САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙСЯ ЭКРАНОПЛАН
SELF-STABILISING WINGED SURFACE EFFECT VEHICLE

Изобретение относится к авиационной технике и касается создания самостабилизирующихся экранопланов.
Из аэродинамики известно, что переход от одного режима полета летательного аппарата к другому или при нарушении условий балансировки, например сброс груза, внезапный порыв воздуха в вертикальном направлении осуществляется с помощью дополнительных сил и моментов, создаваемых органами управления. Следовательно, управляемость можно рассматривать как способность летательного аппарата осуществлять переход от одного режима движения к другому. Это понятие включает в себя как возможность маневра, так и восстановление балансировки при нарушении равновесия сил и моментов экраноплана.
Из уровня техники, например, Белавин Н.И. Экранопланы. П.: Судостроение, 1968 г. и А.Н.Панченков, П.Т.Драчев, В.И.Любимов. Экспертиза экранопланов: Н.Новгород, 2006 г., известно, что проблема стабилизации (т.е. обеспечение балансировки и устойчивости) летательного аппарата вблизи экрана решается либо выбором компоновки самого экраноплана, либо с помощью систем автоматического управления.
В патенте США №4442986, кл. В64С 21104, 244/12.1, опубл. 17.04.84, представлен экраноплан, выполненный по «самолетной» схеме и имеющий горизонтальное оперение с большой относительной площадью, превышающей 0,35 площади крыла. Использование горизонтального оперения с большой площадью приводит к уменьшению эффективности использования экранного эффекта, увеличению массы экраноплана и оказывает негативное влияние на летно-технические характеристики.
Экранопланы «самолетной» схемы требуют установки на них систем автоматического управления, что связано с повышенными энергозатратами и значительным удорожанием стоимости экраноплана.
В патенте США №5065833, кл. B60V 1/08, 180/117, опубл. 19.11.91, представлен экраноплан, содержащий крыло, фюзеляж, стабилизатор, силовую установку, включающую двигатель и газовый движитель или воздушный винт, обдувающий стабилизатор и руль высоты. Обдув горизонтального оперения газовой струей от движителя (воздушного винта) действительно несколько повышает устойчивость экраноплана у экрана, поскольку через границу струи не проходят скосы потока, индуцированные присоединенным вихрем крыла, положение которых в значительной степени зависит от высоты и угла тангажа крыла, находящегося в зоне действия экранного эффекта. Однако установка движителя под постоянным углом к горизонтальному оперению ограничивает возможности стабилизации, поскольку с изменением истинного угла атаки крыла истинный угол атаки участка горизонтального оперения, обдуваемого струей газа, будет оставаться практически постоянным, не обеспечивающим необходимое изменение величины подъемной силы горизонтального оперения. Именно для уменьшения неблагоприятного воздействия струи движителя, обтекающей горизонтальное оперение, на устойчивость экраноплана в патенте США №5065833 предлагается устанавливать горизонтальное оперение под большим углом к оси струи движителя.
Известен патент России №2097269, МПК B60V 1/08, приоритет 21.12.95, опубл. 27.11.97 г., в котором экраноплан, реализующий способ стабилизации, содержит крыло, стабилизатор, двигатель с движителем, а также газогенератор и формирователь струи, особенностью данного экраноплана является наличие в нем системы ориентации формирователя струи под постоянным углом к горизонту, выполненной, например, в виде привода наклона движителя силовой установки.
Сущность данного изобретения заключается в следующем: в связи с тем, что при полете экраноплана в зоне действия экранного эффекта изменение угла тангажа ограничено, горизонтальное оперение будет практически все время находиться в струе, ориентированной под постоянным углом к горизонту, и практически не будет подвержено воздействию скосов потока от присоединенного вихря к крылу экраноплана. В результате при изменении угла тангажа экраноплана и, следовательно, угла атаки крыла будет изменяться и истинный угол атаки стабилизатора и горизонтального оперения, что, по мнению автора, обеспечит создание на горизонтальном оперении стабилизирующего аэродинамического момента, что и обеспечит стабилизацию, т.е. устойчивость экраноплана в продольном движении при полете в зоне действия экранного эффекта.
