ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

Заявляемое техническое решение относится к транспортным средствам на воздушной подушке, в целом к области авиационных транспортных средств.
Известны типовые конструкции транспортных средств, в некоторых из них использована динамическая воздушная подушка, в других использована статическая воздушная подушка [Бень Е. Модели и любительские суда на воздушной подушке: Пер. с польск. - Л. Судостроение, 1983-128 с. (с.26-27)].
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является транспортное средство на воздушной подушке [Патент 2068352, МПК - B 60 V 3/08, от 04.06.1991, опубл. 27.10.1996. Транспортное средство на воздушной подушке.]. Транспортное средство содержит вертолет с несущим винтом, размещенный под ними контейнер с устройством для соединения с вертолетом. Однако известное транспортное средство не позволяет совершать полеты на большой высоте с использованием аэродинамической подъемной силы, действующей на контейнер, а также не позволяет совершать посадку на воду.
Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение возможности полетов на большой высоте с использованием аэродинамической подъемной силы, действующей на контейнер, что позволит увеличить дальность и продолжительность полета, а также на обеспечение возможности совершать посадку на воду и взлетать с поверхности воды. Кроме того, предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение сохранности самого транспортного средства и находящегося на борту оборудования при совершении аварийной посадки на сушу или на воду.
Указанный технический результат достигается при использовании транспортного средства, содержащего вертолет с несущим винтом, размещенный под ними контейнер с устройством для соединения с вертолетом, а контейнер выполнен в виде двух дисков, расположенных один над другим, с кольцевой бортовой обшивкой между дисками, причем диаметр верхнего диска меньше диаметра нижнего диска, а устройство для соединения контейнера с вертолетом обеспечивает возможность наклона вертикальной оси контейнера относительно оси вращения несущего винта.
Возможны дополнительные варианты транспортного средства, в которых целесообразно, чтобы:
- выполнялись следующие соотношения геометрических размеров:
1
2
1
0,2D<D<0,8D
1
3
1
0,3D<D<3D
1
12
1
0,1D<H<1D,
12
где H - расстояние между верхним и нижним дисками;
1
D - диаметр нижнего диска;
2
D - диаметр верхнего диска;
3
D - диаметр несущего винта;
- кольцевая бортовая обшивка контейнера имела выпуклый кверху профиль (так что касательная плоскость, проведенная через любую точку на поверхности обшивки, не пересекает ни верхний, ни нижний диск);
- кольцевая бортовая обшивка контейнера имела вогнутый кверху профиль (так что касательная плоскость, проведенная через любую точку на поверхности обшивки, пересекает верхний и нижний диски);
- кольцевая бортовая обшивка контейнера имела профиль, состоящий из выпуклых кверху и вогнутых кверху участков (так что касательная плоскость, проведенная через любую точку на поверхности обшивки, пересекает или не пересекает один или оба диска);
- кольцевая бортовая обшивка контейнера была выполнена из сетчатого материала, частично или абсолютно свободно пропускающего через себя воздух;
- кольцевая бортовая обшивка контейнера была выполнена на отдельных участках по периметру фюзеляжа;
- контейнер в плане (на виде сверху) представлял многоугольник, геометрически вписанный в окружность (или овал);
- контейнер обладает положительной плавучестью и выполнен в виде водоизмещающего фюзеляжа, способного удерживать на плаву все транспортное средство в сборе, вместе с вертолетом, с возможностью многократно совершать взлет и посадку с поверхности воды, и перемещение по поверхности воды в любом направлении.
В предлагаемой конструкции могут быть применены любые из известных вертолетов, а также вертолеты, оснащенные дополнительными двигателями (ускорителями) из числа воздушно-реактивных, ракетных или гибридных двигателей, работающих на химическом или ядерном топливе.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения может быть многократно использована в производстве транспортного средства с получением технического результата, заключающегося в реализации возможности полетов на большой
высоте с использованием аэродинамической подъемной силы, действующей на контейнер, с обеспечением возможности совершать посадку на воду и взлетать с поверхности воды.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего технического решения станут понятными при рассмотрении лучших вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые рисунки.
На фигуре 1 показана принципиальная схема транспортного средства на воздушной подушке, вид сбоку.
На фигуре 2 показана принципиальная схема транспортного средства на воздушной подушке, вид сверху.
На фигурах 3, 4, 5, 6, 7 показаны различные варианты исполнения контейнера транспортного средства.
На фигурах 8, 9 показаны безразмерные тяговые характеристики транспортного средства, полученные экспериментальным путем авторами заявляемого технического решения. При построении графиков использованы следующие безразмерные параметры: относительная тяга, относительная площадь, относительная высота. «Относительная тяга» представляет собой результат деления тяги вертолета, при наличии под ним дискового контейнера, на тягу вертолета без контейнера под ним. «Относительная площадь» представляет собой результат деления площади дискового контейнера на сметаемую несущим винтом площадь. «Относительная высота» представляет собой результат деления высоты полета на диаметр несущего винта вертолета.
