САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙСЯ ЭКРАНОПЛАН

Изобретение относится к транспорту и касается создания экранопланов-судов с динамическими принципами поддержания, являющимися скоростными транспортными средствами нового типа.
Известен экраноплан, содержащий фюзеляж с верхним крылом большого удлинения прямоугольной формы в плане с предкрылками, щелевыми закрылками и элеронами с плоской нижней поверхностью, симметричной относительно диаметральной плоскости экраноплана, нижнее низкорасположенное крыло малого удлинения с плоской нижней поверхностью, прямоугольной формы в плане с закрылками и бортовыми шайбами в виде водоизмещающих поплавков-скегов, при этом расстояние между верхним и нижним крыльями по высоте больше хорды верхнего крыла, вертикальное и горизонтальное оперения, маршевые двигатели, систему управления (RU №2078002, МПК 6 В60V 1/8, 1997 г.).
Известен экраноплан, содержащий фюзеляж с верхним крылом большого удлинения прямоугольной формы в плане с предкрылками, щелевыми закрылками и элеронами, нижнее низкорасположенное крыло малого удлинения с плоской нижней поверхностью прямоугольной формы в плане с закрылками и бортовыми шайбами в виде водоизмещающих поплавков-скегов. вертикальное и горизонтальное оперения, маршевые двигатели, систему управления. В носовой части установлено третье крыло, состоящее из двух аэродинамических крыльев-консолей, имеющих угол атаки со стреловидностью по передней кромке, с предкрылками и щелевыми элерон-закрылками, выполненных с аэродинамическими крылышками на концах в виде вертикальных пластин. (см. патент №2235654, МПК 7 B60V 1/08, 2004 г.)
Недостатком решений в патентах №2078002 и №2235654 является наличие полноразмерного верхнего крыла что в комплексе с нижним прямоугольным крылом (претендующим на создание воздушной подушки) образует схему самолета полуторапланной аэродинамической схемы с вытекающими отсюда минусами, связанными с взаимовлиянием между нижним и верхним крылом по сравнению с монопланной аэродинамической схемой. В патенте №2235654 добавлена еще одна аэродинамическая плоскость - переднее горизонтальное оперение, которое по своим геометрическим параметрам и высоте расположения над поверхностью воды, совсем не создает экрана и самостабилизации при полете в экранном режиме. Все эти несущие (не создающие экрана) плоскости только увеличивают конфузорно-дифузорные потери и снижают аэродинамическое качество в режиме экранного полета.
Известен экранолет, содержащий центроплан с консолями, взлетно-посадочное устройство, вертикальное и горизонтальное оперение, фюзеляж, силовую установку, содержащую по меньшей мере один двигатель. В данном экранолете применена классическая монопланная схема (см. патент RU №2099217, МПК 6 B60V 1/08, 1997 г.).
Однако и в данном решении применен развитый горизонтальный стабилизатор (для продольной стабилизации), который не создает подъемной силы, а зачастую уменьшает ее. Что тоже является препятствием для достижения большего аэродинамического качества экраноплана.
Еще одним общим недостатком данных решений являются большие концевые хорды центропланов - крыльев малого удлинения расположенных близко к экрану между взлетно-посадочных водоизмещающих поплавков катамаранного типа. Как только поплавки отрываются от поверхности воды (экрана) - динамическая воздушная подушка (ДВП) из-под центроплана интенсивно перетекает наружу практически по всей длине поплавков (по длине концевых хорд центроплана). Концевое перетекание на хорде большой длины значительно снижает качество экрана.
Известен самостабилизирующийся (в продольном направлении) экраноплан по схеме "Утка", содержащий фюзеляж, в передней части которого установлено прямоугольной формы в плане горизонтальное оперение, а в кормовой части фюзеляжа - крыло малого удлинения и вертикальное оперение с рулем направления, двигатель с движителем. По крайней мере, два двигателя с движителями установлены на горизонтальном оперении с возможностью поворота относительно горизонтальной оси (см. патент РФ №2224671 МПК 7 B60V 1/08, 2004 г.).