При всех достоинствах известного экраноплана главным его недостатком является сложность системы ориентации формирователя струи под постоянным углом к горизонту.
Известно а.с. СССР №1316170, Самостабилизированный экраноплан схемы «Утка», МПК B60V 1/08, приоритет 17.07.1985 г. с грифом для служебного пользования. Гриф для служебного пользования снят на основании протокола ЭК факультета транспортных средств Иркутского политехнического института №37 от 30.06.1998 г.
Формула изобретения опубликована в официальном бюллетене Роспатента.
Согласно изобретению экраноплан по схеме «Утка» содержит фюзеляж, горизонтальное и вертикальное оперение, крыло малого удлинения, двигатель с движителем. По мнению авторов изобретения, для улучшения характеристик продольной устойчивости экраноплана за счет уменьшения времени колебательного процесса при воздействии внешних возмущений предложено горизонтальное оперение выполнить в виде двух жестко соединенных между собой последовательно расположенных с перекрытием вдоль продольной оси экраноплана несущих профилированных поверхностей, а установочный угол задней несущей поверхности выполнить больше установочного угла передней несущей поверхности при расположении задних кромок несущих поверхностей в одной горизонтальной плоскости.
Недостатками данного изобретения являются увеличение веса конструкции за счет снижения несущих свойств горизонтального оперения, увеличения его сопротивления и как следствие уменьшение качества конструкции. Кроме того, установка «щелевого» горизонтального оперения никоим образом не может влиять на время колебательного процесса возмущенного переходного процесса экраноплана.
В патенте Германии №1234535 А, МПК В60V 1/08, опубл. 16.02.1967 г., в патенте России №2185979, МПК В60V 1/08, приоритет 16.03.1998 г., опубл. 27.07.2002 г., в патенте России №2073343, МПК В60V 1/08, опубликован в 1994 г., в патенте России №2204499, МПК В60V 1/08, 3/08, приоритет 29.10.2002 г., опубл. 20.05.2003 г., в патенте России №2205760, МПК В60V 1/08, 3/08, приоритет 29.10.2002 г., опубл. 20.05.2003 г., приведены конструктивные решения формирования статической воздушной подушки для экранопланов, а создаваемое необходимое давление в ней обеспечивается частичным отбором потока воздуха, создаваемого винтами.
Недостатками всех вышеприведенных конструктивных решений в патентах является увеличение мощности двигателей для обеспечения необходимых расходов воздуха для статической воздушной подушки.
Наиболее близким решением по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является патент России №2224671, МПК B60V 1/08, приоритет 08.01.2003 г., опубл. 27.02.2004 г.
Согласно изобретению экраноплан по схеме «Утка» содержит фюзеляж, в передней части которого установлено горизонтальное оперение, а в кормовой части фюзеляжа крыло малого удлинения и вертикальное оперение с рулем направления, по крайней мере, два двигателя с движителями установлены на горизонтальном оперении с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, при этом отношение площади горизонтального оперения к площади крыла малого удлинения определены из соотношения
2
где S - площадь горизонтального оперения;
1
S - площадь крыла малого удлинения,
а отношение плеча горизонтального оперения к плечу крыла малого удлинения определено из соотношения
2
где L - плечо горизонтального оперения - это расстояние между центром давления горизонтального оперения и центром масс экраноплана;
1
L - плечо крыла малого удлинения - это расстояние между центром давления крыла малого удлинения и центром масс экраноплана, причем зона его продольной устойчивости определена из нижних пределов значений соотношения
при этом относительное удлинение горизонтального оперения меньше относительного удлинения крыла малого удлинения.
Соотношение  связывает конструктивные параметры экраноплана схемы «Утка» и определяет границу зоны устойчивости данной компоновочной схемы.
Задачей предлагаемого изобретения является определение области значений конструктивных параметров  и  для устойчивых экранопланов схемы «Обратная Утка» и обладающих максимальным качеством, способных перевозить как обычные, так и нестандартные, негабаритные грузы и обладающих устойчивостью на любых отстояниях от экрана вплоть до полета на любой высоте вдали от экрана.