12
Транспортное средство (фигуры 1, 2) содержит вертолет 1 с несущим винтом 2, размещенный под ними контейнер 3 с устройством 4 для соединения с вертолетом 1. Контейнер 3 выполнен в виде двух дисков 5 и 6, расположенных один над другим на расстоянии H, с кольцевой бортовой обшивкой 7 между дисками, причем диаметр верхнего диска 5 меньше диаметра нижнего диска 6, а устройство 4 для соединения контейнера 3 с вертолетом 1 обеспечивает возможность наклона вертикальной оси 8 контейнера 3 относительно оси вращения 9 несущего винта 2.
Геометрические размеры транспортного средства связаны следующими соотношениями:
1
2
1
0,2D<D<0,8D
1
3
1
0,3D<D<3D
1
12
1
0,1D<H<1D
1
2
Нижний предел соотношения 0,2D<D определяется из условия, что на верхнем диске необходимо разместить узлы крепления к вертолету и учитывая «затенение»
2
фюзеляжем вертолета, дальнейшее уменьшение диаметра верхнего диска D не имеет смысла.
2
1
2
Верхний предел соотношения D<0,8D определяется из условия образования вихревой зоны, создающей воздушную подушку. При дальнейшем увеличении диаметра верхнего диска D резко увеличивается сопротивление вертикальной струе воздуха и снижается грузоподъемность как в режиме полета, так и в режиме воздушной подушки.
1
3
Нижний предел соотношения 0,3D<D определяется из условия появления воздушной подушки на малой высоте, компенсирующей дополнительное сопротивление от контейнера.
3
1
Верхний предел соотношения D<3D определяется из условия, что дополнительная подъемная сила от создания воздушной подушки, при движении у экрана, должна быть выше добавочного сопротивления от контейнера.
1
12
Нижний предел соотношения 0,1D<H определен необходимостью иметь минимальный рабочий объем в контейнере для перевозки грузов.
12
1
Верхний предел соотношения H<1D определен дополнительным сопротивлением боковой поверхности контейнера, снижающей величину подъемной силы и уменьшением устойчивости транспортного средства, особенно при аварийной посадке на воду.
Кольцевая бортовая обшивка 7 контейнера 3 (фиг.1) может иметь выпуклый кверху профиль (так что касательная плоскость, проведенная через любую точку на поверхности обшивки, не пересечет ни верхний 5, ни нижний 6 диск). При таком исполнении увеличен внутренний объем контейнера 3.
Кольцевая бортовая обшивка 7 контейнера 3 (фиг.3) может иметь вогнутый кверху профиль (так что касательная плоскость 10, проведенная через любую точку на поверхности обшивки, пересечет верхний и нижний диски). При таком исполнении уменьшена площадь поперечного сечения контейнера 3 за счет уменьшения внутреннего объема контейнера 3.
Кольцевая бортовая обшивка 7 контейнера 3 (фиг.4) может иметь профиль, состоящий из выпуклых кверху и вогнутых кверху участков (так что касательная плоскость 10, проведенная через любую точку на поверхности обшивки, пересечет или не пересечет один или оба диска). При таком исполнении достигают необходимое сочетание внутреннего объема контейнера и аэродинамического качества контейнера 3.
Кольцевая бортовая обшивка 7 контейнера 3 (фиг.5) может быть выполнена из сетчатого (решетчатого) материала, частично или абсолютно свободно пропускающего через себя воздух.
Кольцевая бортовая обшивка 7 контейнера 3 (фиг.6) может быть выполнена на отдельных участках по периметру фюзеляжа. Последние два исполнения пригодны для движения на малой скорости, при проведении, например, учебных занятий.
Контейнер 3 в плане (на виде сверху) (фиг.7) может представлять многоугольник, геометрически вписанный в окружность (или овал). В таком исполнении для изготовления контейнера можно использовать более технологичные листовые заготовки 11.
Принцип работы заявляемого транспортного средства заключается в следующем.
Вращающимся несущим винтом 2 создается струя воздуха, обдувающая сверху дискообразный контейнер 3. Центральная часть струи наталкивается на верхний диск 5 и воздушный поток в этой зоне разворачивается на 90 градусов, образуя плоскую радиальную струю. Эта плоская радиальная струя выполняет функцию управляющей струи, подобно системам управления в струйной технике и в пневмонике [1).Расчет и проектирование устройств гидравлической струйной техники / В.П.Бочаров, В.Б.Струтинский, В.Н.Бадах, П.П.Таможний. - К.: Техника, 1987. - 127 с. - (с.16-18). 2). Залманзон Л.А. Теория элементов пневмоники. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1969, 508 с. - (с.26-27)]. Управляющая струя воздействует на основную струю, изменяя направление ее течения. Основная струя тоже превращается в плоскую радиальную струю, обтекающую обшивку фюзеляжа без отрыва потока от поверхности фюзеляжа, здесь использован эффект Коанда [Рехтен А.В. Струйная техника: Основы, элементы, схемы: Пер. с нем. - М.: Машиностроение, 1980. - 237 с. - (с.48-53)].
