Летающая лодка (катер-самолет)
FLYING BOAT (BOAT-AIRPLANE)

Область техники
Изобретение относится к области - летающие лодки и касается расширения возможностей эксплуатации летающей лодки (катера-самолета) на воде в качестве обычной лодки или скоростного катера за счет применения крыла малого удлинения с небольшим размахом и моментом инерции, что дает возможность энергично маневрировать и передвигаться по узким, извилистым рекам, протокам и каналам, выходить на режим глиссирования, где это возможно. По достижении взлетной скорости, после отрыва от воды, катер становится полноценным самолетом, к тому же, более приспособленным и комфортным для полетов в турбулентном приземном слое, чем летательный аппарат с прямым крылом.
Уровень техники
Известен «гидросамолет», патент SU 1839917 А1, опубл. 20.06.2006, который имеет крыло, оперение и силовую установку, выполненный в виде летающего крыла прямой стреловидности с наплывом в центральной части. На нижней поверхности этого крыла расположен продольный редан, а в районе центра тяжести установлен выдвижной поперечный редан, уменьшающий заливаемость при взлете и посадке. Крыло может быть образовано суперкритическим профилем по оси симметрии с линейным переходом на профиль с положительной вогнутостью на границе наплыва.
Однако большой размах и момент инерции крыла не позволяют гидросамолету энергично маневрировать на воде при малых и больших скоростях, передвигаться как катер по извилистым, узким рекам, каналам и протокам. Кроме того, для взлета и посадки ему требуется оборудованный гидродром.
Известен «авиатрансформер», патент RU 2519307 С, опубл. 10.06.2014, содержащий фюзеляж с фонарем обтекаемой поверхности и нижней частью в виде дна катера, трехколесное убирающееся шасси. Мотор с толкающим винтом, верхнее крыло со складывающимися вдоль боковых поверхностей фюзеляжа левой и правой консолями крыла, верхний центроплан, хвостовое оперение с двумя аэродинамическими килями. Нижняя часть фюзеляжа выполнена в виде дна катера и содержит борта, переходящие в средней части в два параллельных гидродинамических киля дна постоянной ширины с основаниями, находящимися в одной горизонтальной плоскости. Нижняя часть фюзеляжа между гидродинамическими килями выполнена в виде аэродинамической поверхности крыла малого удлинения. В хвостовой нижней части фюзеляжа гидродинамические кили гладко сопряжены с аэродинамическими килями.
Однако «авиатрансформер» способен передвигаться как катер только после отстыковки консолей крыла от центроплана, складывания их вдоль фюзеляжа и фиксации, причем работы необходимо выполнять на берегу.
Известен скоростной катер, патент WO 2016/013923 А1, опубл. 28.01.2016, с воздушными винтами, аэродинамическими рулями и корпусом треугольной формы в плане, создающим эффект гидропланирования и скоростной катер, патент US 5029548 (А), опубл. 07.09.1991, имеющий крылья для создания подъемной силы, силовую установку с гребным винтом и неуправляемое хвостовое оперение. К недостаткам относится то, что они технически не приспособлены для полета.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является катер-самолет, статья о котором была опубликована в журнале «Техника-молодежи» №925 за октябрь 2010 г. (с. 36-39). Это летающая лодка (катер-самолет), содержащая фюзеляж-лодку, крыло малого удлинения, близкое в плане к треугольной форме, имеющее водоизмещающие элементы по бокам крыла и элероны на задней кромке крыла, хвостовое оперение, силовую установку. При этом хвостовое оперение состоит из одного аэродинамического киля с рулем направления, без горизонтального оперения, т.к. элероны, расположенные на задней кромке крыла одновременно выполняют функции руля высоты. Силовая установка размещена в носовой части лодки и имеет один маршевый двигатель с воздушным винтом.
Катер-самолет показал при испытаниях на воде хорошую маневренность, отличные скоростные и динамические качества, что существенно расширило возможности его использования как катера или простой лодки, от небольших скоростей, до скоростей порядка 100-110 км/ч, при этом во время проведения испытаний для базирования использовались существующие водные и сухопутные стоянки для катеров и лодок.
Однако были выявлены недостатки, а именно недостаточный обзор вперед при расположении кабины пилота над крылом, плохая боковая остойчивость при воздействии бокового ветра из-за большой парусности высокого вертикального оперения и относительно высокого расположения центра тяжести всего катера-самолета, при этом флюгерная устойчивость также оказалась недостаточной. Кроме того, при отказе (остановке) единственного двигателя было затруднительно быстро покинуть фарватер или пристать к берегу. Все эти факторы снижают безопасность при эксплуатации данного катера-самолета и ухудшают его комфортность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение безопасности и комфорта при эксплуатации летающей лодки (катера-самолета), увеличение ее поперечной остойчивости на воде при воздействии бокового ветра и повышение флюгерной устойчивости.
