НЕСУЩИЙ КОМПЛЕКС ЭКРАНОПЛАНА

Полезная модель относится к экранопланам, а именно, к несущим комплексам экранопланов с аэродинамической компоновкой «составное крыло».
Из уровня техники известны несущие комплексы экранопланов с аэродинамической компоновкой «составное крыло».
2
2
ЦП
К
ЦП
ЦП
ЦП
ЦП
К
ЦП
K
ЦП
K
Так, в описании изобретения РФ №2286268 (авторы Сергеев В.Г., Жуков В.Г., Новиков А.В.), МПК B60V 1/08, дата публикации 20.04.2005 г., [1], представлен экраноплан, несущий комплекс которого содержит составное крыло, образованное центропланом и пристыкованными к нему консолями, концевые шайбы, установленные в концевых сечениях центроплана, центроплан оснащен механизацией, механизация задней кромки центроплана выполнена с, по меньшей мере, одной осью вращения, удлинение составного крыла составляет λ=l/(S+2S)≥2,5, удлинение центроплана 0,5≤λ=l/S≤0,9, где l=l+2l, l, l, S, S - размах и площадь соответственно составного крыла, центроплана и консоли.
Исследования показали, что, как отмечено в докладе «Некоторые особенности аэрогидромеханики экранопланов типа «В», авторы Варакосов Ю.Г., Макиенко A.M., Сергеев В.Г., сделанном 04.04.2017 г. на Семинаре по аэромеханике ЦАГИ - ИТПМ СО РАН - СПбПУ-НИИМ М, [2], в месте соединения консолей с центропланом возникает срыв потока вследствие увеличения истинного угла атаки при истечении воздуха из зоны повышенного давления под центропланом, причем угол тангажа, при котором происходит срыв потока, будет уменьшаться по мере приближения к экрану, а также при поддуве под крыло струями воздушного движителя вследствие увеличения статической составляющей полного давления под центропланом. В изобретении [1] средств затягивания срыва потока в месте соединения консолей с центропланом не предусмотрено, что является недостатком изобретения [1].
В описании полезной модели РФ №136773 (авторы Анцев Г.В., Блохин В.Н., Нечаев А.В., Платонов С.В., Прохоров В.М.), МПК B60V 1/08, дата публикации 20.01.2014 г., [3], представлен экраноплан, несущий комплекс которого содержит составное крыло, образованное центропланом и пристыкованными к нему консолями, концевые шайбы, установленные в концевых сечениях центроплана, консоли оснащены средством затягивания срыва потока.
Особенностью несущего комплекса экраноплана по полезной модели [3] является выполнение консолей с наплывом в месте соединения консолей с центропланом, и выполнение средства затягивания срыва потока в виде геометрической крутки по всему размаху наплыва и консоли, с отрицательным углом установки примыкающего к центроплану наплыва, и постепенным увеличением по всему размаху угла установки наплыва и консолей, до положительных величин углов установки в концевых сечениях консоли. Это усложняет конструкцию консолей и наплыва, что является недостатком экраноплана, представленного в описании полезной модели [3].
В описании изобретения РФ №2532658 (авторы Аладьин В.В., Аладьина М.В.), МПК В64С 35/00, B60V 1/08, дата публикации 27.02.2014 г., [4], представлен экраноплан, несущий комплекс которого содержит составное крыло, образованное центропланом и пристыкованными к нему консолями, концевые шайбы, установленные в концевых сечениях центроплана, консоли оснащены средством затягивания срыва потока, выполненного в виде предкрылков. Особенностью изобретения [4] является выполнение составного крыла несущего комплекса содержащим центроплан, присоединенные к нему консоли, к которым также присоединены консоли, причем передняя кромка центроплана, внутренних и внешних консолей расположена ступенчато, а между центропланом и консолями установлены концевые шайбы или поплавки. Предкрылки установлены на всех консолях по всему размаху и предназначены, согласно описанию изобретения, для увеличения коэффициента подъемной силы. Однако, каждая из четырех «ступенек» по передней кромке составного крыла порождает сход вихрей, увеличивающих индуктивное сопротивление на каждой из консолей, что приводит к снижению аэродинамического качества составного крыла по сравнению с составным крылом только с 2-мя «ступеньками», как, например, в изобретении [1]. Таким образом, сложность составного крыла несущей системы является недостатком изобретении [4].
