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

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике, в частности к экранопланам.
Из аэродинамики известно, что переход от одного режима полета летательного аппарата к другому или при нарушении условий балансировки, например сброс груза, внезапный порыв воздуха в вертикальном направлении, осуществляется с помощью дополнительных сил и моментов, создаваемых органами управления. Следовательно, управляемость можно рассматривать как способность летательного аппарата осуществлять переход от одного режима движения к другому. Это понятие включает в себя как возможность маневра, так и восстановление балансировки при нарушении равновесия сил и моментов экраноплана.
Из уровня техники, например, Белавин Н.И. Экранопланы. П.: Судостроение, 1968, известно, что проблема стабилизации (т.е. обеспечение балансировки и устойчивости) летательного аппарата вблизи экрана решается либо выбором компоновки самого экраноплана, либо с помощью систем автоматического управления.
В патенте США №4442986, кл. В64С 21/04, 244/12.1, опубл. 17.04.84, представлен экраноплан, выполненный по «самолетной» схеме и имеющий горизонтальное оперение с большой относительной площадью, превышающей 0,35 площади крыла. Использование горизонтального оперения с большой площадью приводит к уменьшению эффективности использования экранного эффекта, увеличению массы экраноплана и оказывает негативное влияние на летно-технические характеристики.
Экранопланы «самолетной» схемы требуют установки на них систем автоматического управления, что связано со значительными энергозатратами и увеличением стоимости экраноплана.
В патенте США №5065833, кл. B60V 1/08, 180/117, опубл. 19.11.91, представлен экраноплан, содержащий крыло, фюзеляж, стабилизатор, силовую установку, включающую двигатель и газовый движитель или воздушный винт, обдувающий стабилизатор и руль высоты. Обдув горизонтального оперения газовой струей от движителя (воздушного винта), действительно, несколько повышает устойчивость экраноплана у экрана, поскольку через границу струи не проходят скосы потока, индуцированные присоединенным вихрем крыла, положение которых в значительной степени зависит от высоты и угла тангажа крыла, находящегося в зоне действия экранного эффекта. Однако установка движителя под постоянным углом к горизонтальному оперению ограничивает возможности стабилизации, поскольку с изменением истинного угла атаки крыла истинный угол атаки участка горизонтального оперения, обдуваемого струей газа, будет оставаться практически постоянным, не обеспечивающим необходимое изменение величины подъемной силы горизонтального оперения. Именно для уменьшения неблагоприятного воздействия струи движителя, обтекающей горизонтальное оперение, на устойчивость экраноплана в патенте США №5065833 предлагается устанавливать горизонтальное оперение под большим углом к оси струи движителя.
Известен патент России №2097269, МПК B60V 1/08, приоритет 21.12.95, опубликован 27.11.97 г., в котором экраноплан, реализующий способ стабилизации, содержит крыло, стабилизатор, двигатель с движителем, а также газогенератор и формирователь струи, особенностью данного экраноплана является наличие в нем системы ориентации формирователя струи под постоянным углом к горизонту, выполненной, например, в виде привода наклона движителя силовой установки.
Сущность данного изобретения заключается в следующем. В связи с тем, что при полете экраноплана в зоне действия экранного эффекта изменение угла тангажа ограничено, горизонтальное оперение будет практически все время находиться в струе, ориентированной под постоянным углом к горизонту, и практически не будет подвержено воздействию скосов потока от присоединенного вихря к крылу экраноплана. В результате при изменении угла тангажа экраноплана и, следовательно, угла атаки крыла будет изменяться и истинный угол атаки стабилизатора и горизонтального оперения что, по мнению автора, обеспечит создание на горизонтальном оперении стабилизирующего аэродинамического момента, что и обеспечит стабилизацию, т.е. устойчивость экраноплана в продольном движении при полете в зоне действия экранного эффекта.
При всех достоинствах известного экраноплана главным его недостатком является сложность системы ориентации формирователя струи под постоянным углом к горизонту.
Известно а.с. СССР №1316170 Самостабилизированный экраноплан схемы «Утка», МПК B60V 1/08, приоритет 17.07.19.85 г. с грифом для служебного пользования. Гриф для служебного пользования снят на основании протокола ЭК факультета транспортных средств Иркутского политехнического института №37 от 30.06.19.98 г.