Техническим результатом решения является увеличение безопасности полета экранопланов и значительное увеличение качества всей конструкции, а также расширение сферы применения экранопланов благодаря их способности перевозить кроме обычного груза и пассажиров любой негабаритный груз на верхней поверхности в широком диапазоне скоростей.
Технический результат достигается тем, что в экраноплане компоновочной схемы «Обратная Утка», содержащем фюзеляж и крыло, содержащее центроплан, на верхней поверхности крыла размещены газотурбинные двигатели, причем крыло выполнено составным с консолями, на торцах консолей установлены два вертикальных оперения с рулями направления, передняя кромка центроплана и консолей имеет форму параболы в плановой проекции, задняя кромка центроплана - прямая, а консолей - стреловидная, газотурбинные двигатели установлены в месте сочленения центроплана и консолей и частично утоплены в верхнюю поверхность составного крыла и консолей, причем центр масс экраноплана расположен между центрами давления центраплана и консолей таким образом, что кривая, построенная в соответствии со значениями  и  таблицы, образует кривую
<img file="00000007.tif" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,31
0,27
0,24
<img file="00000008.tif" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
2,15
2,36
2,55
2,8
3,08
3,4
3,85
4,35
5
16
разделяющую область значений  и  на две зоны: устойчивую зону значения параметров и неустойчивую зону,
где  лежит в пределах изменения
лежит в пределах изменения
консолей
S - суммарная площадь двух консолей;
центроплана
S - площадь центроплана без учета подфюзеляжной части;
консолей
L - расстояние от центров давления консолей до центра масс экраноплана;
цетроплана
L - расстояние между цетром давления центроплана и центром масс.
На нижней поверхности фюзеляжа установлена статическая воздушная подушка, воздух для которой дает дополнительная силовая установка, и эта же силовая установка приводит в действие водометную установку.
На верхней поверхности составного крыла в месте стыковки центроплана и консолей установлены по крайней мере по два газотурбинных двигателя, частично утопленные в верхнюю поверхность, реактивная струя которых эжектирует пограничный слой с верхней поверхности центроплана и консолей и является струйным закрылком на центроплане и струйным элевоном на консолях, а на торцах консолей установлены вертикальные оперения с рулями направления, которые могут отклоняться от вертикального положения на угол, увеличивая тем самым эффективную площадь составного крыла, увеличивая качество экраноплана и улучшая его боковую устойчивость, кроме того, на верхней поверхности фюзеляжа, центроплана и консолей равномерно распределены узлы для крепления перевозимого нестандартного, негабаритного груза.
В известном техническом решении подобных признаков нет, следовательно, предлагаемое решение отвечает критерию изобретения «новизна». Для сравнения предложения с другими известными решениями проведен поиск по патентной и научно-технической литературе. В процессе поиска выявлено:
- из патента России №2224671, кл. В60V 1/08, известно определение зоны устойчивых для экраноплана значений параметров  и , но только для экраноплана схемы «Утка»;
в патентах №1234535 А, №2185979, №2073343, №2204499, №22005760 приведены конструктивные решения создания статической воздушной подушки (СВП) в основном для экранопланов «самолетной» схемы, где воздух для СВП берется от потока, создаваемого винтами.
Однако из уровня техники неизвестна совокупность существенных признаков, а именно выполнение передней кромки составного крыла в плановой проекции в форме параболы, применение формы и площади консолей составного крыла в такой пропорции по отношению к центроплану, чтобы значения параметров  и  лежали в устойчивой зоне справа от кривой, построенной в соответствии со значениями  и  таблицы, использование реактивной струи газотурбинных двигателей, как струйного закрылка для центроплана и струйного элевона для консолей увеличивает качество экраноплана и уменьшает вес его конструкции, а использование этих реактивных струй для отсоса пограничного слоя с верхней поверхности центроплана и консолей увеличивает несущие свойства составного крыла и уменьшает его сопротивление, что ведет также к увеличению качества всей конструкции, установка на торцах консолей вертикальных оперений с рулями направления, способных отклоняться от вертикального положения на угол, с одной стороны, увеличивает эффективную площадь составного крыла, увеличивая его качество, а с другой стороны, улучшает боковую устойчивость экраноплана при полете вдали от экрана, распределенные равномерно на верхней поверхности фюзеляжа и составного крыла узлы крепления нестандартного, негабаритного груза расширяют диапазон практического использования экранопланов компоновочной схемы «Обратная Утка», а применение дополнительной водометной установки улучшает маневренные характеристики экраноплана на акватории порта и у причальной стенки.
