СУДНО НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
AIR CUSHION VEHICLE

Изобретение относится к транспортным средствам и касается конструирования амфибийных судов на воздушной подушке и может быть использовано для АВВП любого назначения: военных АВВП, транспортных, спортивных и т.д.
При работе различного судна по своим классам и характеристикам общим недостатком известных устройств является их ограниченная скоростная характеристика в движении, где основные движители (гребные винты, хвостовые горизонтальные стабилизаторы с рулем высоты и триером, установленные в крыльевых устройствах и т.д.) малоэффективны.
Работа таких судов, в основном, основана движителями за счет увеличения числа оборотов выходного вала двигателя. Судно на воздушной подушке набирает скорость и выходит из зоны действия «экранного эффекта» и совершает движение, например, водного режима.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус, нагнетательную установку с рулевым устройством, ограждение области воздушной подушки с носовым и кормовыми элементами и бортовыми скегами, а также элемент, разделяющий область воздушной подушки на левую и правую камеры, выполненный в виде гибкого воздуховода с продольным гребнем в нижней части, разделенного внутри продольной диафрагмой на левую и правую секции, которые соединены с нагнетательной установкой в кольцевом насадке, при этом в стенках гибкого трубопровода, смежных с камерами воздушной подушки, выполнены отверстия, сообщающие каждую секцию гибкого воздуховода с соответствующей камерой воздушной подушки (патент RU 2167775, кл. B60V 3/06, 1/16, 2001).
Данное техническое решение принято за аналог настоящего изобретения.
Недостатком данного судна на воздушной подушке является ограниченная мощность воздушного вала привода воздушного винта при движении в атмосфере, что  требует более мощных двигателей, снабженных для движения по воде (в воздухе) движителями, а это ограниченность скоростных характеристик двигателя с применением дополнительно движителя, где основные движители (воздушные винты или сопла двигателей) малоэффективны, при этом используя только плотность непосредственно самой атмосферы.
Таким образом,  при передвижении, например, амфибии на плаву невозможно увеличить мощность (тягу) без дополнительных устройств, без изменения нагнетательной установки в области отталкивания, только используя атмосферу воздуха заранее известной плотности.
Известно средство передвижения на воздушной подушке, содержащее корпус с жестким плоским днищем с гибким ограждением, воздушной подушкой, включающий боковые скеги, передний и задний гибкие элементы, и с жесткими бортами, двигатель, движительную и нагнетательную установку с механизмом их привода и системой управления и надувной борт, закрепленный на жестких бортах корпуса по периметру судна. Внешние края боковых скегов амфибийного судна закреплены на надувном борту, а внутренние края - на днище корпуса судна. Амфибийное судно выполнено с центральным скегом, нагнетательная установка выполнена с рулевым устройством, регулирующим нагнетание воздуха в камеры. Амфибийное судно выполнено с управляющими заслонками, размещенными в нагнетательной установке. Скеги выполнены с протекторами. Корпус амфибийного судна выполнен разъемным. Днище корпуса амфибийного судна выполнено плоским, а его носовая часть выполнена наклонной под углом атаки относительно горизонта. Движительная установка амфибийного судна выполнена в виде толкающего воздушного винта в кольцевом насадке, за которым установлены горизонтальные и вертикальные аэродинамические рули. За воздушным винтом в кольцевом насадке жестко закреплена прямоугольная рама, на которой расположены вертикальные и горизонтальные рули. Горизонтальные и вертикальные рули выполнены составными, имеющими, например, неподвижную и отклоняющие части. Нагнетательная установка выполнена с возможностью получения ею крутящего момента силового двигателя посредством клиноременной передачи (патент RU 2126773, кл. B60V 3/08, 1999).
