Катамаран-амфибия с воздушными винтами электродвижения

Полезная модель катамаран-амфибия с воздушными винтами электродвижения относится к транспортным средствам амфибийного типа и касается конструирования и проектирования катамаранов с несимметричными обводами корпусов и воздушными винтами с электроприводом от аккумуляторов для движения по воде, снегу, льду и мокрой грунтовой поверхности при уменьшенной силе трения за счет установки воздушных крыльев между корпусами впереди и между пилонами крепления воздушных винтов позади кабины.
Имеется патент РФ 2106279 на катамаран с несимметричными обводами корпусов, форма которых позволяла двигаться с повышенной скоростью при меньших затратах мощности, но такой катамаран может двигаться только по воде и не является амфибией.
Известен катамаран-амфибия И-1, КБ "Термоплан" 1995 г., содержащий корпуса, связанные между собой соединительным мостом с рубкой, за которой расположены 2 двигателя внутреннего сгорания, вращающие воздушные винты. Симметричная форма корпусов этого катамарана требует повышенной мощности для преодоления волнового сопротивления на воде. Для движения по снегу на корпус крепились лыжи, поэтому такая компоновка катамарана не позволяла перемещаться по воде и снегу или льду без переоборудования. Кроме этого двигатели внутреннего сгорания используют легковоспламеняющиеся жидкости, загрязняют окружающую среду и требуют значительных затрат на техобслуживание.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является эффективная, безопасная, экологически чистая эксплуатация катамарана-амфибии в разных условиях движения без переоборудования, снижение затрат на техобслуживание.
Технический результат заключается в повышении эффективности эксплуатации катамарана-амфибии, возможности движения по различным твердым поверхностям, а также использования воздушных винтов с электроприводом от аккумуляторов. Такая конструкция снижает затраты на эксплуатацию и техобслуживание устройства.
Технический результат достигается использованием корпусов с прямолинейными наружными поверхностями и несимметричными выпуклыми обводами внутрь к оси катамарана для снижения волнового сопротивления, применением горизонтальных соединений корпусов с формой «воздушное крыло с закрылком» и воздушных винтов с электродвигателями с питанием от аккумуляторов, не требующих значительных затрат на техобслуживание.
Корпуса имеют форму обводов в плане плоско-выпуклого крыловидного профиля и расположены зеркально симметрично друг другу выпуклыми частями внутрь к оси катамарана, при этом наружные поверхности корпусов прямолинейны, параллельны друг другу и траектории движения, не создают расходящихся волн, а несимметричные внутренние обводы уменьшают волновое сопротивление и высоту расходящихся волн между корпусами за счет интерференции, в результате чего поток воды проходит между ними без образования гребня, что приводит к значительному снижению волнового сопротивления по сравнению с катамаранами с симметричными обводами корпусов. Днище корпусов имеет форму лыжи с окантовкой в носовой и кормовой частях для движения по твердой поверхности, а носовая оконечность корпусов имеет скос в корму, достаточный для выхода из воды на берег, на ледовое поле, преодоления преград в соответствие с высотой корпуса. Корпуса разделены на водонепроницаемые отсеки, носовые заполнены монтажной пеной для предотвращения затопления при пробоинах, средние используются для аккумуляторов и балласта, кормовые для хранения имущества и инструментов.
Корпуса в носовой части имеют горизонтальное П-образное соединение, высота которого достаточна для прохода под ним плавающих льдин, небольших торосов и препятствий на земной поверхности. Горизонтальная часть соединения имеет форму «воздушное крыло с закрылком», что позволяет при движении регулировать подъемную силу, а значит и трение корпуса в носовой части.
На корме на П-образном соединении корпусов крепятся опускаемые в воду два пера руля и в центре винт с элдвигателем для движения по воде при скрытном перемещении, швартовках в стесненных условиях и при эконом ходе.
В центральной части корпусов установлена на пилонах площадка, как основной элемент жесткости конструкции катамарана. Для эксплуатации в беспилотном режиме на ней устанавливаются органы управления движением и оборудование в соответствии с задачами: фотосъемка окружающей местности, промер глубин рек и водоемов, определение степени загрязнения водоемов, доставка снабжения, площадка для посадки дронов и т.п..
Кабина обтекаемой формы не является силовым элементом конструкции, поэтому имеет облегченный вес, крепится на площадке, имеет пассажирский или грузопассажирский варианты. В корме установлены наклонные назад пилоны, соединенные наверху под поворотными насадками горизонтальной консолью в форме «воздушное крыло с закрылком», что позволяет регулировать подъемную силу, а значит силу трения кормовой части корпусов.
Высота кормовых пилонов достаточна, чтобы набегающий воздушный поток меньше экранировался обтекаемой кабиной, а жесткость обеспечивается креплением на корпусах и соединением консолью наверху. На пилонах сверху установлены обтекаемые поворотные насадки для аэродинамического управления маневрами катамарана. Воздушные винты крепятся на осях реверсивных электродвигателей регулируемой частотой оборотов с питанием от аккумуляторов, размещаемых в средней части корпусов с соблюдением эксплуатационной посадки катамарана.
