СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ
VESSEL ON COMPRESSED PNEUMATIC FLOW CONTROL PROVISION METHOD

Изобретение относится к области создания транспортных средств, использующих динамическую воздушную подушку, обладающих высокопроизводительным свойством компрессора на использовании импеллера, реактивная струя которого направлена для пневмоканала в виде сжатого воздуха под днищем для создания подъемной и тяговой силы и может быть использовано, в частности, касается конструирования и управления судами на сжатом пневмопотоке предназначенного для передвижения людей и грузов по водной поверхности, мелководью, снегу, льду, траве, песку, заболоченной территории, поросшей мелкой растительностью, грунту, в особенности маломерных судов на воздушной подушке.
Известен летательный аппарат - экраноплан, содержащий фюзеляж, крыло, горизонтальное и вертикальное оперение и воздушно-реактивную силовую установку. Под крылом экраноплана размещено устройство создания воздушной разгрузки и тяги, выполненное в виде проточной камеры, образованной крылом и боковыми ограждениями, причем боковые ограждения камеры установлены на консолях крыла (см. заявку ФРГ №3319127, B60V 1/08, 1983), а также летательный аппарат - экраноплан (см. заявку ФРГ №4010877, В64С 35/00, 1991), кроме того, известны суда США №5370197, B60V 17-43, 1994; №2004065772, В64С 21/04, В64С 23/08, 2004) на маломерных судах на воздушной подушке.
Все эти средства достаточны, сложны, в особенности при использовании на маломерных судах на воздушной подушке. Кроме того, описанные суда обладают невысокой амфибийностью и мореходностью, при этом возможности движительных установок реализуются не полностью. При этом создание воздушной подушки и тяги недостаточно эффективно при стартовой или малой поступательной скорости транспортного средства, так как установка таких движителей не может реализовать под днищем судна образование сжатого пневмопотока в виде такой струи, которая могла бы стараться обеспечить тем самым судно на старте движения. То есть известные технические решения поддувом воздуха под днище или крыло не обеспечивают полного высокого давления и сжатия при использовании всего сжатого воздуха от силовой установки, в частности импеллера, работающего в режиме компрессора, что ухудшает его силовую установку, а также невозможно в конце канала получить максимальное давление сжатого воздуха для работы пневмоканала в режиме наддува воздуха высокого давления для тяговой силы, обеспечивающей поступательное движение судна.
Устройство вставок и качающейся створки не приспособлено для создания мощных струй и поступления их в пневмоканал, выход воздуха которого связан под днищем, и поток, расширяясь, ударяется непосредственно в толщу водного потока (опорная поверхность). Коэффициент удельной тяги и подъемная сила низки, а затрачивать приходится большую мощность. Кроме того, это связано с применением двигателей, воздушного винта, которые могут создавать достаточно реактивную силу тяги для заполнения сжатым воздухом пространства пневмоканала. Другим основным недостатком является то, что судно обладает недостаточной управляемостью из-за расположения рулевого устройства на выходе под днищем, в связи с чем понижена безопасность его эксплуатации, а также то, что расположенные под днищем рули испытывают большие динамические нагрузки от воды при его поворотах под различными углами (для поворота, разворота) судна. При этом появляются значительные тяговые усилия горизонтальной составляющей тяги, появляются большие явления волнового характера, особенно это заметно на поворотах судна, волны (выплески) которых выходят из-под бортовых скегов. Эти совокупно действующие факторы ведут к почти постоянному раскачиванию судна по вертикали и горизонтали, что влияет на изменение крена, дифферента и курса, создает частые и большие перегрузки на конструкцию судна. Борьба с перегрузками приводит к увеличению собственного веса судна, уменьшению его весовой отдачи и уменьшению скорости движения. Отсюда такое рулевое устройство не может быть размещено в передней части судна с управляющим устройством в целом. Существенным недостатком таких судов является поперечная форма днища с касанием и обтеканием опорной поверхности, например, водой, а также форма самих боковых стенок скегов, которые имеют большое сопротивление движению, и сложность в управлении судном.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус, движительную и нагнетательную установки, а также ограждение области воздушной подушки с носовыми и кормовыми подвижными элементами с бортовыми скегами и средним скегом. Секционирующим область воздушной подушки на левую и правую отдельные камеры, при этом нагнетательная установка выполнена с рулевым устройством, регулирующим нагнетание воздуха в упомянутые камеры (Патент RU №2097231, B60V 3/06 от 27.11.1997).
Как следует из описания, управление судном на воздушной подушке осуществляется с помощью рулевого устройства, позволяющего регулировать нагнетание воздуха в камеры воздушной подушки таким образом, что при нагнетании в правую камеру 8 такое управление приводит к накренению судна с касанием опорной поверхности бортовым скегом 6. Сила сопротивления, действующая на скег 6, контактирующий с опорной поверхностью, создает момент, разворачивающей судно относительно вертикальной оси. Боковая сила, вызванная углом дрейфа и накренением на внутренний борт при повороте, позволяет осуществлять управление судном.