Формула изобретения опубликована в официальном бюллетене Роспатента.
Согласно изобретению экраноплан по схеме «Утка» содержит фюзеляж, горизонтальное и вертикальное оперение, крыло малого удлинения, двигатель с движетелем. По мнению авторов изобретения, для улучшения характеристик продольной устойчивости экраноплана за счет уменьшения времени колебательного процесса при воздействии внешних возмущений предложено горизонтальное оперение выполнить в виде двух жестко соединенных между собой последовательно расположенных с перекрытием вдоль продольной оси экраноплана несущих профилированных поверхностей, а установочный угол задней несущей поверхности выполнить больше установочного угла передней несущей поверхности при расположении задних кромок несущих поверхностей в одной горизонтальной плоскости.
Недостатками данного изобретения являются увеличение веса конструкции за счет снижения несущих свойств горизонтального оперения, увеличения его сопротивления и, как следствие, уменьшение качества конструкции. Кроме того, установка «щелевого» горизонтального оперения никоим образом не может влиять на время колебательного процесса возмущенного переходного процесса экраноплана.
Наиболее близким решением по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является патент России №2224671, МПК B60V 1/08, приоритет 08.01.2003 г., опубликован 27.02.2004 г.
Согласно изобретению экраноплан по схеме «Утка» содержит фюзеляж, в передней части которого установлено горизонтальное оперение, а в кормовой части фюзеляжа - крыло малого удлинения и вертикальное оперение с рулем направления, по крайней мере, два двигателя с движителями установлены на горизонтальном оперении с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, при этом отношение площади горизонтального оперения к площади крыла малого удлинения определены из соотношения:
, где
2
S - площадь горизонтального оперения;
1
S - площадь крыла малого удлинения,
а отношение плеча горизонтального оперения к плечу крыла малого удлинения определено из соотношения:
где
2
L - плечо горизонтального оперения - это расстояние между центром давления горизонтального оперения и центром масс экраноплана;
1
L - плечо крыла малого удлинения - это расстояние между центром давления крыла малого удлинения и центром масс экраноплана, причем зона его продольной устойчивости определена из нижних пределов значений соотношения:
при этом относительное удлинение горизонтального оперения меньше относительного удлинения крыла малого удлинения.
Соотношение  связывает конструктивные параметры экраноплана схемы «Утка» и определяет границу зоны устойчивости данной компоновочной схемы.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение зон устойчивости экранопланов схемы «Утка», задаваемых конструктивными параметрами схемы и обеспечивающих устойчивость экранопланов на всех высотах полета вплоть до полета далеко от экранирующей поверхности, что дает возможность экранопланам схемы «Утка» перелетать с одного водораздела на другой или с одной водной акватории на другую, что существенно расширяет их эксплуатационные возможности.
Техническим результатом решения является увеличение безопасности полета экранопланов схемы «Утка» путем облета возможных препятствий сверху путем отхода от экрана с дальнейшим подходом к экрану и дальнейшим полетом в экранном режиме.
Технический результат достигается тем, что в самостабилизирующемся экраноплане схемы «Утка», содержащем фюзеляж, в передней части которого установлено горизонтальное оперение, удлинение которого выбирается таким образом, чтобы его хорда была такой же, как и хорда основного крыла малого удлинения установленного в кормовой части фюзеляжа, с установленными на нем двух вертикальных оперений с рулями направления и по крайней двумя двигателями с движителями на верхних торцах вертикальных оперений при этом отношение площадей крыльев лежит в пределах изменения
, где
2
S - площадь горизонтального оперения;
1
S - площадь основного крыла малого удлинения,
а отношение плеча горизонтального оперения к плечу крыла малого удлинения меняется в пределах:
, где
2
L - плечо горизонтального оперения - это расстояние между центром давления горизонтального оперения и центром масс экраноплана;
1
L - плечо крыла малого удлинения - это расстояние между центром давления крыла малого удлинения и центром масс экраноплана,
причем удлинение горизонтального оперения определяется из условия равенства хорд крыла малого удлинения и горизонтального оперения и равно:
,
1
где λ - удлинение основного крыла - крыла малого удлинения, и зона продольной устойчивости экраноплана схемы «Утка» ограничена сверху соотношением:
.