Изменение положения закрылков позволяет регулировать общую силу трения катамарана при скоростном движении, а для торможения достаточно поднять закрылки вверх, при этом корпус будет прижиматься набегающим потоком воздуха вниз, увеличивая силу трения корпусов и катамаран быстро остановится.
Экипаж, для экономии заряда аккумуляторов или аварийного движения по воде, гладкому льду или насту, может устанавливать в носу 2 мачты с парусами, которые разворачиваются в разные стороны, чтобы не закрывать обзор впереди кабины. В походном положении мачты с закрученными парусами крепятся вдоль корпусов.
На корпусах катамарана есть специальные устройства для его погрузки/выгрузки, крепления при перевозке и возможности доставки на внешней подвеске вертолета в отдаленные районы работы и обратно.
Устройство катамарана-амфибии показано на Рис. 1 и 2
1. Корпуса катамарана
2. П-образное носовое соединение с горизонтальным элементом «крыло с закрылком».
3. Кабина экипажа (при необходимости) или рабочая площадка
4. Носовые герметичные отсеки, заполнены пеной.
5. Средние отсеки для аккумуляторов и балласта
6. Кормовые отсеки для хранения инструментов и вещей
7. П-образное кормовое соединение для крепления водяного винта и рулей (на рис 2 не показано)
8. Пилоны для воздушных винтов
9. Верхнее соединение пилонов «крыло с закрылком» (консоль)
10. Элдвигатели привода винтов на стойке
11. Воздушные винты
12. Направляющие поворотные насадки
13. Винт с электроприводом для движения по воде на кормовом соединении (не показан)
14. Рули для улучшения маневренности на кормовом соединении (не показаны)
15. Две носовые мачты с парусом (не показаны)
16. Места крепления для внешней подвески вертолета или погрузки на транспортное средство (не показаны).
Некоторые варианты эксплуатации катамарана-амфибии. На воде катамаран в водоизмещающем состоянии, закрылки в нейтральном положении для меньшего воздушного сопротивления, рули в воде. Запускаются воздушные винты, начинается движение и при достижении определенной скорости носовой, а затем кормовой закрылки начинают опускать вниз для уменьшения сопротивления. Скорость движения регулируется оборотами винтов. На высокой скорости, чтобы не потерять устойчивость на курсе, важно не допускать отрыва корпуса от поверхности, поэтому углы установки закрылков будут зависеть как от самой скорости, так и от нагрузки в носовой/кормовой частях катамарана, условий плавания - волнение. Для безопасного движения по скользкой поверхности гладкого льда или по твердому насту для устойчивого движения закрылки необходимо поднять, окантовка на днищах врежется в поверхность и для уверенных поворотов на высокой скорости применять кормовые рули, прижимая их к поверхности движения на стороне поворота. При движении по снегу, рыхлому льду или мокрой поверхности для уменьшения давления (силы трения) закрылки опускаются вниз, для избегания заносов использовать рули соответствующей стороны поворота, прижимая к поверхности, увеличивать силу торможения у соответствующего корпуса, что улучшает поворотливость, даже без использования воздушных насадок. На воде для движения без воздушных винтов дополнительный водяной винт с кормового соединения опускается в воду. Это применяется при пониженном уровне заряда батарей, для проведения на малой скорости мониторинга, швартовки в стесненных условиях, «бесшумного» движения в особых условиях заповедников, скрытого перемещения и т.п. В этом случае можно использовать рули.
Для штатного торможения катамарана закрылки кормового крыла поднимаются вверх, сила потока прижимает кормовую часть вниз, катамаран остановится быстрее, чем в свободном движении. Эффективность действия кормового крыла выше носового за счет воздушного потока от винтов. Для уменьшения времени для остановки ПОСЛЕ кормового закрылка поднимается носовой и в результате весь катамаран обоими корпусами прижмется вниз к поверхности и быстро остановится. НЕЛЬЗЯ ПЕРВЫМ поднимать закрылок носового крыла, т.к. в этом случае возможен переворот вперед через нос.
Система управления движением (контроллер) позволяет использовать разные схемы подключения батарей, использовать оба воздушных винта одновременно или один при установившемся равномерном движении с малым потреблением энергии, или вращать эддвигатель водяного винта. На стоянке при сильном ветре винты будут вращать электродвигатели как генераторы для подзарядки аккумуляторов, (такие ветра не редкость в районах Арктики). Возможные характеристики Катамарана-Амфибии на 5 человек: Корпуса композитные, 4-5 герметичных отсеков, носовой заполнен монтажной пеной, средние для аккумуляторов и балласта, кормовой для инструментов и вещей.
1. Длина понтонов 5 м-6 м
2. Ширина понтона 0.5-0.6 м
3. Высота понтона 0.6 м при КВЛ 0.4-0.5 м
4. Водоизмещение около 2 т (вес устройства)
5. Грузоподъемность 500 кг (2 чел + 300 кг, или 5 чел. с амуницией, термокостюмы, инструменты/аппаратура для работы)
6. Вес корпусов: 600-800 кг
7. Вес движителей (элдвиг + винты + возд насадки) 100-150 кг
8. Дополнительный для воды винт с элдвигателем 20-30 кг
9. Аккумуляторы - остаток грузоподъемности для автономности 200-300 км
10. Две мачты с парусами на носовой части понтонов 50 кг.