Аэродинамическое судно
AERODYNAMIC AIRCRAFT

Изобретете относится к области судостроения и может найти применение в качестве транспортного средства.
Известно судно, содержащее корпус с водительским отделением, установленный на поплавки, внутри которого расположен двигатель с муфтой сцепления, механически соединенный с несущими винтами самолетного типа большого диаметра, установленными по два спереди и сзади под углом 25 градусов к корпусу (Авт. свид. СССР №312788, 1971).
Недостатками известного судна являются: большая энерговооруженность, повышенная опасность при эксплуатации, большие переменные нагрузки на лопасти винтов, работающих на границе двух сред и небольшая высота подъема корпуса судна над поверхностью воды.
Указанные недостатки обусловлены выбранной схемой конструкции судна.
Известно такое аэродинамическое судно, содержащее корпус с водительским и пассажирским отделениями, главный двигатель, размещенный в носовой части корпуса судна, механически связанный посредством силовой передачи с движителями вертикального подъема, маршевый двигатель, расположенный в кормовой части судна, механически связанный посредством силовой передачи с маршевыми движителями, главный редуктор, два двойных конических дифференциала, одна из полуосей одного из которых соединена с двумя передними парами движителей вертикального подъема, а другая полуось соединена с двумя задними парами движителей вертикального подъема, одна полуось другого дифференциала соединена с парой движителей вертикального подъема левого борта, а другая полуось соединена с парой средних движителей вертикального подъема правого борта, при этом тормоза тормозных барабанов упомянутых дифференциалов кинематически соединены с ручкой управления корпусом судна в пространстве, в задней части корпуса судна установлены вертикальные водовоздушные рули направления, соединенные с педалями путевого управления, дисковые движители вертикального подъема цилиндрические и внутри каждого из них размещен редуктор, ведущий вал которого пропущен через боковое отверстие корпуса, а ведомые валы размещены вертикально и на них закреплены верхние и нижние группы дисков (Патент РФ №2149109, кл. В60V 1/14, 3/06, 2000).
Аэродинамическое судно по патенту РФ №2149109 как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому полезному результату принято за прототип.
Недостатком известного аэродинамического судна, принятого за прототип, является недостаточная подъемная сила движителей вертикального подъема.
Указанный недостаток обусловлен конструкцией дисков движителей вертикального подъема.
Задачей настоящего изобретения, является повышение технических характеристик аэродинамического судна.
Технический результат обеспечивается тем, что в аэродинамическом судне, содержащем корпус с водительским и пассажирским отделениями, главный двигатель, размещенный в носовой части корпуса судна, механически связанный посредством силовой передачи с движителями вертикального подъема, маршевый двигатель, расположенный в кормовой части судна, механически связанный посредством силовой передачи с маршевыми движителями, главный редуктор, два двойных конических дифференциала, одна из полуосей одного из которых соединена с двумя передними парами движителей вертикального подъема, а другая, полуось соединена с двумя задними парами движителей вертикального подъема, одна полуось другого дифференциала соединена с парой средних движителей вертикального подъема левого борта, а другая полуось соединена, с жарой средних движителей вертикального подъема правого борта, при этом тормоза тормозных барабанов упомянутых дифференциалов кинематических соединены с ручкой управления корпусом судна в пространстве, в задней части корпуса судна установлены вертикальные водовоздушные рули направления, соединенные с педалями путевого управления, дисковые движители вертикального подъема цилиндрические и внутри каждого из них размещен редуктор, ведущий вал которого пропущен через боковое отверстие корпуса, а ведомые валы размещены