УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF HOVERCRAFT TRAVEL AND CONTROL MODE

Изобретение относится к области создания транспортных средств, использующих динамическую воздушную подушку, обладающих высокопроизводительным свойством компрессора на использовании импеллера, реактивная струя которого направлена для пневмоканалов в виде сжатого воздуха под днищем для создания подъемной и тяговой силы, и может быть использовано при создании транспортных средств (ТСВП) для перемещения по воде, снегу и земле, в особенности маломерных судов на воздушной подушке.
В настоящее время известны различные способы и средства управления судами на воздушной подушке.
Известно устройство для создания подъемной силы посредством непрерывно вращающегося импеллера, содержащее импеллер, кожух, с открытой нижней частью расположенный вблизи внешней периферии импеллера на стороне создания противоподъемной силы таким образом, чтобы закрывать сторону создания противоподъемной силы, оставляя открытой сторону создания подъемной силы, полость выполненную на периферии вала импеллера, и неподвижную полуцилиндрическую перегородку, расположенную в полости импеллера вблизи внутренней периферии импеллера на стороне создания подъемной силы (Патент RU №2252898, В64С 11/00, 11/48, 23/00 от 10.08.2004).
Также описан способ создания разгрузки и тяги для скегового транспортного аппарата на динамической воздушной подушке, содержащий несущее крыло-центроплан и стартовую маршевую установку с размещенными перед указанным крылом на пилоне поддувными двигателями, сопла которых выполнены с установленными под углом к горизонту отклоняющими насадками, верхняя поверхность крыла выполнена с поперечным уступом, который смещен в сторону носа от плоскости миделевого сечения, при этом крыло в нижней части по его ширине выполнено с направляющими каналами, каждый из которых расположен против одного из сопел поддувного двигателя, причем угол наклона каждого из направляющих каналов больше угла наклона соответствующей насадки по отношению к горизонту (Патент RU №2057664, В60V 1/08, B60V 3/08 от 10.04.1966).
Известны воздушные сани с воздушными винтами, создающими давление воздуха под днищем и двигающими транспорт, с юбкой, удерживающей воздух под плоским днищем и поплавками, поддерживающими транспорт на воде, днище выполнено из частей под различными углами для расположения под днищем поворачивающихся колец с крыловидными вставками, создающими динамическое давление на профильную часть днища с экранопланным эффектом и реактивное давление на качающиеся створки, расположенные на передней части транспорта (Патент RU №2478502, В60V 1/04, В60V 15/00 от 20.06.2012).
Известен летательный аппарат-экраноплан, содержащий фюзеляж, крыло, горизонтальное и вертикальное оперение и воздушно-реактивную силовую установку. Под крылом экраноплана размещено устройство создания воздушной разгрузки и тяги, выполненное в виде проточной камеры, образованной крылом и боковыми ограждениями, причем боковые ограждения камеры установлены на консолях крыла (см. заявку DE №3319127, В60V 1/08 от 01.12.1983), кроме того, известно судно (US №2004065772, В60V 21/04, В64С 23/08 от 08.04.2004).
Все эти средства достаточно сложны, в особенности при использовании на маломерных судах на воздушной подушке. Кроме того, описанные суда обладают невысокой амфибийностью и мореходностью, при этом возможности движительных установок реализуются не полностью. То есть известные технические решения с поддувом воздуха под днище или крыло не обеспечивают полного высокого давления и сжатия при использовании всего сжатого воздуха от силовой установки, в частности от импеллера, работающего в режиме компрессора, что ухудшает его силовую установку, а также невозможно в концевой части кормы получить дополнительное центральное давление сжатого воздуха для работы в конце кормы общего пневмоканала в режиме надува воздуха высокого давления для тяговой силы, обеспечивающей поступательное движение судна.
Известен экраноплан, способ создания воздушной разгрузки и тяги для него (Патент RU №2097229, В60V 1/08 от 27.11.1997). Известный экраноплан содержит фюзеляж, крыло. Оперение, устройство создания воздушной разгрузки и тяги, включающее симметричный относительно продольной оси экраноплана проточный, открытый с носа туннель, сформированный под крылом или его центропланом посредством экранных шайб и снабженный щитком на кормовой оконечности. Способ создания воздушной подушки и тяги в известном экраноплане реализуется следующим образом. Управляемый щиток выпускают в крайнее отклоненное положение и включают силовую установку, создавая в проточном туннеле воздушный поток, который реализуется с помощью изменения угла отклонения щитка, а также с помощью специального корректора профиля туннеля, при этом кроме воздушной подушки, обеспечивающей разгрузку экраноплана, создается сила тяги.
