ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ), ЭКРАНОПОЕЗД И НАПРАВЛЯЮЩАЯ ДЛЯ НЕЕ
TRANSPORT SYSTEM (VERSIONS), AIRFOIL TRAIN AND GUIDING RAIL FOR IT

Группа изобретений относится к транспортным системам с транспортными средствами на воздушной подушке, использующими экранный эффект при движении вдоль специально спрофилированной поверхности, а именно к высокоскоростным транспортным системам с экранопланом, экраноплану и специально спрофилированной поверхности для такой системы. Экраноплан, движущийся вдоль специально спрофилированной поверхности, в дальнейшем будем называть экранопоездом, а специально спрофилированную поверхность для движения экраноплана - направляющей.
Из уровня техники известны высокоскоростные транспортные системы с транспортными средствами, использующими экранный эффект.
Так, в патенте США №3675582, МПК В61В 13/08, НПК 104/23R, дата публикации 11.07.1972 г., [1], представлена транспортная система, состоящая из симметричной относительно продольной плоскости направляющей и движущегося вдоль нее экранопоезда, направляющая содержит цилиндрическую поверхность, а экранопоезд оснащен, по меньшей мере, одним крылом и воздушным движителем. При этом согласно изобретению [1] экранопоезд содержит фюзеляж, крылья установлены под фюзеляжем и соединены с ним стойками, каждое крыло имеет при виде спереди форму дуги, соответствующую форме дуги поперечного сечения цилиндрической поверхности направляющей. Крылья установлены тандемно на малом расстоянии от опорной поверхности, причем на концах крыльев установлены аэродинамические шайбы, являющиеся нишами для колесного шасси. Для обеспечения устойчивости экранопоезд оснащен системой автоматического демпфирования, включающей в качестве исполнительного элемента механизацию задней кромки крыла. Стойки выполняют функцию вертикального оперения для стабилизации движения экранопоезда по курсу. В качестве силовой установки использованы турбовинтовые двигатели или линейные электродвигатели. Транспортное средство при движении использует экранный эффект и, следовательно, является экранопоездом.
Таким образом, транспортная система обеспечивает движение экранопоезда вдоль направляющей с высокими авиационными скоростями с нагрузкой на поверхность направляющей, равной нагрузке на площадь крыла экранопоезда.
При движении на поворотах трассы под действием центробежных сил экранопоезд перемещается вверх вдоль цилиндрической поверхности на высоту, при которой центробежная сила и сила тяжести экранопоезда уравновешивается аэродинамической силой.
0
i
0
i
0
0
Недостатком транспортной системы [1] является выполнение крыльев с небольшой хордой и с конечным размахом. При конечном размахе крыла при движении аэродинамическая сила сопротивления Х складывается из силы лобового сопротивления Х и силы индуктивного сопротивления X: Х=Х+Х. Это приводит к увеличению тяговооруженности экранопоезда T/(M*g) и увеличению удельных энергетических затрат на транспортировку груза. Для реализации преимуществ экранного эффекта полет экраннопоезда должен выполняться на малой относительной высоте h=H/Ba≤0,15, где Н - высота полета, Ва - средняя аэродинамическая хорда крыла. Экранопоезд для транспортной системы [1] выполнен с несколькими крыльями. Поэтому хорда каждого крыла небольшая, а полет выполняется на очень малой геометрической высоте Н. Это предъявляет жесткие требования к ровности поверхности и обеспечению геометрической формы направляющей, что удорожает изготовление транспортной системы [1].
i
В патенте США №4102272, МПК B60V 3/00, В61В 13/08, НПК 104/23FS, дата публикации 15.07.1978 г., [2], представлена высокоскоростная транспортная система, состоящая из симметричной относительно продольной оси направляющей и движущегося вдоль нее экранопоезда, направляющая содержит цилиндрическую поверхность, а экранопоезд оснащен, по меньшей мере, одним крылом и воздушным движителем. При этом цилиндрическая поверхность направляющей сопряжена с боковыми стенками и поверхностью основания, а экранопоезд выполнен по схеме «низкоплан» с Т-образным оперением и крылом без концевых аэродинамических шайб. В качестве двигателя используется линейный электродвигатель, получающий электропитание от расположенного над экранопоездом рельса, с которым экранопоезд связан либо жестко, либо посредством токосъемника-пантографа. Между стенкой направляющей и крылом имеется зазор, в который проходит воздух из области высокого давления между плоской поверхностью направляющей и нижней поверхностью крыла в область разрежения над крылом. В результате возникают поперечные течения потока вдоль крыла и растет индуктивное сопротивление X экранопоезда. Это является недостатком, поскольку приводит к увеличению тяговооруженности экранопоезда и увеличению удельных энергетических затрат на транспортировку груза.
В патенте КНР №2296292, МПК B60V 3/04, дата публикации 04.11.1998 г., [3], представлена транспортная система, состоящая из симметричной относительно продольной оси направляющей и движущегося вдоль нее экранопоезда, направляющая содержит поверхность, соединенную с боковыми стенками, а экранопоезд оснащен крылом с двухкилевым вертикальным оперением, расположенным в концевых сечениях крыла. Направляющая установлена на эстакаде. Экранопоезд выполнен по схеме «летающее крыло» с крылом малого удлинения, с установленными на концах крыла вертикальными шайбами и вертикальным оперением. Как следует из иллюстраций к описанию патента [3], вертикальное оперение выполнено с элементами, взаимодействующими с линейным электродвигателем. Экранопоезд и транспортная система по патенту [3] по сравнению с экранопоездами, представленными в описаниях к патентам [1, 2], имеет более высокое аэродинамическое качество и, следовательно, более низкую тяговооруженность. Однако для обеспечения зазоров в линейном электродвигателе требуется высокая степень продольной и боковой устойчивости. Поскольку в компоновке экранопоезда отсутствует горизонтальное оперение, то стабилизация должна осуществляться системой автоматического управления и/или демпфирования. Это требует дополнительных затрат энергии при взаимодействии отклоняющихся поверхностей с воздушной средой и может рассматриваться как недостаток экранопоезда и транспортной системы в целом.