вертикально и на них закреплены верхние и нижние группы дисков, согласно изобретению верхняя поверхность каждого из дисков выполнена волнистой в форме чередующихся между собой радиальных сферических впадин и выпуклостей, сужающихся к центру вращения, а на нижней поверхности каждого из дисков выполнены по концентрическим окружностям глухие углубления в форме усеченных треугольников, повернутых своими усеченными вершинами к центру вращения, Л-образные внутренние радиальные каналы, сужающиеся в сторону центра вращения, выполненные в форме равнобедренных треугольников, вершины которых повернуты в сторону центра вращения и имеющих на нижних поверхностях дисков впускные и выпускные радиальные окна, впускные окна могут становиться выпускными и наоборот в зависимости от направления вращения дисков, углубления в форме равнобедренных треугольников, повернутых своими вершинами в сторону центра вращения, расположенных между впускными и выпускными окнами Л-образных каналов, причем дно каждого Л-образного канала параллельно верхней или нижней плоскости диска, а противоположные боковые стенки их равны по размерам и площадям.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фигуре 1 изображен общий вид аэродинамического судна;
на фигуре 2 - вид на аэродинамическое судно сверху;
на фигуре 3 - вид на аэродинамическое судно снизу;
на фигуре 4 - разрез по миделю;
на фигуре 5 - схема привода движителей вертикального подъема;
на фигуре 6 - устройство двухвального редуктора;
на фигуре 7 - устройство трехвального редуктора;
на фигуре 8 - устройство двойного конического дифференциала;
на фигуре 9 - общий вид движителя вертикального подъема;
на фигуре 10 - вид на движитель вертикального подъема сверху;
на фигуре 11 - движитель вертикального подъема в разрезе;
на фигуре 12 - редуктор движителя вертикального подъема в разрезе;
на фигуре 13 - вид на диск движителя вертикального подъема сверху;
на фигуре 14 - вид на диск движителя вертикального подъема снизу;
на фигуре 15 - вид на диск движителя, вертикального подъема сбоку в разрезе;
на фигуре 16 - вид на треугольные углубления и впускные и выпускные окна Л-образного канала;
на фигуре 17 - вид на углубление и Л-образный канал диска в разрезе;
на фигурах 18 и 19 - схемы создания подъемной силы на диске движителя вертикального подъема;
на фигуре 20 - схема управления аэродинамическим судном в пространстве;
на фигуре 21 - схема привода маршевых движителей;
на фигуре 22 - схема системы путевого управления аэродинамическим судном;
на фигуре 23 - схема подъема корпуса аэродинамического судна над поверхностью воды;
на фигуре 24 - схема набора высоты аэродинамическим судном при движении над поверхностью воды;
на фигуре 25 - схема снижения аэродинамического судна при движении над поверхностью воды;
на фигуре 26 - наклон корпуса аэродинамического судна на правый борт;
на фигуре 27 - наклон корпуса аэродинамического судна на левый борт.
Аэродинамическое судно содержит корпус 1 обтекаемой формы, плоскодонный с успокоителями бортовой качки 2, размещенные на днище. Снаружи корпуса в его задней части установлены маршевые движители в форме воздушных винтов изменяемого шага 3, размещенных в кольцах 4 и рули направления 5, а по бортам корпуса выполнены боковые отсеки 6, имеющие сверху и снизу решетки 7. Внутри корпуса выполнены водительское и пассажирское отделения. Главный двигатель 8, установленный в носовой части корпуса судна и, имеющий муфту сцепления 9 соединен с главным редуктором 10, который карданным валом 11 соединен с двойным коническим дифференциалом 12 продольного управления корпусом судна и имеющим тормозные барабаны 13 с тормозами 14, 15. Полуоси указанного дифференциала карданными валами 16, 17, 18, 19, 20, 21 соединены через передний 22, задний 23 и бортовые 24 редукторы, а передними 25, 26, 27, 28 и задними 29, 30, 31, 32 движителями вертикального подъема. Главный редуктор также карданным валом 33 соединен с двойным коническим дифференциалом 34 поперечного управления корпусом