В описании изобретения РФ №2222477 (авторы Панатов Г.С., Лавро Н.А., Забалуев И.М. Воронцов В.П.), МПК В64С 35/00, дата публикации 27.01.2004 г., [5], представлен гидросамолет, несущий комплекс которого образована центропланом и примыкающими к нему консолями, консоли оснащены средством затягивания срыва потока, выполненным в виде предкрылков с профилированной щелью (в описании изобретения [5] названы «надкрылками 8»). Особенностью несущего комплекса [5] является выполнение центроплана с большой стреловидностью передней кромке (более 70 градусов), и размещение предкрылков со стороны законцовки консоли на 0,6-0,7 размаха консоли. Такое расположение предкрылков затягивает срыв потока на больших углах атаки, обеспечивая увеличение критического угла атаки, обеспечивающего прирост коэффициента подъемной силы. Это подтверждается в практике самолетостроения и отражено, например, в книге «Проектирование легких пассажирских самолетов», автор А.Н. Арепьев, Москва. Издательство МАИ, 2006 г., стр. 302-307, рис. 9.9.10, [6]. Согласно приведенному на рис. 9.9.10 книги [6] графику прирост подъемной силы при выпуске предкрылка возникает при относительном размахе предкрылка более 0,4, что соответствует диапазону, указанному в изобретении [5]. В то же время, при наличии предкрылка, как показано на визуализации обтекания приведенной на фиг. 8 изобретении [5], зона срыва потока смещается к месту примыкания консоли к центроплану. Очевидно, что при приближении к экрану это приведет к срыву потока при меньших углах атаки, что является недостатком несущего комплекса гидросамолета, представленного в изобретении [5].
Экраноплан, представленный в описании изобретения [4], принят в качестве наиболее близкого аналога заявляемого несущего комлпекса экраноплана.
Решаемой технической задачей является увеличение аэродинамического качества несущего комплекса экраноплана.
Технический результат состоит в уменьшении индуктивного сопротивления несущего комплекса экраноплана путем затягивания срыва потока на консолях составного крыла в области их примыкания к центроплану.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
К
ЦП
ЦП
К
Несущий комплекс экраноплана, как и в наиболее близком аналоге [4], содержит составное крыло, образованное центропланом и примыкающими к нему консолями, концевые шайбы, установленные в концевых сечениях центроплана, консоли оснащены средством затягивания срыва потока, но в отличие от наиболее близкого аналога [4], средство затягивания срыва потока установлено в месте соединения консоли с центропланом и размещено на размахе консоли, составляющей не более 0,4 размаха консоли от места стыка консоли с центропланом, относительная площадь консолей составляет 0,3≤2S/S≤0,4, где S, S - площадь при виде в плане центроплана и консолей.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что средство затягивания срыва потока выполнено в виде аэродинамической крутки с углом установки консоли, уменьшающейся по мере приближения к центроплану.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что средство затягивания срыва потока выполнено в виде предкрылка.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что консоль выполнена с наплывом, средство затягивания срыва потока выполнено в виде аэродинамической крутки наплыва и предкрылка на консоли.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что центроплан оснащен механизацией задней кромки, выполненной в виде двухзвенного закрылка, каждое из звеньев закрылка выполнено с возможностью отклонения как вниз, так и вверх, а кинематическая связь энергопривода с закрылком содержит упругий элемент.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что контур нижней поверхности продольного сечения закрылка центроплана выполнен в виде кривой с радиусом дуги, равным 0,5-4,5 хорды центроплана, и центром дуги, расположенным над верхней поверхностью центроплана.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что центроплан оснащен механизацией передней кромки, выполненной в виде щитков, установленных вдоль размаха центроплана.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что центроплан оснащен механизацией передней кромки, выполненной в виде канала в носовой части со створками для перекрытия входа и выхода канала, причем в любом продольном сечении кромки канала на верхней поверхности расположены ближе к носку центроплана, чем соответствующие кромки канала на нижней поверхности, а каждая створка содержит привод ее перемещения.
