ЭЛЕКТРОМОТОРНЫЙ ЭКРАНОПЛАН-АМФИБИЯ
ELECTRIC AMPHIBIAN AIRFOIL BOAT

Научно-технические достижения позволили создать электродвигатели с высокой мощностью при малых весогабаритных параметрах. Для их питания появились пожаробезопасные аккумуляторные батареи большой энергоемкости, также с малыми весогабаритными параметрами. Это, при реальном для практического применения ценовом диапазоне, способствовало созданию электромоторных автомобилей и обратило внимание на их применение в судах и самолетах. В дальнейшем использование электрической сверхпроводимости и охлаждения в электродвигателях, а также разработок по литий-ионным, графеновым и водородным топливным элементам в создании высокоэнергоемких и пожаробезопасных аккумуляторных батарей, значительно расширит перспективу применения электромоторных силовых установок.
Особо целесообразно использование электромоторов с аккумуляторами на экранопланах, которые имеют большое увеличение несущих свойств крыла при полете вблизи поверхности («экранный эффект»). У экраноплана потребная тяга движителей для крейсерского полета существенно меньше, чем у других транспортных средств, а в сравнении с самолетами в 1,5…2 раза. Для примера на Фиг. 14. представлены значения «качества движения» (отношение веса к потребной тяге горизонтального движения) для различных транспортных средств и экраноплана.
Также видно, что использование экраноплана экономически целесообразно (большое уменьшение потребной тяги и, вследствие этого, расхода топлива) на высотах ниже 0,1…0,15 хорды крыла. А это при хорде 10 метров (например, как у 14 местного экраноплана «Иволга») осуществляется при высоте волны менее 1,5 метра. В реальности, при выходе в море (или большое озеро) с высотой волны ниже 1…1,5 метра не редко по пути маршрута встречаются локальные участки с большой высотой волны. Это требует переход на режим полета выше влияния экранного эффекта с возвратом на режим экранного полета после прохождения такого участка. Обеспечению регулярности и безопасности полетов в таких случаях способствует применение экранопланов, которые, имея в качестве основного режим «экранного полета», могут летать на «вышеэкранных» (самолетных) высотах.
1.) В изобретении предлагается экраноплан аэродинамической схемы составного крыла с поддувом при размещении на нем электромоторной силовой установки. Принципы и признаки, представленные в изобретении, могут использоваться в аппаратах других аэрогидродинамических схем.
Такому предложению способствовало то, что аэродинамическая схема «составного крыла» имеет хорошие аэродинамические параметры и характеристики устойчивости на экранных и самолетных режимах полета. При этом использование на его центральном крыле в качестве аэродинамических шайб катамаранных поплавков повышает аэродинамическое качество крейсерского полета, а применение «поддува» струй от воздушных винтов спереди под это крыло улучшает гидродинамические и мореходные параметры взлета и посадки. По такой аэрогидродинамической схеме разрабатывались самолеты и экранопланы Бартини Р.Л., а также созданы и эксплуатируются экранопланы «Иволга».
Наличие воздушной подушки поддува также придает экраноплану амфибийные свойства, обеспечивается самостоятельный сход в воду и выход на неподготовленный пологий берег и руление. Возможности и востребованность транспорта, использующего «экранный эффект», существенно расширяет установка на такой экраноплан-амфибию, наряду с поплавками, колес, что позволяет осуществлять эксплуатацию с сухопутных аэродромов и полеты над сушей.
Применение электромоторов на экраноплане-амфибии, при их существующих и перспективных весогабаритных параметрах, основательно упрощает конструкцию, размещение, управление и эксплуатацию силовой установки. Значительное снижение шума и отсутствие загрязнения среды также являются особо важным фактором.
Но большие габариты и вес аккумуляторных батарей необходимой энергоемкости требуют больших объемов для размещения на экраноплане. Экраноплан аэродинамической схемы составного крыла имеет в консолях центрального крыла такие объемы и пространство вокруг для удобного обслуживания и замены блоков аккумуляторных батарей.
Из анализа сообщений и публикаций в средствах массовой информации и содержимого патентных библиотек близкими к предлагаемому изобретению по экраноплану известны самолет Airbus E-FAN, самолет TRIFAN 600 компаний "XTI Airkraft" с "Bye Aerospace" и патент на изобретение РФ №2264951.