В патенте РФ №2373088, МПК B60V 3/04, дата публикации 20.11.2009 г., [4], представлена транспортная система, состоящая из симметричной относительно продольной оси направляющей и движущегося вдоль нее транспортного средства с воздушным движителем, направляющая содержит двухскатную поверхность и оснащена формирователем струи, включающим источник газа и установленные в вершине двускатного профиля сопла для формирования воздушной струи, а воздушный движитель транспортного средства выполнен в виде сквозных каналов, вход которых расположен со стороны сопел направляющих, а выход - на верхней или боковой поверхности транспортного средства. Тяга на транспортном средстве создается реактивной силой воздуха, вытекающего из дугообразных каналов, при этом часть воздуха растекается под днищем транспортного средства, создавая статическую воздушную подушку.
Недостатком транспортной системы [4] является значительная потеря импульса струи воздуха при прохождении в дугообразных каналах, что приводит к увеличению потерь энергии для движения транспортного средства. К недостатку транспортной системы [4] также можно отнести отсутствие несущих поверхностей для реализации экранного эффекта, что ограничивает скорость транспортного средства.
В качестве наиболее близкого аналога транспортной системы по 1-му и 2-му вариантам, экранопоезда и направляющей принята транспортная система, экранопоезд и направляющая, представленные в описании изобретения [1].
Решаемой технической задачей является повышение транспортной эффективности путем более эффективного использования экранного эффекта в высокоскоростных наземных транспортных системах.
Технический результат заключается в повышении аэродинамического качества экранопоезда и транспортной эффективности при упрощении конструкции направляющей транспортной системы.
Сущность группы изобретений состоит в следующем.
Транспортная система по 1-му варианту, как и в наиболее близком аналоге [1], содержит симметричную относительно продольной плоскости направляющую и движущийся вдоль нее экранопоезд, направляющая содержит цилиндрическую поверхность, а экранопоезд оснащен по меньшей мере одним крылом и воздушным движителем, но в отличие от наиболее близкого аналога [1] направляющая выполнена с двухскатным профилем, цилиндрическая поверхность сопряжена со стенками, экранопоезд выполнен с крылом, нижняя поверхность которого имеет отрицательный поперечный угол «V», соответствующий углу двухскатного профиля при вершине, а крыло оснащено законцовками, выполненными в нижней части с цилиндрической поверхностью с кривизной, соответствующей кривизне цилиндрической поверхности направляющей.
Транспортная система по 1-му варианту характеризуется тем, что стенки направляющей установлены перпендикулярно основанию двухскатного профиля.
Транспортная система по 1-му варианту характеризуется тем, что кромки верхней поверхности крыла экранопоезда в крейсерском движении расположены ниже верхних кромок стенок направляющей.
Транспортная система по 2-му варианту, как и в наиболее близком аналоге [1], содержит симметричную относительно продольной плоскости направляющую и движущийся вдоль нее экранопоезд, направляющая содержит цилиндрическую поверхность, а экранопоезд оснащен по меньшей мере одним крылом и воздушным движителем, но в отличие от наиболее близкого аналога [1] направляющая выполнена с двухскатным профилем, цилиндрическая поверхность сопряжена со стенками, экранопоезд выполнен с крылом, нижняя поверхность которого имеет отрицательный поперечный угол «V», соответствующий углу двухскатного профиля при вершине, крыло оснащено законцовками, выполненными в нижней части с цилиндрической поверхностью с кривизной, соответствующей кривизне цилиндрической поверхности направляющей, при этом направляющая оснащена формирователем струи, содержащим источник газа и установленные в вершине двухскатного профиля сопла для формирования воздушной струи, а воздушный движитель выполнен в виде лопаток, установленных в днище экранопоезда, причем место установки лопаток ограничено продольными аэродинамическими гребнями.
Транспортная система по 2-му варианту характеризуется тем, что стенки направляющей установлены перпендикулярно основанию двухскатного профиля.
Транспортная система по 2-му варианту характеризуется тем, что кромки верхней поверхности крыла экранопоезда в крейсерском движении расположены ниже верхних кромок стенок направляющей.
Транспортная система по 2-му варианту характеризуется тем, что в качестве источника газа использованы лопаточные машины.
Транспортная система по 2-му варианту характеризуется тем, что в качестве источника газа использованы лопаточные машины, а именно осевые вентиляторы.
Транспортная система по 2-му варианту характеризуется тем, что источник газа выполнен в виде трубопровода, наполненного газом с избыточным давлением, а сопла выполнены открывающимися по сигналу, формируемому приближающимся поездом.
Транспортная система по 2-му варианту характеризуется тем, что источник газа выполнен в виде трубопровода, наполненного газом с избыточным давлением, при этом трубопровод разделен на секции, каждая из которых соединена с компрессором.
Транспортная система по 2-му варианту характеризуется тем, что источник газа выполнен в виде трубопровода, наполненного газом с избыточным давлением, трубопровод разделен на секции, по меньшей мере, две соседних секции соединены между собой управляемым клапаном, при этом одна из соединенных между собой секций пневматически связана с компрессором.
Экранопоезд, как и в наиболее близком аналоге [1], оснащен крылом и воздушным движителем, но в отличие от наиболее близкого аналога [1], экранопоезд оснащен оперением, включающим, по меньшей мере, один киль, крыло выполнено с отрицательным углом поперечного «V» и оснащено законцовками, имеющими в нижней части цилиндрическую поверхность.
Экранопоезд характеризуется тем, что вертикальное оперение выполнено, по меньшей мере, с двумя килями, при этом два киля установлены вдоль концевых сечений крыла и оснащены форкилями, начинающимися в области максимальной толщины профиля крыла.
При этом профиль двух килей с форкилями, установленными вдоль концевых сечений крыла, выполнен несимметричным, с вогнутостью средней линии, направленной в сторону плоскости симметрии экранопоезда.
Экранопоезд характеризуется тем, что аэродинамический профиль крыла выполнен с S-образной средней линией.
Экранопоезд характеризуется тем, что задняя кромка крыла оснащена двухзвеньевым закрылком, второе звено которого выполнено с возможностью отклонения вверх и вниз относительно первого звена.
Экранопоезд характеризуется тем, что воздушный движитель выполнен в виде, по меньшей мере, одного воздушного винта, кинематически связанного с двигателем.
Экранопоезд характеризуется тем, что, по меньшей мере, два воздушных винта установлены перед крылом и оснащены средством отклонения струи за воздушным винтом.