Описанная конструкция и способ создания воздушной разгрузки и тяги недостаточно эффективен при стартовой скорости, на малом ходу и на высокой скорости, так как возможности движительной установки, в частности импеллера, реализуются не полностью, так, при расширении воздуха в начале по периферии под днищем судна, давление падает, не доходя до кормовой части, соответственно, не полностью используется сжатый воздух от импеллера, особенно при использовании на маломерных судах, кроме того, расположение известных элементов под днищем судна ухудшает его силовую схему, имеет ухудшенную эффективность, низкий КПД и малую динамику тяговой силы в различных условиях.
Известен способ обеспечения управления судном на воздушной подушке и система управления им, согласно которому создается воздушный канал тяги, вектор которой управляется, по меньшей мере, одной группой из двух поворотных рулей с осями вращения, практически перпендикулярными оси воздушного канала тяги (Патент RU №2399527, В60V 1/14,2010).
К недостаткам данного способа управления судном на воздушной подушке следует отнести то, что по известному способу силовая вентиляторная установка формирует воздушную подушку внутри ограждения, которое неэффективно распределяет воздушный поток под днищем, так как под днищем имеет в плане расширение, что ведет к возникновению перепадов давления неравномерно в подушке, а это, в свою очередь, может вызвать у ТС крен, дифферент и рыскание по курсу. Кроме того, судно обладает невысокой амфибийностью и мореходностью, при этом возможности силовой установки реализуются не полностью.
Известен также способ создания воздушной подушки для транспортного средства, включающее струйное ограждение области воздушной подушки по периферии транспортного средства и создание с помощью подводящего тракта газодинамической завесы, удерживающей воздушную подушку. В нее подают дополнительный воздух под давлением, повышающим заданное давление в подушке как минимум на величину потери давления в подводящем тракте (Патент RU №2092343, В60V 1/02 от 10.12.1997).
Однако данное техническое решение сложно в практической реализации, при этом не позволяет создать тяговой силы с высоким КПД и повышенной (улучшенной) управляемостью, а также невозможно получение заданного сжатого воздуха высокого давления для улучшенной работы пневмоканала в конце кормовой части ТС, происходят потери на трение, т.е. ограничены функциональные возможности.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения по технической сущности и достигаемому результату является амфибийное судно на сжатом пневмопотоке, создающем давление воздуха под днищем, днище выполнено из частей под различными углами, створка расположена на передней части корпуса, руль поворота, в кормовой нижней части корпуса непосредственно перед рулевым устройством днище выполнено с продольным уступом со срезом в сторону носовой части, с воздухозаборным каналом нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух из сопла которого подается под углом под днище судна, уступ размещен в нижней средней части кормы по центру днища и образует два пневмоканала с двух сторон между уступом, при этом за соплом импеллера дополнительно закреплена подвижная горизонтальная перегородка на оси вращения для продолжения воздушного канала в сторону уступа со срезом, кроме того, к днищу в зоне уступа с пневмоканалами закреплен поворотный щиток на горизонтальной оси вращения с возможностью его примыкания в закрытом положении к дну уступа, при этом на внешней стороне бортов судна закреплены направляющие в виде выступов-открылок из двух соединенных между собой вертикальных пластин, одна из которых жестко закреплена к борту и является ограничителем против опрокидывания второй пластины на внешнюю сторону, причем вторая пластина имеет ось вращения с возможностью ее поворота и примыкания к скошенному участку нижней части борта судна в сторону днища и подпружинена относительно первой пластины, кроме того, руль поворота со щитком дополнительно содержит второй щиток, закрепленный шарнирно к первому, и подпружинен относительно первого щитка с возможностью его поворота в вертикальной плоскости (Патент RU №2552581, В60V 1/04, В60V 3/06 от 10.06.2015).
Однако данное техническое решение сложно в практической реализации, в частности, во-первых, кормовая часть судна снабжена продольным уступом со стороны руля, который создает достаточно большое сопротивление навстречу воздушному общему потоку под днищем корпуса, а это обеспечивает отклонение воздушных струй в сторону боковых скегов, часть потока струй стремится выйти через боковые скеги в сторону (в атмосферу), что обеспечивает потери скоростных характеристик судна в движении, а это также ведет к раскачке судна из-за накопившейся под днищем судна большого количества объема сжатого воздуха. Кроме того, наличие по бортам корпуса судна направляющих пластин в виде выступов-открылок, вызывает усложнение конструкции и большое сопротивление судна на поворотах вправо или влево. Другим недостатком является то, что в результате их наличия происходит фонтанирование водовоздушного потока со стороны боковых сторон (скегов) корпуса, соответственно происходит залив части палубы его при скоростном движении судна, особенно это заметно на поворотах вправо или влево. Таким образом, эксплуатационные качества такого судна недостаточно реализуются, кроме того, все это в целом может послужить причиной тому, что большая часть сжатого воздуха выйдет непосредственно за борта скегов корпуса судна и не учитывает рост его объема воздуха от различной мощности, применяемого движителя (импеллера), при этом обеспечивает давление, но недостаточную полезную направленность как давление и тягу.