Недостатком этого самостабилизирующегося экраноплана схемы «Утка» (несмотря на то, что все плоскости создают подъемную силу, и нет развитого горизонтального оперения), является интенсивное перетекание динамической воздушной подушки вдоль концевых хорд прямоугольных крыльев малого удлинения в режиме экрана, что значительно снижает аэродинамическое качество экраноплана и не позволяет иметь эффективную высоту полета над экраном.
Известен многокорпусной экраноплан, имеющий центральный фюзеляж, расположенный вдоль продольной оси, по крайней мере, два идентичных удлиненных корпуса, одинаково располагаемых параллельно фюзеляжа, палуба, расположенная между корпусами и создающая между корпусами и водной поверхностью канал, через который проходит сжатый воздух, направленный от передней части экраноплана. Экраноплан содержит также мост, имеющий аэродинамическую конфигурацию крыла самолета. В задней части установлен пропульсивный движитель, связанный с палубой позади фюзеляжа, ось которого расположена выше верхней поверхности моста. Экраноплан снабжен рулем, связанным с задней оконечностью корпусов для того, чтобы обеспечить контроль за управлением экраноплана (см. патент США №6581536 МПК 7 B60V 1/08, 2003 г.).
Недостатком данного решения является недостаточная устойчивость на плаву, а также недостаточная самостабилизация в режиме экранного полета (над водой, землей, снегом, льдом), низкое аэродинамическое качество экраноплана, что влечет за собой затруднение с обеспечением эффективной высоты полета над экраном.
Известен самостабилизирующийся (в продольном направлении) экраноплан по схеме "Тандем" содержащий фюзеляж, в передней части которого установлено прямоугольной формы в плане крыло и в кормовой части фюзеляжа - крыло малого удлинения и вертикальное оперение с рулем направления, двигатель с движителем. Крылья экраноплана имеют общие скеги (см. патент DE №2931020, МПК 4 B60V 1/08 31.07.79 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком прототипа, в котором использована схема «Тандем» (даже, учитывая что все плоскости создают подъемную силу, и нет заднего горизонтального оперения), является интенсивное перетекание динамической воздушной подушки вдоль концевых хорд прямоугольных крыльев малого удлинения в режиме экрана - что значительно снижает аэродинамическое качество экраноплана и не позволяет иметь эффективную высоту полета над экраном.
Задача, решаемая полезной моделью:
- улучшение самостабилизации на большей высоте экрана,
- увеличение аэродинамического качества экраноплана за счет снижения потерь на концевые перетекания динамической воздушной подушки (ДВП),
- обеспечение большей эффективной высоты полета над экраном, благодаря большему аэродинамическому качеству (как результат снижения концевых перетеканий),
- обеспечение большей поперечной стабилизации при полете над экраном, особенно на большей высоте относительно прототипа,
- обеспечение высокой устойчивости на плаву.
- высокая маневренность, вплоть до разворота на месте.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном самостабилизирующемся экраноплане, содержащем корпус, хвостовую часть, переднее и заднее крылья, аэродинамические рули и пропульсивный движитель (воздушный винт), установленный с возможностью вращения на оси, ориентированной вдоль продольной оси корпуса, в соответствии с полезной моделью, экраноплан снабжен вторым пропульсивным движителем, двумя дополнительными корпусами, расположенными параллельно корпусу и соединенными между собой через переднее и заднее крылья, и, по крайней мере, двумя внешними крыльями обратной стреловидности, выполненными в виде продления заднего крыла за пределы дополнительных корпусов, причем пропульсивные движители размещены симметрично по бокам от корпуса, а переднее крыло расположено в носовой части между дополнительными корпусами и имеет меньшую площадь относительно суммарной площади задних и внешних крыльев.
Переднее крыло снабжено закрылками.
Заднее крыло имеет прямоугольную форму и снабжено закрылками.
Корпус установлен на заднее крыло.