При этом средство отклонения струи за воздушным винтом выполнено в виде поворотного пилона, на котором установлены воздушные винты.
Экранопоезд характеризуется тем, что средство отклонения струи за воздушным винтом выполнено в виде установленных за соответствующим воздушным винтом поворотных створок.
Экранопоезд характеризуется тем, что воздушный движитель выполнен в виде лопаток, расположенных на нижней поверхности центральной части, а участок установки лопаток с боков ограничен продольными аэродинамическими гребнями.
Направляющая для движения экранопоезда, как и в наиболее близком аналоге [1], состоит из симметричной относительно продольной плоскости цилиндрической поверхности, но в отличие от наиболее близкого аналога [1] направляющая выполнена с двухскатным профилем, а цилиндрические поверхности сопряжены со стенками.
Направляющая для движения экранопоезда характеризуется тем, что стенки направляющей установлены перпендикулярно основанию двухскатного профиля.
Направляющая для движения экранопоезда характеризуется тем, что направляющая оснащена формирователем струи, содержащим источник газа и расположенные в вершине двухскатного профиля сопла.
Направляющая для движения экранопоезда характеризуется тем, что в качестве источника газа использованы лопаточные машины.
Направляющая для движения экранопоезда характеризуется тем, что в качестве лопаточных машин использованы осевые вентиляторы.
Направляющая для движения экранопоезда характеризуется тем, что источник газа выполнен в виде трубопровода, наполненного газом с избыточным давлением, а сопла выполнены управляемыми.
При этом трубопровод разделен на секции, каждая из которых пневматически связана с компрессором.
Кроме того, по меньшей мере, две соседние секции трубопровода соединены между собой управляемым клапаном, и одна из соединенных между собой секций трубопровода пневматически связана с компрессором.
Группа изобретений поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен поперечный разрез направляющей и экранопоезда транспортной системы, выполненной по 1-му варианту.
На фиг.2 представлен поперечный разрез направляющей и экранопоезда транспортной системы, выполненной по 2-му варианту при использовании в качестве источника воздушной струи вентиляторов.
На фиг.3 показан разрез А-А на фиг.2.
На фиг.4 показан разрез Б-Б на фиг.3.
На фиг.5 показан поперечный разрез направляющей и экранопоезда транспортной системы, выполненной по 2-му варианту при использовании в качестве источника воздушной струи трубопровода с избыточным давлением газа.
На фиг.6 показан разрез В-В на фиг.5 при использовании в качестве источника воздушной струи трубопровода.
На фиг.7 показан разрез В-В на фиг.5 при использовании в качестве источника воздушной струи трубопровода, составленного из секций.
На фиг.8 показан выносной элемент Г на фиг.7.
На фиг.9 показан пример вертикального профиля трассы направляющей в пункте остановки экранопоезда.
На фиг.10 показан экранопоезд с движителем в виде воздушных винтов при виде сверху.
На фиг.11 показан экранопоезд с движителем в виде воздушных винтов в крейсерской конфигурации при виде сбоку.
На фиг.12 показан экранопоезд с движителем в виде воздушных винтов во взлетно-посадочной конфигурации при виде сбоку.
На фиг.13 показан экранопоезд с движителем в виде подднищевых лопаток при виде сверху.
На фиг.14 показан разрез Д-Д на фиг.13 экранопоезда в крейсерской конфигурации.
На фиг.15 показан экранопоезд с движителем в виде воздушных винтов и подднищевых лопаток при виде сверху.
На фиг.16 показан разрез Е-Е на фиг.15 экранопоезда во взлетно-посадочной конфигурации.
Варианты транспортной системы, экранопоезд и направляющая для них устроены следующим образом.
Транспортная система по обоим вариантам содержит направляющую 1 и экранопоезд 2, летящий в крейсерском режиме на малой высоте над направляющей 1 (фиг.1, 2).
Направляющая 1, как показано на фиг.1, выполнена симметричной относительно продольной плоскости, содержит двухскатный профиль 3, цилиндрическую поверхность 4, сопряженную со стенками 5. Стенки 5 предпочтительно располагать перпендикулярно основанию 6 двухскатного профиля 3, а радиус поперченного сечения цилиндрической поверхности 4 равен расстоянию между стенками 5. Экранопоезд 2 оснащен крылом 7 с нижней поверхностью 8 с отрицательным поперечным углом «V», соответствующим углу вершины двухскатного профиля 3, и воздушным движителем. Законцовки крыла 7 в нижней части выполнены с цилиндрической поверхностью 9 с кривизной, соответствующей кривизне цилиндрической поверхности 4 направляющей 1. В крейсерском движении кромки 10 верхней поверхности 11 крыла 7 экранопоезда 2 могут находиться как ниже, так и выше или на уровне верхних кромок 12 стенок 5 направляющей 1.
В предпочтительном варианте крыло 7 выполнено с отрицательным поперечным углом «V», законцовки крыла 7 выполнены в виде аэродинамических шайб 13 с цилиндрической поверхностью 9 в нижней части, в крейсерском режиме движения кромки 10 верхней поверхности крыла 7 расположены ниже кромок 12 стенок 5 направляющей 1.
Направляющая 1 во 2-ом варианте выполнения транспортной системы (фиг.2) оснащена формирователем струи, который содержит источник газа и установленные в вершине двухскатного профиля 3 сопла 14 (фиг.2, 5) для направления воздушной струи на лопатки 15, установленные на нижней поверхности 8 крыла 7 или в днище 16 экранопоезда (подднищевые лопатки), при этом место установки лопаток 15 ограничено продольными аэродинамическими гребнями 17, высота которых от нижней поверхности 8 крыла 7 не превосходит соответствующую высоту аэродинамических шайб 13 крыла 7.
В качестве источника газа могут использоваться лопаточные машины 18, например осевые или радиальные вентиляторы и т.п. (фиг.3, 4). При этом целесообразно обеспечить возможность выдувания струй газа из сопла 14 вдоль направляющей 1 в обоих направлениях. Для этого сопло 14 может выполняться поворотным (на фиг. не показано), симметричным с двухпозиционной заслонкой 19 (фиг.3, 4), отклоняющейся посредством привода (на фиг. не показано) для выдувания струи в нужном направлении, и другим образом.