2
2
цп
k
цп
цп
цп
ЦП
К
ЦП
К
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что центроплан выполнен с обратной стреловидностью по задней кромке и с отрицательным углом поперечного «V», консоли соединены с центропланом посредством пилонов с углом поперечного «V», не меньшим угла поперечного «V» консолей, удлинение составного крыла составляет λ=L/(S+2S)≥2,5, удлинение центроплана 0,5≤λ=L/S≤0,9, где L=L+2L, L, L - размах соответственно составного крыла, центроплана и консоли.
Несущий комплекс экраноплана характеризуется тем, что концевые шайбы выполнены в виде водоизмещающих поплавков.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен несущий комплекс экраноплана при виде в плане, при выполнении средства затягивания срыва потока в виде геометрической крутки на правой консоли и предкрылка на левой консоли.
На фиг. 2 показан вид А на фиг. 1 несущего комплекса экраноплана.
На фиг. 3 показан вид Б на фиг. 1 при выполнении средства затягивания срыва потока в виде геометрической крутки наплыва консоли.
На фиг. 4 показан разрез В-В на фиг. 1 при выполнении средства затягивания срыва потока в виде предкрылка.
На фиг. 5 показан разрез Г-Г на фиг. 1 при выполнении механизации передней и задней кромок центроплана в виде щитков.
На фиг. 6 показан разрез Д-Д на фиг. 1 при выполнении закрылка центроплана двухзвенным.
На фиг. 7 показан разрез Е-Е на фиг. 1 при выполнении контура нижней поверхности закрылка центроплана в виде дуги.
На фиг. 8 показан разрез Ж-Ж на фиг. 1 при выполнении механизации передней кромки центроплана в виде канала со створками перекрытия входа и выхода канала.
На фиг. 9 показан несущий комплекс экраноплана в предпочтительном варианте выполнения при виде в плане.
На фиг. 10 показан несущий комплекс экраноплана в предпочтительном варианте выполнения при виде спереди.
На фиг. 11 показана визуализация потока в месте сопряжения консоли с центропланом над неподвижным экраном в аэродинамической трубе.
На фиг. 12 приведен пример зависимости Cy(ϑ,h=const), иллюстрирующий влияние срыва потока в области сопряжения консоли с центропланом в зоне действия экранного эффекта.
На фиг. 13 показана визуализация потока на неподвижном экране при продувке модели с поддувом в аэродинамической трубе.
Несущий комплекс экраноплана устроен следующим образом.
2
2
ЦП
К
ЦП
ЦП
ЦП
К
ЦП
ЦП
К
ЦП
К
ЦП
К
Несущий комплекс экраноплана образован составным крылом, содержащим центроплан 1 и пристыкованные к нему консолями 2, и концевыми шайбами 3, установленными в концевых сечениях центроплана 1 (фиг. 1, 2). Удлинение составного крыла составляет λ=l/(S+2S)≥2,5, удлинение центроплана 1 находится в пределах 0,5≤λ=l/S≤0,9, относительная площадь консолей 2 составляет 0,3≤2S/S≤0,4, где l=l+2l, l, l - размах составного крыла, центроплана 1 и консоли 2; S, S - площадь при виде в плане центроплана 1, консоли 2 (фиг. 1).
ЗСП
К
ЗСП
К
К
К
Консоли 2 оснащены средством затягивания срыва потока, установленном в месте соединения консоли 2 с центропланом 1 на расстоянии l не более 0,4 размаха l консоли 2 от места стыка консоли 2 с центропланом 1: l/l≤0,4. При выполнении консоли 2 с наплывом 4 размах l и площадь консоли S 2 включают размах и площадь наплыва 4. Консоли 2 могут также оснащаться механизацией задней кромки и элеронами, например, зависающими элеронами (на фиг. не обозначены).