Сущность изобретения.
Для получения указанного технического результата в предлагаемой летающей лодке (катере-самолете), содержащей фюзеляж-лодку, крыло малого удлинения, близкое в плане к треугольной форме, имеющее водоизмещающие элементы по бокам крыла и элероны на задней кромке крыла, хвостовое оперение, силовую установку, в отличие от известной конструкции, верхняя палуба фюзеляжа-лодки выполнена в виде аэродинамической несущей поверхности, которая вместе с присоединенными к фюзеляжу-лодке консолями крыла, правой и левой, образует несущую поверхность крыла. Верхняя палуба в передней части фюзеляжа-лодки одновременно является потолком кабины, которая выполнена под верхней палубой, при этом увеличивается полезный объем кабины на величину толщины крыла. В кабине выполнено остекление для более комфортного, в отличие от прототипа, обзора вперед и по бокам. Входной люк в кабину выполнен на поверхности верхней палубы. Размещение экипажа, пассажиров, грузов и систем в кабине, под верхней палубой, ближе к ватерлинии, улучшает поперечную остойчивость за счет смещения вниз центра тяжести всей летающей лодки (катера-самолета). На правом борту кабины выполнен аварийный люк для экстренного покидания, даже в случае перевернутого положения летающей лодки (катера-самолета) на воде, что увеличивает безопасность находящихся внутри людей в аварийных ситуациях.
Вертикальное аэродинамическое оперение летающей лодки (катера-самолета) выполнено из двух, уменьшенных по высоте, по сравнению с прототипом, килей с рулями направления, что дает, за счет уменьшения парусности оперения, уменьшение опрокидывающего момента от бокового ветра на воде. При этом вертикальное оперение выполнено таким образом, что его суммарная площадь обеспечивает увеличение флюгерной устойчивости летающей лодки (катера-самолета) на воде и в воздухе, то есть обеспечивается увеличение поперечной остойчивости и флюгерной устойчивости летающей лодки (катера-самолета) по сравнению с прототипом.
Силовая установка выполнена из двух маршевых двигателей с воздушными винтами, один из воздушных винтов установлен на носу фюзеляжа-лодки, а второй установлен над верхней палубой за центром тяжести, ближе к хвостовой части фюзеляжа-лодки, в зоне, наименее подверженной воздействию брызг, волн и других факторов. Воздушные винты установлены по линии симметрии летающей лодки (катера-самолета), что повышает безопасность в эксплуатации, т.к., в случае отказа одного из двигателей не возникает разворачивающего момента в воздухе или на воде, можно продолжать полет, либо выполнить посадку на воду и двигаться дальше как катер.
Угол установки крыла, между его хордой и плоской поверхностью днища лодки, может составлять от 8 до 18° (для прямого крыла эта величина составляет 2-3°). Этот диапазон углов наиболее удобен для выбора рациональных взлетно-посадочных характеристик, поскольку, в отличие от общепринятой практики снижения скоростей взлета, взлетные скорости летающей лодки (катера-самолета) намеренно увеличиваются и сдвигаются к верхней границе ее максимальной скорости в режиме катера, чтобы не позволять преждевременно и неожиданно, что небезопасно, отрываться от воды.
Водоизмещающие элементы по бокам крыла выполнены в виде аэродинамических законцовок с увеличенной, по сравнению с прототипом, площадью их вертикальной поверхности, что дает свой вклад в повышение флюгерной устойчивости летающей лодки (катера-самолета). К тому же, законцовки увеличивают сопротивление перетеканию воздуха из зоны повышенного давления под нижней, наиболее широкой, частью крыла. Площадь законцовок выбирается с учетом конструктивных ограничений и расчетов.
Горизонтальное оперение, в отличие от прототипа, установлено над верхней палубой, между двумя аэродинамическими килями. При этом оно расположено в зоне, наименее подверженной воздействию брызг, волн и других, в том числе аэродинамических, факторов, что повышает безопасность эксплуатации летающей лодки (катера-самолета). Система управления рулем высоты не совмещена и независима от системы управления элеронами, в отличие от прототипа, что повышает безопасность при повреждении или заклинении одной из этих систем.
Кроме того, внутри фюзеляжа-лодки установлена вспомогательная силовая установка для генерирования электричества, что повышает комфорт и безопасность в эксплуатации, т.к. включение маршевого двигателя для «бытовых нужд» во время стоянки небезопасно. В некоторых аварийных ситуациях, при невозможности работы маршевых двигателей, вспомогательная силовая установка обеспечит работу радиостанции, помпы, обогрева и других потребителей.