Внешние крылья выполнены с элеронами поперечной управляемости и снабжены реданными поплавками, расположенными на концевых хордах внешних крыльев.
Вертикальные аэродинамические рули установлены в задней части водоизмещающих корпусов.
Вертикальные аэродинамические рули имеют поворотные плоскости.
Дополнительные корпуса имеют поперечные реданы.
Внешние крылья на концевых хордах снабжены реданными поплавками.
Технический результат от использования всей совокупности существенных признаков полезной модели заключается в улучшении самостабилизации в режиме экранного полета, увеличении аэродинамического качества экраноплана за счет снижения потерь на концевые перетекания ДВП, обеспечении эффективной высоты полета над экраном и высокой устойчивости на плаву.
Наличие переднего крыла (переднего горизонтального оперения - ПГО), расположенного в носовой части между дополнительными корпусами, соединяющего их и имеющего меньшую площадь относительно суммарной площади задних и внешних крыльев, обеспечивает выполнение экраноплана схемы «Утка», что улучшает эффект самостабилизации на большей высоте экрана, повышает аэродинамическое качество аппарата при полете над экраном.
Наличие двух дополнительных корпусов, расположенных параллельно корпусу и соединенных между собой посредством переднего и заднего крыльев обеспечивает экраноплану высокую устойчивость на плаву.
Наличие внешних крыльев с обратной стреловидностью совместно с прямоугольным задним крылом (центропланом) - позволяет снизить влияние высоты полета над экраном и угла «атаки» аппарата на перемещение аэродинамического фокуса и соответствующего изменения центровки экраноплана. Узкие концевые хорды на внешних крыльях с обратной стреловидностью снижают концевые перетекания ДВП по сравнению с задними прямоугольными крыльями, и тем самым позволяют повысить эффективную высоту полета над экраном. Что так же позволяет снизить общий вес всей конструкции и повысить полезную весовую отдачу экраноплана как транспортного средства по сравнению прототипом, и приводит к повышению устойчивости и управляемости, тем самым, к повышению безопасности полета, как на экране, так и на переходных режимах.
Благодаря разнесенным по бокам винтам с реверсированием тяги обеспечивается высокая маневренность, вплоть до разворота на месте.
Применение на внешних крыльях элеронов по всей задней кромке, позволяет использовать эти элероны в качестве закрылков, повышающих подъемную силу крыльев на взлетных режимах при разбеге, что в совокупности с отклоняемыми вниз закрылками ПГО и центроплана заметно снижает скорость, необходимую для отрыва экраноплана от воды и тем самым снижает динамические нагрузки на весь аппарат, его систему управления, что в итоге повышает надежность и безопасность эксплуатации экраноплана.
За счет наличия разнесенных в поперечном направлении внешних боковых крыльев обратной стреловидности улучшается самостабилизация на большей высоте экрана, обеспечивается улучшение поперечной стабилизации при полете над экраном.
Фиг.1- общий вид экраноплана;
Фиг.2 - варианты расположения движителя;
Экраноплан содержит корпус 1 (см. Фиг.1), находящийся в продольной плоскости аппарата и установленный на верхней части заднего крыла 2. На задней кромке крыла 2, находится шарнирно присоединенный закрылок 3. Геометрически, крыло 2 и его закрылок 3 имеют прямоугольную форму в плане.
В задней части корпуса 1, по бокам от него и выше крыла 2 находятся пропульсивные движители 4 (реверсивные воздушные винты). Вектор тяги каждого движителя (ось вращения винтов) расположен параллельно продольной оси корпуса и может менять свое направление вперед или назад, как совместно (оба вперед или назад) так и раздельно (один из движителей вперед другой соответственно назад). Возможен вариант установки одного пропульсивного движителя (реверсивного воздушного винта) аналогично описанному выше, но в продольной плоскости за корпусом 1 (см. фиг.2). Движители могут быть снабжены кольцевой насадкой, увеличивающей тягу винтов на разгонных (взлетных) режимах. Кольцевые насадки движителей могут иметь в своей задней части вертикальные плоскости (рули) для путевого управления.