К
ПР
ПР
К
К
Средство затягивания срыва потока может выполняться в виде участка консоли 2 с аэродинамической и/или геометрической круткой, с углом установки консоли 2 ϕ, уменьшающимся по мере приближения к центроплану 1 (фиг. 3). Средство затягивания срыва потока может выполняться в виде предкрылка 5 с размахом l, не превышающем 0,4 размаха консоли 2: l/l≤0,4 (фиг. 1, 4). Предкрылок 5 может оснащаться приводом его перемещения (на фиг. не показано), или выполняться стационарным, постоянно выдвинутым. Средство затягивания срыва потока также может выполняться в виде участка консоли 2 с аэродинамической и/или геометрической круткой, с углом установки консоли 2 ϕ, уменьшающимся по мере приближения к центроплану 1, и предкрылка 5 (на фиг. не показано). При этом наплыв 4 может выполняться с аэродинамической или геометрической круткой, а консоль 2 - предкрылком 5.
ЦП
ЦП
ЦП
Центроплан 1 может оснащаться механизацией задней и передней кромок. Механизация задней кромки центроплана 1 может выполняться в виде щитка 6 (фиг. 5) или закрылка 7 с, по меньшей мере, одной осью вращения 8, расположенной вдоль размаха центроплана 1 (фиг. 1, 6). В предпочтительном варианте механизация задней кромки центроплана 1 выполнена в виде безщелевого (простого) двухзвенного закрылка 7, первое 9 и второе 10 звенья закрылка 7 выполнены с возможностью отклонения вверх и вниз (фиг. 6). Кинематическая связь энергопривода 11 с щитком 6 и/или закрылком 7 содержит упругий элемент, выполненный, например, в виде амортизатора 12. Контур 13 нижней поверхности продольного сечения закрылка 7 центроплана 1 выполнен в виде дуги с относительным радиусом R/В, равным R/B=0,5-4,5 (где В - хорда центроплана 1), и центром дуги, расположенным над верхним контуром продольного сечения закрылка 7 центроплана 1 (фиг. 7).
Механизация передней кромки центроплана 1 может выполняться в виде щитков 14, установленных вдоль размаха центроплана 1 и оснащенных энергоприводом 15 их отклонения (фиг. 5). В случае установки несущей системы экраноплана с силовой установкой с воздушным движителем (например, с воздушным винтом, соплом турбореактивного двигателя и т.п.), установленным перед центропланом 1 с возможностью изменения угла наклона струи (на фиг. 8 показано штрих-пунктирной линией), механизация передней кромки может выполняться в виде канала 16 в носовой части центроплана 1, вход 17 и выход 18 оснащен створками 19, 20 для перекрытия канала 16, причем в любом продольном сечении кромки канала 16 на верхней поверхности расположены ближе к носку центроплана 1, чем соответствующие кромки канала 16 на нижней поверхности центроплана 1, а каждая из створок 19 и 20 оснащена приводами соответственно 21 и 22 для их перемещения (фиг. 8).
ЗКЦП
ЦП
НАП
К
НАП
К
ЗСП
К
ЦП
ЦП
ЦП
ЦП
К
ЦП
2
2
В предпочтительном варианте выполнения несущего комплекса экраноплана (фиг. 9, 10, контуры экраноплана показаны штрих-пунктирными линиями) центроплан 1 выполнен с обратной стреловидностью (χ<0) по задней кромке и с отрицательным углом поперечного «V» (ψ<0), концевые шайбы 3 выполнены в виде поплавков, а консоли 2 выполнены с наплывом 4, соединенным с центропланом 1, при этом угол поперечного «V» наплыва 4 ψ не меньше угла поперечного «V» консолей 2 ψ: ψ≥ψ а средство затягивания срыва потока выполнено в виде геометрической и/или аэродинамической крутки наплыва 4 и предкрылка 5 на консоли 2 с размахом l/l≤0,4 (фиг. 9, 10). Центроплан 1 выполнен с механизацией передней кромки в виде канала 16 с оснащенными энергоприводом 21 и 22 створками 19 и 20 на входе 17 и выходе 18 канала 16. Механизация задней кромки центроплана 1 выполнена в виде двухзвенного безщелевого (простого) закрылка 7 и подфюзеляжного щитка 6, отклоняемые энергоприводом 11, содержащим упругий элемент 12. Звенья 9 и 10 закрылка 7 могут отклоняться вверх и вниз, при этом щитки 6 оснащены собственным энергоприводом (на фиг. не показано). Удлинение составного крыла λ=l/S≈3, удлинение центроплана 1 λ=l/S≈0,8, относительная площадь консолей 2S/S=0,30-0,35.