Таким образом, на уровне нижнего диска 6 получена кольцевая струя воздуха, направленная вниз при минимальных потерях тяги несущего винта 2 (фиг.8). При таких условиях транспортное средство отрывается от опорной поверхности и зависает над ней. При малой высоте подъема контейнера 3 под ним создается статическая воздушная подушка по сопловой схеме. При контакте струи воздуха с экраном (с твердой или водной поверхностью) под нижним диском контейнера формируется контур циркуляции и обратная струя, направленная в центре диска снизу вверх. Обратные струи наблюдаются как в газовых, так и в жидких средах; направления циркуляции сходны для разных сред [Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация / Пер. с англ. - М.: Мир, 1974 г. 688 с. - (с.194-196, с.220-226).]. Такое поведение обратной струи сопровождается повышением давления под диском, соответственно повышением подъемной силы, действующей на транспортное средство в целом. Часть подъемной силы обеспечивается несущим винтом 2. Значение дополнительной подъемной силы, обусловленной действием обратной струи, снижается по мере подъема контейнера 3 над опорной поверхностью (над твердой или водной
поверхностью) (фиг.9). Вследствие постоянства тяги несущего винта 2 и уменьшения с высотой подъемной силы от обратной струи транспортное средство автоматически зависает на одной определенной высоте, и эту высоту можно регулировать за счет изменения тяги винта 2. Устройство 4 для соединения контейнера 3 с вертолетом 1 позволяет установить оптимальный угол α между вертикальной осью 8 дискового контейнера 3 и осью вращения 9 несущего винта 2, что в свою очередь способствует максимально эффективному использованию аэродинамической подъемной силы при горизонтальном полете транспортного средства. Сам дисковый контейнер 3 не нарушает работу системы управления вертолетом 1. Вертолет 1 осуществляет обычное для него движение вперед, назад, вправо, влево под любым углом, торможение и разгон. Транспортное средство в целом повторяет движения вертолета 1.
При полете транспортного средства на большой высоте используется аэродинамическая подъемная сила, действующая на дисковый контейнер 3, который в таком режиме выполняет функции дискового крыла, обладая удовлетворительным аэродинамическим качеством. За счет работы такого дискового крыла в горизонтальном полете появляется возможность кратно увеличить продолжительность полета.
Контейнер 3 обладает положительной плавучестью и выполнен в виде водоизмещающего фюзеляжа, способного удерживать на плаву все транспортное средство в сборе, вместе с вертолетом 1, с возможностью многократно совершать взлет и посадку с поверхности воды. Форма диска придает контейнеру, и транспортному средству в целом, дополнительные мореходные качества с прекрасной устойчивостью на воде. Транспортное средство, используя в качестве движителя несущий винт 2 вертолета 1, способно двигаться на поверхности воды в любом направлении. При наборе скорости транспортное средство способно глиссировать по поверхности воды. С дальнейшим увеличением скорости транспортное средство отрывается от водной поверхности и летит на небольшой высоте над водой (или над землей) как экраноплан. Известно, что в режиме полета экраноплана аэродинамическое качество летательного аппарата увеличивается, в некоторых условиях - в два раза. Улучшение аэродинамического качества при полете на малой высоте свойственно и заявляемому транспортному средству.
Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение сохранности самого транспортного средства и находящегося на борту дорогостоящего или ответственного оборудования при совершении аварийной посадки на сушу или на воду. При наличии ответственного груза на борту необходимо предусмотреть возможность аварийной или незапланированной посадки в любой географической точке, на суше или на воде. Причиной для посадки может стать и внешняя причина, например грозовой
разряд. Временно или полностью может быть потерян контроль над управлением транспортным средством, например по причине, связанной со здоровьем экипажа. При аварийной (экстренной посадке) должны выполняться следующие условия:
1) скорость падения неуправляемого транспортного средства должна быть минимальной;
2) после падения в воду транспортное средство должно оставаться на плаву;
3) при падении желательно хоть частично сохранить управляемость, чтобы можно было направить падающий вертолет в нужную точку, например, для упрощения спасательной операции и исключения повреждения постороннего оборудования, находящегося внизу;
4) после приземления или приводнения желательно сохранить возможность повторного взлета или возможность для транспортного средства самостоятельно плыть в нужном направлении.
Необходимо повысить надежность системы управления при любой ориентации вертолета 1 в пространстве, в процессе падения. Из числа наиболее известных типов крыла (трапециевидное, треугольное, круглое) в данном техническом решении выбрано круглое, как надежно работающее при любой ориентации летательного аппарата в пространстве. Без опасных последствий круглое крыло допускает большие углы атаки, например, угол в сорок пять градусов. В воздухе летательный аппарат с круглым крылом не сваливается в штопор, а устойчиво парашютирует, снижая скорость падения. Вблизи от земли или от водной поверхности такое крыло поддерживается возникающей мощной воздушной подушкой. Обладая мореходными качествами, транспортное средство после приводнения способно самостоятельно плыть в нужном направлении. Таким образом, в представленном техническом решении контейнер 3 выполняет функции круглого крыла и водоизмещающего фюзеляжа, что способствует сохранности самого транспортного средства и находящегося на борту оборудования при совершении аварийной посадки на сушу или на воду.