Соотношение  делит область существования конструктивных параметров экраноплана схемы «Утка» на две части: над кривой - зона неустойчивых для экраноплана значений  и  и ниже кривой - зона устойчивых для экраноплана значений этих параметров.
Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от него:
- установкой двигателей с движителями на верхних торцах вертикальных оперений;
- удлинение горизонтального оперения определяется из соотношения ;
- полином  определяет зону устойчивых значений параметров экраноплана схемы «Утка»  и , отличающейся от прототипа более широкой зоной значений этих параметров и гарантирующей устойчивость экраноплана схемы «Утка» на всех отстояниях над экраном вплоть до полета вне зоны влияния экрана.
В известном техническом решении подобных признаков нет, следовательно, предлагаемое решение отвечает критерию изобретения «новизна».
Для сравнения предложения с другими известными решениями проведен поиск по патентной и научно-технической литературе.
В процессе поиска выявлено:
- известна установка двигателей с движителями в носовой части экраноплана (см. патент России №2097269, кл. B60V 1/08) и на горизонтальном оперении (см. патент России №2224671, кл. B60V 1/08), но неизвестна установка их на торцах вертикальных оперений;
- из тех же патентов №2097269 и №2224671 принципиально известно использование на экраноплане привода газовых движителей;
- из патента России №2224671 известно определение зоны значений параметров  и  для устойчивого экраноплана схемы «Утка», но только для полета в экранном режиме.
Однако из уровня техники неизвестна совокупность существенных признаков, а именно: возможность установки двигателей с движителями на торцах вертикальных оперений, хорды горизонтального оперения и основного крыла - крыла малого удлинения одинаковы и удлинение горизонтального оперения определяется из , кроме того, использование экраноплана схемы «Утка» в устойчивой зоне значений параметров  и , определенной полиномом, два последних признака обеспечивают экраноплану устойчивость в экранном режиме полета и при полете в безграничной жидкости.
Таким образом, новая совокупность известных ранее признаков и вновь выявленных существенных отличительных признаков в заявленном техническом решении позволяет достичь поставленную выше задачу и технический результат.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен экраноплан, вид сбоку, на фиг.2 - то же, вид в плане, на фиг.3 - график зоны устойчивости экраноплана.
Экраноплан состоит из фюзеляжа 1 с горизонтальным оперением 2 и крылом малого удлинения 3, двух вертикальных оперений 4 с рулями направления 5.
На горизонтальном оперении 2 удлинения  показан центр давления 6, а крыле малого удлинения 3 - центр давления 7, а на фюзеляже - центр масс экраноплана 8. На торцах вертикальных оперений 4 установлены двигатели 9 с движителями 10.
Установка двигателей 9 с движителями 10 на торцах вертикальных оперений обеспечивает обдув вертикальных оперений с рулями направления потоком воздуха от движителей, что обеспечивает хорошую курсовую устойчивость и управляемость экраноплана на малых скоростях движения.
Полином  - кривая 13 на фиг.3 - связывает конструктивные параметры отношения площадей  и их «плечей»  относительно центра масс 8 таким образом, что экраноплан схемы «Утка» с конструктивными параметрами, лежащими на кривой и ниже нее, всегда устойчив на всех отстояниях и вдали от экрана, а при полете над экраном обладает свойством самостабилизации, обеспечиваемым изменением отстояния крыльев от экрана и изменением угла тангажа в зависимости от скорости полета. Кривая 12 на фиг.3 представляет результаты патента №2224671. Видно, что условие равенства хорд горизонтального оперения и крыла малого удлинения и определение из этого условия удлинения горизонтального оперения  расширяет область значений  и , устойчивой для экранопланов схемы «Утка».
Ограничение зоны устойчивости (фиг.3) слева предельным значением =1 диктуется самим определением схемы «Утка».
При значении <1 - схема «Утка».
Значение =1 соответствует схеме «Тандем».
Значение >1 - схема «Обратная Утка».