Несущий комплекс экраноплана функционирует следующим образом.
Перед взлетом экраноплана несущий комплекс переводится во взлетную конфигурацию (сплошные линии на фиг. 5 и 6), а именно, щитки 6 отклонены вниз, первое звено 9 закрылка 7 центроплана 1 отклонено энергоприводом 11 вниз, второе звено 10 отклонено относительно первого звена 9 вверх, механизация передней кромки центроплана отклонена во взлетное положение.
В случае установки несущего комплекса на экраноплан с поддувом воздушный движитель (например, воздушный винт, штрих-пунктирная линия на фиг. 8) переводится в положение, обеспечивающее наклон струи вниз. При оснащении передней кромки центроплана 1 механизацией в виде канала 16 створки 19 и 20 приводом 21 и 22 отклонены для открытия входа 17 и выхода 18 канала 16 (фиг. 8, сплошная линия).
Для затягивания срыва потока на консолях 2 (в том числе с наплывом 4) при взлете, особенно при использовании несущего комплекса на экраноплане с поддувом, средство предотвращения срыва потока, выполненное в виде предкрылка 5, переводится в рабочее положение.
После разбега и взлета экраноплана несущий комплекс переводится в крейсерскую конфигурацию, а именно, щиток 6 и закрылок 7 центролана 1 отклоняются приводом 11 в крейсерское положение, механизация передней кромки центроплана 1 в виде щитка 13 поднимается (штрих-пунктирные линии на фиг. 5, 6, 8). Экраноплан совершает крейсерский экранный полет.
Экспериментальные исследования в аэродинамической трубе показали, что из области повышенного давления под центропланом 1 вытекает воздух, увеличивающий истинный угол атака консолей 2 в месте их примыкания к центроплану 1. Увеличение истинного угла атаки, как показано на фиг. 11 визуализации потока модели над неподвижным экраном в аэродинамической трубе, приводит к срыву потока (ворсинки разворачиваются под большим углом к направлению потока). Это приводит, как показано на графике Су(ϑ, h=const) на фиг. 12, к уменьшению производной коэффициента подъемной силы Су по углу тангажа. Поддув увеличивает статическое давление под центропланом 1, что иллюстрируется, как показано на фиг. 13, отклонением ворсинок на экране под большим углом к направлению потока в аэродинамической трубе по мере приближения к экрану. В результате увеличивается истинный угол атаки и развивается отрывное течение при меньших, чем без поддува, углах тангажа, что приводит к уменьшению подъемной силы экраноплана на взлете и посадке.
ЗСП
К
Для предотвращения раннего срыва потока консоль 2 (в том числе с наплывом 4) несущей системы экраноплана в месте примыкания к центроплану 1 оснащается средством затягивания срыва потока. При выполнении средства затягивания срыва потока в виде геометрической крутки истинные углы атаки уменьшаются благодаря отрицательной геометрической крутке при относительном размахе, не превышающем 0,4 размаха консоли 2: l/l≤0,4. Выполнение средства затягивания срыва потока в виде предкрылка 5 на консоли 2 обеспечивает затягивание срыва потока благодаря выдуву струи воздуха из щели предкрылка 5 на верхнюю поверхность консоли 2. В результате обеспечивается безотрывное обтекание области примыкания консоли 2 к центроплану 1 (в том числе при выполнении консоли 2 с наплывом 4) при больших углах тангажа. Это уменьшает индуктивное сопротивление и увеличивает аэродинамическое качество несущего комплекса, а также увеличивает диапазон углов тангажа с безотрывным обтеканием (и, следовательно, коэффициента подъемной силы и скорости полета) в крейсерском режиме экранного полета.