Однако наряду с достоинством известного судна на воздушной подушке, заключающимся в повышении безопасности эксплуатации судна на воздушной подушке посредством обеспечения его достаточной управляемости, известное судно на воздушной подушке имеет ограничения по его использованию. Действительно, при движении такого судна над водной или ровной твердой поверхностью, например льдом, сохраняются все его достоинства: скорость движения, маневренность, амфибийность. Однако использование такого судна в болотистой местности с выступающими из воды высокими кочками, в местности с зарослями кустарника или над торосистыми льдами и снежными сплоченными заносами, а также песчаными и земляными холмами практически невозможно. Кроме того, создается повышенное сопротивление движению судна вследствие большой поверхности контакта элементов судна с водой, а также в случае перемещения судна по воде в условиях волнения возникает значительное сопротивление.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус, нагнетательную установку с рулевым устройством, ограждение области воздушной подушки с носовым и кормовым элементами и бортовыми скегами, снабженными гибкими ограждениями, прикрепленными к их нижней части; эти ограждения уменьшают потери воздуха из области воздушной подушки и соответственно снижают потребный расход воздуха, что повышает экономичность судна (Патент RU №2167775, B60V 3/06 от 15.08.2000).
Недостатком данного судна является то обстоятельство, что при движении судна на воздушной подушке над водой, особенно в условиях волнения, увеличивается площадь контакта наружной поверхности гибкого ограждения с водой, что существенно увеличивает сопротивление движению судна; кроме того, если направление движения волн не совпадает с направлением движения судна, сопротивление по каждому борту судна будет разным; вследствие этого возникает раскачивание судна по ходу его движения, ухудшается устойчивость по курсу.
Известно техническое решение, выбранное в качестве одного из аналогов, амфибийное судно на сжатом пневмопотоке, создающем давление воздуха под днищем, последнее выполнено из частей под различными углами, створка расположена на передней части корпуса, имеющее руль поворота, при этом в кормовой нижней части корпуса непосредственно перед рулевым устройством днище выполнено с продольным уступом со срезом в сторону носовой части, с воздухозаборным каналом нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух, из сопла которого подается под углом под днище судна, уступ размещен в нижней части кормы по центру днища и образует два пневмоканала с двух сторон от уступа, при этом за соплом импеллера дополнительно закреплена подвижная горизонтальная перегородка на оси вращения для продолжения воздушного канала в сторону уступа со срезом, кроме того, к днищу в зоне уступа с пневмоканалами закреплен поворотный щиток на горизонтальной оси вращения с возможностью примыкания в закрытом положении к дну уступа, при этом на внешней стороне бортов судна закреплены направляющие в виде выступов-открылок из двух соединенных между собой вертикальных пластин, одна из которых жестко закреплена к борту и является ограничителем против опрокидывания второй пластины на внешнюю сторону, причем вторая пластина имеет ось вращения с возможностью ее поворота и примыкания к скошенному участку нижней части борта судна в сторону днища и подпружинена относительно первой пластины. Кроме того, руль поворота со щитком дополнительно содержит второй щиток, закрепленный шарнирно к первому, и подпружинен относительно первого щитка с возможностью его поворота в вертикальной плоскости (Патент RU №2552581, B60V 3/06 от 10.06.2015).
Однако, несмотря на его широкие возможности, при управлении этим транспортным средством узкие многоканальные пневмоканалы разделены уступом с наклоном по центру днища судна в кормовой части, дают возможность разделения воздушного потока от импеллера и поступления в два закрытых пневмоканала. При этом руль поворота закреплен со стороны глухой части уступа сзади кормы и к вертикальной оси вращения закреплен вертикальный щиток, отклоняющий воздушный поток и одновременно погруженный в воду, которая оказывает большое динамическое воздействие на его боковую плоскость, и сложность составного руля в виде двух соединенных механически между собой пластин руля. При этом в движении и, особенно при поворотах судна (вправо или влево), сзади кормы скоростной водно-воздушный поток ударяется о плоскость щитков и его вертикальную ось, происходят в открытой части кормы восходящие потоки воды (отсутствует прикрытие сверху) и воздуха (смешанные) вверх непосредственно сзади открытой части кормы, что вызывает фонтанирование и залив палубы судна сзади. Кроме того, при вертикальном перемещении руля поворота снижается вертикальная устойчивость и уменьшается безопасность управления, так как руль по своей конструкции сложен и требует некоторого его усовершенствования (модификации), в частности ограничения угла отклонения, вправо или влево при повороте на большой скорости движения судна, создаваемой работой мощности двигателя, особенно, когда судно в движении достигает крейсерской скорости, что подтвердили натурные испытания построенного опытного образца (натурные испытания - это тот фактор, который указывает на необходимость дополнительной разработки устройства, и их необходимо учитывать для внедрения в производство). Иначе говоря, для устранения фонтанов и брызг после действия таких возмущений водно-воздушных потоков при крейсерской скорости, для повышения КПД такие скоростные характеристики могут быть реализованы лишь размещением предложенного рулевого устройства в передней части судна в сторону импеллера, а также двух независимо вращающихся створок, закрепленных (прилегающих) к боковым стенкам скегов со стороны продольного уступа и перекрывающие просвет пневмоканала каждого в отдельности под днищем корпуса на каждой отдельной оси, т.е. прикрытыми сверху днищем корпуса.
Известны воздушные сани, а именно транспорт с воздушными винтами, создающими давление воздуха под днищем и двигающими транспорт, с юбкой, удерживающей воздух под плоским днищем, и поплавками, поддерживающими транспорт на воде, днище выполнено из частей под различными углами для расположения под днищем поворачивающихся колец с крыловидными вставками, создающими реактивную тягу транспорта вперед при обтекании воздушным потоком, создающим динамическое давление на профильную часть днища с экранопланным эффектом и реактивное давление на качающиеся створки, расположенные на передней части транспорта (Патент RU №2478502, B60V 1/04, В62В 15/00 от 10.04.2013).
