусного элемента 14 на верхнюю и нижнюю части, величина давления внутри которых во время движения на расчетных режимах разная. Для поддержания достаточной гибкости конусного элемента 14 и поддержания его формы при прохождении препятствий и сохранения формы под действием скоростного напора даже при падении избыточного давления в воздушной подушке до нуля, возможного при колебаниях АВП по высоте и тангажу в процессе движения по неровной поверхности, соотношение площади перфорации 20 в мембране 18 к площади перфорации 24 и 25 в диафрагмах 23 должно составлять 0,8...1,0.
Для улучшения характеристик устойчивости движения и управления по тангажу и крену АВП оснащен системой автоматического управления колебаниями АВП. Система автоматического управления колебаниями содержит управляемые аэродинамически сбалансированные заслонки 27 и 28, установленные в воздуховоде 13, расположенном вдоль соответственно левого и правого бортов, поворачиваемые соответственно вокруг оси 29 и 30 посредством привода 31 и 32 (фиг.4, 10, 11), а также привода с поста управления (на фиг. не показан). В воздуховоде 13, расположенном вдоль левого (правого) борта, установлены заслонки 27 (28), поворачиваемые вокруг оси 29 (30) приводом 31 (32) (фиг.11). В носовой и/или кормовой части корпуса 1 АВП установлены датчики 33 углов тангажа, угловой скорости и/или углового ускорения тангажа, на борту в районе центра масс АВП - датчики 34 углов крена, угловой скорости и/или углового ускорения крена (фиг.11). Сигналы с датчиков 33...40 поступают в вычислитель 41. С вычислителя 41 сигналы поступают по связи 42 на привод 31 заслонки 27 левого борта, по связи 43 - на привод 32 заслонки 30 правого борта, по связям 44 и 45 - на приводы 12 отклонения горизонтальных аэродинамических рулей 10, расположенных в струе за воздушным движителем на левом и правом бортах (фиг.11, 12). Датчики 33...40 могут устанавливаться в полости каждого конусного элемента 14, однако в предпочтительном варианте выполнения датчики 33...40 давления устанавливаются в каждом втором, третьем и реже конусных элементах 14. При этом в конусных элементах 14, расположенных в носовой и кормовой частях АВП датчики 33...40 устанавливаются чаще, чем в конусных элементах 14, расположенных по бортам АВП.
АВП, оснащенный системой автоматического управления колебаниями, функционирует следующим образом.
Крутящий момент от вала 3 двигателя 2 посредством трансмиссии, выполненной, например, с редукторами с ременными передачами 4 и 5, передается на воздушные движители и нагнетатели, например, на оси
воздушных винтов 6 и оси осевых вентиляторов 8. Вентиляторами 8 воздух нагнетается в полости 16 воздуховодов 13 ограждения, изолированные друг от друга мембранами 15. Из полости 16 воздуховодов 13 ограждения воздух через перфорацию (отверстия) 20 в мембранах 18 и перфорацию (отверстия) 24 и 25 в диафрагмах 23 выходит в полости воздушной подушки под конусными элементами 14, ограниченные диафрагмами 23 и опорной поверхностью, создавая в этих полостях избыточное давление. Далее воздух через зазор между нижними наружными кромками конусных элементов 14 вытекает наружу, а под нижними внутренними кромками попадает под днище 22 (фиг.9) корпуса 1, создавая там равномерно распределенное избыточное давление.
При касании поверхности или наезде на препятствие в воздуховоде 13 ограждения, разделенном мембранами 15 на полости 16, и соединенного с конусными элементами 14, у накрененного борта в результате уменьшения зазора между элементами ограждения и опорной поверхностью давление повышается, а давление у противоположного борта в связи с увеличением этого зазора понижается. Мембраны 15 предотвращают перетекание воздуха из одной полости 16 в другую и, следовательно, не допускают выравнивания давления в полостях 16. При этом возникает восстанавливающий момент сил, который обеспечивает поперечную статическую устойчивость.