В известном изобретении движитель не может увеличить выше заранее заданные скоростные характеристики при движении, например, амфибийного судна, когда используется только мощность толкающего воздушного винта в кольцевой насадке, а также при использовании и наличии других вспомогательных устройств судна. Это связано с сопротивлением при движении судна по воде, что приводит к потере тяги. Таким образом, не всегда представляется возможность увеличить скорость судна из-за ограниченного ресурса применения и не позволяет развивать больших скоростей, т.е. вне зоны действия экранного эффекта. Недостатком также является отсутствие дополнительных средств создания позади движителя плотной завесы атмосферы в виде туманного облака, смешения разных сред воздуха, плотность атмосферы которой необходимо увеличить, что уменьшает его скоростные характеристики в целом. Струи выходящего воздуха в атмосферу из кольцевого насадка не встречают «завесу стены» из более плотного состава атмосферы сзади судна, и не создается дополнительной возможности - отталкивания судна в направлении движения, что снижает тягу судна в целом.
Обычно струи воздуха от воздушных винтов используют для избыточного давления на днище судна, что на малых скоростях обеспечивает аэродинамическую разгрузку и уменьшение осадка судна. Для предложенного изобретения стоит несколько другая отличительная постановка задачи.
Известно, что дистанция движения или взлета зависит от конструктивных особенностей и назначения различных судов: их параметра, гидродинамического сопротивления и т.д.
Известно, что амфибийное судно на воздушной подушке, содержащее корпус с гибким ограждением воздушной подушки, включающим боковые скеги, передний и задний гибкие элементы, и с жесткими бортами, двигатель, движительную и нагнетательную установки с механизмом их привода в виде толкающего воздушного винта в кольцевой насадке, в которой за воздушным винтом жестко закреплена рама, и системой управления, надувной борт, закрепленный на жестких бортах корпуса по периметру судна (патент RU 2349475, кл. B60V 3/08, 2008).
Недостатком данного амфибийного судна на воздушной подушке является его ограниченность скоростной характеристикой в движении, так как движительная установка судна выполнена только в виде толкающего воздушного винта, размещенного в кольцевой насадке, в которой за воздушным винтом жестко закреплена рама, и установлены горизонтальные и вертикальные аэродинамические рули. Нагнетательная установка выполнена с возможностью получения ею крутящего момента силового двигателя посредством клиноременной передачи. В связи с этим в известном изобретении была поставлена конкретная задача - от опрокидывающего момента при большой скорости в носовой части судна ввести на оси шарнирно крыло, выполненное разрезным, и эти части проходят в центре оси вращения. Однако, как и в аналогах, развивать и увеличивать скорость движителя в атмосферной среде в движении не представляется возможным из-за необходимости только мощности самого двигателя, т.е. крутящего момента двигателя, ограниченного ресурсом при изготовлении.
Из уровня техники известны: амфибийные суда на воздушной подушке и судов снегового типа.
Технический результат группы изобретений заключается в обеспечении, например, остойчивости и повышении мореходности на плаву, в том числе при сильном ветре и волнении. Однако в них также не предусмотрен дополнительный способ использования дополнительного движителя, и оно малоэффективно по сравнению с предлагаемым изобретением по конструкции. Работа всех их не предусматривает и не учитывает существенный признак как создание увеличения дополнительных значений большой плотности (завесы) атмосферы за движителем, отсутствует новое техническое решение для создания предложенного эффекта в движении судна в целом.
Цель изобретения - увеличение скоростной тяги движителя, маневренности путем повышения эффективности смешения разнородных активных сред при эксплуатации судна.
Согласно настоящему изобретению эта задача решается за счет того, что в судне на воздушной подушке, содержащем корпус с гибким ограждением воздушной подушки, включающее боковые скеги, передний и задний гибкие элемент, и с жесткими бортами, двигатель, движительную и нагнетательную установки с механизмом их привода в виде толкающего осевого воздушного винта с вентилятором в кольцевом насадке, в котором за воздушным винтом жестко закреплена рама, и системой управления, надувной борт, закрепленный на жестких бортах корпуса по периметру судна, кольцевой насадок дополнительно снабжен жесткой рамой, соосно установленной кольцевому насадку с наружной поверхности, причем дополнительная рама снабжена жесткими опорами и размещенным в них на валу завихрителя источником активной среды в виде турбины, выполненной винтолопастной, закрепленной на оси вала с отражателем и фиксированным перемещением относительно осевого воздушного винта, причем профиль турбины винтолопастной очерчен как минимум с постоянным малым радиусом по отношению к осевому воздушному винту с вентилятором.