В качестве источника газа также может использоваться размещенный в основании двускатного профиля 3 трубопровод 20 (фиг.5, 6), наполненный газом, например воздухом, с избыточным давлением, с установленными на трубопроводе 20 соплами 14, открывающимися по сигналу, формируемому системой автоматического управления. В качестве источника такого сигнала могут использоваться датчики давления, установленные в направляющей 1 и срабатывающие при приближении экранопоезда 2 (на фиг. не показано). При этом, как показано на фиг.8, 9, трубопровод 20 может выполняться разделенным на секции 21, пневматически связанные с генератором высокого давления, например, компрессором 22, турбореактивными двигателями (на фиг. не показано) и т.п. Соседние секции 21 могут соединяться между собой управляемыми клапанами 23, при этом с компрессором 22 пневматически связана, по меньшей мере, одна из соединенных между собой секций 21. Сопла 14 целесообразно выполнять с возможностью выдува вдоль направляющей 1 в обоих направлениях. Для этого сопла 14 могут выполняться поворотными (на фиг. не показано) или симметричными (фиг.8) и оснащаться трехпозиционными заслонками 24, обеспечивающими открытие канала сопла 14 для выдува в нужном направлении и перекрытие канала сопла 14 для предотвращения утечек газа из трубопровода 20 или его секций 21.
Трасса направляющей 1 может выполняться пространственной, с поворотами в горизонтальной и вертикальной плоскостях с радиусом R. Станции 25 или планируемые места остановок целесообразно размещать на большей высоте по сравнению с трассой направляющей до и после станции 25 (фиг.9).
Экранопоезд содержит крыло 7, законцовки которого в нижней части выполнены с цилиндрической поверхностью 9, и воздушный движитель (фиг.10…16). Крыло 7 выполнено с отрицательным углом поперечного «V», законцовки крыла 7 могут выполняться в виде концевых аэродинамических шайб 13 с цилиндрической поверхностью 9 в нижней части (фиг.1, 2, 5) или иным образом. Задняя кромка крыла 7 оснащена механизацией, например закрылком 26. При этом закрылок 26 целесообразно выполнять двухзвеньевым, с возможностью отклонения первого 27 и/или второго 28 звеньев вверх и вниз (фиг.10, 12, 16). Крыло 7 целесообразно выполнять с аэродинамическим профилем с S-образной средней линией (фиг.11).
В законцовках крыла 7, выполненных, например, в виде концевых аэродинамических шайб 13, может устанавливаться шасси 29 (фиг.12, 16), которое может выполняться убирающимся посредством механизма уборки-выпуска (на фиг. не показано). Передние стойки шасси 30 выполнены с телескопическими опорами 31 (фиг.12, 16). В крейсерской конфигурации (фиг.11) закрылки 26 находятся в неотклоненном положении, а шасси 30 - в убранном положении. Во взлетно-посадочной конфигурации (фиг.12, 16) звенья 27, 28 закрылков 26 отклонены, а шасси 30 выпущено.
Экранопоезд может выполняться с фюзеляжем 32, с горизонтальным 33 и вертикальным 34 оперением (фиг.10, 13, 15). Вертикальное оперение 34 целесообразно выполнять, по меньшей мере, с двумя килями 35, при этом два киля вертикального оперения 34 установлены вдоль концевых сечений крыла 7 и оснащены форкилями 36, начинающимися в области положения максимальной толщины профиля крыла 7. При этом вогнутость средней линии профиля вертикального оперения 34 и форкилей 36 направлена к продольной плоскости экранопоезда 2.
Воздушный движитель экранопоезда 2 может выполняться в виде сопел турбореактивных двигателей (на фиг. не показано) и/или по меньшей мере одного воздушного винта 37, кинематически связанного с двигателем 38. Воздушные винты 37 могут устанавливаться перед крылом 7, например на пилоне 39 (фиг.10, 15), оснащенном средствами отклонения струи за воздушным винтом 37. В качестве подобных средств могут использоваться створки 40, установленные за воздушным винтом 37 (фиг.16) и оснащенные средствами их отклонения (на фиг. не обозначены). Установленные на пилоне 39 воздушные винты 37 могут также отклоняться вместе с пилоном 39 (фиг.12) посредством электропривода, гидропривода и т.п. энергомеханизмов (на фиг. не показано). Воздушный винт 37 также может устанавливаться на верхней поверхности крыла 7, например, перед горизонтальным оперением 33, и иным образом (на фиг. не показано).
В предпочтительном варианте вертикальное оперение 35 выполнено П-образным, оснащено форкилями 36, начинающимися в области максимальной толщины профиля крыла 7 (фиг.11, 12, 16), профиль вертикального оперения 34 и форкилей 36 выполнен несимметричным (фиг.10, 15), воздушные винты 37 установлены на пилоне 39, струи за воздушными винтами 37 отклоняются посредством управляемых створок 40 (фиг.16).
Воздушный движитель экранопоезда 2 может выполняться в виде лопаток 15, расположенных в центральной части днища 16 фюзеляжа 32 (подднищевых лопаток 15) или на нижней поверхности 8 крыла 7 (фиг.14, 16). Лопатки 15 целесообразно выполнять вогнутыми, с ориентированием выпуклости в сторону движения. Участок днища 16 с лопатками 15 с боков ограничен продольными аэродинамическими гребнями 17, высота которых не превышает высоту концевых аэродинамических шайб 13 (фиг.14, 16). При таком выполнении воздушного движителя тяга экранопоезда 2 Тл создается за счет взаимодействия лопаток 15 с воздушными струями газа, например воздуха, направляемого из сопел 14, установленных в направляющих 1.
При этом экранопоезд 2 может оснащаться шасси 30 и закрылками 26, которые в крейсерской конфигурации убраны (фиг.14), а во взлетно-посадочной конфигурации отклонены и выпущены (фиг.16).
Направляющая 1 для движения экранопоезда 2 выполнена симметричной относительно продольной плоскости, в центральной части содержит двухскатный профиль 3 и сопряженную с боковыми стенками 5 цилиндрическую поверхность 4. Боковые стенки 5 целесообразно выполнять перпендикулярными основанию 6 двухскатного профиля 3 (фиг.1, 2, 5).