Иначе говоря, изменения траектории установившегося водовоздушного потока при возникновении до крейсерской скорости в движении и на поворотах при управлении экипажем, нарушается безопасность судна в движении; возникают сложности в управлении судном с большим скоростными характеристиками и их динамических воздействий также и на устройство руля для поворота судна в целом. Отсюда известное устройство требует усовершенствования конструкции, имеет ограничение и недостаточную эффективность, ухудшает саму динамику тяговой силы для различных условий применения.
Задачей заявляемого изобретения является устранение упомянутых недостатков; обеспечение изменений траектории выходящего сжатого воздушного потока из сопла импеллера, безопасность и простота управления при скоростных характеристиках для амфибийного судна, его практическая реализация и устройства тяговой силы с увеличенной скоростной характеристикой в движении судна, т.е. обеспечивая тягу и давление в соприкосновении с поверхностью воды под днищем корпуса.
Технический результат - создание устройства для реализации передвижения и управления амфибийного судна на воздушной подушке, обеспечивающей необходимую остойчивость судна при его высокой скорости, повышенную мореходность, а также повышение эксплуатационных качеств и простота в изготовлении.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для реализации способа передвижения транспортного средства на воздушной подушке, содержащее днище, выполненное из частей под различными углами, руль поворота, продольный уступ, воздухозаборный канал нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух из сопла которого подается под углом под днище судна, пневмоканалы и поворотный щиток, закрепленный на горизонтальной оси вращения с возможностью примыкания в закрытом положении к днищу корпуса судна, днище, оборудованное с боковыми скегами, дополнительно оборудовано внутри продольными напорными каналами, выполненными в виде полых и сквозных труб из легкого алюминиевого сплава с установленными в конце их изогнутыми активными соплами, которые ориентированы под углом в сторону движения воздуходинамической струи высокого давления, выходящей из переходного двухфазного сопла, размещенным в средней части под открытым снизу днищем корпуса, при этом боковые воздуходинамические струи между боковыми стенками скегов и боковыми стенками переходного двухфазного сопла ориентированы по направлению выходящей воздуходинамической струи высокого давления из переходного двухфазного сопла.
Кроме того, продольный уступ прикреплен к переходной закрытой части днища и установлен напротив переходного двухфазного сопла и обращенным к нему соосно образованным тупым концом, а острый конец обращен в сторону концентрично воздухозаборного канала нагнетательного устройства в виде импеллера, включающего начало образования пневмоканалов полых и сквозных труб внутри скегов в зоне переходного участка днища.
Кроме того, боковые стенки переходного двухфазного сопла верхними концами закреплены жестко к днищу корпуса, а нижние концы соединены с горизонтальной полкой, расположенной в одной плоскости с продолжением переходного закрытого участка.
Указанные отличия являются существенными, так как за счет дополнительно оборудованного внутри боковых скегов продольными напорными каналами, выполненными в виде полых и сквозных труб из легкого алюминиевого сплава с активными соплами в конце, направляют с обоих боков к центру днища корпуса высокоскоростной воздушный поток, выходящий из переходного двухфазного сопла, при этом наличие свободных струй потока между боковыми стенками скегов и боковыми стенками переходного двухфазного сопла, дополнительно сжимают давление воздуха за счет выходящих струй из активных сопел, влияющих на высокоскоростную струю, выходящую из двухфазного сопла. В результате чего создается общий восстанавливающий высокоскоростной воздушный поток непосредственно по центру в конце кормовой части судна с выходом в атмосферу. Такое устройство создает наибольшее значение давления и тягу в кормовой части, кроме того, наличие переходного двухфазного сопла создает сопротивление образованию дифферента на корму при выходе на движение судна по воде. Движение судно происходит как бы на водовоздушной смазке в режиме скоростного движения судна. Предусмотренные элементы под днищем судна созданы для направления потока воздуха для смешивания его в кормовой части судна, при этом само днище корпуса в поперечном сечении выполнено в форме полукруга, ограниченное с боков скегами с дополнительными оборудованными внутри них продольными напорными каналами (полыми и сквозными трубами с активными соплами) - это обеспечивает лучшую аэродинамическую форму профиля днища корпуса в движении судна.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано амфибийное судно с устройством создания сжатого воздуха и тяги, в котором используются импеллер и система управления по настоящему изобретению, вид снизу, изометрия; на фиг. 2 изображен вид сверху с вырезом в верхней части корпуса; на фиг. 3 изображен вид сбоку с вырезом в борту с поднятым направляющим отражателем; на фиг. 4 - вид на кормовую часть судна с рулем по стрелке А на фиг. 3.