Параллельно корпусу 1 расположено два дополнительных водоизмещающих корпуса 5, соединенных между собой задним крылом 2 и передним крылом 6. На задней кромке переднего крыла 6, находится шарнирно присоединенный закрылок 7. Геометрически переднее крыло 6 и его закрылок 7 имеют прямоугольную форму в плане.
Внешние крылья 8 расположены с внешней стороны каждого из водоизмещающих корпусов 5, напротив (в поперечной плоскости) заднего крыла 2 и имеют обратную стреловидность задней кромки 50-70 градусов. Задняя кромка крыльев 8 сформирована из шарнирно подвешенных к ним элеронов 9 (для поперечной управляемости), которые на предвзлетных режимах дополнительно выполняют роль закрылков (при совместном отклонении вниз). В поперечной плоскости, внешние крылья 8 имеют обратную V-образную форму (внешние, суженые концы крыльев 8 опущены вниз относительно горизонтали), благодаря чему в стояночном положении (на плаву) концевые реданные поплавки 10 находятся в водоизмещающем положении, а задняя кромка элеронов 9 проходит параллельно уровня воды едва касаясь ее.
Переднее крыло 6 с закрылком 7 имеют меньшую площадь относительно суммарной площади заднего крыла 2 с закрылком 3 и внешних крыльев 8 с их элеронами поперечной управляемости 9.
Два водоизмещающих корпуса 5, обеспечивают высокую поперечную устойчивость на плаву и препятствуют перетеканию динамической воздушной подушки (ДВП) на предвзлетных разгонных режимах. На нижней части каждого из водоизмещающих корпусов 5 расположены, по крайней мере, по два поперечных редана 11 (редан - уступ на днище корпусов способствующий отрыву воды от днища) и тем самым снижению вязкостного трения воды об это днище.(См. фиг.1 где реданы показаны так же пунктирной линией под внешним крылом). Реданы повышают эффективность глиссирования и создают устойчивость на разгонных режимах, когда ДВП еще не достаточна для отрыва от воды (экрана),
Переднее крыло 6 (ПГО - переднее горизонтальное оперение) с закрылком 7, расположенное в носовой части между параллельными удлиненными корпусами 5, - осуществляет продольную само-стабилизацию за счет создания части всей ДВП впереди общего центра тяжести аппарата.
Заднее крыло 2 с закрылком 3, расположенное под корпусом 1 и между корпусами 5, совместно с двумя внешними крыльями обратной стреловидности 8 и их элеронами 9, создают большую часть всей ДВП позади общего центра тяжести.
Несущие крылья экраноплана устанавливаются так, что бы на расчетном режиме движения над экраном, угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью крыльев составлял - для задних+5 градусов, а для переднего+6 градусов. При этом по высоте задние крылья находятся несколько выше переднего что уменьшает эффект «затенения» от переднего крыла.
Два глиссирующих реданных поплавка 10, расположенных на внешних, суженых концах крыльев 8 и имеющих V-образное днище, препятствуют «заныриванию» концевых участков крыльев 8, при их касании воды на скорости, а также выполняют роль скегов на предвзлетных режимах.
Неподвижные консоли вертикальных аэродинамических рулей 12 имеют жесткую связь с водоизмещающими корпусами 5, и расположены позади реверсивных воздушных винтов 4. К задней кромке вертикальных консолей аэродинамических рулей 12, шарнирно крепятся поворотные плоскости 13, благодаря которым (при их отклонении) происходит путевое управление на скоростных режимах движения.
Кроме управления направлением движения экраноплана, вертикальные рули повышают устойчивость на курсе за счет смещения центра «парусности» экраноплана (при виде с боку) в заднюю часть относительно центра тяжести экраноплана, особенно при наличии удлиненных вперед корпусов 5.
Вертикальные рули 12 путевого управления могут иметь некоторый наклон во внутреннюю часть аппарата (примерно 20 градусов к его продольной плоскости), что в итоге улучшает выполнение поворота - создает правильный вираж при достаточной высоте над экраном.