Направляющая 1 для движения экранопоезда 2 может оснащаться формирователем струи, расположенным в вершине двухскатного профиля 3 и содержащим источники газа и сопла 14 для направления воздушной струи в днище 16 экранопоезда 1 (фиг.2). Сопла 14 могут выполняться направленными в оба направления направляющей 1 и оснащаться управляемым переключателем направления струи, обеспечивающим перекрытие канала сопла для направления струи вдоль или навстречу движению экранопоезда (фиг.3, 4).
В качестве источника газа для формирователя струи могут использоваться лопаточные машины 18, например осевые или радиальные вентиляторы 9 (фиг.2, 3, 4), а также трубопровод 20, наполненный газом с избыточным давлением (фиг.5…8).
При использовании в качестве источника газа лопаточных машин 18, например вентиляторов, переключатель направления струи может быть выполнен в виде двухпозиционной заслонки 19 (фиг.3). При использовании в качестве источника газа трубопровода 20 (или секций 21 трубопровода 20) с избыточным давлением газа переключатель направления струи может быть выполнен в виде, например, управляемой 3-позиционной заслонки 24, обеспечивающей перекрытие канала сопла 14 при отсутствии экранопоезда 2 (фиг.8), и открытие канала сопла 14 для направления струи вдоль (фиг.14, 16) или навстречу движению экранопоезда 2.
Трубопровод 20 с установленными на нем соплами 14 с управляемыми, например, трехпозиционными заслонками 24 пневматически связан, например, посредством воздуховода (на фиг. не обозначен) с генератором высокого давления, например компрессором 22 (фиг.6), турбореактивными двигателями (на фиг. не показано) и т.п. Трубопровод 20 может выполняться составленным из секций 21, при этом, по меньшей мере, две соседние секции 21 соединены между собой посредством управляемого клапана 23. Соединенные между собой управляемыми клапанами 23 секции 21 пневматически связаны, например, посредством воздуховода (на фиг. не обозначен) с компрессором 22 (фиг.7, 8).
В предпочтительном варианте выполнения транспортной системы трасса направляющей 1 содержит участки крейсерского движения, на которых тяга экранопоезда 2 создается воздушным винтом 37, ТРД и т.п. воздушными движителями, а также разгонно-тормозные участки и участки с крутыми подъемами и спусками (фиг.9), на которых направляющая 1 оснащена формирователем струи с источниками газа и соплами 14. При этом экранопоезд 2 выполнен с двигателем (турбореактивным, турбовинтовым, дизельным и т.п.) с воздушным движителем, в том числе в виде воздушных винтов 37, и с воздушным движителем в виде лопаток 15, установленных на центральном участке нижней поверхности 8 крыла 7 или в днище 16 фюзеляжа 32, ограниченном продольными аэродинамическими гребнями 17 (фиг.15, 16). Продольные аэродинамические гребни 17 оснащены механизмом (на фиг. не показано) их поворота для уборки в крейсерском режиме движения при использовании только воздушных винтов 37 и т.п. движителей и выпуска при движении на участках трассы, оснащенных трубопроводом 20. На крейсерском участке трассы направляющей 1 тяга Тв экранопоезда 2 создается двигателями с воздушными винтами 37, а на разгонно-тормозных участках тяга Тл создается при взаимодействии вытекающей из направляющей 1 струи газа с лопатками 15, и дополнительно - воздушными винтами 37 и т.п. воздушными движителями (фиг.16).
Варианты транспортной системы, экранопоезд и направляющая для них функционируют следующим образом.
Движение транспортного средства (экранопоезда) вдоль специально спрофилированного основания (направляющей) на малой высоте h=H/Ba позволяет в наибольшей степени реализовать экранный эффект. При формировании профиля направляющей таким образом, чтобы свести к минимуму перетекания воздуха из-под нижней на верхнюю поверхность крыла можно существенно уменьшить перетекание воздуха вдоль размаха крыла, что эквивалентно увеличению удлинения крыла. В идеальном случае при предотвращении перетекания воздуха из-под нижней поверхности на верхнюю поверхность крыла создаются условия для одинакового распределения давления во всех сечениях крыла, что соответствует обтеканию крыла бесконечного размаха, то есть профиля. Для такого экранопоезда теоретическим пределом по аэродинамическому качеству K=Y/X=Cy/Cx является аэродинамическое качество движущегося вблизи экрана профиля крыла:
ПРОФ
ПРОФ
ПРОФ
ПРОФ
ПРОФ
ПРОФ
K=Y/X=Cy/Cx: К→К, где:
Cy=Y/(qS) - коэффициент аэродинамической подъемной силы экранопоезда;
Cy=Y/(qBa) - коэффициент аэродинамической подъемной силы профиля крыла;
Cx=X/(qS) - коэффициент аэродинамического сопротивления экранопоезда;
ПРОФ
ПРОФ
Сх=X/(qBa) - коэффициент аэродинамического сопротивления профиля крыла;
ПРОФ
Y, Y - подъемная сила соответственно экранопоезда и профиля крыла;
ПРОФ
X, X - сила аэродинамического сопротивления соответственно экранопоезда и профиля крыла;
S - площадь крыла;
Ва - средняя аэродинамическая хорда крыла экраноплана, хорда профиля крыла;
2
q=0,5ρV - скоростной напор;
V - скорость движения;
ρ - плотность воздуха.
При движении крыла на малой высоте над поверхностью (экраном) присоединенные массы индуцируют на поверхности пограничный слой. Это, как показано в книге «Гидроаэродинамика крыла вблизи границы раздела сред», авторы М.А.Басин и В.П.Шадрин, изд. «Судостроение», 1980 г., стр.72…75, [5], приводит к потерям энергии потока воздуха между нижней поверхностью крыла и экраном и проявляется в увеличении лобового сопротивления Хо крыла. Следовательно, для крыла и профиля крыла существует высота полета, соответствующая максимальному аэродинамическому качеству.
Примеры попыток реализации транспортной системы с экранопоездом и специально спрофилированной направляющей представлены в патентной документации [1, 2, 3]. Однако каждая из рассмотренных транспортных систем не обеспечивает, как показано выше, реализации в полной мере преимуществ экранного эффекта.
Представленная группа изобретений позволяет повысить аэродинамическое качество и транспортную эффективность транспортной системы.