Таким образом, новая совокупность известных ранее признаков и вновь выявленных существенных отличительных признаков в заявленном техническом решении позволяет достичь поставленную выше задачу и технический результат.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен самостабилизирующийся экраноплан, выполненный по компоновочной схеме «Обратная Утка», вид в плане; на фиг.2 - вид спереди; на фиг.3 - график зоны устойчивости.
Экраноплан состоит из фюзеляжа 1, составного крыла, состоящего из центроплана 2 и консолей 3, вертикальных оперений 4, двигателей 5, надувных баллонетов бокового ограждения СВП 6, щелевых закрылков и элевонов 7, которые могут отклонять струйные истечения, выходящие из них вверх и вниз, вертикальные оперения 4 могут отклоняться на любой угол γ 9 и занимать положение 10, снизу вертикальных оперений установлены водоизмещающие отбойники 11, а на верхней поверхности экраноплана размещены специальные узлы 8, к которым крепятся грузы.
Кривая, построенная по таблице значений параметров  и
<img file="00000007.tif" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,31
0,27
0,24
<img file="00000008.tif" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
2,15
2,36
2,55
2,8
3,08
3,4
3,85
4,35
5
16
и приведенная на фиг.3, связывает конструктивные параметры отношения площадей консолей и центроплана  и отношения их «плечей»  относительно центра масс экраноплана таким образом, что экраноплан компоновочной схемы «Обратная Утка» с конструктивными параметрами, лежащими на кривой и справа от нее, всегда устойчив на всех отстояниях от экрана, а значения параметров слева от кривой будут давать значения для неустойчивого экраноплана.
На внешних торцах консолей составного крыла установлены два вертикальных оперения с рулями направления, которые могут откланяться от вертикального положения на любой угол.
На нижней поверхности фюзеляжа установлена статическая воздушная подушка с боковыми ограждениями в виде надувных баллонетов 6, воздух для которой подается от конструкции, приводимой в действие дополнительным двигателем (на чертеже эта конструкция не показана), этот же дополнительный двигатель приводит в действие водометную установку.
На верхней поверхности фюзеляжа и составного крыла равномерно размещены узлы, к которым крепятся негабаритные, нестандартные грузы, что в значительной степени расширяет область применения экранопланов компоновочной схемы «Обратная Утка».
Работает самостабилизирующийся экраноплан следующим образом.
После завершения загрузки и получения разрешения на старт включается дополнительный двигатель и приводится в действие водомет, с помощью которого экраноплан отходит от причальной стенки, маневрирует по акватории порта и выходит на стартовую позицию (на чертежах двигатель и водомет не показаны). Затем включается механизм статической воздушной подушки, надуваются баллонеты 6, запускаются газотурбинные двигатели 5, отключается водомет и происходит разгон экраноплана. После того как экраноплан достигнет скорости отрыва, отключается статическая воздушная подушка, из баллонетов 6 выпускается воздух, баллонеты прячутся в специальные ниши и происходит дальнейший разгон экраноплана до крейсерской скорости. В период набора скорости происходит самобалансировка экраноплана за счет его особых свойств самостабилизации и пилот только выдерживает заданный курс и обеспечивает нулевой угол тангажа экраноплана для уменьшения общего сопротивления. В случае, если полет экраноплана вдали от экрана происходит длительное время, вертикальные оперения 10 отклоняются от вертикального положения, например, на угол γ 9 на 60 градусов, тем самым увеличивая удлинение составного крыла и его несущие свойства и улучшая боковую устойчивость. С момента отхода экраноплана от экрана он теряет свойство самобалансировки, и с этого момента им нужно управлять, как обычным летательным аппаратом с помощью струйных закрылков и элевонов 7. На всех режимах полета над любой экранирующей поверхностью и вдали от экрана экраноплан компоновочной схемы «Обратная Утка» не теряет устойчивость.