ЭКРАНОПЛАН
EKRANOPLAN

Изобретение относится к судостроению, а именно к экранопланам, то есть судам, движущимся на динамической воздушной подушке.
Основным препятствием развития экранопланов как транспортного средства являются следующие проблемы. Большая потребная мощность для перехода из режима плавания в режим полета над экраном, при котором потребность в этой мощности падает в разы. И, как следствие, приходится возить излишний вес более мощных силовых агрегатов (например, экранопланы Алексеева Р.Е.). Устойчивость по тангажу является не полностью решенной проблемой, а различные способы решить ее аэродинамическими средствами к успеху не привели, так как не достигнута безопасная в эксплуатации устойчивость, а применение развитых стабилизаторов с отрицательной подъемной силой и рулей высоты (до 40% от площади несущих крыльев) уменьшает технико-экономические показатели. Попытки решить проблему через непосредственную связь с экраном также не имели успеха. Например, по патенту RU №2474515, кл. B60V 1/08 предложенная конструкция очень сложна и не решает вопрос продольной устойчивости. По патенту RU №2299822, кл. B60V 1/08 предложен моторный вариант воздушного змея. Проблемы устойчивости не решены. По патенту SU №1763291, А1 кл. В64С 39/00, выбранному в качестве одного из прототипов, попытка решить задачу осуществляется применением глиссирующей пластины, расположенной за центром тяжести экраноплана. Такая конструкция может работать только в идеальных условиях. При волнении подъем пластины вызовет пикирующий момент из-за уменьшения угла атаки воздушного крыла и, как следствие, уменьшение подъемной силы с последующим падением. Опускание пластины во впадину волны приведет к увеличению угла атаки и возникновению кабрирующего момента с последующим неконтролируемым подъемом носовой части и возможным переворотом через корму. По патенту RU №2140370, кл. B60V 1/08, выбранному в качестве ближайшего прототипа, задача стабилизации экраноплана решена полнее за счет применения выносной мотогондолы и антикрыльев в носовой части экраноплана, но при этом существуют недостатки, значительно снижающие технико-эксплуатационные показатели, такие как расположение моторно-движительного узла в гондоле в непосредственном контакте с неровным экраном, что на скоростях 100-300 км/час приведет к очень сильным вибрационным и ударным нагрузкам, которые быстро выведут этот узел из строя. Помимо этого брызговая пелена резко снижает эффективность работы и ресурс моторно-движительного узла, а также при заявленном исходном угле атаки крыла до 30 градусов экраноплан не сможет преодолеть «горб» сопротивления ввиду уменьшения подъемной силы из-за срыва потока на крыле. Положение фюзеляжа, изображенного в режиме полета, вызывает повышенное сопротивление движению. Все это приводит к снижению коэффициента качества. В связи с тем, что сам по себе полет на экране заведомо устойчив по крену, то применение крыльев с положительной V-образностью избыточно для стабилизации по крену и вредно из-за роста индуктивного сопротивления и уменьшения влияния экрана, а возможный крен будет незначителен для управления экраноплана по курсу, то есть поворот будет осуществляться фактически «блинчиком». Для осуществления полноценного поворота с креном необходимо удалиться от экрана, что приводит к потере контакта с ним. Перенос элеронов с концевой части крыла на киль нецелесообразен из-за уменьшения момента действия сил, вызывающих крен, и увеличения нагрузок на киль.
Управляемость по курсу у известных экранопланов неудовлетворительна, так как они вынуждены осуществлять поворот практически без крена («блинчиком»), что приводит к неприемлемо большому радиусу поворота, ограничивая эксплуатацию экранопланов на малых и средних реках.
Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных выше недостатков известных экранопланов путем максимального приближения конструкции предлагаемого экраноплана к оптимальному решению с точки зрения автоматической стабилизации по тангажу, крену и горизонтальному рулению в воде и в режиме полета над экраном (водой) с различными скоростями.
Предлагаемый экраноплан состоит из водонепроницаемого крыла-корпуса, вмещающего в себя отсеки для пилота с системой управления, для пассажиров, баки для топлива, и оснащен торцевыми аэродинамическими шайбами, переходящими в кормовой части в воздушные кили с расположенным между ними силовым агрегатом с воздушным винтом, согласно изобретению с нижней стороны на крыле-корпусе выполнены продольные каналы, уменьшенные по высоте профиля не более чем на 10% модифицированного профиля крыла-корпуса и с суммарной площадью 0,35-0,45 от общей площади нижней части крыла-корпуса, при этом каналы обрамлены гидроаэродинамическими шайбами по всей длине, начинающимися на носовой части крыла-корпуса, к которой шарнирно через штанги по бортам корпуса прикреплены два опорных управляемых поплавка, выполненные с возможностью их синхронного поворота вокруг вертикальной оси и с возможностью поддержания их в режиме постоянного контакта с экраном под постоянным давлением, например, пневматически, причем поплавки расположены впереди центра тяжести крыла-корпуса не менее чем на 5% хорды и воспринимают не менее 5-15% веса крыла-корпуса.