Предложенное устройство содержит корпус 1, который включает импеллер 2 в кожухе расположенного в носовой части судна, где движение происходит в закрытом пространстве, состоящий из статора и ротора, лопатки которого выполнены криволинейными и повернутыми в вертикальной плоскости относительно друг к другу в противоположных направлениях для выравнивания потока воздуха в корпусе крепления, переходной закрытый участок 3 которого имеет одинаковую ширину на выходе и закрыт сверху и снизу с возможностью образования внутри него воздушного напорного потока. При этом конец переходного участка 3 снабжен уступом 4 с усеченной стенкой 5. На выходном сопле 6 переходного закрытого участка 3 подсоединены концы напорных каналов с входными отверстиями и выполненные в виде полых и сквозных труб 6 и 7 из легкого алюминиевого сплава, размещенных внутри боковых скегов 8 и 9 с установленными в конце труб 6 и 7 изогнутыми активными соплами 10 и 11 Для пневматического сообщения с каналом 12 под днищем 13 корпуса 1 в кормовой его части судна. Уступ 4 выполнен в виде делителя потока воздуха, установлен острым концом в сторону концентрично воздухозаборного устройства в виде импеллера 2, а тупым концом уступ 4 обращен соосно к переходному двухфазному соплу 14 с боковыми вогнутыми стенками, верхние концы которых жестко закреплены к днищу 13 корпуса 1, а нижние концы соединены с горизонтальной полкой, являющейся продолжением в одной плоскости с дном закрытого переходного участка 3, что образует замкнутое пространство переходного двухфазного сопла 14. Таким образом, замкнутое пространство переходного участка 3 сохраняет напорное воздушное давление для распределения и поступления его как в сквозные трубы 6 и 7, так и поступление непосредственно в переходное двухфазное сопло 14 и в боковые пневмоканалы 15 и 16 со стороны внутренних стенок скегов 8 и 9, что сохраняет проточные (сквозные) высокие напорные давления и движение сжатого воздуха. В кормовой части канала 12 на днище 13 с помощью шарнира 17 установлен направляющий отражатель 18. Днище 13 в кормовой части судна открыто снизу и является продолжением от начала конца закрытого переходного участка 3 с переходным двухфазным соплом 14 с центральным продольным прямолинейным каналом 19.
Днище 13 корпуса 1 в поперечном сечении целесообразно спрофилировать по дуге окружности, т.е. в форме полукруга.
Отражатель 18 целесообразно выполнять в виде гидроцилиндра 20, связанного с гидроагрегатом 21, орган управления целесообразно снабжать приборным щитком (не показан) и объединить с рычагом, вдвинуто вверх в днище корпуса - ход «вперед» или выдвинуто вниз в воду - «ход назад» для малого хода в движении судна. Для обеспечения управляемости амфибийным судном в концевой части судна закреплены два руля 22 и 23, каждый со стороны концов скегов 8 и 9 со щитками 24 и 25, ограничивающих общий канал 12 выхода сжатого воздуха, в результате чего образуется один общий газоводяной поток симметрично относительно продольной оси 19 по отношению к переходному двухфазному соплу 14. Ось вращения рулей 22 и 23 соединены сверху на палубе с регулируемыми тягами 26 и 27 и соединены далее в одном узле 28 для соединения с общей тягой, управляемой экипажем (аналогично рулю автомобиля).
В вертикальном положении щитки 24 и 25 целесообразно выполнять с гидроцилиндрами (не показано), чтобы обеспечить их свободный вертикальный ход при встрече с препятствиями в воде, по льду, снегу и на земле.
При транспортировке судна на автотранспорте могут щитки складываться, т.е. убраны таким образом, чтобы устранить их возможность от поломки (не показано).
Форма конструкции рулевых устройств 22 и 23, положение щитков 24 и 25, соответственно, одинаковой конструкции позволяет обеспечить устойчиво повороты судна при развороте щитков на угол 20…30° относительно вертикальных их осей с креплением в кормовой части судна, а импеллер целесообразно закреплять под углом 20°30° в носовой части судна.