Действительно, при движении экранопоезда 2 специально спрофилированная направляющая 1 с поперечным двухскатным профилем 3 и вертикальными стенками 5, а также законцовки крыла 7 затрудняют перетекание воздуха из-под нижней 8 на верхнюю 11 поверхность крыла 7 в связи с увеличением сопротивления движению воздуха между стенками 5 и законцовками крыла 7, выполненными, например, в виде аэродинамических шайб 13. В результате возникает эффект увеличения удлинения крыла 7. Наличие цилиндрической поверхности 4, сопряженной со стенками 5 направляющей 1, обеспечивает возможность поворота экранопоезда 2 вдоль дуги цилиндрической поверхности 4 при движении с отличающейся от расчетной для виража скоростью. Двухскатный профиль 3 и стенки 5 создают условия для стабилизации по курсу, поскольку по мере приближения поверхности концевых шайб 13 к поверхности одной из стенок 5 и нижней поверхности 8 крыла 7 к грани двухскатного профиля 3 между стенкой 5 и поверхностью законцовкй крыла 7, а также между гранью двухскатного профиля 3 и нижней поверхностью 8 крыла 7 увеличивается давление, а на противоположной стенке 5 и грани двухскатного профиля 3 давление уменьшается. В результате на экранопоезд 2 действует аэродинамическая сила, создающая восстанавливающий момент и, тем самым, стабилизирующая движение экранопоезда 2 по курсу вдоль направляющей 1.
В то же время при выполнении направляющей 1 с двухскатным профилем 3 обеспечиваются условия для организации водоотвода, поскольку в месте стыка цилиндрической поверхности 4 с гранями двухскатного профиля 3 можно собирать воду, например, в тальвежные колодцы и выводить ее за пределы полотна направляющей 1 (на фиг. не показано). Также упрощается эксплуатационное обслуживание трассы, имеющей значительную ширину, превышающую размах крыла 7 экранопоезда 1.
Условием обеспечения продольной стабилизации в зоне действия экранного эффекта, как известно, является обеспечение колебательной и апериодической устойчивости. Необходимым условием апериодической устойчивости является положение аэродинамического фокуса по высоте (Xfh=dMz/dCy, α=const) впереди (ближе к носку крыла) аэродинамического фокуса по углу атаки (Xfα=dMz/dCy, h=const):
Xfh≤Xfα, где:
Mz - коэффициент момента тангажа;
Су - коэффициент подъемной силы;
α - угол атаки - угол между вектором скорости и хордой крыла в проекции на продольную плоскость крыла;
h=H/Ba - относительная высота над экраном;
Н - высота характерной точки (например, центра масс) над экраном;
Ва - средняя аэродинамическая хорда крыла.
В экранопланах это условие достигается за счет создания стабилизирующего момента горизонтальным оперением и другими стабилизирующими поверхностями, расположенными сзади центра масс экраноплана. При этом стабилизирующий момент пропорционален статическому моменту А стабилизирующих поверхностей, который равен произведению относительной площади стабилизирующей поверхности Scm/S на относительное расстояние L/Ba от центра масс экраноплана до 0,25 средней аэродинамической хорды стабилизирующей поверхности Васm:
A=(Scm/S)·(L/Ba), где:
Scm - площадь стабилизирующей поверхности;
S - площадь крыла;
L - расстояние от центра масс экраноплана до 0,25 средней аэродинамической хорды Васm стабилизирующей поверхности (фиг.10).
В то же время величина лобового сопротивления Хо пропорциональна величине статического момента А стабилизирующих поверхностей, поскольку площадь обтекаемой поверхности пропорциональна площади стабилизирующей поверхности Scm и длине корпуса L для размещения стабилизирующей поверхности. Поэтому уменьшение величины статического момента А приводит к уменьшению аэродинамического сопротивления Хо и увеличению аэродинамического качества К=Y/X.
В «самолетной» компоновке экраноплана стабилизирующей поверхностью является горизонтальное оперение (фиг.10), в компоновке «составное крыло» - горизонтальное оперение и расположенные сзади центра масс экраноплана крылья - консоли (на фиг. не показано). Стабилизация экраноплана с аэродинамической компоновкой «летающее крыло» осуществляется, как правило, с использованием систем автоматического управления и демпфирования.
Известно, что профиль с S-образной средней линией обладает диапазоном углов атаки и относительных высот, в котором обеспечивается необходимое условие апериодической устойчивости Xfh≤Xfα. Поэтому выполнение крыла 7 с профилем с S-образной средней линией позволяет уменьшить требуемую величину статического момента А горизонтального оперения 33, что способствует увеличению аэродинамического качества.
При движении по трассе с продольными уклонами возникает составляющая вектора силы тяжести Go=Mo·g экранопоезда 2, направленная вдоль негоризонтальной трассы Go·tg(j) (фиг.9). Это приводит к изменению скорости, в результате угол тангажа (атаки) экранопоезда 2 изменяется, и возникает необходимость его балансировки в продольной плоскости. Балансировку можно обеспечить при отклонении закрылка 26, особенно при его выполнении двухзвеньевым. Однако использование горизонтального оперения 33 с рулями высоты (на фиг. не обозначены) более эффективно по сравнению с закрылками 26 в связи с большим плечом действия уравновешивающей силы относительно центра масс экранопоезда 2.
Установка горизонтального оперения 33 на вертикальном оперении 34 позволяет вывести вертикальное оперение из области зоны действия экранного эффекта. Вертикальное оперение 34 может выполняться с одним, двумя килями 35 (фиг.1, 5) и большим количеством килей (на фиг. не показано). Поверхности двухкилевого вертикального оперения 34 с форкилями 36, начинающимися в районе максимальной толщины профиля крыла 7, как показали расчеты, влияют на распределение давления на верхней поверхности 11 крыла 7, смещая центр давления и аэродинамический фокус по тангажу в сторону задней кромки крыла 7. Поскольку эффект перераспределения давления на верхней поверхности 12 крыла 7 проявляется при определенном расстоянии между килями вертикального оперения 35, то установка третьего и т.д. килей 36 и/или форкилей 37 (на фиг. не показано) позволяет реализовать этот эффект при любом размахе крыла 7. Более того, изменение кривизны профиля вертикального оперения и форкилей 35 также позволяет управлять распределением давления на верхней поверхности 12 крыла 7. В результате наличие двух и более килей 35 вертикального оперения 34 с форкилями 36 позволяет уменьшить величину статического момента A горизонтального оперения 33, необходимую для обеспечения апериодической устойчивости, и за счет этого уменьшить величину аэродинамического сопротивления Хо и увеличить аэродинамическое качество К экранопоезда 2.
