Стартово-подъёмное устройство для скоростных амфибий
LAUNCHING AND LIFTING DEVICE FOR HIGH-SPEED AMPHIBIANS

Изобретение относится к области судостроения и самолетостроения, в частности к стартово-подъемным устройствам для амфибийного скоростного водного и авиационного транспорта. Изобретение может быть использовано при создании и конструировании гидросамолётов, экранопланов, аэроглиссеров/аэроботов, аэросаней и других скоростных амфибий для реализации режима старта с воды и ровной ледовой или заснеженной поверхности.
Известен взлетно-посадочный комплекс экраноплана-амфибии с поддувом (патент РФ № 2644498, МПК B60V 1/68, B64C 35/00, B64C 25/52, опубл. 12.02.2018 г., бюл. № 5). Взлетно-посадочный комплекс экраноплана-амфибии содержит корпус-катамаран, составленный из центральной части или крыла малого удлинения и пристыкованных к ней по бокам консолей с размещенными по краям снизу двумя зеркально отраженными поплавками-лыжами, которые могут снабжаться реданными пластинами и колёсами. Комплекс также снабжен рулежными щитками или щитками канала поддува в передней части консолей, упругим щитком снизу в конце центральной части корпуса и упругим щитком или закрылком консолей корпуса, каналом реверса и лыжами с амортизируемыми жесткими звеньями подошвы с сектором тормоза на звене за центром тяжести экраноплана.
Недостатком данного технического решения является сам принцип создания воздушной подушки с использованием энергозатратного «поддува» от винто-кольцевых тяговых движителей. Натурные испытания и эксплуатация первых экранопланов показали, что поддержание давления под центропланом и крылом возможно только за счёт чрезмерной мощности поддувных двигателей, забирая значительную часть энергии силовой установки. При разгоне из-за отсутствия гибкого ограждения, выступающего за обводы корпуса, не происходит значимого выхода водоизмещающих поплавков-лыж из воды и снижения гидродинамического сопротивления амфибии за счёт поддува. Щитки, закрылки и маленькие реданные пластины эффективно эту задачу решить не могут.
Показатели мореходности также не улучшаются, так как система поддува лишь демпфирует вертикальные колебания и не в состоянии приподнимать и поддерживать водоизмещающий корпус над гребнями волн ввиду истечения воздуха из под пространства скеговых поплавков, щитков и закрылков при волнении. Кроме того, данный комплекс не решает задачу увеличения подъёмной силы (Су) амфибии при взлете, так как при разгоне угол атаки несущих плоскостей-поверхностей (центроплана и крыла) остаётся неизменным.
Известен гидросамолёт с экранным эффектом (патент РФ 2532658, МПК B60V 1/08, опубл. 10.11.2014г., бюл. №31) с амортизированными плоскокилеватыми гидролыжными устройствами, в виде отклоняемого редана, прямоугольной либо иной формы в плане, с навешенными (выпускаемыми) на конце лыжи колесами, или без них. Используются в сочетании с системой поддува струй двигателей под крыло.
Недостатки таких устройств в повышенных ударных нагрузках при отрыве от избыточной ширины и площади конца прямоугольной лопасти гидролыжи при встрече с волной, а также быстрая коррозия механизмов привода и заклинивание колесных осей гидролыжи от контакта с водой, особенно морской без постоянного опреснения и технического обслуживания.
Наиболее близким техническим решением по количеству существенных признаков и достигаемому результату является гидродинамическое стартово-подъемное устройство для скоростных амфибий с отклоняемой амортизированной гидролыжей и колёсным шасси, являющихся элементами базовой схемы для проектов мореходных и амфибийных экранопланов. Устройство включает плоскокилевую гидролыжу в виде отклоняемого редана с амортизатором и механизмом привода, обеспечивающим выпуск и уборку гидролыжи (Раздел 8. Базовая схема мореходного и амфибийного экраноплана. Фиг. 6, найдено:  http://ekranoplan-ru.narod.ru/B_SHEMA.htm, 22.01.20).
К недостаткам данного устройства следует отнести:
- конструктивное исполнение гидролыжи, которое не обладает хорошими эксплуатационными характеристиками, и не обеспечивает минимизацию гидросопротивления и ударных нагрузок при волнении и случайных препятствиях, а также при выходе на кромку льда и берег,  поскольку   гидродинамические обводы и конструкция лопасти гидролыжи не оптимизированы;
- механизмы амортизации и привода выпуска и уборки гидролыжи, не обеспечивают защиту от водной коррозии и агрессивного воздействия морской среды;
- недостаточную надёжность функционирования устройства.