Кроме того, турбина винтолопастная выполнена с возможностью осевого перемещения соосно относительно к подводящему напорному трубопроводу с активным соплом со стороны осевого воздушного винта.
Кроме того, напорный трубопровод свободно пропущен через центральную часть внутри осевого воздушного винта и соединен посредством гибкой трубки с источником активной среды с компрессором.
Кроме того, по варианту выполнения оно содержит активное сопло с кольцевым выступом на внешней поверхности, причем отражатель в продольном сечении расположен к оси симметрии турбины винтолопастной под углом друг к другу, равным 40-80°.
Кроме того, по варианту выполнения дополнительная рама снабжена в верхней части по периметру кольцевой пустотелой верховой трубой с отверстиями, с вертикально размещенным телескопическим патрубком - источником активной среды - с возможностью фиксированного перемещения относительно завихрителя в виде закрепленной крыльчатки на валу, причем телескопический патрубок имеет выходной конец, снабженный соплом, обращенным к крыльчатке, причем пустотелая труба соединена гибкой трубкой с источником активной среды, маневрирование которым производят с пульта управления.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «Новизна».
Реализация отличительных признаков изобретения обуславливает появлению важных новых свойств объекта: происходит турбулизация потока воздуха приводом воздушного винта с лопастями, при этом по подводящему трубопроводу воздух, проходя через сопло, оказывает давление на коническую с лопастями турбину винтолопастную, поток активной среды приводит ее вращение, кроме того, одновременно воздушная струя от воздушного винта с лопастями дополнительно оказывает свое воздействие на вращение турбины винтолопастной с отражателем. При этом со стороны турбины винтолопастной (малой величины размеров относительно к геометрическим размерам привода воздушного винта) появляется реакция на поступившую активную среду в виде сжатого воздуха (или пара под большим давлением), который турбулизует поток сжатого воздуха, поступившей в межлопастные отсеки в результате соударения об отражатель. Дополнительный сжатый воздух (или пар высокого давления) продолжает интенсивно перемешиваться с воздушной массой от привода воздушного винта. Таким образом, струи дополнительного подводящего воздуха (или пара) с большой скоростью вращаясь по внутренней периферии отражателя выходят в зону атмосферы за приводом воздушного винта. В результате их совместного смешения образуется зона с повышенной плотностью больше, чем плотность самой атмосферы, т.е. образуется «туманное облако». Таким образом, за судном получают зону завесы с большой плотностью, что увеличивает отталкивающий момент при движении вперед судна на воздушной подушке. Отсюда как бы образуется дополнительная реактивная сила, способствующая увеличению скорости движения судна по воде (получен дополнительный способ движителя судна).
Следует отметить также другой важный фактор в том, что при работе мощного привода воздушного винта возникает эффект подсоса активной среды жидкости перед турбиной винтолопастной и тогда сопло напорной трубы работает в виде насоса, где воздух, поступающий из ресивера, соединенного с компрессором, выходит с большой скоростью. В этом случае за счет создания разрежения компрессор можно отключить, процесс проходит в автоматическом режиме до его отключения с пульта управления (не показано на рисунке для упрощения). Отражатель в конце турбин винтолопастной под прямым углом (вариант выполнения может быть и другим, фиг. 2) к радиальному направлению в сторону привода воздушного винта стремится направить полученный дополнительный сжатый воздух, смешанный с воздухом винта и позади его, создает завесу туманного облака. Плотность которой выше плотности атмосферы. Таким образом, происходит увеличение скоростной тяги основного движителя, даже при кратковременном включении подачи активной среды в виде дополнительно воздуха (или пара) с пульта управления.
Скорость вращения малой конической турбины винтолопастной и интенсивность перемешивания разнородных активных сред (воздуха или пара) зависит от установки и конструкции отражателя  к радиальному направлению и расстояния от оси турбины.