ЦП
Выполнение несущего комплекса экраноплана с удлинением λ>2,5 обеспечивает достаточное аэродинамическое качество при подлетах на высоты, превышающие действие экранного эффекта. Выполнение аэродинамического профиля центроплана 1 с S-образной средней линией, например, за счет выполнения нижнего контура 13 профиля закрылка 7 в виде дуги с относительным радиусом 0,5≤R/B≤4,5, обеспечивает расширение диапазона углов тангажа и высот, в котором выполняется необходимое условие апериодической устойчивости по критерию Р.Д. Иродова в быстром движении. Выполнение первого 9 и второго 10 звеньев закрылка 7 центроплана 1 с возможностью отклонения вниз и вверх позволяет регулировать параметры S-образности средней линии профиля. Это позволяет регулировать положение аэродинамического фокуса по высоте в целях выполнения необходимого условия апериодической устойчивости несущей системы по критерию Р.Д. Иродова по положению аэродинамического фокуса по углу тангажа Xfϑ=dMz/dCy, h=const сзади (ближе к задней кромке центроплана 1) положения аэродинамического фокуса по высоте Xfh=dMz/dCy, ϑ=const: Xfh<Xfϑ, и совмещения аэродинамического фокуса по высоте с центром масс Хцм экраноплана |Xfh-Хцм|≤0,02, что упрощает пилотирование и повышает безопасность экраноплана.
Таким образом, представленная в описании полезной модели совокупность признаков обеспечивает уменьшение индуктивного сопротивления несущего комплекса путем затягивания срыва потока на консолях составного крыла в области ее примыкания к центроплану, что приводит к увеличению аэродинамического качества и расширению диапазона углов тангажа и высоты крейсерского режима экранного полета экраноплана, на котором установлена заявленный несущий комплекс.
Степень раскрытия несущего комплекса экраноплана достаточна для реализации полезной модели при проектировании и создании несущего комплекса экраноплана в специализированных организациях с достижением заявленного технического результата. Полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 - центроплан;
2 - консоль;
3 - концевая шайба
4 - наплыв консоли 2;
5 - предкрылок консоли 2;
6 - щиток центроплана 1;
7 - закрылок центроплана 1;
8 - ось вращения механизации задней кромки центроплана 1;
9 - первое звено закрылка 7;
10 - второе звено закрылка 7;
11 - энергопривод щитка 6 и/или закрылка 7;
12 - амортизатор энергопривода 11 щитка 6 и/или закрылка 7;
13 - контур нижней поверхности профиля закрылка 7;
14 - щиток механизации передней кромки центроплана 1;
15 - энергопривод щитка 14 передней кромки центроплана 1;
16 - канал в передней кромке центроплана 1;
17 - вход в канал 16;
18 - выход из канала 16;
19 - створка на входе 17 в канал 16;
20 - створка на выходе 18 из канала 16;
21 - привод перемещения створки 19 канала 16;
22 - привод перемещения створки 20 канала 16;
2
ЦП
К
λ=l/(S+2S) - удлинение составного крыла;
ЦП
ЦП
ЦП
2
λ=l/S - удлинение центроплана 1;
К
ЦП
2S/S - относительная площадь консолей 2;
ЦП
К
l=l+2l- размах составного крыла;
ЦП
l - размах центроплана 1;
К
l - размах консоли 2;
ЦП
S - площадь центроплана 1 при виде в плане;
К
S - площадь консоли 2 при виде в плане;
ЦП
В - хорда центроплана 1;
ЗСП
l - размах средства затягивания срыва потока, установленного в месте соединения консоли 2 с центропланом 1;
ПР
l - размах средства затягивания срыва потока, выполненного в виде предкрылка консоли 2;
К
ϕ - угол установки консоли 2 и/или наплыва 6;
R - радиус дуги нижнего контура профиля закрылка 7;
ЗКЦП
χ - стреловидность по задней кромке центроплана 1;
ЦП
ψ - угол поперечного «V» центроплана 1;
НАП
ψ - угол поперечного «V» наплыва 4 консоли 2;
К
ψ - угол поперечного «V» консолей 2.