АМФИБИЙНЫЙ АППАРАТ НА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к средствам транспорта с аэродинамической разгрузкой, в частности, к аппаратам на динамической воздушной подушке.
Уровень техники
Известен экраноплан, патент № DЕ 4405152(А1), опубл. 09.01.1994 г. содержащий центроплан с боковыми шайбами, передние, средние убираемые щитки, винтовой движитель горизонтальной тяги с устройством отбора части потока воздуха и подачи его под центроплан для создания двухкамерной статической воздушной подушки с целью обеспечения продольной балансировки.
Недостатками экраноплана являются:
- низкая маневренность при движении на статической воздушной подушке из-за наличия постоянно действующей силы тяги вперед;
- невозможность использования реверсивного винтового движетеля для снижения посадочной скорости и повышения безопасности;
- низкая безопасность при движении на малой высоте вследствие низкой продольной устойчивости и особенностей колебательного движения по углу тангажа и высоте с высокой вероятностью удара о подстилающую поверхность при отрицательном деференте.
Известно транспортное средство на динамической воздушной подушке, патент № RU 2173644, опубл. 20.09.2001 г. имеет корпус, крыло с закрылками, ручку управления их поворотом, пневмобаллоны, установленные в нижней части скегов, пневмобаллон, установленный на нижней поверхности крыла и корпуса, воздушные винты на поворотном пилоне перед передней кромкой крыла, ручку управления поворотом пилона, вертикальное оперение с рулем направления, стабилизатор. Ручка управления поворотом закрылков и ручка управления поворотом пилона с винтами кинематически связаны между собой для упрощения балансировки и управления.
Недостатками транспортного средства являются:
- низкая маневренность при движении в режиме с поддувом из-за наличия постоянно действующей силы тяги вперед;
- низкая мореходность и надежность из-за возможности повреждения винтовых движетелей о воду;
- низкая безопасность при движении на малой высоте вследствие низкой продольной устойчивости и особенностей колебательного движения по углу тангажа и высоте с высокой вероятностью удара о подстилающую поверхность при отрицательном деференте.
Известно транспортное средство на динамической воздушной подушке, патент № DE 102009004239 (№ WO 2010076776), опубл. 07.08.2010 г., которое имеет корпус, тандемно расположенные крылья с шайбами, убираемым передним щитком и закрылками, воздушные винты перед передней кромкой одного или нескольких крыльев с возможностью направления струи под крылья, стабилизаторы и закрылки кинематически связанные между собой для обеспечения автоматической стабилизации и продольной устойчивости.
Недостатками транспортного средства являются:
- низкая маневренность при движении на статической воздушной подушке из-за наличия постоянно действующей силы тяги вперед;
- невозможность использования реверсивного винтового движетеля в режиме поддува для снижения посадочной скорости и повышения безопасности;
- низкая безопасность вследствии отсутствия собственной аэродинамической продольной устойчивости компоновки и низкой надежности автоматической системы стабилизации, имеющей сложную кинематику и конструкцию;
- наличие ударных воздействий на закрылок-элерон неровностей экранирующей поверхности (волн, снежных и ледяных наростов, плавающих тел и т.д.), вызывающих повреждения конструкции, усложняющих работу пилота.
В качестве прототипа выбран аппарат на динамической воздушной подушке (патент № RU 2188137 опубл. 27.08.2002 г.), содержащий водоизмещающий корпус с хвостовым оперением, два боковых поплавка, переднее и основное крыло с управляемым закрылком, силовую установку с воздушными винтами над передним крылом, заднее крыло-поплавок с V-образной нижней поверхностью, установленное с возможностью контакта хвостовой частью с экранирующей поверхностью, причем центр тяжести аппарата расположен за центром аэродинамического давления.
Недостатками транспортного средства являются:
- низкая маневренность при движении в стартовом режиме с поддувом из-за наличия постоянно действующей силы тяги вперед, невозможность использования реверса винта;
- низкая мореходность и надежность из-за возможности повреждения винтовых движетелей о воду.
Указанные недостатки снижают безопасность и эксплуатационные возможности аппарата.
Раскрытие полезной модели
При разработке предлагаемой полезной модели была поставлена задача повышения безопасности амфибийного аппарата на динамической воздушной подушке и улучшение его эксплуатационных характеристик при маневрировании и в крейсерских режимах движения.
Технический результат заключается в создании управляемой поддерживающей силы аппарата в диапазоне скоростей от нулевой до крейсерской, в том числе при больших углах скольжения, а так же, в повышении подъемной аэродинамической силы и усилении ее зависимости от высоты над экранирующей поверхностью.