аэродинамического судна. Полуоси этого дифференциала, имеющего тормозные барабаны 35 с тормозами 36, 37, соединены карданными валами 38, 39 через бортовые редукторы со средними движителями вертикального подъема 40, 41 левого борта и 42, 43 правого борта. Передний и задний редукторы имеют одинаковое устройство, и каждый из них содержит корпус 44, закрытый крышкой 45. В подшипниках корпуса установлен ведущий вал 46 с закрепленной на нем ведущей шестерней 47, входящей в зацепление с ведомыми шестернями 48, 49, закрепленными на ведомых валах 50, 51, установленных в подшипниках корпуса и крышки. На валах закреплены фланцы 52. Часть бортовых редукторов может быть трехвальными, а часть двухвальными. Двухвальный редуктор содержит корпус 52, закрытый крышкой 53, в подшипнике которого закреплен вал 54, а шестерней 55 входящей в зацепление с шестерной 56, закрепленной на валу 57, установленном в подшипнике крышки. На валах закреплены фланцы. Оба двойных конических дифференциала одинаковы по конструкции, и каждый из них содержит наружный корпус 58, закрытый крышками 59 и 60, в одной из которых закреплен подшипник с ведущим валом 61, ведущая шестерня 62 которого входит в зацепление с шестерной 63 внутреннего корпуса 64. В подшипниках внутреннего корпуса два двойных сателлита 65, 66, каждый из которых имеет большую и малую шестерни. С большими шестернями сателлитов входят в зацепление шестерням 67, 68 тормозных барабанов, а с малыми шестернями сателлитов входят в зацепление шестерни 69, 70, закрепленные на полуосях 71, 72. Все движители вертикального подъема одинаковы по конструкции и каждый из них содержит вертикальный цилиндрический корпус 73 открытый сверху и снизу, имеющий снаружи две опорные шейки 74, одна из которых имеет отверстие, в которое пропущен ведущий вал 75 редуктора 76, размещенного внутри средней части корпуса. Редуктор прикреплен к корпусу посредством четырех кронштейнов 77 и содержит корпус 78, закрытый крышкой 79. Ведомые валы 80, 81, размещенные вертикально, имеют с одной стороны ведомые шестерни 82, 83, входящие в зацепление с ведущей шестерней 84, закрепленной на ведущем валу, а с другой стороны на них закреплены верхняя 85 и нижняя 86 группы дисков, имеющих зазор с корпусом движителя вертикального подъема. Один конец каждого из ведомых валов закреплен в подшипнике корпуса редуктора, а другой конец каждого из них закреплен в подшипнике 87, привернутого посредством кронштейнов к корпусу движителя вертикального подъема. Диски на ведомых вертикальных валах установлены на некотором расстоянии друг от друга, один над другим. Каждый диск 88 выполнен из прочного и легкого материала. Верхняя поверхность каждого из дисков выполнена волнистой в форме чередующихся между собой радиальных сферических впадин 89 и выпуклостей 90, сужающихся к центру вращения диска с целью увеличения верхней поверхности. На нижней поверхности каждого из дисков выполнены по концентрическим окружностям глухие углубления 91 в форме усеченных треугольников, повернутых своими усеченными вершинами к центру вращения диска. Также на нижней поверхности каждого диска выполнены Л-образные внутренние радиальные каналы 92, сужающиеся к центру вращения диска, в форме равнобедренных треугольников, вершины которых повернуты в сторону центра вращения диска и имеющих на нижней поверхности диска впускные 93 и выпускные 94 окна. Впускные окна могут становиться выпускными и наоборот в зависимости от направления вращения диска. Также на нижних поверхностях дисков выполнены углубления 95 в форме равнобедренных треугольников, повернутых своими вершинами в сторону центра вращения, расположенных между впускными и выпускными окнами Л-образных каналов. Дно 96 каждого Л-образного канала параллельно верхней или нижней плоскости диска, а противоположные стенки впускных и выпускных окон равны по размерам в продольном и поперечном направлениях и, следовательно, по площади. Для предотвращения гироскопических моментов направление вращения верхних и нижних групп