Максимальная скорость вращения турбины винтолопастной с лопастями имеет место, когда происходит процесс подачи активной среды воздуха из ресивера под давлением от компрессора и со стороны скорости вращения основного привода воздушного винта, т.е. при создании энергии воздушной циркуляции перед турбиной винтолопастной.
Устойчивость турбины в горизонтальной плоскости перед соплом подводящего трубопровода, проходящего свободно через центральную часть внутри осевого вентилятора, обеспечивается опорами, закрепленными одним концом жестко к раме прямоугольной, а осевая нагрузка от реактивной силы активной среды воспринимается креплением отражателя к оси вращения с радиальными лучами крепления, выполненными в виде опор.
Кроме того, по варианту выполнения оно содержит крыльчатку на валу, телескопический патрубок с выходным соплом и кольцевую пустотелую трубу, к которой крепятся вертикальные патрубки. Кольцевая труба соединена с источником активной среды воздуха (пара) из ресивера, соединенного с компрессором. Управление производится с пульта управления (не показано), например подача активной среды.
Таким образом, взаимодействие воздушного винта с завесой более плотной массы создает момент, ускоряющий движение судна. Появляется дополнительная тяга от движителя. Поскольку плотность завесы (туманного облака) достаточно значительно увеличивается, увеличивается и скорость движения судна, преодолевая сопротивление по воде, соответственно уменьшается дальность и время в пути для прибытия судна по курсу назначения. Коэффициент избытка расхода дополнительного воздуха (пара)с определяется из динамической характеристики «струйного аппарата», соударения струй о лопасти с получением активной среды, смешанной с воздушным потоком, оказывая незначительное влияние на привод воздушного винта, так как расположение позади его на некотором расстоянии сопла связано с турбиной винтолопастной (формой конструирования) с отражателем. Работа компрессора может быть кратковременно отключена, и тогда наступает момент работы в виде эжектируемого насоса от вращающейся турбины винтолопастной, скорость вращения которой будет зависеть от воздушного циркуляционного потока, создаваемого приводом воздушного винта.
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, которые содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Изложенное выше позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено:
на фиг. 1 изображена схема общего расположения судна (двигатель не показан);
на фиг. 2 изображен узел движителя, вариант выполнения активного сопла и форма отражателя с приводом;
на фиг. 3 изображен узел движителя, вариант выполнения телескопического патрубка - жидкости и крыльчатки с приводом.
Судно на воздушной подушке содержит корпус 1, гибковые боковые скеги 2, носовую оконечность 3 судна, кормовую оконечность 4 судна, носовое (переднее) гибкое ограждение ВП, кормовое (заднее) гибкое ограждение ВП, съемный тент. Нагнетательная установка является в описываемом конкретном примере одновременно и движителем 5 судна. Надувной борт, центральный скег, протекторы, линии соединений секций корпуса, винт движительной установки содержит (маршевый вентилятор) 5, вертикальный руль 7, прямоугольную раму 9. Движительная установка 5 судна выполнена в виде воздушного винта вентиляционного типа в кольцевом насадке 8 за воздушным винтом, в котором установлены вертикальные и горизонтальные аэродинамические рули.
Корпус кольцевого насадка имеет удлинение, в продолжение которого установлена прямоугольная рама 10, к которой на двух опорах 11, 12 установлен приводной вал 13 (ось) с втулкой 14 на передней консоли которой закреплен отражатель 15, а к нему присоединена коническая турбина 16 винтолопастная с лопастями 17. Выходной конец напорного трубопровода 18 с соплом 19 расположен перед конической турбиной 16 винтолопастной, а впускной конец напорного трубопровода 18 свободно пропущен через центральную часть 20 внутри осевого воздушного винта 5 и имеет жесткую связь с гибкой трубкой 21 с источником активной среды от ресивера 22 с компрессором 23. Корпус кольцевого насадка 8 служит для отвода воздуха в атмосферу, при этом он смешивается с активной средой - воздухом, или пар, поступающий под большим давлением, за счет наличия турбины 16 с отражателем 15 в виде завесы, плотность которой выше, чем плотность самой атмосферы. Ось приводного вала 13 расположена в одной плоскости с соответствующей ему внутренней линии осевого воздушного винта 5 с напорным трубопроводом 18, а опоры 11 и 12 с направляющими 24 устраняют возможность перекоса конической турбины 16 винтолопастной. Возможны вариант изменения отражателя 25 по форме профиля и активного сопла 19 с коническим выступом 26 на внешней поверхности (фиг. 2).