Предлагаемый экраноплан в его предпочтительном исполнении изображен на чертежах, где на фиг. 1 показан вид экраноплана сбоку и на фиг. 2 показан его вид спереди.
Предлагаемый экраноплан включает следующие основные части: крыло-корпус (К-К) 1, винтомоторную группу 2, опорные управляемые поплавки 3, штанги 4 с амортизаторами 5 и два воздушных киля 6 (левый киль условно не показан). На нижней части К-К 1 выполнены каналы 7 (фиг. 2). Положение экраноплана относительно экрана «А» показано в режиме плавания, относительно экрана «Б» показано в режиме полета. В К-К 1 размещаются пилот, пассажиры, грузы (включая топливо). Для комфортного размещения экипажа и полезной нагрузки у небольших экранопланов относительная толщина профиля крыла должна быть достаточной (например, как у профиля ЦАГИ Р-II-22), а для экранопланов с большой хордой профиля целесообразно уменьшение его относительной высоты. В хвостовой части К-К 1 расположена винтомоторная группа 2, состоящая из двигателя внутреннего сгорания и воздушного винта. Опорные управляющие поплавки 3 выполняют несколько функций. В режиме плавания штанги 4 поддерживаются в горизонтальном положении. В режиме глиссирования ими можно регулировать угол дифферента для облегчения преодоления «горба» сопротивления при взлете и минимизировать возможное неблагоприятное волновое воздействие поверхности воды на экраноплан при посадке. В режиме полета, при наличии достаточной скорости, при помощи поплавков 3 можно регулировать угол атаки К-К 1 и оптимальную высоту полета для достижения наивысшего коэффициента качества К=Су/Сх, где Су - коэффициент подъемной силы, Сх - коэффициент сопротивления. Это достигается поворотом К-К 1 вокруг шарнира, соединяющего К-К 1 и штанги 4 с поплавками 3, опирающимися на более жесткую по сравнению с воздухом воду (снег, лед). При появлении препятствия (волны) поплавки 3, приподнимаясь на волну, увеличивают угол атаки К-К 1 с возрастанием подъемной силы, тем самым приподнимая его, а при опускании уменьшают угол атаки К-К 1, снижая подъемную силу, тем самым опуская его. Таким образом, К-К 1, следуя за поплавками 3, автоматически обеспечивает устойчивость по тангажу. Поплавки 3, расположенные по краям экраноплана (фиг. 2), обеспечивают устойчивость по крену на всех режимах. Управление по курсу осуществляет пилот синхронным поворотом поплавков 3 вокруг их вертикальной оси. Для уменьшения поперечного скольжения днища поплавков 3 на них выполнены тоннельные обводы, которые помимо большого бокового сопротивления обладают хорошей всхожестью на волну и минимальным брызгообразованием. Для уменьшения сопротивления поплавков 3 при прохождении сквозь волну их выполняют предпочтительно реданными по днищу и бортам с числом реданов не менее двух, а верхнюю часть выполняют в виде дужки профиля подводного крыла с элементами крепления к качающимся штангам 4, которые выполнены в виде профилированных труб, шарнирно соединенных с К-К 1 и с поплавками 3. Штанги 4, передавая усилия (например, пневмоприводом) от поплавков 3 корпусу-крылу 1, обеспечивают тем самым заданную пилотом высоту полета и устойчивость по тангажу и крену. Внутри штанг 4 помещают гибкие валы, осуществляющие передачу крутящего момента, задаваемого пилотом для поворота поплавков 3 вокруг их вертикальной оси с целью осуществления поворотов по курсу. Для смягчения ударной нагрузки от поплавков 3 штанги 4 соединены с ними посредством амортизаторов 5 (типа автомобильных или мотоциклетных). Фиксацию штанг 4 осуществляют любым известным способом, предпочтительно пневматикой, для возможности дополнительной амортизации.
Для большей жесткости и прочности штанги 4 могут быть соединены поперечной перекладиной. Выполненные на днище К-К 1 продольные каналы 7 прямоугольной формы позволяют увеличить жесткость днища за счет появления вертикальных стенок, образующих каналы 7, облегчить преодоление «горба» сопротивления при взлете за счет образования водо-воздушной смеси, уменьшающей трение и способствующей выходу на глиссирование с последующим отрывом К-К 1 от поверхности воды. При взлете и посадке на волне К-К 1 с каналами 7 будет испытывать меньшие динамические нагрузки по сравнению с плоским днищем.