Входной люк на верхней палубе выполнен с обтекателем, позволяющим человеку вставать внутри лодки в полный рост при закрытом обтекателе, что улучшает комфорт при длительном безостановочном движении.
Вся верхняя поверхность крыла может использоваться на стоянке как палуба, а водоизмещающие элементы на концах крыла не дают лодке опрокинуться. Можно рыбачить, нырять, загорать, в общем, отдыхать с комфортом.
Отличительными признаками предлагаемой конструкции летающей лодки (катера-самолета) от известной, указанной выше, являются следующие признаки:
- верхняя палуба фюзеляжа-лодки выполнена в виде аэродинамической несущей поверхности, которая, вместе с присоединенными к фюзеляжу-лодке правой и левой консолями крыла, образует несущую поверхность крыла;
- под верхней палубой, в передней части фюзеляжа-лодки, выполнена кабина с остеклением, входным и аварийным люком;
- вертикальное аэродинамическое оперение выполнено из двух, уменьшенных по высоте, килей с рулями направления;
- силовая установка выполнена из двух маршевых двигателей с воздушными винтами, один из воздушных винтов установлен на носу фюзеляжа-лодки, а второй установлен над верхней палубой, за центром тяжести ближе к хвостовой части фюзеляжа-лодки, по линии симметрии катера-самолета;
- угол установки крыла, между его хордой и плоской поверхностью днища лодки, может составлять от 8 до 18°;
- водоизмещающие элементы по бокам крыла выполнены в виде аэродинамических законцовок с увеличенной площадью их вертикальной поверхности;
- горизонтальное оперение установлено над палубой, между двумя аэродинамическими килями, при этом система управления рулем высоты не совмещена и независима от системы управления элеронами;
- внутри фюзеляжа-лодки установлена вспомогательная силовая установка для генерирования электричества;
- входной люк на верхней палубе выполнен с обтекателем, позволяющим человеку вставать внутри лодки в полный рост при закрытом обтекателе;
- на стоянке верхняя поверхность крыла используется как палуба.
Указанные признаки являются существенными, так как каждый из них направлен на достижение заявленного технического результата в соответствии с поставленной задачей. В технических решениях предшествующего уровня их использование не обнаружено.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Перечень фигур
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 изображен вид сбоку летающей лодки (катера-самолета);
на фиг. 2 изображен вид сверху и, после осевой линии, вид снизу летающей лодки (катера-самолета);
на фиг. 3 изображен вид спереди летающей лодки (катера-самолета);
на фиг. 4 изображен общий вид летающей лодки (катера-самолета).
Летающая лодка (катер-самолет) (фиг. 1, 2, 3) выполнена по схеме «верхнеплан» с фюзеляжем типа «лодка» 1 и крылом малого удлинения, близким в плане к треугольной форме, аэродинамическая несущая поверхность крыла образована поверхностью верхней палубы 2 фюзеляжа-лодки 1, с присоединенными к ней левой 3 и правой 4 консолями крыла.
По бокам крыла, на консолях 3, 4 выполнены водоизмещающие элементы 5 в виде аэродинамических законцовок с увеличенной, по сравнению с прототипом, площадью их вертикальной поверхности, что повышает флюгерную устойчивость летающей лодки (катера-самолета). К тому же, законцовки увеличивают сопротивление перетеканию воздуха из зоны повышенного давления под нижней, наиболее широкой частью крыла. Площадь законцовок выбирается с учетом конструктивных ограничений и расчетов. На консолях 3, 4 крыла установлены элероны 6. Угол установки 7 крыла, между его хордой 20 и плоской поверхностью днища лодки 21, может составлять от 8 до 18°. Этот диапазон углов наиболее удобен для выбора рациональных взлетно-посадочных характеристик летающей лодки (катера-самолета), когда взлетные скорости намеренно увеличиваются и сдвигаются к верхней границе максимальной скорости катера, чтобы не позволять ему преждевременно отрываться от поверхности, в отличие от общепринятой практики снижения скоростей взлета.
Вертикальное аэродинамическое оперение 8 выполнено, в отличие от прототипа, из двух, уменьшенных по высоте по сравнению с прототипом, килей с рулями направления, что дает уменьшение опрокидывающего момента от бокового ветра на воде за счет уменьшения парусности оперения. При этом вертикальное оперение выполнено таким образом, что его суммарная площадь обеспечивает увеличенную, по сравнению с прототипом, флюгерную устойчивость летающей лодки (катера-самолета) на воде и в воздухе, при общем уменьшении опрокидывающего момента, то есть при улучшении поперечной остойчивости летающей лодки (катера-самолета) по сравнению с прототипом.
