Воздушная транспортная система
AIR TRANSPORT SYSTEM

Изобретение относится к летательным аппаратам, использующим при полете динамическую воздушную подушку и способным совершать полет как в зоне действия, так и вне зоны действия экранного эффекта, возникающего в результате близости опорной поверхности, т.е. к экранолетам, для создания многофункциональных магистральных транспортных средств.
Известно, что основная масса товаров, доставляемых на дальние расстояния, перевозится морским путем. Морские грузовые перевозки недороги, однако имеют значительные недостатки - большая продолжительность транспортировки (вследствие низкой скорости судов и зависимости от погодных условий на маршруте движения), зависимость стоимости перевозки от массы товаров (чем больше масса груза, тем выше экономическая эффективность). Единственной альтернативой морскому транспорту при транспортировке грузов на межконтинентальные расстояния сейчас являются воздушные грузовые перевозки. Они характеризуются высокой скоростью, надежностью и предлагают высокий уровень гибкости перевозок. Но стоимость перевозки грузов воздушным транспортом значительно выше. Таким образом, существует актуальная задача создания транспортного средства, сочетающего в себе скорость воздушного транспорта и низкую стоимость перевозки, конкурентную с судами-контейнеровозами.
Решением данной проблемы может быть создание летательного аппарата, использующего при полете динамическую воздушную подушку и способного совершать полет как в зоне действия, так и вне зоны действия экранного эффекта. Известны положительные свойства экранного эффекта в полете - снижение лобового сопротивления и повышение подъемной силы крыла. Использование этих свойств позволит существенно снизить расход топлива при протяженных перелетах. В тоже время существует и ряд недостатков:
- экраноплан «привязан» к поверхности, эффективная высота полета колеблется в пределах нескольких метров, и он не может лететь над неровной поверхностью;
- низкая маневренность, так как экраноплан, как и самолет, для изменения направления движения должен создавать центростремительную силу, единственным источником которой является крыло. При небольшой высоте полета экраноплана допустимые крены очень малы, а требуемые радиусы поворотов слишком велики;
- управление экранопланом отличается от управления самолетом и требует специфических навыков;
- хотя полет «на экране» и связан с меньшими, чем у самолета энергетическими затратами, однако процедура старта требует большей тяговооруженности и соответственно, применения дополнительных стартовых двигателей, не задействованных на маршевом режиме, либо особых стартовых режимов для основных двигателей, что ведет к дополнительному расходу топлива;
- выгоды от меньших энергетических затрат при полете «на экране» нивелируются тем, что экраноплан летит на малой высоте, где плотность атмосферы максимальна.
В результате, по совокупности показателей, экранопланы не только не имеют никаких преимуществ перед существующими транспортными средствами, но и проигрывают абсолютно по всем параметрам обычным самолетам и кораблям: корабли значительно превосходят их по водоизмещению, самолеты - по скорости и гибкости использования.
Известны транспортные летательные аппараты, использующие при полете динамическую воздушную подушку и способные совершать полет как в зоне действия, так и вне зоны действия экранного эффекта (близости опорной поверхности).
Это экранолеты, которые являются разновидностью экранопланов, и в соответствии с классификацией Международной морской организации сертифицированы для эксплуатации не только в зоне действия экранного эффекта, но и в режиме свободного полета на значительном удалении от опорной поверхности в пределах воздушного пространства, не занимаемого большой авиацией.
Экранолет имеет ряд неоспоримых преимуществ перед экранопланом: для полета ему не всегда нужна ровная опорная поверхность, как экраноплану, поскольку он лишен ограничений по преодолению препятствий и способен длительное время совершать полет на неограниченной высоте. Конечно, такая машина должна быть достаточно маневренной и легкоуправляемой, иметь возможность резкого увеличения подъемной силы, низкие взлетно-посадочные режимы и безопасную крейсерскую скорость.
Современные экономические интересы заставляют вновь обратить внимание на уникальные свойства этого мобильного, независимого от инфраструктуры, экономичного и достаточно скоростного вида транспорта. Классическая транспортная система значительно перегружена, в то время как непосредственно околоземное пространство остается неосвоенным, поэтому конструирование и разработка новой «экранной» техники в настоящее время имеет научно-практическую значимость. Особенно актуальна эта тема в связи с освоением удаленных районов Арктики и Сибири.
Известен спасательный экраноплан (RU №2546357, 2013 г.), являющийся тримаранным судном и содержащий три фюзеляжа-корпуса, соединенные между собой прямоугольными крыльями, причем фюзеляж-корпус, расположенный на оси симметрии экраноплана, выдвинут вперед, киль, стреловидный стабилизатор, турбореактивные двигатели, фюзеляжи-корпуса выполнены реданными, многоярусными (многоэтажными) и разделены на герметизируемые отсеки по длине, при этом боковые фюзеляжи-корпуса выполнены удлиненными не менее чем в два раза по отношению к длине третьего фюзеляжа-корпуса, расположенного на оси симметрии экраноплана, при этом одно из прямоугольных крыльев выполнено проходным с расположенным внутри него коридором сообщения для прохода в боковые фюзеляжи-корпуса, содержащий спуско-подъемное устройство для спасательного подводного аппарата, при этом внизу реданной части каждого фюзеляжа-корпуса выполнены ниши, в которые вмонтированы выдвижные подводные крылья с площадью, изменяемой с помощью дистанционного управления, на передней верхней части фюзеляжа-корпуса, находящегося на оси симметрии экраноплана установлен аэродинамический руль поворота.