Недостатками известного транспортного средства на динамической воздушной подушке с воздушными винтами и управления им являются низкая продольная устойчивость и недостаточная безопасность движения судна, в частности, на поворотах при больших скоростях движения судна.
Это объясняется следующим.
1. Присутствует прогрессирующая неустойчивость, во-первых, закрепленных раздельно двух и качающихся створок для пропуска под днище воды; во-вторых, при ручном управлении на выходе под днищем рулей, отклоняющих воздушный поток для поворота устройства, большое динамическое воздействие на цельную плоскость руля вызывает трудности в управлении и удержании для заданного угла поворота судна в движении.
2. Разделенные водно-воздушные потоки под днищем, еще не доходя до конца кормовой части, обеспечивают потери скоростных характеристик судна в движении, снижается КПД, возникает раскачка судна и его неустойчивость, происходит большой выброс накопившейся энергии, т.е. фонтанирование водно-воздушного потока сзади кормовой части судна, происходит залив палубы его при скоростном движении судна, особенно это будет заметно на поворотах вправо или влево. Таким образом, поворотный руль сзади кормы создает отрицательные явления гидродинамики сил давления на всю плоскость поворота руля непосредственно сзади кормы, а в свою очередь, и рост объема воздуха от мощности, создаваемой двигателем.
Иначе говоря, при изменении траектории установившегося водно-воздушного потока при крейсерской скорости судна в движении, возникают сложности в управлении судном с большими скоростными характеристиками и большие динамические воздействия на устройство рулей, т.е. известное устройство требует серьезного подхода к конструированию. Кроме того, также техническая задача предложенного решения - увеличить тягу в движении судна при работе импеллера в движении судна. Таким образом, известное устройство требует усовершенствования конструкции, создает трудности и имеет ухудшенную эффективность, низкий КПД и недостаточную динамику тяговой силы в различных условиях применения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является устройство для реализации способа передвижения и управления транспортным средством на воздушной подушке, содержащее днище, выполненное из частей под различными углами, руль поворота, продольный водозаборный канал нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух, из сопла которого подается под углом под днище судна, пневмоканалы и поворотный щиток, закрепленный на горизонтальной оси вращения с возможностью примыкания в закрытом положении к днищу корпуса, при этом днище, оборудованное с боковыми скегами, дополнительно оборудовано внутри продольными напорными каналами, выполненными в виде полых и сквозных труб из легкого алюминиевого сплава с установленными в конце из изогнутыми активными соплами, которые ориентирована под углом в сторону движения воздуходинамической струи высокого давления, выходящей из переходного двухфазного сопла, размещенного в средней части под открытым снизу днищем корпуса, при этом боковые воздуходинамические струи между боковыми стенками скегов и боковыми стенками переходного двухфазного сопла ориентированы по направлению выходящей воздуходинамической струи высокого давления из переходного двухфазного сопла (Патент RU №2614367, B60V 3/06, B60V 1/04, В63В 1/38 от 24.03.2017).
Недостатком данного устройства транспортного средства на воздушной подушке является сложность конструкции в виду того, что рабочими элементами являются одновременно замкнутого пространство переходного двухфазного сопла и изогнутые активные сопла напорных каналов, которые заканчиваются размещенными внутри под днищем корпуса в кормовой части судна, для чего необходимо и сохранить высокое напорное давление и движение сжатого воздуха непосредственно под днищем кормовой части судна, и днище в кормовой части является открытым снизу и является продолжением от начала конца закрытого переходного участка с переходным двухфазным соплом с центральным продольным прямолинейным каналом. Кроме того, напорные продольные каналы скегов не предназначены в качестве рулевого устройства в целом для газового потока, выходящего сразу в атмосферу, соответственно, поворот судна вправо или влево, при этом поворот в прототипе осуществляется только рулями, прикрытыми сверху потоконаправляющим элементом, выполненным в виде П-образного козырька. При этом свободное пространство по ширине днища в кормовой части судна используется только для создания общей тяги в движении судна, и никоим образом не влияет на непосредственный поворот рулевым устройством и торможением непосредственно под днищем в кормовой части корпуса.
Задача изобретения - упрощение конструкции, благодаря использованию способа в качестве рабочего рулевого устройства в виде воздухоотводящего напорного закрытого патрубка для забора и направление сжатого воздуха в напорные закрытые каналы скегов от импеллера; увеличение коэффициента полезного действия, благодаря контактной связи диффузора с напорными каналами и динамики воздействия газового потока до сверхкритической скорости в сторону его выхода в атмосферу за кормовой частью судна, при этом безопасность и простота управления при скоростных характеристиках судна на сжатом пневмопотоке с лучшей управляемостью в целом.
Технический результат - управление газовыми потока и водовоздушными потоками, уменьшение рыскания судна и повышение его устойчивости по курсу, т.е. расширение функциональных возможностей известного судна на воздушной подушке.