Распределение аэродинамической разгрузки в предлагаемом экраноплане между площадью переднего крыла и суммарной площадью центроплана с внешними крыльями, составляет соответственно как 15-40% и 85-60%, что соответствует аэродинамической схеме «Утка», описанной для самолетов (см. Л.И.Сутугин "Основы проектирования самолетов", М., ОБОРОНГИЗ НКАП, 1945 г.)
Экраноплан работает следующим образом:
Запускаются двигатели, расположенные в задней части корпуса 1, и через трансмиссию происходит передача крутящего момента на воздушные винты (движители 4). Сначала экраноплан движется в режиме водоизмещения, в котором воздушная динамическая подушка составляет мизерную величину. При этом запас тяги у воздушных винтов пропульсивных движителей 4 относительно сопротивления движению имеет большую величину и разгон нарастает. В это время наибольшими составляющими сопротивления экраноплана являются силы трения воды об большую смоченную площадь поверхности водоизмещающих корпусов 5, сопротивление формы корпусов (мидель их сечения подводной части), и волновое сопротивление.
В определенный момент экраноплан преодолевает так называемый «горб сопротивления» и начинается заметный разгон, так как экраноплан под действием гидродинамических сил всплывает на поверхность воды. При этом сильно снижается смоченная поверхность корпусов 5, а значит их вязкостное сопротивление, снижается подводный мидель и волновое сопротивление - запас по тяге движителей 4 возрастает. Экраноплан начинает глиссировать, но скорость глиссирования пока не достаточна для создания подъемной силы, равной весу экраноплана, хотя эта подъемная сила уже становится заметной и помогает разгружать экраноплан.
Дальнейший набор скорости происходит на четырех реданах 11, расположенных на днище корпусов 5 и этим достигается устойчивость положения экраноплана при разгоне на глиссировании. В это время основными составляющими сопротивления являются гидродинамические силы на реданах 11, силы их вязкостного трения и аэродинамические силы сопротивления экраноплана встречному напору воздуха.
В определенный момент, на скорости, позволяющей создать полную подъемную силу на крыльях 2, 8, 6, пилот отклоняет вниз закрылки и элероны на крыльях, соответственно 3, 9, 7(с необходимой последовательностью и интервалом). Это увеличивает кривизну крыльев и создает увеличение подъемной силы, которая способна оторвать экраноплан от воды (снега, льда, земли и т.д.). Таким образом, наличие закрылков и элеронов позволяет снизить скорость отрыва за счет повышения коэффициента подъемной силы крыльев, без чего аппарат продолжал бы разгон до заметно больших скоростей для отрыва от экрана, на которых волнение поверхности экрана (воды) создавало бы заметную тряску конструкции, что вело бы к снижению ресурса и временному увеличению дискомфорта пассажиров. В момент отрыва от воды экраноплан имеет наименьшую высоту над экраном, наибольшее аэродинамическое качество и соответственно наиболее низкий часовой расход топлива.
Продолжение разгона сопровождается увеличением высоты полета над экраном, при этом закрылки и элероны 3, 9, 7 можно убрать и экраноплан примет расчетное положение, при котором угол атаки крыльев с убранными закрылками будет достаточным для поддержания аппарата в воздухе. Дальнейший набор скорости будет приводить к росту высоты полета над экраном, пока сила тяги от винтов движителей 4 не сравняется с силой аэродинамического сопротивления аппарата. Высоту полета над экраном пилот может регулировать: соответствующее отклонение вверх закрылка 7 на переднем крыле 6 будет уменьшать подъемную силу экраноплана, за счет чего будет опускаться его носовая часть и тем самым снижаться общий угол атаки всего экраноплана и задних крыльев 2, 8. В результате общее лобовое сопротивление экраноплана несколько снизится, и скорость возрастет еще немного. Это будет уже предельно максимальный скоростной режим за счет принудительного снижения высоты над экраном.