При увеличении угла тангажа внутри касающихся опорной поверхности кормовых конусных элементов 14 и в их полостях под диафрагмами 23, давление повышается вплоть до уровня давления в воздуховоде 13, а давление в носовых конусных элементах 14 в связи с увеличением зазора между ними и опорной поверхностью давление падает. Этим обеспечивается продольная статическая устойчивость.
При выполнении внешней стенки воздуховода 13 из гибкого материала, закрепляемого по периметру корпуса 1 на боковых стенках 21, и соединенного с конусными элементами 14 посредством быстросъемного соединения, например, шнуровки (на фиг. не обозначена), наличие
перфорированной диафрагмы 17, соединяющей места крепления внешней гибкой стенки воздуховода 13 с бортом 21 корпуса 1 и конусными элементами 14, обеспечивает создание заданной формы гибкого ограждения и предотвращает развитие автоколебаний АВП и вибрации гибкого ограждения. При соотношении площади перфорации 24 и 25 в диафрагмах 23 к площади перфорации 20 в мембране 18 равном 0,8...1,0 перепад давления в полостях 16 воздуховода 13 и в конусных элементах 14 на расчетных режимах движения АВП составляет от 1,1 до 1,2, что достаточно для обеспечения требуемой поперечной и продольной устойчивости.
Тяга для движения АВП создается, по меньшей мере, одним воздушным движителем, например, воздушным винтом 6. Использование двух винтов 6 с изменяемым шагом при установке на АВП можно создавать управляющий момент сил по курсу (рысканию). Установленные за винтами б в кольцах 7 горизонтальные 10 и вертикальные 11 аэродинамические рули обеспечивают при их отклонении создание управляющего момента для балансировки АВП по тангажу при изменении положения центра давления относительно центра масс АВП и управление АВП по курсу.
Гибкое ограждение, выполненное в виде конусных элементов 14, соединенных с полостями 16 воздуховодов 13, при подаче в него воздуха, проходящего через перфорацию 20 мембраны 18, наполняется воздухом. Выходящий через отверстия 24 и 25 воздух вытекает наружу через зазор между нижними внешними кромками конусных элементов 14 и опорной поверхностью, создавая избыточное давление под конусными элементами 14 и в полости воздушной подушки под днищем 22 корпуса 1. При крене АВП воздух из отверстий 24, 25 частично попадает через зазор под нижней внутренней кромкой конусного элемента 14 и опорной поверхностью в полость воздушной подушки. При движении в случае наезда на препятствие (фиг.9) гибкий фартук 26 перекрывает отверстия 24 и 25, чем предохраняет их от повреждения.
Наличие отверстий 25 в нижней части диафрагмы 23 обеспечивает сток воды, а также механической взвеси, захватываемой вентиляторами 8 во время старта и движения. Выполнение конусных элементов 14 легкосъемными обеспечивает удобство быстрой замены поврежденных элементов, а также очистку от грязи и мусора полостей между боковыми стенками конусных элементов 14 и диафрагмами 23.
Система автоматического управления колебаниями АВП работает следующим образом.