Для пояснения технической сущности изобретения на экраноплан с электромоторами представлены чертежи и схемы Фиг. 1-13, на которых изображено:
Фиг. 1 - Вид сверху, экраноплан с электромоторный силовой установкой;
Фиг. 2 - Вид сбоку, экраноплан с электромоторный силовой установкой;
Фиг. 3 - Вид спереди, экраноплан с электромоторный силовой установкой;
Фиг.4 - Вид сверху, экраноплан с гибридной силовой установкой;
Фиг. 5 - Вид сбоку, экраноплан с гибридной силовой установкой;
Фиг. 6 - Отсек гибридной силовой установки;
Фиг. 7 - Вид сверху, экраноплан вертикального взлета и посадки с электромоторный силовой установкой;
Фиг. 8 - Вид сбоку, экраноплан вертикального взлета и посадки с электромоторный силовой установкой;
Фиг. 9 - Установка подъемных воздушных винтов в консолях крыла на экраноплан вертикального взлета и посадки;
Фиг. 10 - Вид сверху, экраноплан вертикального взлета и посадки с гибридной силовой установкой;
Фиг. 11 - Экраноплан вертикального взлета и посадки со спаренными воздушными винтами в гибридной силовой установке;
Фиг. 12 - Отсек входа-выхода;
Фиг. 13 - Схема расположения воздушного винта в кольце;
Фиг. 14 - Качество движения различных транспортных средств.
1.1.) На Фиг. 1-3. изображен предлагаемый экраноплан с консолями 1 центрального крыла малого удлинения, шатрообразной формы с заостренной задней частью и плосковыпуклым профилем. Внутри центрального крыла по его оси размещен фюзеляж с выступающими: перед крылом носовой частью 2 и фонарем кабины 3 над крылом. Снизу по бортам центрального крыла установлены два поплавка 4 большого удлинения служащих также в качестве аэродинамических шайб. Поплавки могут иметь поперечные, продольные, косые реданы и скуловые накладки (патент на изобретение РФ №2644498). В задней части бортов центрального крыла установлены V-образно консоли 5 внешнего крыла. Эти консоли могут иметь корневые наплывы, предкрылки, закрылки, «зависающие элероны», а также нижние и верхние законцовки. К стенкам фюзеляжа в хвостовой части пристыковано V-образно стреловидное двухкилевое вертикальное оперение 6 с расположенным на нем сверху горизонтальным оперением 7.
Для возможности применения экраноплана на суше в поплавках установлены убираемые или фиксированные, утопленные в поплавок и частично выступающие вниз, колеса 33 с носовым (Фиг. 2.) или хвостовым (Фиг. 5.) расположением рулежных колес.Наличие динамической подушки от набегающего потока воздуха вместе с подушкой от поддува струй от воздушных винтов обеспечивают большую разгрузку экраноплана на взлете и посадке. Это основательно снижает взлетно-посадочные скорости и нагрузку на колеса, что существенно снижает вес колес, устройств их крепления и амортизации.
1.2.) Перед центральным крылом по бокам носовой части располагаются два или более воздушных винта 9 или воздушных винта в кольцевом насадке (кольцо 10). Каждый воздушный винт с изменяемым или фиксированным шагом вращается от электродвигателя 8, расположенным на его оси.
Существующие и перспективные электродвигатели по своему диаметру и длине позволяют размещать их внутри диаметра комлевой части лопастей воздушного винта, малоэффективной при создании тяги винтом. Такое размещение воздушного винта вместе с электродвигателем позволило на экраноплане освободить объемы, ранее занимаемые поршневыми или газотурбинными двигателями. Также исключается трансмиссия от двигателей к винту (наклонные валы, шарнирные и шлицевые соединения, эластичные муфты и другое), имеющая весовые, эксплуатационные и энергетические затраты.
Винт с кольцом и электродвигатель (ВКЭД) крепятся с помощью поворотной балки 11 и поперечной балки 12, спицами или их комбинацией (на фигурах не изображено). Поворотная балка жестко соединяет между собой все ВКЭД. Она крепится к кронштейнам 13 в носовой части фюзеляжа и поворачивается относительно оси кронштейна дистанционным приводом 14, отклоняя воздушные струи от винтов под центральное крыло при старте-посадке с поддувом и над крылом в крейсерском полете (Фиг. 13.).