Указанный технический результат достигается тем, что способ обеспечения управления судном на сжатом пневмопотоке, имеющим корпус с движительной установкой, создающей давление воздуха под днищем и двигающей судно, днище выполнено из частей, размещенных под различными углами, причем днище, оборудовано боковыми скегами, оборудованными внутри продольными напорными каналами, выполненными в виде полых сквозных труб из легкого алюминиевого сплава, и продольным уступом, прикрепленным к переходной закрытой части днища, являющейся продолжением сопла, отличающийся тем, что над продольным уступом на выходе воздушного канала устанавливают рулевое устройство в виде поперечного напорного патрубка, в который поступает часть воздушного потока, поперечная стенка напорного патрубка имеет короткие выпускные патрубки, снабженные клапанами, кинематически связанными с возможностью поворота клапанов рукояткой вокруг соответствующей оси вращения тяги, обеспечивая совместное перемещение двух клапанов, перекрывающих и открывающих выпускные патрубки, причем выпускные патрубки через диффузоры подсоединены к продольным напорным каналам, выходящая струя газового потока из которых направляется в атмосферу сзади кормовой части судна, причем дополнительно выполняют второе рулевое устройство между внутренними боковыми стенками скегов и установленным дополнительным продольным уступом в днище кормовой части корпуса, выполненное в виде независимо поворачивающихся отдельных друг от друга створок, смонтированных на каждой отдельной оси с возможностью поворота и прилегания их по высоте к внутренней стенке скега, с возможностью разделения силы потока на подъемную и приводную для поворота с помощью перетока газоводяной струи.
Кроме того, поперечный напорный патрубок с поперечной стенкой выполняют в виде камеры с установленными короткими патрубками с клапанами, и короткие патрубки соединяют с начальным участком изогнутых частей напорных продольных каналов в боковых скегах через диффузоры.
Кроме того торможение осуществляют путем плавного поворота одновременно обеих створок для перекрытия пневмоканалов между дополнительным продольным уступом и боковыми стенками скегов.
Кроме того, поперечный щелевой воздухоотводящий напорный патрубок с поперечной стенкой выполняют в виде камеры с установленными короткими патрубками с клапанами, и короткие патрубки соединяют с начальным участком изогнутых частей закрытых напорных каналов в боковых скегах через диффузоры.
Кроме того, торможение осуществляют путем плавного поворота одновременно обеих створок, созданием перекрытия пневмоканалов между продольным уступом посредством открытия со стороны боковых стенок скегов.
Особенность вновь предложенного судна на сжатом пневмопотоке в том, что существует необходимость в разработке простого и удобного средства управления судном на сжатом пневмопотоке, в особенности маломерного судна, преодолевающего указанные выше недостатки и обеспечивающего управление таким судном. Кроме того, поток сжатого воздуха из закрытого патрубка вначале поступает в короткие патрубки с управляемыми клапанами кинематически связанными для совместного поворота клапанов рукояткой вокруг соответствующей оси вращения тяги, обеспечивая совместное перемещение обоих клапанов вправо или влево, далее сжатый воздух поступает в диффузор, создает в нем дополнительное давление, обеспечивающего его в сопле сверхкритический перепад давлений и направляется в боковые продольные напорные каналы внутри скега. При истечении из суживающегося сопла, работающего на сверхкритическом перепаде давлений, струя сжатого воздуха, имеющая на выходе скорость звука, продолжает расширяться, скорость ее становится сверхзвуковой в сторону продольных напорных каналов внутри скегов, т.е. струя воздуха (газа) имеет сверхзвуковую скорость воздуха, таким образом, скоростной напор воздуха увеличивается по длине продольных сквозных каналов внутри скегов вплоть до выхода его сзади кормы судна в атмосферу. В отношении того, что касается поворотов судна, то здесь наступает момент, когда необходимо изменение перекрытия короткого патрубка, снабженного клапаном, для поворота и будет обеспечивать и поворот сжатого воздуха в ту или иную сторону поступление нагнетание и выхода из продольного канала боковых скегов - большего или меньшего, создаваемого давления воздуха (газового потока) на критическом режиме на выходе в атмосферу сзади кормы судна, когда достигается сверхзвуковая скорость потока воздуха.
Следует отметить также то, что установка дополнительно возможного поворота створок с осью вращения тягами, которые передают усилие через рычаг на носовой руль (рулевую колонку) с внутренней стороны стенки скегов, расположенных между продольным уступом со стороны кормы, позволяет отклонять экипажем колонки вправо или влево и передает усилие на кормовые отдельно закрепленные створки (рули), что особенно это будет заметно при совместной работе изменения перекрытия коротких патрубков, снабженных клапанами и поворот сжатого воздуха (газового потока). В целом это повышает точность и безопасность управления разной газовой и водной средой, снижая физическое и психологическое напряжение у водителя, что проявляется при маневрировании судном в сложных ситуациях. Сохраняется высоконапорное давление сжатого воздуха в пневмоканалах на всем протяжении пути движения судна, что дает снизить потребность мощности импеллера, используемого для создания формирующего газодинамическую струю воздуха высокого давления и сохранения его, когда движение судна происходит по прямому пути движению. В отношении того, что касается поворотов судна, то здесь наступает момент, когда необходимо поочередно перекрывать короткие патрубки клапанами в ту или иную сторону поворота и выход сжатого воздуха в боковой напорный канал скега или же каждую створку в отдельности также поворачивать синхронно под днищем судна в кормовой части днища расположенную между уступом у кормовой части на поворотах. Таким образом, двумя разными рулями с тягами можно управлять поворотом судном вышеотмеченными рулями. При управлении судном на сжатом пневмопотоке учитывается комплекс сил и моментов, обусловленных работой каждыми рулевыми устройствами судна, обеспечивается эффективность и безопасность маневрирования его в режиме движения на воздушной подушке.