дисков движителей вертикального подъема должно быть противоположным. Маршевый двигатель 97, имеющий муфту сцепления 98, установленный в кормовой части судна, карданным валом 99 соединен с редуктором 100, имеющим такое же устройство, что и описанный ранее трехвальный редуктор, выходные валы которого посредством карданных валов 101 соединены с внутренними редукторами 102, установленными в кольцах, на ведомых валах которых закреплены воздушные винты изменяемого шага, кинематически связанные с механизмом управления движением аэродинамического судна в прямом и обратном направлениях. Позади маршевых движителей установлены водовоздушные рули, которые посредством гидравлической системы, состоящей из масляного бака 103, масляного насоса 104, приводимого в движение электродвигателем, не показанным на чертеже, правого 105 и левого 106 гидравлических кранов, исполнительного гидроцилиндра 107, соединенного тягой 108 и рычагами 109, связанной с ножными педалями 110 путевого управления, закрепленных на оси 111 и имеющих рычаг 112, взаимодействующий с золотниками правого и левого гидравлических кранов. Система управления аэродинамическим судном в пространстве содержит ручку управления 113, закрепленную шарнирно на валу 114, установленным на подшипниках и имеющим рычаг 115, взаимодействующий с золотниками гидравлических кранов 116, 117 продольного наклона, которые посредством трубопроводов гидравлически соединены с гидроцилиндрами 118, 119 привода тормозов двойного конического дифференциала продольного наклона корпуса судна. На нижнем конце ручки управления имеется полукруглый сектор 120, взаимодействующий с золотниками гидравлических кранов 121, 122, которые гидравлически соединены с гидроцилиндрами 123, 124 привода тормозов двойного конического дифференциала поперечного наклона корпуса судна. Кроме того гидравлическая система управления корпусом судна в пространстве имеет масляный бак 125, масляный насос 126 с редукционным клапаном 127, приводимый в движение электродвигателем, не показанном на чертеже. Работает аэродинамическое судно следующим образом.
1
2
3
3
4
5
1
2
3
После запуска и прогрева двигателей 8, 97, проверки работы всех систем аэродинамическое судно готово к движению. Для этого включается муфта сцепления 9. Вращающийся момент от двигателя 8 через главный редуктор 10 карданными валами 11 и 33 передается на двойные конические дифференциалы 12 и 34. Полуоси обоих дифференциалов приходят во вращение и посредством карданных валов 18, 19, 38, 39 передают вращение через передний 22 и задний 23 редукторы, карданными валами 16, 17, 20, 21 на бортовые редукторы 24, а с них на редукторы 76 движителей вертикального подъема 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 40, 41, 42, 43. Ведомые валы 80, 81 приходят во вращение и вращают верхние группы 85 дисков 88 в одну сторону, а нижние группы 86 дисков 88 в противоположную сторону. При вращении каждого диска 88 в направлении, показанном на фигуре 18, вместе с ним вращаются, и частицы воздуха, соприкасающиеся с верхней и нижней поверхностями. Вследствие этого над верхней поверхностью и под нижней поверхностью диска 88 образуются вращающиеся пограничные слои воздуха. По закону Бернулли в движущемся потоке газа или жидкости давление всегда меньше, чей в прилегающем неподвижном слое. Поэтому на верхнюю поверхность диска действует сила разрежения Fв, направленная вверх, а на нижнюю поверхность диска 88 действует сила разрежения Fн, направленная вниз, которая меньше силы Fв так, как поверхность, обтекаемая воздухом на нижней стороне диска меньше, чем поверхность, обтекаемая воздухом на верхней стороне диска, причем верхняя поверхность диска для повышения разрежения увеличена за счет сферических впадин 89 и выпуклостей 90. (Из площади на нижней стороне диска 88 необходимо вычесть площадь углублений 91 и 95, которые не обтекаются воздухом.) В указанные углубления поступает воздух из вращающегося нижнего пограничного слоя и в них создается дополнительное динамическое