Технической проблемой, поставленной перед изобретением, является создание стартово-подъемного устройства (СПУ), обеспечивающего улучшение эксплуатационных характеристик скоростной амфибии, и повышение надежности работы самого стартово-подъемного устройства.
Поставленная техническая проблема решается тем, что в гидродинамическом стартово-подъемном устройстве (СПУ) для скоростных амфибий, содержащем корпус, отклоняемую амортизированную гидролыжу, с сужением к концу от корневой ширины, механизмы амортизации и привода отклонения гидролыжи, согласно изобретению, отклоняемая амортизированная гидролыжа выполнена в виде V- образной опорной лопасти, конструктивно вписанной в обводы днища корпуса амфибии, и имеющей законцовку оптимизированной геометрии в форме форштевня с плавным закруглением профиля килевой части.
При этом опорная лопасть соединена с приводом отклонения и амортизатором с помощью штока и шарнирного соединения через эластичную водонепроницаемую мембрану, обеспечивающую возможность герметизации и размещения механизмов в сухом пространстве корпуса амфибии.
Выполнение отклоняемой амортизированной гидролыжи в виде V- образной опорной лопасти, конструктивно вписанной в обводы днища корпуса амфибии, с сужением к концу и имеющей законцовку с обводами, оптимизированными под геометрию корабельного форштевня с плавным закруглением профиля килевой части, способствует минимизации ударных нагрузок при глиссировании и рикошетировании, вследствие чего, отрыв от воды будет происходить плавно без изменения пространственного положения амфибии, а также обеспечивать снижение гидросопротивления и ударных нагрузок при выходе амфибии из воды на кромку льда, необорудованный берег, скольжении по льду, снегу и преодолении торосов. В конечном результате, такое конструктивное решение не только улучшает эксплуатационные характеристики СПУ, но и повышает надежность работы устройства.
о
С целью дополнительного снижения гидросопротивления при глиссировании и улучшения эксплуатационных характеристик СПУ наружная поверхность опорной лопасти выполнена с микрореданами. Наряду с оптимизированной геометрией закруглённого профиля законцовки опорной лопасти это позволяет увеличить угол отклонения гидролыжи не менее  чем на 20, что способствует повышению её опорной несущей способности, тангажа и мореходности при выходе водоизмещающего корпуса из воды на гребень волны с ростом угла атаки и подъемной силы крыла, обеспечивая сокращение дистанции разбега при взлёте.
Эластичная водонепроницаемая мембрана, закреплена по наружному краю с помощью фланцевого соединения на днище корпуса амфибии и герметично зафиксирована  центральной частью на шарнирном соединении.
Соединение опорной лопасти с приводом её отклонения и с амортизатором с использованием эластичной водонепроницаемой мембраны обеспечивает возможность размещения привода в сухой части корпуса амфибии и способствует повышению надежности и безотказности функционирования устройства, поскольку защищает привод отклонения и амортизатор от водной коррозии и агрессивного воздействия морской среды.
Механизм привода отклонения гидролыжи может быть выполнен, в частности, электромеханическим, гидравлическим, пневматическим и ручным. Однако для достижения заявленного технического результата целесообразно использовать электромеханический привод.
Таким образом, вышеуказанное конструктивное выполнение отличительных признаков предлагаемого решения обеспечивают скоростной амфибии:
- увеличение мореходности при взлёте и скоростном движении на волнении за счёт подъёма корпуса на гребень волны на опорной лопасти;
- сокращение дистанции разбега при взлёте за счёт снижения гидродинамического сопротивления водоизмещающей части корпуса при выходе его из воды и глиссировании на опорной лопасти с увеличением тангажа, увеличивающего угол атаки крыла и подъёмную силу;
- динамическую развязку корпуса амфибии при ударах о воду, лед и снег за счет амортизирующей подвески опорной лопасти при её отклонении;
- минимизацию ударных нагрузок при глиссировании, отрыве и скольжении за счёт сужения опорной лопасти к концу и выполнения его в форме форштевня с закруглением профиля килевой части;
- дополнительное снижение гидросопротивления за счёт использования микрореданов на поверхности опорной лопасти при глиссировании на воде;
- надёжность и безотказность функционирования устройства с защитой его от водной коррозии и агрессивного воздействия морской среды за счёт герметизации механизмов привода отклонения и амортизации опорной лопасти.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена функциональная схема стартово-подъемного устройства для скоростной амфибии в исходном состоянии с поднятой опорной лопастью;
на фиг. 2 представлена функциональная схема стартово-подъемного устройства для скоростной амфибии с отклонённой опорной лопастью;
на фиг. 3 показан процесс глиссирования амфибии на стартово-подъемном устройстве при выходе ее корпуса из воды;
на фиг. 4 показан общий вид в изометрии корпуса амфибии и стартово-подъемного устройства, связанных конструктивно между собой.