Для большого снижения гидродинамического сопротивления на старте экраноплана-амфибии струи от воздушного винта направляются под днище центрального крыла, создавая при этом с помощью ограничений с боков поплавками и сзади закрылком воздушную подушку, отрывающую экраноплан от поверхности. В этом случае значительно снижается потребная тяга взлета, существенно повышается мореходность на взлете-посадке-рулении (в частности допустимая высота волны) и обеспечивается самостоятельный сход на воду и выход на неподготовленный пологий берег.
В процессе создания экраноплана-амфибии с поддувом определилось оптимальное расположение воздушного винта. Так эффективная подушка имеет место при расположении воздушного винта от передней кромки центрального крыла  диаметра винта и наклоне струи к воде  не более 14…17 градусов (при большем наклоне начинается интенсивное брызгообразование). При этом нижняя передняя кромка кольца (или винта) для предотвращения «вихревого засоса» воды находится выше ватерлинии  не менее 0,5 диаметра винта  Удалению от воды передней кромки на расстояние  способствует также удаление оси поворота воздушного винта  от плоскости вращения винта.
В режиме полета на маршруте ВКЭД поворачиваются на угол  так, чтобы струя от них проходила над верхней поверхностью центрального крыла. Это увеличивает скорость воздушного потока над крылом в полете и по «эффекту Бернулли» добавляет разрежение над крылом, вследствие этого подъемная сила крыла и качество движения растут. Для этого наиболее приемлемый угол поворота струи  обеспечивает положение оси струи  над поверхностью центрального крыла находится в интервале
1.3.) Работу электродвигателей транспортного средства обеспечивают аккумуляторные батареи высокой емкости, которые имеют большой вес и габариты. В изобретении предлагается устанавливать блоки 15 аккумуляторной батареи в водонепроницаемых отсеках 16 боковых консолей центрального крыла. Каждый отсек образован: боковой нервюрой 17, составляющей стенку фюзеляжа; внутренней нервюрой 18; шпангоутами 19; днищем 20 центрального крыла и сверху люком 21, служащим для установки и обслуживания блока аккумуляторной батареи. Блоки устанавливаются на раме 22, закрепленной в отсеке. Положение суммарного центра тяжести отсеков с блоками аккумуляторной батареи не должно нарушать допустимое расположение центра тяжести всего экраноплана, обеспечивающего устойчивость движения экраноплана.
1.4.) Работа электродвигателей осуществляется от аккумуляторной батареи через инвертор 23 и управляется посредством контроллера 24. Инвертор - преобразует напряжение тока и вид тока (постоянный, переменный, импульсный) в напряжение, питающее электродвигатели экраноплана. Контроллер - распределяет электропитание по электродвигателям, обеспечивает управление мощностью и оборотами электродвигателей от рычага управления экипажа, контролирует работу электродвигателей и выдает информацию экипажу.
Блоки инвертора и контроллера располагаются ближе к электродвигателям с целью уменьшения потерь электроэнергии в проводах и уменьшения веса проводов, так как при передаче большой мощности они имеют большую толщину. Блоки устанавливаются в носовой части фюзеляжа за поворотной балкой винтов 11, через которую идет электропроводка к двигателям.
2.) Применение электромоторов в основном сдерживается существующим уровнем энергоемкости аккумуляторных батарей, над увеличением которой в мире проводятся большие работы. Пока ведутся и реализуются эти работы, существующие электромоторы с аккумуляторами обеспечивают экранопланам малую длительность полета, в значительной мере из-за веса аккумуляторов. Поэтому для увеличения длительности полета осуществлялся поиск совместного использования различных двигателей и их комбинаций, который привел к появлению, так называемых, гибридных силовых установок.
Известно, что крейсерская мощность движителей экраноплана в несколько раз меньше их стартовой мощности, которой для старта требуется 20-30 секунд. Электродвигатели (помимо высокого КПД 0,95…0,98; удельной мощности более 10 кВт/кг при малых габаритах; экологичности, особенно малошумности) могут кратковременно отдавать мощность в несколько раз больше номинальной. В качестве примера приведены характеристики электродвигателей EVO от компании AVID Technology.