В конце кормовой части корпуса целесообразно закрепить горизонтальный потоконаправляющий элемент, выполненный в виде П-образного козырька 29 (фиг. 4), выше щитков 24 и 25. Потоконаправляющий элемент 29 (козырек) образует защитный экран сверху и частично с боков в кормовой части судна, шириной, равной расстоянию до расположения рулевых устройств со щитками, что создает продолжение выхода газоводяного потока в атмосферу, и отсутствует залив палубы сзади кормы.
При работе импеллера 2 засасывание воздуха из окружающей среды в переходной закрытый участок 3 происходит через решетку 30.
Сохранение высоконапорного давления сжатого воздуха по всей площади под днищем корпуса дает возможность снижения потребляемой мощности импеллера, используемого для создания формирующего газодинамическую струю воздуха высокого давления и, сохраняя его до выхода в концевой части кормы.
Данная совокупность предлагаемого технического решения обладает хорошей остойчивостью, не дает судну перевернуться, судну придано горизонтально устойчивое положение при высоких скоростях движения судна. В свою очередь это позволяет также избегать столкновения с подводными предметами на воде, двигаться по мягкому снегу, не зарываясь в него носовой частью корпуса во время движения. Кроме того, судно практически создает эффект экраноплана, увеличивающий подъемную силу за счет большой реактивной тяги.
Устройство для реализации способа передвижения и управления транспортным средством на воздушной подушке работает следующим образом.
В начале движения импеллер 2, расположенный в передней части корпуса 1, подает воздушную смесь высокого давления через сопло в переходной закрытый участок 3, при этом смесь заполняет  переходный участок 3, делится уступом 4, создающим также и подпор, создает дополнительно избыточное давление в закрытом участке 3, воздушный поток разделяется на несколько самостоятельных струй высокого давления. Одна часть его поступает в продольные напорные каналы, выполненные в виде полых и сквозных труб 6 и 7, другая часть потока высокого давления делится обтекаемой боковой поверхностью уступа 4, который позволяет одну часть такого потока направлять в центральную часть канала 19 двухфазного сопла 14, а другую часть распределяет в боковые пневмоканалы 15 и 16 с внутренней стороны скегов 8 и 9. В результате чего движение воздуха в двухфазном сопле 14 восстанавливается, т.е. создается увеличение давления на выходе из канала 19, и встречает движение сжатого воздуха, поступающего из боковых каналов 15 и 16, а также поступающих струй из активных сопел 10 и 11 в сторону центральной части канала 12 под днищем 13 корпуса 1, в сторону выхода из кормовой части судна и в сторону расположения между поворотными щитками 24 и 25, закрепленными к регулируемым тягам 26 и 27 с помощью рулей 22 и 23 и перекрытого сверху П-образного козырька 29. Таким образом, вся реактивная сила струй, соответственно, и тяга направлена в сторону между щитками 24 и 25 в конце кормы корпуса. Отсюда увеличиваются истечение и скорость, создается дополнительно тяга для движения вперед судна.
Для обеспечения движения амфибийного судна вперед отражатель 18 со стороны кормовой части судна поднимают.
Для торможения или изменения на обратное отражатель 18 опускают настолько, чтобы изменилось направление истечения воздушной струи из-под воздушной подушки внутри днища 13 корпуса 1 на обратное, т.е. в сторону носовой части корпуса 1.
Маневрирование судна может осуществляться мощностью работы импеллера 2 путем уменьшения его оборотов лопастей или увеличения с подачей воздуха, соответственно, пониженного или повышенного давления через переходной закрытый участок 3 в пневмоканалы, а также в переходное двухфазное сопло в различных между собой пропорциях (частей) подачи воздуха.
Переходное двухфазное сопло помогает также дополнительно удерживать устойчивое положение судна при его движении с различной скоростью, а также когда оно находится без движения в положении на плаву.
Амфибийное судно может свободно передвигаться по воде, льду, снегу, отмелям и перекатам, не снижая скорости, переходя из воды на сушу. При этом скорость при хорошей обтекаемой конструкции надстройки может резко возрастать. При движении на высокой скорости судно острым носом прорезает волну, не успевая, вследствие инерционности, реагировать на циклическое изменения сил поддержания, что обеспечивает экипажу и пассажирам комфортность при движении с высокой скоростью по волнам.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано особенно для маломерных судов на воздушной подушке, в результате повышается эффективность его работы при создании быстроходных судов с улучшенной управляемостью у данного судна. Таким образом, в предлагаемом техническом решении эффективно используется весь общий воздушный поток от импеллера для создания реактивной тяги и повышения быстроходности судна.
Совокупность признаков и степень раскрытия сущности изобретения достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлении амфибийного судна на сжатом пневмопотоке.