ПОД
Для обеспечения режимов взлета и посадки, а также движения на малых скоростях экранопоезд 2 оснащается шасси 29. Стойки 30 шасси 29 выполняются амортизированными. Выполнение передней стойки 30 шасси 29 телескопической (фиг.12, 16), с возможностью увеличения ее длины, позволяет увеличивать угол атаки при разбеге, что увеличивает подъемную силу и, следовательно, уменьшает скорость отрыва и длину разбега (и пробега после посадки) экранопоезда 2. Скорость отрыва от поверхности также можно уменьшить при расположении воздушных винтов 37 (или сопел ТРД) перед крылом 7. Например, при установке кинематически связанных с двигателями 38 воздушных винтов 37 на пилонах 39 и отклонении воздушной струи (например, поворотом пилона 39, фиг.12, или створок 40 за воздушным винтом 37, фиг.16), воздушные струи направляются под крыло 7. В результате под крылом 7 создается динамическая воздушная подушка (поддув), величина подъемной силы Y в которой превышает тягу воздушных винтов 37 в несколько раз.
С
При использовании в качестве воздушного движителя установленных на днище 16 лопаток 15 и направления на них струи воздуха из сопел 14 (фиг.14, 16) возникает сила тяги Tл, равная произведению скоростного напора струи q на площадь Sл всех N лопаток 15 (N - количество лопаток 15) и на их коэффициент сопротивления Схл:
C
2
Тл=Схл·N·Sл·q=Схл·N·Sл·0,5·ρ·(Vc-V).
Струя может формироваться лопаточными машинами 18, например радиальными или осевыми вентиляторами (фиг.2, 3), турбореактивными двигателями и т.п. Также струя может формироваться при истечении газа (например, воздуха) из сопел 14, установленных на трубопроводе 20, в котором газ находится под избыточным давлением (фиг.5). Выполнение трубопровода в виде соединенных между собой управляемыми клапанами 23 секций 21, пневматически связанных с компрессором 22, позволяет автоматизировать управлением соплами 14 (фиг.7, 8). При этом оснащение сопел 14 трехпозиционными заслонками 24 (фиг.8, 14, 16) позволяет переключать направление струи на противоположное и закрывать сопло 14. Энергоснабжение лопаточных машин 18, компрессоров 22 и системы автоматики может обеспечиваться как путем проведения вдоль трассы линий электропередач и т.п. источников энергии, так и путем установки вдоль трассы источников возобновляемой энергии, например ветроэнергетических установок, солнечных батарей и т.п. (на фиг. не показано).
Отработанные газовые струи перетекают через продольные аэродинамические гребни 17 под крыло 7 экранопоезда 2, и взаимодействуют с воздушным потоком под нижней поверхностью 8 крыла 7, тормозят его. При этом увеличивается статическая составляющая полного давления набегающего потока, что увеличивает подъемную силу крыла 7 экранопоезда 2 и, следовательно, усиливает экранный эффект.
0
0
0
2
Благодаря возникновению при движении на крыле 7 экранопоезда 2 аэродинамической силы, на поверхность направляющей 1 действует статическое давление, равное давлению на нижней поверхности 8 крыла 7, которое меньше нагрузки на крыло p=Mg/S, где M - масса экранопоезда 1, g - ускорение свободного падения. Поскольку нагрузка на крыло 7 экранопоезда составляет, как правило, не больше p=Mg/S≤8000 Н/м=8 кПа, то на поверхность двухскатного профиля 3 направляющей 1 на крейсерских участках трассы действует небольшая по величине распределенная нагрузка, и конструкция поверхности двухскатного профиля 3 может выполняться из материалов с невысокой прочностью. Однако присоединенные массы, возникающие за движущимся на малых высотах экранопоездом 2, создают на поверхности направляющих воздушные потоки со скоростями, сопоставимыми со скоростью движения экранопоезда 2. Поэтому конструкция поверхности направляющей 1 должна быть устойчивой к воздействию воздушного потока. В зависимости от скорости движения и нагрузок p на крыло 7 экранопоезда 2 для создания поверхности двухскатного профиля 3 направляющей 1 может использоваться дерновая поверхность из аэродромных травосмесей, поверхность, обработанная органическими вяжущими, укрепление поверхности разборным аэродромным покрытием, металлическими или пластиковыми сетками и другие легкие дорожные покрытия (на фиг. не показано). Прочность конструкции на станциях 25 и в местах остановки экранопоезда 2, на разгонных и тормозных участках, по которым экранопоезд 2 двигается на шасси 29, выполняется аналогичной аэродромным конструкциям, соответствующим расчетной нагрузке на опору шасси 29.
Таким образом, на поверхность направляющей 1 на крейсерских участках действуют небольшие распределенные нагрузки. Поэтому трасса направляющей 1 может выполняться на поверхности земли с невысокой по сравнению с высокоскоростным наземным транспортом прочностью конструкции, с созданием искусственных сооружений для преодоления естественных препятствий, и с обеспечением безопасности для окружающих.
2
K
K
0
ПОЛ
ПОЛ
0
КОМ
ТОП
0
КОМ
КОМ
0
ТОП
ТОП
0
СУ
СУ
0
ТОП
При движении экранопоезда 2 вдоль направляющей 1 на малой высоте атмосферная турбулентность существенно меньше атмосферной турбулентности на высотах крейсерских режимов полета самолетов. Поэтому перегрузки n=V/gR, действующие на конструкцию экранопоезда 2, будут в основном определяться скоростью полета V и радиусами R поворота трассы направляющей 1, а не атмосферной турбулентностью. Перегрузки n можно нормировать, например, исходя из условий комфортности для пассажиров. Поэтому конструкция экранопоезда 2 будет рассчитываться на значительно меньшие расчетные перегрузки, чем для самолетов с такой же грузоподъемностью и скоростью полета. Это позволит уменьшить относительную массу конструкции m=М/М и увеличить массу полезной нагрузки m=М/М=(М+М)/М, равную сумме коммерческой нагрузки m=М/М и массы топлива m=М/М. При выполнении воздушного движителя в виде установленных на экранопоезде 2 лопаток 15 и оснащении направляющей 1 формирователем струи уменьшится величина относительной массы силовой установки m=М/М и запасов топлива m на борту экранопоезда 2. При этом относительная масса коммерческой нагрузки увеличивается до величины полезной нагрузки с учетом разности масс силовой установки и движителя с лопатками 14.