Предлагается, используя возможности газотурбинных или поршневых и другого типа двигателей (в изобретении не отражено) и преимущества электродвигателей и электрогенераторов, для увеличения длительности полета применить гибридную силовую установку, состоящую из электромоторов с аккумуляторной батареей небольшой энергоемкости, одного газотурбинного двигателя (ГТД) с топливным баком и одним или более электрогенератором. Аккумуляторы обеспечивают электроэнергией кратковременную большую стартовую мощность электромоторов, вращающих воздушные винты, а ГТД малой (крейсерской) мощности, вращая электрогенераторы, подпитывает аккумуляторы в длительном крейсерском полете. Аккумуляторы также обеспечивают продолжение полета при отказе ГТД до места и условий безопасной посадки. Суммарно для длительного полета весогабаритные параметры и расход топлива гибридной силовой установки могут быть преимущественнее по сравнению с традиционными двигателями, выбираемыми по стартовой мощности. Эксплуатационные, шумовые и экологические возможности также могут стать определяющими для применения гибридной силовой установки.
2.1.) Размещение элементов гибридной силовой установки на экраноплане показано на Фиг. 4 и 5. ГТД 25 с установленным на его валу, или валу механической передачи ГТД, одним или более электрогенератором 26 располагается впереди носовой части 2 фюзеляжа экраноплана. На предпочтительность такого расположения сказались следующие факторы: удаленность носового обтекателя с воздухозаборным устройством 27 ГТД от воздействия воздушного потока с частей экраноплана и зоны брызг вокруг экраноплана; направленность струи отработанных газов от ГТД сопловым устройством 28 под днище центрального крыла, которая создает дополнительный подпор к воздушной подушке «поддува» от воздушных винтов; близость электрогенератора к инвертору 23 и электродвигателям 8, уменьшающая потери электроэнергии; простота технического обслуживания, ввиду возможности многостороннего подхода к ГТД и электрогенератору, за счет раскрытия моторных капотов 29 и поворота носового обтекателя вверх (Фиг. 6.).
Для удобства ремонта, регулировок или полной замены, а также при изготовлении и сборке экраноплана, моторама 30 с ГТД, капотами, носовым обтекателем и ВКЭД с поворотной балкой образуют отдельную часть экраноплана, в которой сосредоточены практически вся силовая установка экраноплана. Она стыкуется с носовой частью фюзеляжа к шпангоуту Р болтовым соединением и может доставляться и перемещаться в эксплуатационном или сборочном цехе технологической тележкой 31. 2.2.) В боковых консолях центрального крыла (Фиг. 4 и 5.) в отсеках между шпангоутами, стенками фюзеляжа и средней нервюрой размещаются топливные баки ГТД и блоки 15 аккумуляторной батареи. Топливные баки 32 устанавливаются вблизи центра тяжести экраноплана, чтобы он находился в пределах допустимой центровки при выработке топлива в полете. Блоки аккумуляторной батареи располагаются в отсеках на удалении, обеспечивающем необходимую центровку экраноплану. В предкабинной носовой части фюзеляжа вблизи электродвигателей размещаются инвертор 23, блок преобразующий электроток аккумуляторов для работы электродвигателей, и контроллер 24, блок обеспечивающий управление и контроль работы ГТД и электродвигателей.
3.) Величина допустимой высоты волны на взлете, посадке и рулении является важнейшим параметром определяющим регулярность и безопасность использования экраноплана в эксплуатации на воде. Мореходность экраноплана улучшается путем уменьшения взлетно-посадочной скорости применением «поддува», установкой на консолях внешнего крыла механизации (предкрылки, закрылки, «зависающие» элероны) и размещения на нем корневых наплывов и законцовок, а также использованием катамаранной схемы с поплавками, имеющими различные типы реданов и «скуловые» накладки.
Основополагающим решением в увеличении допустимой высоты волны является применение вертикального взлета и посадки. Также наличие вертикального взлета и посадки у экраноплана значительно расширяет его возможности применения с суши, особенно для выполнения специальных задач.