Недостатком этого устройства является то, что для экранопланов старт с водной поверхности связан с преодолением значительного гидродинамического сопротивления, максимум которого у экраноплана наблюдается на скоростях около 0,8 от скорости отрыва от воды. При таких скоростях отрыва гидродинамические нагрузки, действующие на корпус или специальные стартовые элементы, оказываются значительными и ввиду этого экраноплан подвержен высоким динамическим нагрузкам на фюзеляжи при взлете и посадке на водную поверхность.
Известна также наземная высокоскоростная транспортная система (RU №2677215, 2017 г.), включающая многофункциональный магистральный экранолет, содержащий эллиптический фюзеляж с неубирающимися шасси, расположенными под фюзеляжем, верхние несущие крылья, при этом в центральной и хвостовой части фюзеляжа смонтированы двухконтурные двигатели с тяговыми винтами, выполненные с возможностью приведения во вращение вспомогательных систем и механизмов, установленные на ходовой части, содержащей прямоугольную в плане раму с продольными и поперечными балками, опирающуюся на ходовые колеса, а в хвостовой части установлено соответственно горизонтальное оперение с рулем, при этом она включает эстакаду с опорой, на которой размещены параболические направляющие, образующие совместно с крыльями камеры воздушной подушки, симметричные оси фюзеляжа, при этом на верхних краях указанных направляющих прикреплены токосъемные накладки из композитных материалов.
Недостатком этого устройства является неэффективность известной схемы обдува с малым давлением под крылом, обусловленная обособленной компоновкой воздушного винта и крыла-консоли, отсутствие возможности маневра в продольном и боковом направлении управления экранолетом.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является гибридный экранолет (RU №174731, 2017 г.), выполненный по аэродинамической схеме «летающее крыло» и содержащий несущее крыло-корпус с верхней выпуклой поверхностью, фюзеляж, органы управления, силовую установку и движительную установку с воздушными роторами, над корпусом установлено дополнительное верхнее крыло, а в задней части корпуса установлен дополнительный движитель - воздушный винт, силовая установка выполнена гибридной на основе электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, которые в совокупности с движителями работают как единый энергетический комплекс, обеспечивающий подъемную силу и силу тяги.
Недостатком этого устройства является необходимость использования дополнительных двигателей для создания подъемной силы, которые не используются в полете, они просто включаются на взлете, а в полете разгонные двигатели отключаются, остается маршевый двигатель, создающий тягу для обеспечения всего полета летательного аппарата.
Задачей изобретения является создание эффективной аэродинамической и энергетической схемы воздушной транспортной системы, объединяющей в себе лучшие качества известных летательных аппаратов, расширение функциональных возможностей для перевозки пассажиров и грузов, а также обеспечение возможности использования части двигателей только при старте, когда требуется максимальная мощность и последующая отстыковка и возвращение их на землю в автоматическом режиме при выходе транспортного экранолета на маршевый режим полета.
Требуемый технический результат достигается тем, что воздушная транспортная система представляет собой транспортный экранолет, имеющий фюзеляж, состоящий из кабины с органами управления в носовой части, отсека с грузовым или пассажирским салоном в средней части и погрузочно-разгрузочной двери в кормовой части. Фюзеляж также содержит несущее крыло обратной стреловидности в средней части фюзеляжа и расположенные над его поверхностью двигатели с толкающими винтами. В этой конструкции используется главный принцип принудительный обдув верхней плоскости крыла, из-за которого на нем создается значительное разрежение и заметно увеличивается подъемная сила. Кормовая часть фюзеляжа представляет собой двойное хвостовое вертикальное оперение, соединенное со вторым аэродинамическим крылом, фюзеляж снизу оборудован многоколесным взлетно-посадочным устройством. Над фюзеляжем сверху и по его бортам с помощью системы крепления пристыкован корпус беспилотного разгонно-стартового устройства в виде аэродинамического крыла, снабженного двигателями с тяговыми винтами в носовой части и вертикальным рулем в кормовой части, шасси и системой управления.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 и Фиг. 2 представлена схема воздушной транспортной системы:
1. - фюзеляж транспортного экранолета;
2. - корпус беспилотного разгонно-стартового устройства;
3. - несущее крыло транспортного экранолета;
4. - двигатели с тяговыми винтами разгонно-стартового устройства;
5. - двигатели транспортного экранолета;
6. - вертикальный руль разгонно-стартового устройства;
7. - второе аэродинамическое крыло транспортного экранолета;
8. - двойное хвостовое вертикальное оперение транспортного экранолета;
9. - взлетно-посадочное устройство транспортного экранолета.