Таким образом, струю высокоскоростного воздуха можно направлять в любой боковой закрытый канал внутри скегов до выхода в кормовую часть в атмосферу, соответственно, управлять на большом ходу движения вправо или влево, как и при отдельной работе створки с отдельной тягой, а также подавляются внутренние возмущающие факторы под днищем судна между боковыми стенками скегов. При этом одновременно увеличивается нагнетание воздуха в противоположный пневмоканал от острия выступа в кормовой части при повороте одной из створок вправо или влево под днищем судна. Импеллер Размещен в носовой оконечности, и точка приложения силы находится впереди центра массы судна, что обеспечивает создание и для поворота, соответствующего разворачивающего момента, связанного с поворотом поворачивающейся створки, между размещенным продольным порогом и створкой, закрепленной осью вращения к боковой стенке скега, а тяга выводится сверху на палубу, соединенной с рулевой колонкой экипажа (не показано для упрощения), момент который связан с поворотом самой створки, перекрывающей это свободное пространство при ее повороте. Угол поворота каждой из створок по вертикали сохраняет и перераспределяет (направляет) данную часть сжатого воздуха во второй открытый пневмоканал, что дает использовать и направить газодинамическую струю воздуха высокого давления для поворота судна. Поэтому для поворота судна, кроме наступления момента, когда необходимо будет использовать поворот створки, которая находится в толще потока воды в рабочем положении, касаясь водной поверхности при движении судна прямолинейно по курсу в поперечном патрубке в передней части судна, и обеспечить момент поступления большего сжатого воздуха в один из напорных каналов скега, то здесь может вступать в работу и непосредственно по варианту и створка на оси вращения в виде руля, размещенная под днищем в кормовой части судна. Боковая сила, вызванная углом дрейфа и наклоном на внутренний борт при повороте, позволяет осуществлять управление курсом судна, когда меняется направление сжатого воздуха в том или ином варианте выполнения.
Кроме того, такая конструктивная компоновка установки поперечного закрытого патрубка, соединенного с установленными короткими патрубками, снабженными клапанами, кинематически связанными с возможностью поворота клапанов общей рукояткой (тягой) вокруг соответствующей оси вращения тяги, и конструктивная форма выполнения клапанов, перекрывающих короткие патрубки и, связь последних с диффузором, позволяет повысить выход из диффузора скоростной напор потока воздуха при поступлении в боковые напорные каналы внутри боковых скегов на критическом выходе, достигая сверхзвуковой скорости потока и выхода в атмосферу, происходит поворот судна вправо или влево, или, наоборот, по прямолинейному пути движения судна по курсу.
Соответственно при этом поворотные створки под днищем судна в кормовой части при складывании к внутренней стенке скегов позволяют уменьшить сопротивление трения днища корпуса в сторону кормовой части, что значительно увеличивает скорость. По варианту выполнения, можно также каждой из разворачивающейся створки по отдельности, проводить и поворот судна вправо или влево с помощью тяги с осью вращения. В последнем случае, используется поворот водовоздушной смеси потока в толще воды и перетока в следующий пневмоканал в кормовой части судна. При этом сам блок управляемых клапанов в поперечном напорном патрубке, который образует камеру, позволяет осуществлять промежуточные режимы работы при движении судна и регулировать направление сжатого пневмопотока (газового потока) в боковые напорные каналы скегов.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Реализация отличительных признаков изобретения обуславливает появлению важных новых свойств объекта: происходит отклонение струи воздуха при выходе из поперечного закрытого патрубка (камеры) с клапанами и с диффузорами в ту или иную сторону, имеющую связь с боковыми напорными каналами внутри скегов цельными стенками из легкого металла (алюминий), выход сжатого воздуха которого происходит в задней кормовой части в атмосферу и касаясь водной поверхности сзади судна, т.е. упор, происходит в толщу потока, а значит, судно резко набирает скорость движения по курсу. Изменения положения клапанов с дополнительными короткими патрубками с диффузорами, подающих высокоскоростной поток воздуха, регулируют высокое давление в продольных напорных каналов скегов в сторону кормовой части судна, соответственно, можно поворачивать судно в ту или иную сторону при работе каждого бокового канала скега. А по варианту выполнения, изменения положения внутренних каждой в отдельности створки со стороны внутренней стороны скегов также дополнительно обеспечивает суммарный поворот водновоздушной смеси перед продольным порогом в кормовой части судна (закрывая пространство между боковой стенкой порога и боковой стенкой скега), соответственно, уменьшается рыскание судна и увеличивается устойчивость по курсу поворота.
Таким образом, струю сжатого воздуха можно направлять в любой боковой напорный канал скега, а также и под днищем между боковой стенкой порога и боковой стенкой скега под днищем в кормовой части одновременно, соответственно управлять на большом ходу движения вправо или влево, а также подавляется внутренние возмущающие факторы под днищем судна в случае работы (как вариант выполнения створки) между боковой стенкой продольного порога и внутренней боковой стенки скега. Таким образом, компоновка вертикальных рулевых створок, выполненных в виде двух независимо поворачивающихся у внутренних стенок скегов напротив продольного выступа в кормовой части судна, смонтированных каждая в отдельности на оси вращения с тягой по высоте стенки скега и изменением расстояния для перекрытия этого пространства между ними позволяет повысить дополнительно управляемость судна на высоких скоростях, рулевые створки находятся в толще потока только на одном уровне нижней кромки скега и по высоте его в рабочем положении, касаясь водной поверхности при движении судна прямолинейно по курсу в одной вертикальной плоскости, совпадающей с высотой стенки скега.
Торможение такого судна осуществляется посредством увеличения силы сопротивления движению судна, действующей на выдвижение рулевых створок при их перекрытии свободного пространства между боковыми стенками продольного выступа и боковыми стенками скегов, посредством увеличения силы сопротивления движению судна, при уменьшении подачи воздуха как в каналы внутри скегов, так и под днище судна одновременно импеллером на малой скорости судна, так как створки расположены в толще воды со скегами в кормовой части между порогом.