Эта задача решается за счет того, что аппарат на динамической воздушной подушке, центр тяжести которого расположен позади центра давления подъемной аэродинамической силы, содержащий корпус с хвостовым оперением, силовую установку с воздушными винтами горизонтальной тяги, центроплан в виде системы тандемно расположенных крыльев с закрылками, кормовым крылом и боковыми шайбами-поплавками, оснащен опорным элементом расположенным в хвостовой части аппарата за задней кромкой кормового крыла на расстоянии не менее половины размаха центроплана от боковых шайб-поплавков и контактирующим с экранирующей поверхностью, нагнетателями статической воздушной подушки, гибким ограждением под передней кромкой переднего крыла, при этом задние кромки крыльев примыкают к передним кромкам последующего крыла с возможностью перекрытия зазора закрылком, а задняя кромка кормового крыла отклонена вниз.
Предлагаемый аппарат характеризуется наличием опорного элемента, расположенного в хвостовой части аппарата за задней кромкой кормового крыла на расстоянии не менее половины размаха центроплана от боковых шайб-поплавков и контактирующим с экранирующей поверхностью. Применение такого опорного элемента позволяет создавать часть поддерживающей силы аппарата за счет силы реакции от контакта с экранирующей поверхностью, поэтому в случае потери контакта величина поддерживающей силы уменьшается, что предотвращает уход аппарата вверх от экрана и обеспечивает устойчивость по высоте. Расположение опорного элемента и, соответственно, точки контакта в хвостовой части позволяет обеспечить балансировку. Расположение опорного элемента на указанном расстоянии обеспечивает такой характер изменения аэродинамической силы по углу тангажа, при котором возникающее изменение подъемной силы создает восстанавливающий момент. В результате, обеспечивается собственная статическая и динамическая продольная устойчивость аппарата.
Кроме того, предлагаемый аппарат характеризуется наличием нагнетателей статической воздушной подушки, гибкого ограждения под передней кромкой переднего крыла, и отклоненной вниз задней кромкой кормового крыла. Совокупность указанных элементов, их форма и взаимное расположение совместно с боковыми шайбами-поплавками обеспечивает формирование замкнутой камеры воздушной подушки под нижней поверхностью центроплана и возможность создания статической воздушной подушки, а так же повышения давления динамической воздушной подушки.
Характерным, также, является взаимное расположение элементов системы крыльев, а именно: примыкание к задней кромке предыдущего крыла передних кромок крыльев с возможностью перекрытия зазора закрылком. В результате, путем поворота закрылка обеспечивается герметичность камеры воздушной подушки, и возможность управления полной аэродинамической силой. При этом исключается возможность контакта закрылков с экранирующей поверхностью и ударного воздействия неровностей (волн, снежных, ледяных и других выступов) на закрылки и проводку управления.
Увеличение давления под нижней поверхностью центроплана за счет дополнительного нагнетания в камеру воздушной подушки и отсоса воздуха с верхней поверхности позволяет усилить зависимость изменения подъемной силы от угла тангажа, а также исключить срыв потока на верхней поверхности. Это способствует повышению собственной продольной устойчивости аппарата в широком диапазоне углов тангажа и, соответственно, повышает безопасность эксплуатации аппарата.
Кроме того, с целью повышения проходимости по твердой экранирующей поверхности, а также обеспечения возможности оптимизации зазора между шайбами - баллонами и кормовым крылом, опорный элемент может быть оснащен устройством регулирования положения по вертикали. А для снижения ударных нагрузок и повышения комфорта за счет снижения вибрации, опорный элемент может быть подрессорен.
Таким образом, наличие элементов: кормового крыла определенной формы, опорного элемента контактирующего с экранирующей поверхностью, их взаимное расположение относительно других элементов аппарата - корпуса, нагнетателей, крыльев с закрылками, боковых шайб-поплавков, а также взаимосвязь их между собой, обеспечивает достижение технического результата, а именно: создание управляемой поддерживающей силы аппарата в диапазоне скоростей от нулевой до крейсерской, в том числе при больших углах скольжения и тангажа, а так же, повышение подъемной аэродинамической силы и усиление ее зависимости от высоты над экранирующей поверхностью. Это благоприятно отражается на повышении устойчивости, управляемости и маневренности аппарата во всем диапазоне эксплуатационных скоростей, углов скольжения и тангажа, а также на его мореходности.
Достижение такого технического результата позволяет решить задачу повышения безопасности и улучшение эксплуатационных характеристик аппарата на динамической воздушной подушке при маневрировании, торможении, в стартовом и крейсерском режимах движения.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображен общий вид амфибийного аппарата сбоку.
На фигуре 2 изображен общий вид аппарата спереди.
На фигуре 3 изображен общий вид аппарата сверху.