Вариант выполнения фиг. 3 предусматривает установку пустотелой кольцевой верховой трубы 27, размещенной на внешней поверхности рамки 10 с трубками 28, и телескопических насадок 29. Телескопические насадки 29 имеют сопло 30, направленное в сторону крыльчатки 31, форма профиля которой назначается конструктивно при проектировании устройства с малым радиусом, соответственно в сравнении соотношения с осевым воздушным винтом 5. Телескопический патрубок 29 с соплом 30 установлен с возможностью перемещения относительно входной трубки 28 канала сообщения с верховой трубой 27, сообщенной с источником 22 активной среды воздуха (пара) с компрессором 23 (не показано соединение). Все элементы выполнены съемными и взаимозаменяемыми при настройке. Конструирование узла дополнительного движителя зависит от конструкции отражателя 15, 25, расстояния ℓ2 к радиальному направлению к турбине 16 и расстояния ℓ1 от оси турбины к насадку 19 трубы 18.
Эксплуатация судна на воздушной подушке осуществляется следующим образом.
Для обеспечения движения судна включают нагнетательную установку (не показано), создавая подъемную силу. Одновременно остальная часть воздуха выбрасывается горизонтально в атмосферу, при этом создается движущая сила. Судно отрывается от опорной поверхности и начинает двигаться вперед. Для поворота судна используют рулевые устройства.
При движении судна по воде компрессором 23 подают сжатый воздух (пар) из источника 22 активной среды по напорному трубопроводу 18. Проходя через центральную часть 20 внутри осевого воздушного винта 5, поток активной среды оказывает давление на лопасти 17 конической турбины 16 винтолопастной, приводит ее во вращение, кроме того, одновременно поток воздуха за вентилятором, поступающий из осевого воздушного винта 5, также дополнительно создает вращение турбины 16. Происходит ускорение вращения турбины 16 винтолопастной вместе с отражателем 15 (25), который закреплен к валу 13 с направляющими 24, преодолевая сопротивления для вращения отражателя 15 (25). Поток воздуха (пар), поступающий из ресивера 22, разделяется лопастями 17 турбины 15 на множество равных частей струек, поступающих в межлопастные отсеки, и выбрасывается в атмосферу, при этом создается движущая сила. Судно ускоряет резко свое движение. Под давлением сжатого воздуха (пара) в напорном трубопроводе 18 и с добавлением воздуха от осевого воздушного винта 5 коническая турбина 17 винтолопастная ускоряет вращение, увеличивается крутящий момент, турбулизирует поток и струи, встречая преграду в виде отражателя 15 (25), распыляется и смешивается с воздухом, поступающим из воздушного винта, образуя этим самым завесу в виде «туманного облака». В результате перед отражателем также образуется зона реактивной циркуляции, в которой продолжается процесс интенсивного перемешивания активной среды по периферии дополнительной рамки 10. Таким образом, происходит процесс непрерывного и интенсивного смешивания сжатого воздуха (или высокого давления пара). В результате за осевым воздушным винтом в атмосфере создается завеса в виде «туманного облака», обладающая большей плотностью, чем сама атмосфера. Жесткое соединение турбины 16 с отражателем 15 (25) обеспечивает синхронную работу в атмосфере при движении судна. При этом скорость вращения конической турбины 16 винтолопастной и интенсивность соударения струй активной среды об отражатель 15 (25) с перемешиванием общего воздуха может зависеть от связи всех элементов устройств, создающих максимальную скорость вращения, как со стороны напорного трубопровода 18 с соплом 19, так и со стороны скорости вращения осевого воздушного винта 5, что повышает эффективность движения судна в пути следования.