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Изложенное выше позволяет, по мнению заявителя, следует вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 схематически изображено предлагаемое судно на сжатом пневмопотоке, вид сверху с вырезом в верхней части корпуса;
на фиг. 2 изображен вид сбоку с вырезом в борту с прилегающей створкой к боковой стенке скега;
на фиг. 3 представлен предлагаемый узел с поперечным закрытым патрубком, снабженным дополнительными короткими патрубками с клапанами, продольный разрез;
на фиг. 4 представлен участок с поперечным закрытым патрубком с дополнительными короткими патрубками, выход которых выполнен в виде диффузора.
Заявленный способ обеспечения управления судном на сжатом пневмопотоке представленный на прилагаемых чертежах не является ограничивающим, он служит лишь для демонстрации основных принципов данного изобретения, объем которого определяется приложенной формулой изобретения.
Судно на сжатом пневмопотоке, в котором используется система управления по настоящему изобретению, содержит импеллер 1, расположенный в носовой части судна, где движение происходит в закрытом пространстве корпуса 2, переходной закрытый участок 3, который имеет одинаковую ширину на выходе и закрыт сверху и снизу с возможностью образования внутри него воздушного напорного потока. При этом конец переходного участка 3 снабжают уступом 4 с усеченной стенкой 5. Над уступом 4 выше стенки 5 устанавливают поперечный закрытый напорный патрубок 6, соединенный с соплом 7 переходного участка 3. Поперечный закрытый патрубок 6 соединяют с дополнительными короткими патрубками 8 и 9, снабженные клапанами 10 и 11, кинематически связанными тягой 12 и через ось 13 вращения с тягой 14, которая находится сверху корпуса 2 и связана с рукояткой управления экипажем (не показано). Важно лишь, чтобы это крепление обеспечивало получение кинематической связи, позволяющей совместно перемещать клапана 10 и 11 вправо или влево при приложении некоторого усилия, не превышающего заранее заданное значение. То есть поворот, скажем рукоятки экипажа по часовой стрелке или против часовой стрелки должен приводить к такому же совместному повороту открытия клапаном 10 дополнительного патрубка 8 и, наоборот, закрытия клапаном 11 дополнительного патрубка 9, которые через диффузоры 15 и 16 подсоединены к напорным закрытым каналам 17 и 18, выполненных в виде полых и сквозных труб 17 и 18 из легкого алюминиевого сплава, размещенных внутри боковых скегов 19 и 20, выходной конец которых установлен в конце кормы судна, при этом отсутствует сообщение с пеневмоканалом под днищем судна. Уступ 4 выполненный в виде делителя потока воздуха, установлен острым концом в сторону воздухозаборного устройства в виде импеллера 1, выполненным таким образом, чтобы над ним можно было закрепить поперечный продольный напорный патрубок 6 с дополнительными короткими патрубками 8 и 9. Таким образом, продольный патрубок 6 заполняется сжатым воздухом для распределения и поступления его в короткие патрубки 8 и 9 одновременно при открытии клапанов 10 и 11 или, наоборот, для поворота воздуха, соответственно и поворота судна за счет выхода высокоскоростной струи в атмосферу сзади кормы, например, через напорный канал 17 скега при открытом клапане 10, а при закрытом клапане 11 выход высокоскоростной струи в напорный канал 18 скега отсутствует. При истечении сжатого воздуха из диффузоров 15 и 16, сопла которых предназначены для выхода сжатого воздуха в напорные каналы 17 и 18 скегов имеют движение в виде сверхзвукового расширяющимся соплом диффузоров 15 и 16 с поворотом сжатого воздуха под углом в сторону напорных каналов 17 и 18 боковых скегов. В целом это сохраняет закрытые каналы (сквозные) с высоким напорным давлением и движение сжатого воздуха с выходом в атмосферу при движении судна прямолинейно или с возможностью его поворота по заданному курсу, управляемого экипажем, чем достигается прирост скорости хода. В кормовой части корпуса под днищем закрепляют дополнительно уступ 21, который имеет скос под углом «α°» в сторону носовой части с воздухозаборным каналом нагнетательного устройства в виде импеллера 1 с соплом 7 и переходного участка 3. Таким образом, плоское днище в зоне кормовой части судна разделяют уступом 21 со скосом его боковых стенок, и образует два узких пневмоканала 22 и 23, которые дают возможность для прохода воздушного сжатого потока в виде сквозных выходов сзади судна. При этом между зоной размещения уступа 21 с пневмоканалами 22 и 23 к боковой стенке скегов 19 и 20 закрепляют створки 24 и 25 с осью 26 и 27 поворота их в сторону уступа 21. Поворот рулевых устройств 24 и 25 может быть осуществлен с помощью применения конструкции с горизонтальной рейкой на палубе корпуса (не показано) в виде зубчатых выступов, узел которых каждой в отдельной из створок 24 и 25 связан с каждой осью 26 и 27 вращения поворотных рулей (не показано). Таким образом, размещение створок 24 и 25 в боковой стенке скегов может быть выполнено заподлицо со стенкой скега напротив уступа 21 на вертикальной оси 26 и 27 с возможностью их открытия и закрытия просвета, например узкого пневмоканала 22, обеспечивающего подпор сжатого воздуха и переход его через острие уступа 21 в узкий пневмоканал 23, т.е. обеспечить как дополнительный поворот рулевых устройств 24 и 25, а в прямолинейном движении судна, створки 24 и 25 примыкают в ниши к боковым стенкам скегов 19 и 20. Таким образом, створки 24 и 25 под днищем суда регулируют давление внутри общего канала и дают возможность общего выхода пневмопотока в кормовую часть пневмоканала, осуществляется поворот судна по курсу, т.е. образует общий выход пневмопотока с общим управлением работы напорных замкнутых каналов напорным закрытыми каналами 17 и 18 для поворота судна. Форма и параметры двух пневмоканалов 22 и 23 и продольного уступа 21 со скосом выбираются расчетно-экспериментальным путем. При повороте судна экипажем вправо-влево используется направление сжатого воздуха предложенными устройствами за счет усилий выхода скоростных струй в кормовой части в атмосферу, т.е. комплексом проявляющихся сил и моментов, обусловленных работой рулевых устройств (напорных закрытых каналов скегов, а также при наличии вращающихся створок), так как, например, рулевые устройства 22 и 24 снабжены на палубе судна регулируемыми тягами (например, аналогично рулю автомобиля). А рулевые клапана 10 и 11 дополнительных коротких патрубков 8 и 9 снабжены общей тягой для перепуска сжатого воздуха в каждый из напорных каналов 17 и 18 скегов 19 и 20.