Аппарат на динамической воздушной подушке, имеющий положение центра тяжести позади центра давления суммарной аэродинамической силы, состоит из корпуса 1 с хвостовым оперением 2, силовой установки 3 с воздушными винтами горизонтальной тяги и центроплана. Центроплан выполнен в виде системы тандемно расположенных крыльев 4 и 5 с закрылками 6 и 7, и кормового крыла 8 с обратной стреловидностью по задней кромке 9. Крылья центроплана по концам жестко связаны боковыми шайбами-поплавками 10, при этом задние кромки крыльев примыкают к передним кромкам последующего крыла с возможностью перекрытия зазора закрылком, а задняя кромка 9 кормового крыла отклонена вниз. Под передней кромкой переднего крыла смонтировано гибкое ограждение 11, предназначенное для замыкания контура ограждения статической воздушной подушки между боковыми шайбами - поплавками. Гибкое ограждение может быть выполнено в виде тканевой завесы или убираемого щитка.
В хвостовой части аппарата имеется опорный элемент 12, расположенный за задней кромкой кормового крыла 8 на расстоянии не менее половины размаха центроплана от боковых шайб-поплавков 10. Опорный элемент контактирует с экранирующей поверхностью 13 и может быть выполнен в виде гидролыжи, платформы на воздушной подушке, а также может быть оснащен колесными опорами. Нагнетатели воздушной подушки 14 в виде осевых вентиляторов встроены в одно из крыльев центроплана. В качестве нагнетателей воздушной подушки могут быть использованы диаметральные вентиляторы или центробежные компрессоры. На корпусе 1 и боковых поплавках 10 имеются реданы 15 для снижения гидродинамического сопротивления. Аппарат снабжен гидрорулем 16 и воздушным рулем направления 17.
Осуществление полезной модели
В исходном состоянии аппарат находится на экранирующей поверхности 13 (вода, грунт, снег и т.д.). При включении нагнетателей 14 поток воздуха поступает в замкнутое пространство под центроплан, в камеру статической воздушной подушки. Зазоры между крыльями 4, 5 и кормовым крылом 8 в режиме старта перекрывается отклонением закрылков 6, 7. С увеличением давления в камере статической воздушной подушки аппарат поднимается над экранирующей поверхностью и может совершать маневры под воздействием управляющей силы. Под действием силы тяги воздушных винтов силовой установки 3 происходит разгон аппарата. С увеличением скорости движения до крейсерской гибкое ограждение 11 поджимается под воздействием скоростного напора встречного потока и аппарат движется на динамической воздушной подушке. При необходимости торможения аппарата водитель снижает тягу воздушных винтов или включает реверс, при этом поддерживающая сила воздушной подушки сохраняется не зависимо от скорости движения и направления потока от воздушных тяговых винтов, так как при низком уровне скоростного напора гибкое ограждение 11 отклоняется и препятствует падению давления в камере воздушной подушки, создаваемого нагнетаталями 14. В режиме работы на статической воздушной подушке, возможно движение на малой скорости, задним ходом, с большим боковым скольжением аппарата, или при большом волнении, что повышает маневренность и мореходность. В режиме работы на динамической воздушной подушке осуществляется движение на крейсерской или максимальной скорости.
Балансировка аппарата обеспечивается выбором положения центра тяжести за центром аэродинамического давления на расстоянии 0,5-10%. хорды крыла. Кабрирующий момент компенсируется гидродинамической силой, возникающей в точке контакта опорный элемент 9 с экранирующей поверхностью. Вынос точки котакта и, соответственно, центра вращения аппарата за заднюю кромку корневого крыла на указанное расстояние обеспечивает отрицательную зависимость подъемной силы от угла тангажа. При этом угол тангажа аппарата в штатном режиме движения всегда остается положительным, а его изменения легче контролируется водителем и измерительными приборами, чем изменения высоты над экранирующей поверхностью.
За счет отрицательной зависимости подъемной силы от угла тангажа обемпечивается продольная статическая устойчивость аппарата, а за счет работы нагнетателей коэффициент подъемной силы центроплана повышается, и более существенно зависит от угла тангажа. Кроме того, отсос воздуха с верхней поверхности центроплана затягивает срыв потока на больших углах атаки, что повышает эксплуатационные характеристики аппарата и безопасность.
При движении по взволнованной водной поверхности, неровной снежной или грунтовой поверхности ударные нагрузки воспринимаются реданами корпуса, боковых шайб- поплавков, опорным элементом хвостовой части и частично задней кромкой кормового крыла как в режиме старта, так и в крейсерном режиме. Задняя кромка крыльев центроплана удалена от экранирующей поверхности и изолирована от контакта с ее неровностями, поэтому органы управления - закрылки не подвержены ударным нагрузкам, за счет чего, обеспечивается надежность и безопасность эксплуатации. С целью повышения проходимости, мореходности и снижения ударных нагрузок опорный элемент 12 может быть выполнен с устройством подъема и подрессоренным.
Управление подъемной силой и положением аппарата по углу тангажа осуществляется путем отклонения закрылков. Управление по курсу выполняется с помощью рулей направления.