Следует отметить, также то, что образование зоны пониженного давления вокруг сопла 19 в конце напорного трубопровода 18 может обеспечивать дальнейшее продолжение всасывание струи сжатого воздуха (пара) во вращательном движении турбины 16 винтолопастной за счет увеличенного влияния воздуха от скорости вращения осевого воздушного винта 5, т.е. увеличивается крутящий момент на приводном валу 13 в опорах 11, 12, которые обеспечивают устойчивость турбины 16 с отражателем 15 (25) при осевой нагрузке. Компрессор 23 отключают.
Действие вращения турбины 16 с отражателем 15 (25), последний может быть любой формы (прямоугольной, конусный, полукруглый и т.д.), находящийся в конце осевого воздушного винта 5, по отношению к последнему настолько может быть мало по геометрическим размерам, что эти элементы конструкции не оказывают заметного влияния (сопротивления) вращению лопастей в осевом воздушном винте 5, а следовательно, создаются условия, позволяющие резко увеличить скорость движения судна из-за образовавшейся завесы более плотной массой по отношению к атмосфере, т.е. дополнительный движитель увеличивает тягу судна в движении не менее чем в два раза в большую сторону.
По варианту на фиг. 3 вследствие возможного приведения конструкции в рабочее положение пустотелую трубу 27 с гибкой линией связи (не показано) подключают к напорной линии компрессора 23 с источником 22 активной среды. Воздух или пар под большим давлением выходят из сопел 30, постоянно соприкасаясь с крыльчаткой 31, смешиваясь с атмосферным воздухом, далее образуется завеса, плотность которой больше плотности атмосферы за воздушным судном на коротком участке разгона на воде, уменьшая дальность и время в пути, и мало будет зависеть от природных условий работы, а точнее при условиях ясной безветренной погоды. Судно дополнительно в таких случаях имеет место его «маскировки» в движении из-за образовавшегося облака тумана за ним, при большой скорости движения судна, область применения достаточно широкая, например, в военных АВВП и т.д.
Эффективность предлагаемого устройства использует способ увеличения тяги судна на воздушной подушке при реализации технологических схем при движении на воде или по снегу.
Предлагаемая конструкция из новых элементов в предлагаемом изобретении не требует больших затрат при соответствующих малых геометрических размерах. Турбина винтолопастная выполнена соответственно с разными оптимальными размерами по отношению к линейным размерам осевого воздушного винта, имеет оптимальную точку режима работы турбины винтолопастной с отражателем, который также может иметь любую форму его изготовления.
Ввиду малого динамического сопротивления контура турбины винтолопастной с отражателем в зоне центральной части на одной линии с приводом воздушного винта сопротивление контура предлагаемого устройства мало из-за разрежения в этой зоне, исходя из динамической нагрузки воздушного винта по своим геометрическим размерам. Расход потока распределяется соотношением наличия межлопастным пространством в турбине 16, при этом поток, организованный распылением активной среды при ударе об отражатель, создает смешение в зоне дополнительной прямоугольной раме, улучшая скоростную характеристику движителя, и предлагаемый движитель может быть использован в качестве дополнительного источника тяговой силы транспортного средства на плаву или по снегу. Кроме того, конструкция системы узлов проста и движитель обеспечивает способ создания завесы более плотной массы, чем атмосфера, что увеличивает тягу осевого воздушного винта при движении судна, при этом полезная нагрузка судна увеличивает массу груза и маневренность путем повышения эффективности смешения разнородных активных сред при движении судна на воде или по снегу. Таким образом, происходит объединение в одном технологическом цикле задач оптимального создания конструкторского решения и создания завесы с увеличенной плотностью из воздуха или пара, смешанных с воздухом, получаемой от воздушного винта сзади судна в движении. Судно изготавливается в заводских условиях с применением обычного оборудования и известных конструктивных материалов с предложенным дополнительным движителем, что обуславливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию «промышленная применимость».