В закрытом положении обе створки 24 и 25 со стороны боковых стенок скегов 19 и 20 расположены в одной вертикальной плоскости и в оном направлении в сторону кормовой части (руля) на осях 26 и 27 крепления. Рулевые устройства не мешают эксплуатации судна при прямолинейном движении судна в зимних условиях, и при движении по земле, льду или снегу, а также и на воде, что позволяет осуществлять управлением курсом судна. Все это в целом вызывает экономичность судна на сжатом пневмопотоке в сравнении с известным техническим решением и обеспечивает надежность судна.
Естественно, что взаимосвязь всех элементов перед соплом импеллера и в кормовой части корпуса судна, а также форма выполнения рулевых устройств с учетом использования диффузора и импеллера позволяет существенно учитывать режим динамически стабилизированного выпуска сжатого воздуха как в закрытые напорные каналы скегов, так и выпуска пневмопотока в каналах, управляя в носовой закрытой части судна и в кормовой части судна, что обеспечивает создание соответствующего разворачивающего момента.
Способ обеспечения управления судном на сжатом пневмопотоке работает следующим образом.
кр
На стоянке это судно опирается на бортовые скеги и дно судно. Для поступательного движения судна в действие приводится импеллер 1. При работе импеллер (движитель) создает горизонтальную тягу, воздух подается в сопло 7, делится уступом 4, создающим также и подпор, создает дополнительно избыточное давление в закрытом участке 3, воздушный поток разделяется на несколько самостоятельных струй достаточно высокого давления. Одна часть его поступает в поперечный продольный закрытый канал, выполненный в виде поперечного патрубка 6. Происходит перераспределение сжатого воздуха в дополнительные короткие патрубки 8 и 9 на части. Поток воздуха разгоняется в диффузорной части 15 и 16 с минимальной площадью поперечного сечения в сторону напорных каналов 17 и 18 (при открытых клапанах 10 и 11) за счет сверхкритического перепада давлений (для воздуха ΔР=0,2 МПа). Критическое сечение кольцевого сопла 15 и 16 расположено в области сопряжения входного напорного канала 17 и 18 расположенного внутри и по длине скегов 19 и 20, выполненных в виде полых сквозных труб из легкого алюминиевого сплава (внутренняя поверхность таких труб имеет малую шероховатость на сопротивление). Далее поток воздуха проходит в выполненном в одном сечении сечение по длине труб 17 и 18. Вследствие этого поток сохраняет приобретенную сверхзвуковую скорость порядка М=2…4 (М - число Маха). В результате резко увеличивается тяга судна в прямолинейном движении в атмосферу, поскольку выход воздуха также смешивается (ударяется с водной - происходит «отталкивание» судна за счет гозоводяной смеси, т.е. используется максимальный эффект для выхода сжатого воздуха из диффузора 15 и 16 с соплом. При этом подача давления воздуха в напорные каналы 17 и 18 выбирается из условия заполнения напорных продольных каналов 17 и 18. Далее при прохождении потока воздуха со сверхзвуковым газовым потоком, вектор скорости которого совпадает с направлением расположения каналов 17 и 18, происходит его выход сзади кормы в атмосферу.
Естественно, что для управления поворота судна с учетом устройства коротких патрубков 8 и 9, в каждом из них должны будут перемещаться одновременно клапана 10 и 11 кинематически связанные через ось 13 вращения с тягой 14, которая находится сверху корпуса судна и управляться экипажем, вправо или влево. В этом случае тяга потянет соответствующие поворотные клапана (рули) в разные стороны. В результате поворотные рули 10 и 11 (левый и правый) повернуться так, что один откроет выпускное отверстие в коротком патрубке с диффузором, а другой руль закроет выпускное отверстие в коротком патрубке с диффузором, и практически обеспечит тот или другой напорный канал 17 или 18 тяги сжатым воздухом, судно начнет поворот. Понятно, что в случае такого конструктивного решения устройства, функционирование его будет, происходит выполнением этого поворотного элемента связи. Таким образом, рычаг управления (не показан) обеспечивает нужное срабатывание клапанов 10 и 11 для подачи воздуха от импеллера 1 повышенного давления в сторону продольных напорных каналов 17 и 18, расположенных внутри скегов 19 и 20 корпуса 2.