Точка приложения подъемной силы известных экранопланов перемещается по хорде до 25% при изменении угла атаки и высоты полета над экраном. Ступенчатое днище канала 7 с глубиной до 10% хорды позволяет уменьшить суммарную амплитуду колебаний приложения точки подъемной силы К-К 1 по хорде из-за перепада относительных высот до экрана, что благоприятно повлияет на устойчивость по тангажу. При выходе из воды канала 7 на высоту 1-2% хорды подъемная сила воздушной подушки дает значительный кабрирующий момент, помогающий поднимать носовую часть экраноплана. При дальнейшем подъеме до 5-6% хорды из-за перемещения центра подъемной силы в корму возникает пикирующий момент в канале 7, но в это время на экран выходит основная часть днища с кабрирующим моментом, который уравновешивает пикирующий момент. При дальнейшем увеличении высоты экрана, колебания приложения подъемной силы становятся менее динамичными. Для лучшего разделения воздушных полостей каналов 7 и днища между ними расположены вертикальные шайбы 8 (по две на канал). Таким образом, из-за разделения высот до экрана происходит естественная стабилизация по тангажу, а на опорные управляющие поплавки 3, полностью стабилизирующие экраноплан, прилагается меньшая нагрузка. Воздушные кили 6 расположены по бокам кормовой части экраноплана и, благодаря достаточно большим их размерам, обеспечивают прямолинейность движения по курсу, уменьшают боковое скольжение при повороте, а также прикрывают винтомоторную группу от брызг.
Все расчетные параметры предлагаемого экраноплана определены по известным методикам, например, Н.И. Белавин «Экранопланы» изд. «Судостроение», 1977 год; Э.В. Васильев и А.Э. Васильев «Транспортные суда - экранопланы. Концепции транспортных систем на базе экранопланов», интернет-статья; А.С. Кравец «Характеристики авиационных профилей», Государственное издание оборонной промышленности, 1939 год.
Предлагаемый заявителем экраноплан функционирует следующим образом. При загрузке экраноплана пилот распределяет вес полезной нагрузки и ее центровку, ориентируясь по нанесенной на обоих бортах К-К 1 ватерлинии. В начале движения поплавки 3 и экраноплан движутся в водоизмещающем режиме и через качающиеся штанги 4 поплавки 3 приподнимают носовую часть К-К 1 за счет своей плавучести. По мере разгона поплавки 3 в режиме глиссирования создают оптимальный дифферент экраноплана для уменьшения сопротивления воды. При увеличении скорости и выходе из воды в каналах 7 уменьшается сопротивление, благодаря образованию водо-воздушной смеси и появлению в них экранного эффекта.
Следующая фаза разгона - выход на экран всего К-К 1. При взлете пилот устанавливает оптимальный дифферент в воде и угол атаки в воздухе изменением давления воздуха в пневмоцилиндре, воздействующем на поплавки 3 через штанги 4. При установлении крейсерского режима экраноплан устойчиво движется при внешних возмущениях (волна, изменение ветра) без вмешательства пилота, у которого остаются функции управления по курсу и скоростью.
Проблему энергичных поворотов на высокой скорости решают опорные управляющие поплавки 3, опирающиеся на экран. Крутящий момент от органов управления передается через гибкие валы, вмонтированные в штанги 4 к опорным поплавкам 3. Боковая поверхность поплавков 3 обеспечивает существенное боковое сопротивление в воде, а два воздушных киля 6 в верху кормовой части К-К 1 и большое боковое воздушное сопротивление экраноплана в поперечном направлении обеспечивают энергичный поворот в горизонтальной плоскости с минимальным скольжением.
Посадка экраноплана происходит следующим образом. С уменьшением тяги уменьшается скорость движения экраноплана, кормовая часть, а затем и весь К-К 1 опускается в воду, штанги 4 с поплавками 3 перемещаются вверх и в крайнее переднее положение.
Для безопасного маневрирования в стесненных акваториях (порты, шлюзы), в неблагоприятных метеоусловиях целесообразно использовать вспомогательный маломощный дополнительный водяной движитель с возможностью изменения вектора его тяги на 360 градусов (например, подвесной мотор).
При эксплуатации экраноплана по снегу и льду «горб» сопротивления резко уменьшается, что существенно увеличивает грузоподъемность. При этом на относительно малых скоростях экраноплан может передвигаться по битому льду и полыньям. Для улучшения управляемости по ледяной поверхности на поплавки 3 устанавливают коньки.
Таким образом, предлагаемый экраноплан, простой по конструкции и легкий в управлении, имеет раскрытые в описании преимущества перед известными аналогами по управляемости и устойчивости в различных условиях эксплуатации.