На Фиг. 3 представлена схема беспилотного разгонно-стартового устройства, где:
10. - система крепления разгонно-стартового устройства к фюзеляжу транспортного экранолета;
11. - шасси разгонно-стартового устройства.
На Фиг. 4 представлена схема транспортного экранолета.
На Фиг. 5 представлена схема системы крепления беспилотного разгонно-стартового устройства к фюзеляжу транспортного экранолета, где:
12 - Т-образная направляющая беспилотного разгонно-стартового устройства;
13. - направляющий желоб;
14. - убирающийся стопор;
15. - толкатель;
16. - поршень;
17. - запал.
Изобретение работает следующим образом: перед стартом на фюзеляж транспортного экранолета (1) устанавливается разгонно-стартовое устройство (2) и крепится с помощью системы крепления (10), управление обоими составными частями воздушной транспортной системы осуществляется из транспортного экранолета при пилотируемом полете или оператором при эксплуатации системы в беспилотном варианте.
При старте запускаются расположенные на несущем крыле (3) транспортного экранолета (1) двигатели (5) с толкающими винтами, которые создают подъемную силу, одновременно запускаются и двигатели с тяговыми винтами (4) разгонно-стартового устройства. Воздушные винты всех двигателей воздушной транспортной системы во время работы формирует поток воздуха, создающий пропульсивную тягу, необходимую для поступательного движения аппарата в воздухе. При взлете двигатели работают с максимальной мощностью, происходит разбег и взлет системы.
После взлета и набора заданной высоты полета, за счет большой поверхности, обдуваемой винтами, и всасывающего эффекта возникает существенный прирост массы перебрасываемого воздуха, в результате чего повышается подъемная сила крыла и усиливается тяга, а экранолету для поддержания в воздухе потребуется меньшая мощность двигателей (4, 5), и она при этом будет максимально преобразовываться в полезную работу.
Во время старта давление под корпусом экранолета повышается с набором определенной скорости, высоты и возникновения «воздушной подушки» экрана, а чем меньше скорость, при которой возникает эффект экрана, тем меньше сопротивление воздуха и соответственно, меньше требуемая мощность. Для дальнейшего осуществления полета нет необходимости использовать все имеющиеся в воздушной транспортной системе двигатели (4, 5). Достаточно будет только мощности двигателей транспортного экранолета (5), поэтому осуществляется отстыковка беспилотного разгонно-стартового устройства (2). Для этого система крепления (10) имеет на внешней поверхности фюзеляжа транспортного экранолета (1) направляющий желоб (13), в кормовой части которого помещен толкатель (15), механически жестко связанный с поршнем (16), помещенным в цилиндр, в котором находится горючее вещество и запал (17), в носовой части желоба убирающийся стопор (14). В направляющий желоб при стыковке помещается Т-образная направляющая (12) беспилотного разгонно-стартового устройства (2) и блокируется убирающимся стопором (14). По команде двигатели транспортного экранолета (5) переходят в маршевый режим работы, а двигатели (4) беспилотного разгонно-стартового устройства работают на максимальную мощность, убирается стопор (14), происходит срабатывание запала (17) и воспламенение горючего вещества. Под действием расширения газов вследствие сгорания вещества, поршень (16) и толкатель (15), ударяя в направляющую (12) беспилотного разгонно-стартового устройства (2), выталкивают его из желоба (13), происходит отделение и за счет перекладки горизонтальных воздушных рулей беспилотное разгонно-стартовое устройство (2) резко набирает высоту и уходит с линии движения транспортного экранолета, управление им переходит к оператору или осуществляется в автоматическом режиме. Далее беспилотное разгонно-стартовое устройство (2) осуществляет возвращение на аэродром старта и посадку по-самолетному на имеющиеся шасси (11).
Транспортный экранолет (1) осуществляет движение по маршруту в аэропорт назначения, где и осуществляет посадку с помощью взлетно-посадочного устройства (9), представляющего собой многоколесное шасси. Наличие многоколесных шасси позволяет осуществлять посадку, как на обычные, так и заснеженные площадки и воду. При посадке на снег многоколесные шасси работают как лыжи, при посадке на воду многоколесные шасси работают как дополнительные поплавки.
Воздушная транспортная система позволит осуществлять перевозки пассажиров и грузов на дальние расстояния, максимально эффективно используя возможности динамической воздушной подушки, используя экономичный режим работы двигателей в полете, возможности использования дополнительных стартовых двигателей на взлете и освобождение от них в дальнейшем полете. Географические условия нашей страны, особенно в арктической зоне, наиболее пригодны для использования летательных аппаратов в той или иной мере использующих динамическую воздушную подушку, а с учетом активного освоения этих территорий создают благоприятные условия для добычи полезных ископаемых, развития промышленности, обороны государства и охраны морских биоресурсов.