Другая часть потока высокого давления распределяется под днищем корпуса судна, и дальше под днищем продолжает поступать прямолинейно в сторону расположения навстречу уступу 21 со скосом, разделяется им и подается в пневмоканалы 22 и 23 и выходит также сзади кормовой части судна, что обеспечивает суммарную, вышеотмеченную, горизонтальную силу движения судна на стартовом этапе, затем судно быстро разгоняется. При этом створки 24 и 25 поворота, размещенные на боковых внутренних стенках скегов 19 и 20 одновременно размещаются в одной вертикальной плоскости, что обеспечивает открытие пневмоканалов 22 и 23, т.е. каждая из них складывается в одну вертикальную стенку, совпадающую с продольным расположением боковых стенок скегов 19 и 20, это не создает фонтанирования струй вверх, и они не выходят за пределы самой кромки скегов, так как прикрыты сверху днищем судна. В то же время не допускается выплесков воды за борта скегов при больших скоростях движения и поворота устройства в виде поперечного воздухоотводящего напорного закрытого патрубка 6 со стороны передней части судна с управляемыми клапанами 10 и 11, так как в передней части судна они прикрыты сверху замкнутым соплом 7 и переходным закрытым участком 3.
Так как вторая часть общего воздуха от импеллера 1 уменьшена от потребного расхода воздуха по всей ширине и длине днища, и поступает в два узких пневмоканала 21 и 21 и не выходит из-под днища по всему контуру, соответственно, в результате поворота (как дополнительный вариант к вышеизложенному) поворота газоводяного потока, например поворот левой створки 24 закрепленной к внутренней стенке скега 19, уменьшается существенно выход газоводяного потока в кормовую часть, так как пневмоканал 21 закрывается, а пневмоканал 22 открыт, так как правая створка 25 открыта в сторону крепления ее с осью вращения к борту скега 20, складывающаяся в одну с вертикальной стенкой скега 20. Сила сопротивления, действующая на левую створу 24 и скег 19, создает переток воздуха в открытую правую часть пневмоканала 22, обогнув острие уступа 21, создает момент, разворачивающий судно. Боковая сила, вызванная углом дрейфа и накренением на внутренний борт при повороте, позволяет осуществить и в этом варианте управление курсом судна. При этом в целом достигается повышенный угол крена и возрастает величина бокового усилия со стороны кормовой части судна от разницы нагнетания воздуха как в напорный закрытый канал внутри скега, так и от разницы нагнетания воздуха в оба пневмоканала, разделенного продольным уступом в кормовой части днища судна, действующей на судно при управлении им. Для повышения маневренности, в частности обеспечения поворотов по малым радиусам необходимо использовать оба варианта в своем использовании поворота потока воздуха (как воздушного, так и газоводяного устройствами). Кроме того, предложенная конструкция рулей с устройствами обеспечивает вместе с их работой и синхронный момент в заданную сторону поворота судна. При этом во время движения судна по воде обеспечивается поперечная и продольная устойчивость, как и при движении судна по земле и траве, так как все подвижные элементы расположены выше нижних концов скегов и внутри под днищем корпуса. Задача состояла в поиске усовершенствования простого технического решения на работе только сжатого потока воздуха, которое бы наиболее оптимально характеризовало бы минимальное сопротивление скоростного в движении судна, далее до крейсерской скорости. Это вызывает экономичность на сжатом пневмопотоке судна, т.е. большая отдача подведенной к нему мощности.
v⋅вх.
вx
v
v⋅вх.
v
2
От напора зависит производительность управляемых устройств (объемный воздух). Так при работе нагнетателя в виде импеллера на его входе образуется разряжение: P=ρV./2, а на выходе создается давление, так называемое полное давление за нагнетателем P. Таким образом, полный напор нагнетателя составит P+P.
возд.
x
х
pv2
Воздушное сопротивление вычисляется по формуле Х=C-S/2, где p - плотность воздуха; V - скорость движения судна; S - площадь поперечного сечения пневмоканалов; С - коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от формы судна.
мин
Импульсное сопротивление зависит от массы воздуха, подаваемого нагнетателем в виде импеллера в пневмоканалы, и скорости движения судна, то есть Х.=pQV, где p - плотность воздуха; Q - объемный расход воздуха в пневмоканалах; V - скорость движения судна.
Таким образом, при управлении судном на сжатом пневмопотоке комплекс перечисленных сил моментов обусловлен работой рулевых устройств судна в целом, и совместная работа таких рулей также важна, - это способствует повышению маневренности судна и, в частности обеспечения поворотов (разворотов) по малому радиусу, таким образом, судно приобретает дополнительный разворачивающий моменте сторону опущенного борта, обеспечивается безопасность маневрирования его в режиме пневмопотока. При достижении сверхкритической скорости выхода воздуха из продольных закрытых каналов в скегах в атмосферу обеспечивает не только требуемый прямолинейный режим движения судна, но и поворот судна в движении с предложенными устройствами. Торможение такого судна используется также обе створки на осях вращения, которые выдвигаются со стороны боковых стенок скегов в сторону продольного уступа в кормовой части, используя уменьшенные обороты двигателя импеллера, до его полное остановки.
Совокупность признаков и степень раскрытия сущности изобретения достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлении судна на сжатом пневмопотоке. Предлагаемое техническое решение может быть использовано при создании быстроходных маломерных судов, позволяет достигнуть значительных скоростей перемещения судна, а также способны двигаться по воде, снегу, льду и грунтовым поверхностям.