давление, которое превосходит атмосферное давление воздуха (фиг. 18, 19). Силы F и F, действующие на дно каждого углубления 91, 95 ничем не уравновешены, направлены вверх и увеличивают подъемную силу диска 88. Кроме того часть воздушного потока из вращающегося пограничного слоя воздуха поступает во впускные окна 93 Л-образных каналов 92. Воздух с силой входит внутрь этих каналов (фиг. 18) ударяет в дно 96, воздействуя на него силой F, а затем выходит наружу через выпускное окно 94. Силы F еще больше увеличивают подъемную силу диска 88. Силы F и F, действующие на боковые стенки Л-образных каналов 92 не создают подъемной силы и взаимно уничтожаются, как равные по величине и противоположно направленные. Силы, действующие на боковые поверхности дисков 88, также не увеличивают и не уменьшают подъемной силы, а представляют собой силы трения, тормозящие вращение дисков. Равнодействующая всех сил, создающих подъемную силу, будет равна Fравн = Fв+F+F+F-Fн и направлена вверх. Подъемная сила одного движителя вертикального подъема зависит от количества дисков, а также частоты их вращения и может изменяться в больших пределах. По мере увеличения частоты вращения дисков 88 подъемная сила движителей вертикального подъема 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 40, 41, 42, 43 увеличивается и, как только ее величина превысит вес аэродинамического судна, оно отрывается от поверхности воды и поднимается на некоторую высоту (фиг. 23). Величина подъемной силы регулируется частотой вращения вала главного двигателя 8. Как только аэродинамическое судно поднимется на необходимую высоту включается муфта сцепления 98. Вращающийся момент от маршевого двигателя 97 карданными валами 99, 101 через редуктор 100 и внутренние редукторы 102 подается на воздушные винты изменяемого шага 3. В зависимости от угла установки лопастей воздушные винты создают тягу, которая направлена вперед или назад, либо используется для торможения. Скорость движения аэродинамического судна регулируется увеличением или уменьшением частоты вращения вала маршевого двигателя 97 и углом установки лопастей воздушного винта 3. При полете аэродинамического судна над поверхностью воды или суши управление судном в пространстве осуществляется посредством ручки управления 113. Для набора высоты ручку управления 113 необходимо передвинуть в положение "на себя". В этом случае вместе с ней поворачивается и рычаг 115, который нажимает на золотник гидравлического крана 116 (фиг. 20). Масло из масляного бака 125 масляным насосом 126 станет подаваться в гидроцилиндр 119, шток которого выдвигается и тормоз 15 нажмет на задний тормозной барабан 13 двойного конического дифференциала 12 продольного управления корпусом судна. Задняя полуось этого дифференциала уменьшит скорость вращения, а передняя, полуось увеличит частоту вращения на такую же величину. Частота вращения дисков 88 задних движителей вертикального подъема 29, 30, 31, 32 уменьшится, а частота вращения дисков 88 передних движителей вертикального подъема 25, 26, 27, 28 возрастет на такую же величину. В результате этого подъемная сила в носовой части корпуса судна увеличится, а в кормовой части уменьшится. Носовая часть судна поднимется, а кормовая опустится, и судно станет осуществлять режим набора высоты (фиг. 24). При перемещении ручки управления 113 в положение "от себя" рычаг 115 поворачивается в противоположную сторону и нажимает на золотник гидравлического крана 117. Масло из масляного бака 125 масляным насосом 126 подается в гидроцилиндр 118, шток которого выдвигается и тормоз 14 нажимает на передний тормозной барабан 13 двойного конического дифференциала 12 продольного управления. Частота вращения дисков 88 передних движителей вертикального подъема 25, 26, 27, 28 уменьшится, а частота вращения дисков 88 задних движителей вертикального подъема 29, 30, 31, 32 на такую же величину увеличится. В результате подъемная сила в носовой части корпуса судна уменьшится, а в кормовой части возрастет и корпус