При изменении угла тангажа в изолированном продольном возмущенном движении, например, при приближении носовой части корпуса 1 к неровности опорной поверхности, в конусных элементах 14, расположенных в носовой части, давление повышается, а в конусных элементах 14, расположенных в кормовой части АВП, давление уменьшается, что фиксируется датчиками давления 35, 38 и 36, 39 установленными в полости конусных элементов 14 и секциях 46 с левой и с правой стороны от делительной поверхности АВП (от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось АВП) соответственно в носовой и кормовой части корпуса 1. Подаваемый с датчиков 35, 38 и 36, 39 сигнал направляется в вычислитель 41. Вычислитель 41 сравнивает величину сигналов с датчиков давления 35, 38 и 36, 39, и выдает управляющий сигнал по связи 42 и 43 соответственно на приводы 31, 32, посредством которых заслонки 27, 28 поворачиваются вокруг осей 29, 30 на соответствующий угол, например, пропорциональный величине рассогласования сигналов датчиков 35, 38 и 36, 39, в сторону, обеспечивающую увеличение подачи воздуха в кормовую часть. В результате давление в конусных элементах 14, расположенных в кормовой части корпуса 1, повышается, а в носовой - уменьшается. Это снижает возмущающее воздействие неровности по моменту тангажа от воздушной подушки, и тем самым способствует уменьшению угловых колебаний АВП при движении по неровной опорной поверхности. В случае, если изменение давления в конусных элементах 14
приводит к достижению определенной (пороговой) величины угла, угловой скорости и/или ускорения, сигнал с датчиков углов, угловой скорости и/или углового ускорения 33 подается в вычислитель, который формирует управляющий сигнал на привод 12, отклоняющий горизонтальные аэродинамические рули 10 в сторону, обеспечивающую уменьшение угловой скорости АВП.В результате уменьшается амплитуда угловых колебаний и снижаются перегрузки от возмущающего воздействия на АВП неровностей пути.
При изменении угла крена в изолированном боковом возмущенном движении, например, при наезде АВП на неровность левым бортом, конусные элементы 14, соединенные с расположенной вдоль левого борта изолированной полостью 16 воздуховода 13, разделенного мембранами 15, например, на четыре изолированные полости (на фиг. не показано) приближаются к опорной поверхности, давление в них повышается, а в конусных элементах 14, соединенных с расположенной вдоль правого борта изолированной полостью 16 воздуховода 13, давление уменьшается, что фиксируется датчиками давления 37 и 40, установленными в полости конусных элементов 14 с левого и с правого борта корпуса 1. Подаваемый с датчиков 37, 40 и с датчиков 34 углов, угловой скорости и/или углового ускорения крена сигнал направляется в вычислитель 41. Вычислитель сравнивает величину сигналов с датчиков давления 37, 40, 34 и по связи 44, 45 выдает управляющий сигнал на привод 12, отклоняющий горизонтальные аэродинамические рули 10 в противоположные стороны, обеспечивающие парирование момента от воздушной подушки в результате наезда на неровность. Тем самым уменьшается угловое отклонение АВП от воздействия неровностей и создание восстанавливающего момента.
При возмущенном пространственном движении АВП по неровной поверхности сигналы с датчиков 35...40 давления и датчиков 33, 34 углов, угловых скоростей и/или ускорения поступают в вычислитель 41, который определяет величины рассогласования показаний датчиков давления 35...40,
а также величину превышения пороговых величин углов и/или угловых скоростей и/или ускорений, и по связям 42, 43 выдает управляющие сигналы на приводы 31, 32 отклонения заслонок 27, 28, а по связям 44, 45 - на приводы 12 отклонения аэродинамических горизонтальных рулей 10. При этом уменьшаются возмущающие моменты от воздушной подушки при наезде АВП на неровности, что уменьшает амплитуду угловых колебаний и уменьшает перегрузки от возмущающего воздействия на АВП неровностей пути.
Для управления по тангажу при разгоне АВП на водной поверхности, что необходимо делать для снижения сопротивления движению на горбе сопротивления, с поста управления посредством жесткой или тросовой проводки (на фиг. не показано), либо посредством приводов 31, 32 отклоняются заслонки 27, 28, обеспечивая увеличения подачи воздуха в носовую или кормовую части воздуховодов 13. При этом центр давления воздушной подушки смещается вперед (назад), что создает кабрирующий (пикирующий) момент относительно центра масс АВП и создается оптимальная центровка по тангажу из условия минимизации сопротивления движению как на горбе сопротивления, так и при движении на крейсерской скорости. Для управления по крену заслонки 27 и 28 следует отклонять на разные углы, создавая управляющий момент сил по крену.
Представленное описание достаточно для разработки конструкции АВП и реализации группы изобретений на специализированных предприятиях.