3.1.) Для обеспечения вертикального взлета и посадки необходима вертикальная тяга движителей больше веса экраноплана. При этом в изобретении предлагается (Фиг. 7 и 8.) поворот передних воздушных винтов с электродвигателями или воздушных винтов 9 в кольце 10 с электродвигателями 8 к горизонтальному положению и установка от одного или более подъемных воздушных винтов 35 с электродвигателями 34, расположенных горизонтально в кольцевом канале 36 внизу хвостового отсека фюзеляжа 49 (в изобретении установка только одного воздушного винта не показана). Размещение блоков аккумуляторной батареи 15, питающих все электродвигатели экраноплана 8 и 34, производится в консолях центрального крыла 1, а блоков инвертора 23 и контролера 24 в носовом отсеке фюзеляжа 2.
Управление экранопланом на висении и околонулевых скоростях осуществляется следующим образом: по высоте - изменением общей тяги всех воздушных винтов 9 и 35; по горизонтали (вперед-назад) - наклоном передних воздушных винтов 9; по тангажу (угол в продольной плоскости) - разностью тяги передних 9 и хвостовых подъемных воздушных винтов 35; по крену (угол в поперечной плоскости) - разностью тяги левых и правых передних воздушных винтов 9; по курсу (угол в горизонтальной плоскости) - поворотом управляемых лопаток 37, установленных на выходе кольцевого канала 36.
3.2.) На некоторых компоновках экраноплана могут быть большие массоинерционные параметры. Управляющих моментов по крену и курсу при этом может оказаться недостаточно. В таком случае (Фиг. 9.) для увеличения этих моментов в каждой консоли 5 внешнего крыла предлагается установить один или более подъемных воздушных винтов 39 с электродвигателями 38 в кольцевом канале 40, управляемые лопатки 41 и створки 42 раскрытия-закрытия кольцевого канала. Управляющий момент по крену получается за счет разности тяги левых и правых воздушных винтов в консолях. Управляющий момент по курсу получается путем отклонения лопаток 41 внизу кольцевых каналов 40.
3.3.) Перед вертикальным стартом: передние воздушные винты поворачиваются в горизонтальное положение для создания вертикальной тяги; пространство над хвостовыми воздушными винтами раскрывается двустворчатым верхним люком 44, путем его сдвижения вперед по направляющим 45 на крыше фонаря кабины поворотом ведущего рычага 46 дистанционным приводом 47 и складывания створок этого люка поворотом ведомого рычага 48; створки 42 на консолях внешнего крыла открывают кольцевые каналы 40; поворачиваются в вертикальное положение управляемые лопатки 37 и 41, закрывавшие снизу кольцевые каналы 36 в хвостовом отсеке фюзеляжа 49 и кольцевые каналы 40 в консолях внешнего крыла 5. Увеличением мощности всех электродвигателей производится вертикальный старт.
После вертикального старта посредством постепенного поворота передних воздушных винтов в вертикальное положение (на горизонтальную тягу) выполняется разгон до скорости необходимой для экранного или самолетного режима полета. Затем производится закрытие хвостового люка и створок кольцевых каналов на консолях внешнего крыла, выключаются электродвигатели подъемных воздушных винтов и управляемые лопатки в хвосте фюзеляжа и консолях внешнего крыла поворачиваются в положение 43, закрывающее кольцевые каналы снизу. Далее полет происходит с помощью передних воздушных винтов по возможности в экономичном экранном полете и при необходимости (от состояния волны или полета над сушей) продолжается на самолетном режиме полета. При этом управление выполняется обычными (как у самолетов) аэродинамическими рулями и рычагами управления электродвигателями.
Для вертикальной посадки сдвигаются створки хвостового люка, раскрываются створки кольцевых каналов в консолях, поворачиваются управляемые лопатки под кольцевыми каналами в конце фюзеляжа и консолях, запускаются электродвигатели подъемных воздушных винтов и постепенно передние винты с кольцами переводятся в горизонтальное положение (на вертикальную тягу) с одновременным торможением и увеличением тяги всех двигателей до тяги вертикальной посадки.