КОМ
КОМ
В результате увеличения аэродинамического качества К=Су/Сх экранопоезда 2, его скорости движения V и относительной коммерческой нагрузки М существенно увеличивается транспортная эффективность экранопездов М·К·V и снижается расход энергии на единицу перевозимого груза по сравнению как с наиболее близким аналогом [1], так и с высокоскоростными наземными транспортными системами. Капитальные затраты на строительство направляющей 1 существенно ниже затрат на строительство высокоскоростных наземных трасс, особенно на магнитном подвесе. Поэтому представленные в описании варианты транспортных систем, экранопоезд 2 и направляющая 1 могут оказаться конкурентоспособными с высокоскоростным наземным и воздушным транспортом.
Приведенные в описании группы изобретений сведения достаточны для разработки и постройки экранопоездов и направляющей для них в специализированных организациях.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ К ОПИСАНИЮ ГРУППЫ ИЗОБРЕТЕНИЙ
1 - направляющая;
2 - экранопоезд;
3 - двухскатный профиль;
4 - цилиндрическая поверхность;
5 - стенки;
6 - основание двухскатного профиля 3;
7 - крыло экранопоезда;
8 - нижняя поверхность крыла 7;
9 - цилиндрическая поверхность в нижней части законцовок крыла 7;
10 - кромка верхней поверхности 11 крыла 7;
11 - верхняя поверхность крыла 7 экранопоезда 2;
12 - верхняя кромка стенок 5 направляющей 1;
13 - концевые аэродинамические шайбы;
14 - сопло формирователя струи;
15 - лопатки в днище 14 экранопоезда 1 (подднищевые лопатки);
16 - днище экранопоезда 1;
17 - продольные аэродинамические гребни;
18 - лопаточные машины;
19 - двухпозиционная заслонка;
20 - трубопровод, наполненный газом с избыточным давлением;
21 - секции трубопровода 20;
22 - компрессор для подкачки секций 21 трубопровода 20;
23 - управляемые клапаны, соединяющие секции 21 трубопровода 20;
24 - станции на трассе направляющих;
25 - закрылок крыла 7;
26 - первое звено закрылка 25;
27 - второе звено закрылка 25;
28 - шасси;
29- передние стойки шасси 28;
30 - телескопическая опора передние стойки 29 шасси 28;
31 - фюзеляж;
32 - горизонтальное оперение;
33 - вертикальное оперение;
34 - киль вертикального оперения 33;
35 - форкиль вертикального оперения 33;
36 - воздушный винт;
37 - двигатель, кинематически связанный с воздушным винтом 35;
38 - пилон для воздушных винтов 35, устанавливаться перед крылом 7;
39 - створки для отклонения струи за воздушным винтом 35;
40 - трехпозиционные заслонки, установленные в сопле 14 формирователя струи.
«V» - поперечный угол крыла 7.
К=Су/Сх - аэродинамическое качество экранопоезда;
ПРОФ
ПРОФ
ПРОФ
К=Су/Сх - аэродинамическое качество профиля крыла;
Cy=Y/(qS) - коэффициент аэродинамической подъемной силы экранопоезда;
ПРОФ
ПРОФ
Су=Y/(qS) - коэффициент аэродинамической подъемной силы профиля крыла;
ПРОФ
ПРОФ
Cx=X/(qS) - коэффициент аэродинамического сопротивления экранопоезда; Сх=Х/(qS) - коэффициент аэродинамического сопротивления профиля крыла;
Y - аэродинамическая подъемная сила экранопоезда, Н;
ПРОФ
Y - аэродинамическая подъемная сила профиля крыла, Н;
Х - сила аэродинамического сопротивления экранопоезда, Н;
ПРОФ
X - сила аэродинамического сопротивления профиля крыла, Н;
2
S - площадь крыла, м;
2
2
q=0,5ρV - скоростной напор, Н/м=Па;
V - скорость движения, м/с;
2
ρ - плотность воздуха, кг/м;
(Xfh=dMz/dCy, α=const) - аэродинамический фокус по высоте;
(Xfα=dMz/dCy, h=const) - аэродинамический фокус по тангажу;
Mz - коэффициент момента тангажа;
Су- коэффициент подъемной силы;
α - угол атаки - угол между вектором скорости и хордой крыла в проекции на продольную плоскость крыла;
h=H/Ba - относительная высота над экраном;
Н - высота характерной точки (например, центра масс) над экраном;
Ва - средняя аэродинамическая хорда крыла;
A=(Scm/S)·(L/Ba) - статический момент стабилизирующей поверхности;
Scm - площадь стабилизирующей поверхности;
S - площадь крыла;
L - расстояние между центром масс экраноплана до 0,25 средней аэродинамической хорды Васm стабилизирующей поверхности;
Т - сила тяги, Н;
СТР
2
2
q=0,5ρ(Vc-V) - скоростной напора струи, действующий на лопатки 15 в днище экраноплана 2, Н/м;
Vc - скорость струи при входе из сопла 14, м/с;
2
Sл - площадь лопатки 13, м;
N - количество лопаток 13;
Схл - коэффициент сопротивления лопатки 13;
0
2
p=Mg/S, где - нагрузка на крыло 7, Н/м=Па;
0
М - масса экранопоезда, кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
2
n=V/Rg - перегрузка при движении по кривой с радиусом R;
Rg - радиус поворота трассы направляющей;
K
K
m=М/М - относительная масса конструкции;
ПОЛ
ПОЛ
0
КОМ
ТОП
0
m=М/М=(М+М)/М - относительная масса полезной нагрузки;
КОМ
КOМ
0
m=M/M - относительная масса коммерческой нагрузки;
ТОП
ТОП
0
m=М/М - относительная масса топлива;
СУ
СУ
0
m=M/M - относительная масса силовой установки;
КОМ
М·К·V - транспортная эффективность экранопоезда.