Горизонтальное оперение 9 установлено над верхней палубой, между двумя аэродинамическими килями вертикального оперения 8, при этом, в отличие от прототипа, система управления рулем высоты не совмещена и независима от системы управления элеронами, что повышает безопасность при повреждении или заклинивании одной из систем. Горизонтальное оперение расположено в зоне, наименее подверженной воздействию брызг, волн и других, в том числе аэродинамических, факторов, что повышает безопасность эксплуатации летающей лодки (катера-самолета). Силовая установка летающей лодки (катера-самолета) выполнена из двух маршевых двигателей с воздушными винтами, один из воздушных винтов 10 установлен на носу фюзеляжа-лодки, а второй 11 установлен над верхней палубой, в зоне, наименее подверженной воздействию брызг, волн и других факторов, за центром тяжести 12, ближе к хвостовой части фюзеляжа-лодки, по линии симметрии, что повышает безопасность при эксплуатации летающей лодки (катера-самолета), так как, в случае отказа любого двигателя, не возникает разворачивающего момента в воздухе или на воде, можно продолжать полет, либо выполнить посадку на воду и двигаться дальше как катер.
В передней части фюзеляжа-лодки, под ее верхней палубой, выполнена кабина 13 с остеклением 14, для более комфортного, в отличие от прототипа, обзора вперед и по бокам. Размещение экипажа, пассажиров, грузов и систем летающей лодки (катера-самолета) в кабине под верхней палубой, ближе к ватерлинии 15, улучшает поперечную остойчивость за счет смещения вниз центра тяжести всей летающей лодки (катера-самолета). На правом борту кабины выполнен аварийный люк 16 для экстренного покидания, в том числе, для случая перевернутого положения летающей лодки (катера-самолета) на воде, что увеличивает безопасность находящихся внутри людей в аварийных ситуациях.
Входной люк 17 на верхней палубе 2 выполнен с обтекателем 18, позволяющим человеку вставать внутри лодки в полный рост при закрытом обтекателе, что улучшает комфорт при длительном безостановочном движении.
Внутри фюзеляжа-лодки установлена вспомогательная силовая установка 19, генерирующая электричество, что в эксплуатации, при выключенных маршевых двигателях, существенно повышает комфорт и безопасность, т.к. включение маршевого двигателя для «бытовых нужд», во время стоянки, небезопасно. В некоторых аварийных ситуациях, при невозможности работы маршевых двигателей, вспомогательная силовая установка обеспечит работу радиостанции, помпы, обогрева и других потребителей.
Вся верхняя поверхность крыла может использоваться на стоянке как палуба, а водоизмещающие элементы 5 на концах крыла не дают летающей лодке (катеру-самолету) опрокинуться. Можно рыбачить, нырять, загорать, в общем, отдыхать с комфортом.
Пример.
Летающая лодка (катер-самолет) эксплуатируется следующим образом. От места своего базирования до места, где возможен взлет и посадка, или до ближайшего гидродрома, летающая лодка (катер-самолет) добирается своим ходом, как обычный катер, в основном используя только один двигатель 11. При подготовке к взлету запускается второй двигатель 10, выполняются операции, необходимые для взлета внутри кабины, и летающая лодка (катер-самолет) выходит на позицию для начала разбега. Разбег происходит строго против ветра, по прямой, по достижении взлетной скорости, после отрыва от воды, катер становится полноценным самолетом, к тому же, более приспособленным и комфортным для полетов в турбулентном приземном слое, чем летательный аппарат с прямым крылом. После выполнения посадки, строго против ветра и по прямой, летающая лодка (катер-самолет), снизив скорость до значений, меньших 100-110 км/ч, вновь получает возможность передвигаться как обычный катер и двигаться до ближайшего населенного пункта или города по воде. За счет полученных новых эксплуатационных свойств летающая лодка (катер-самолет) не имеет жесткой привязки базирования, в том числе и к гидродромам, она может базироваться там, где удобно ее владельцу, можно и в черте города, при этом используются существующие водные и сухопутные стоянки для катеров и лодок.
Технико-экономическая эффективность, при применении летающей лодки (катера-самолета) в авиации общего назначения или специальной авиации, выражается в расширении ее возможностей и области применения на воде (от малых рек, до моря), при возможности использования уже существующих водных и сухопутных стоянок для катеров и лодок.
Предлагаемое изобретение можно реализовать по существующим технологиям из применяемых в самолетостороении и судосторении материалов.