На чертежах обозначены:
1 - корпус амфибии;
2 - опорная лопасть (гидролыжа);
3 – микрореданы;
4 – законцовка опорной лопасти;
5 - шток опорной лопасти;
6 – электромеханический привод;
7– амортизатор;
8 – шарнирное соединение опорной лопасти с днищем корпуса амфибии;
9 – эластичная водонепроницаемая мембрана;
10 – шарнирное соединение;
11 – фланец;
12 – забортное пространство;
13 – водная поверхность;
α – общий угол атаки крыла;
αт – угол тангажа
Стартово-подъемное устройство для скоростной амфибии содержит корпус 1, на днище которого вблизи центра тяжести амфибии с помощью шарнирного соединения 8 закреплена отклоняемая амортизированная V- образная опорная лопасть 2, имеющая законцовку 4 с плавным закруглением профиля килевой части. V- образная опорная лопасть 2 соединена с электромеханическим приводом её отклонения 6 и с амортизатором 7 посредством механического шарнирного соединения 10. На днище корпуса 1 амфибии с помощью фланца 11 закреплена водонепроницаемая эластичная мембрана 9, при этом её центральная часть герметично закреплена на штоке 5 опорной лопасти 2. Шток 5 жестко закреплен на опорной лопасти 2, а на другом его конце размещено шарнирное соединение 10. Наружная поверхность опорной лопасти 2 выполнена с микрореданами 3.
Устройство работает следующим образом.
При старте с воды при разгоне амфибии опорная лопасть 2 отклоняется на угол, способствующий наиболее быстрому набору скорости при располагаемой тяге и данном волнении, который определяет пилот, или оператор. Водоизмещающий корпус 1, благодаря высокой несущей способности опорной лопасти 2 начинает увеличивать тангаж αт и выходить из воды, с одновременным увеличением аэродинамической подъёмной силы и снижением гидросопротивления амфибии.  При достижении порядка 40% от взлётной скорости корпус 1 может полностью выйти из воды и движение амфибии будет продолжаться фактически на законцовке 4 опорной лопасти  2  (Фиг. 3) до тех пор, пока аэродинамическая подъёмная сила не превысит её вес и тогда амфибия оторвётся от водной поверхности 13. На данном этапе движения опорная лопасть 2 принимает значительную регулярную динамическую нагрузку от ударов волн (рикошетирование), растущую с увеличением скорости, которая эффективно гасится амортизатором 7 и не передаётся полностью на корпус 1 амфибии. После  достижения амфибией скорости, обеспечивающей переход в режим полёта электромеханическим приводом  её  отклонения 6 поднимает опорную лопасть 2 в обводы днища для снижения аэродинамического сопротивления.
Важно, чтобы в момент отрыва не происходило фатальных ударных нагрузок на опорную лопасть 2 от ударов волны и случайных препятствий (притопленного топляка, льдин и др.). Для этого опорная лопасть имеет сужение к концу, а килевой профиль её законцовки  4  закруглён с обводами, оптимизированными под геометрию участка форштевня, переходящего в киль. Поэтому отрыв от воды происходит плавно без изменения пространственного положения амфибии.
Также оптимизация геометрии обводов законцовки 4 и установка микрореданов 3 на наружной поверхности опорной лопасти 2 даёт дополнительное снижение её гидросопротивления при глиссировании. Это позволяет повысить угол отклонения опорной лопасти до 20° для увеличения её несущей способности, угла тангажа αт и мореходности при выходе водоизмещающего корпуса 1 из воды на гребень волны с ростом общего угла атаки α и подъёмной силы крыла, обеспечивая сокращение дистанции разбега при взлёте.
Предлагаемое стартово-подъемное устройство для скоростной амфибии имеет простую конструкцию, не требующую дополнительного отбора энергии от силовой установки при функционировании. При этом оно предполагает круглогодичную эксплуатацию транспортного средства с базированием на берегу и может обеспечить выход на пологий склон, сход с него в воду и на лёд (даже при ледоходе и ледоставе) за счёт  аэродинамической тяги амфибий.
Гидролыжное СПУ также может освободить корпус амфибии от увязания в болотистой почве и примерзания к грунту при эксплуатации в арктических регионах.