судна, повернувшись вокруг поперечной оси, станет осуществлять снижение (фиг. 25). При перемещении ручки управления в положение "вправо" она поворачивается вокруг оси и своим полукруглым сектором 120 нажимает на золотник гидравлического крана 121. Масло из масляного бака 125 масляным насосом 126 станет подаваться в гидроцилиндр 124, а то к которого выдвигается и тормозом 36 нажимает на правый тормозной барабан 35 двойного конического дифференциала 34 поперечного управления. В результате правая полуось уменьшит частоту своего вращения, а левая полуось двойного конического дифференциала 34 поперечного управления увеличит на такую же величину. Частота вращения дисков 88 средних движителей вертикального подъема 42, 43 правого борта уменьшится, а частота вращения дисков 88 средних движителей вертикального подъема 40, 41 левого борта увеличится. Подъемная сила правого борта уменьшится, а левого борта возрастет и корпус судна повернется вокруг продольной оси, сделав крен вправо (фиг. 26). При отклонении ручки управления 113 в положение "влево" полукруглый сектор 120 повернется вправо и нажмет на золотник гидравлического крана 122. Масло из масляного бака 125 масляным насосом 126 станет подаваться в гидроцилиндр 123, шток которого выдвигается и тормоз 37 нажимает на левый тормозной барабан 35 двойного конического дифференциала 34 поперечного управления, левая полуось которого уменьшит скорость своего вращения, а правая полуось увеличит скорость вращения на такую же величину. Частота вращения дисков 88 средник движителей вертикального подъема 40, 41 левого борта уменьшится, а частота вращения дисков 88 средних движителей вертикального подъема 42, 43 правого борта увеличится на такую же величину. Подъемная сила левого борта уменьшится, а правого борта возрастет, и корпус судна повернется вокруг продольной оси, делая крен влево (фиг. 27). После выполнения маневра ручка управления 113 переводится в нейтральное положение. Применение двойных конических дифференциалов исключает полную остановку каких-либо движителей вертикального подъема и потерю подъемной силы в какой-либо части корпуса судна. Аэродинамическое судно может также двигаться в водоизмещающем режиме. Для этого останавливается главный двигатель 8, а маршевый двигатель 97 приводит во вращение воздушные винты 3, которые создают тягу и обеспечивают движение вперед, назад и торможение. Путевое управление аэродинамическим судном, при любом способе перемещения, осуществляется посредством ножных педалей 110. При нажатии на правую педаль рычаг 112 нажимает на золотник гидравлического крана 106. Масло из масляного бака 103 масляным насосом 104 подается в гидроцилиндр 107, поршень которого в нейтральном положении находится в средней части цилиндра (показано пунктиром на фиг. 22), который перемещается внутрь гидроцилиндра и посредством тяги 108 и рычагов 109 поворачивает водовоздушные рули 5 вправо. Набегающий на руль воздушный или водяной поток отклоняют корпус судна вправо. При нажатии на левую педаль рычаг 112 поворачивается вправо и нажимает на золотник гидравлического крана 105. Масло из масляного бака 103 масляным насосом 104 подается в гидроцилиндр 107, шток которого выдвигается наружу и через тягу 108 и рычаги 109 поворачивает рули направления 5 влево. Корпус судна поворачивает влево. При движении судна в водоизмещающем режиме успокоители 2 уменьшают бортовую качку, а при посадке на сушу предохраняют днище судна от разрушения. После прибытия на место назначения частота вращения вала главного двигателя 8 уменьшается. Подъемная сила снижается, и корпус судна опускается на поверхность воды. К причалу судно движется в водоизмещающем режиме и после подхода к нему оба двигателя 8 и 97 останавливаются. Судно может быть использовано для доставки людей и грузов в районы с короткой навигацией, а также в труднодоступные места.
Положительный эффект изобретения состоит в увеличении подъемной силы движителей вертикального подъема и повышении грузоподъемности аэродинамического судна.