4.) Обеспечение вертикального взлета-посадки увеличивает энергопотребление экраноплана и уменьшает длительность полета при той же энергоемкости аккумуляторов. Здесь актуальность применения гибридной силовой установки увеличивается. В изобретении предлагается Фиг. 10 (аналогично п. 2.) установить газотурбинный двигатель (ГТД) 25, работающий на постоянном экономичном режиме и обеспечивающий, размещенным на нем одним или более электрогенераторами 26, необходимую мощность передних электродвигателей 8 для крейсерского самолетного режима полета с небольшим запасом, подпитывающим потерю электроэнергии аккумуляторной батареи на режиме вертикального взлета и посадки. Размещение баков 32 с топливом для ГТД и блоков аккумуляторной батареи 15, питающих все электродвигатели такого экраноплана вертикального взлета и посадки с гибридной силовой установкой, выполнено в консолях центрального крыла 1, а блоков инвертора 23 и контролера 24 в носовом отсеке фюзеляжа 2.
4.1.) Известно, уровень безопасности экраноплана во многом зависит от вероятности отказов двигателей силовой установки и значительно повышается увеличением количества двигателей. При этом уменьшение мощности каждого в создании общей тяги силовой установки снижает их размеры, улучшая возможности размещения на экраноплане. В изобретении на Фиг. 11. предлагается экраноплан вертикального взлета и посадки с гибридной силовой установкой повышенной безопасности при отказах электродвигателей 50 и 51, имеющей 12 одинаковых электродвигателей с воздушными винтами в кольцах и кольцевых каналах. При тяговооруженности (отношение общей тяги к весу) экраноплана не менее 1,1 отказ любого движителя парируется, как по тяге, так и по управляющему моменту, изменением тяги других движителей. (При установке 6-ти движителей Фиг. 10. потребная тяговооруженность должна быть не менее 1,2). Также применение одинаковых воздушных винтов с электродвигателями существенно упрощает их обслуживание, ремонт и замену.
4.2.) Большой объем блоков аккумуляторных батарей занимает много полезного пространства экраноплана и осложняет выбор путей доступа людей и грузов в кабину фюзеляжа. Так для электромоторных экранопланов с поддувом Фиг. 2. и 5. предлагается вход-выход людей, а также погрузку-выгрузку, осуществлять через хвостовой отсек 49 фюзеляжа. При этом люк 52 вверху этого отсека сдвигается по направляющим 45 на крыше фюзеляжа поворотом рычага 53 с помощью дистанционного привода 54 вращательного типа (дублированного механизмом ручного поворота), открывая доступ в экраноплан.
Для электромоторных экранопланов вертикального взлета и посадки, у которых хвостовой отсек занят подъемными воздушными винтами с электродвигателями, предлагается в консоли центрального крыла 1 между шпангоутами 55 и 56 за кабиной экипажа сделать проход 57, раскрывающийся двумя частями. Одна часть является дверью 58 с примыкающей к ней участком верхней обшивки 59 консоли центрального крыла, которая раскрывает проход поворотом этой части вверх дистанционным приводом 60 (дублированного механизмом ручного поворота). Другая часть, состоящая из оставшегося участка 61 верхней обшивки, с вмонтированными в нее ступеньками 62, и части борта 63 поворачивается вбок вокруг оси на нижней кромке борта и фиксируется тросом 64, закрепленным одним концом к нижней ступеньке и другим концом вверху борта, образуя ступенчатый вход в кабину экраноплана.
5.) Предложенный в изобретении экраноплан-амфибия схемы составного крыла с поддувом и степень раскрытия размещения электромоторной силовой установки и использования объемов центрального крыла и, встроенного в него фюзеляжа, позволяет реализовать этот вид транспорта с простой, удобной в эксплуатации конструкцией с особо важными свойствами малошумности и отсутствия загрязнения среды. А планируемые в мире к 2024 году удельные показатели в электромоторах 10…15 кВт/кг и в аккумуляторах 1…1,5 кВт.час/кг и значительное улучшение их концу 2020-ых годов сделают такой экраноплан-амфибию также экономически выгодным и более предпочтительным, в том числе и по безостановочной дальности, перед транспортными средствами, которые применяются на водных пространствах, в том числе покрытых льдом и снегом.
Версия экраноплана-амфибии с гибридной силовой установкой позволяет с близкой к традиционным силовым установкам эксплуатационной экономичностью и параметрами движения уменьшить, по сравнению с ними, уровень шума и загрязнение среды, накопить опыт создания, эксплуатации экранопланов с электрическими агрегатами и упростить внедрение полностью электромоторных экранопланов в транспортную сеть.