.

Вы здесь

Летающие суда - экранопланы

Летающие суда - экранопланы

31.03.2009 Автор: 0 11824

Н.И. Белавин
Журнал КиЯ №15 1968г

Не случайно создание принципиально новых типов судов почти всегда связывают с малым судостроением. Именно на небольших, сравнительно недорогих лодках и катерах удобно проводить эксперименты, причем высокие скорости достигаются при умеренной мощности механической установки. Глиссирующие катера, катамараны, суда на подводных крыльях и воздушной подушке, — все они начинались с малых судов.

Примечательно, что достигнутые успехи получали затем быстрейшее развитие на более крупных судах, дающих больший экономический эффект. Возможно, так будет и с парящими судами — экранопланами, хотя в настоящее время (в стадии экспериментов) их размеры и грузоподъемность невелики. Сейчас трудно говорить о перспективах внедрения экранопланов, но вероятные области их применения можно связать с высокими скоростями и проходимостью этих аппаратов. Вероятно, будут созданы быстроходные патрульные экранопланы для обширных заболоченных или заросших тростником устьев рек, возможно ими заинтересуются и спортсмены.

С основными принципами конструкции и движения экранопланов, их достоинствами и недостатками, по сравнению с судами других типов, знакомит читателей статья кандидата технических наук Н. И. Белавина.

Уже более ста лет инженеры-кораблестроители, борясь за скорость, стремятся «вытащить судно из воды», поднять его в воздух — среду в 840 раз менее плотную, чем вода. Глиссирование, подводные крылья, воздушная подушка,— таковы ступени развития этой идеи, последнюю из которых занимают экранопланы, т. е. аппараты, использующие при движении эффект повышения давления воздуха под крылом вблизи водной поверхности— экрана. Кстати, экранирующей, поверхностью может быть и земля, поэтому экранопланы, как и суда на воздушной подушке, являются амфибиями: они способны выходить на сушу, преодолевать заболоченные участки, парить над замерзшими водоемами и т. д.

Построенные в настоящее время экранопланы (табл. 1) еще далеки от совершенства. Их сравнительно низкие энерговооруженность и аэродинамические характеристики обеспечивают скорость в пределах 80— 150 км/час. Однако специалисты пришли к выводу, что технически вполне осуществимо повышение скорости экранопланов до 350 и более км/час.

Для сравнения возможностей экранопланов и скоростных аппаратов уже привычных нам типов используется такой наглядный показатель как аэрогидродинамическое качество К, представляющее собой отношение подъемной (полезной) силы аппарата к величине сопротивления среды (воды, воздуха) его движению. Напомним, что от величины К зависит необходимая для движения с заданной скоростью мощность, а следовательно, и вес энергетической установки и, что еще более важно, расход топлива.

Для глиссеров со скоростями движения 60—80 км/час гидродинамическое качество К=6/8, для судов на подводных крыльях с близкими скоростями К= 10/12, для судов на воздушной подушке К=12/16 (с учетом поддува 4—5), а для самолетов аэродинамическое качество K=16/17. Для существующих экранопланов значения К составляют 19—25, а это значит, например, что для движения с одинаковой скоростью экраноплану требуется втрое меньшая мощность, чем глиссеру.

Дело теперь за тем, чтобы практически реализовать это теоретически бесспорное преимущество. Вероятно, пройдет еще немного времени и над нашими реками и озерами появятся летающие катера — экранопланы. И мы не будем удивляться им, как не удивляет нас вид проносящихся мимо судов на крыльях или, тем более, пролетающих самолетов.

Из истории экранопланов. По-видимому, первый из них был создан финским инженером Т. Каарио. Зимой 1932 г. над замерзшей поверхностью озера он испытал экраноплан, буксируемый аэросанями. Позднее, в 1935—1936 гг. Каарио построил усовершенствованный аппарат, уже оборудованный двигателем с воздушным винтом, а в дальнейшем постоянно совершенствовал конструкцию своих экранопланов; последнюю модификацию — «Аэросани № 8» — он испытывал в 1960— 1962 гг. (рис. 1).

В 1939 г. американец Д. Уорнер, занимавшийся экспериментами по снижению сопротивления быстроходных катеров, разработал проект катера, оборудованного системой несущих крыльев (рис. 2). Для облегчения выхода на расчетный режим околоэкранного полета предполагалось оборудовать этот аппарат системой поддува с двумя мощными вентиляторами.

В 40-х годах обширные эксперименты выполнялись в Швеции под руководством И. Троенга. Были построены два экраноплана по схеме «летающее крыло» (рис. 3), т. е. катамараны с несущим крылом.

В послевоенные годы работы по созданию экранопланов развернулись в США. Начиная с 1958 г. известным авиаконструктором У. Бертельсоном были построены и испытаны три аппарата. Это «Аркоптеры» «GEM-1» (рис. 4), «GEM-2», «GЕМ-3», выполненные примерно по одной и той же схеме, но имеющие разную величину. Двухместный экраноплан — «летающее крыло» (рис.5) с толкающим воздушным винтом построил Н. Дискинсон. Американская фирма «Локхид» провела испытания трех аппаратов, последний из которых («летающая лодка») показан на рис. 6.

Самоходная пилотируемая модель 1000-тонного трансконтинентального пассажирского экраноплана «Большой Вейландкрафт» была построена по проекту X. Вейланда (рис. 7). Это — четырехтонный катамаран с двумя несущими крыльями, расположенными одно за другим (типа тандем). Во время первых летных испытаний модель разбилась.

Экраноплан «Аэрофойлбот Х-112», спроектированный А. Липпишем, построен по чисто самолетной схеме и напоминает гидросамолет (рис. 8).

В Японии созданием экранопланов успешно занимается фирма «Кавасаки». Построенный ею аппарат «КАG-3» (рис. 9) представляет собой катамаран с несущим крылом и мощным подвесным мотором. Более подробное его описание приведено в следующей статье.

В нашей стране еще в начале 30-х годов очень интересный проект двухмоторного транспортного экраноплана был разработан авиаконструктором П. И. Гроховским. В 1963 г. студентами ОИИМФ под руководством Ю. А. Будницкого построен выполненный по схеме «летающее крыло» одноместный экраноплан с двумя мотоциклетными двигателями (рис. 10).

Аэродинамика экраноплана. Положение крыла над экраном характеризуется относительной высотой h=h/b, где (h — высота задней кромки крыла над экраном, а b — хорда крыла. Установлено, что влияние экрана на работу крыла начинает сказываться при h < 1, т. е. при движении на высоте, которая меньше хорды. При «проталкивании» воздуха между крылом и экраном в этом случае происходит интенсивное подтормаживание потока и, как следствие, резкое повышение давления (рис. 11), т. е. образование воздушной подушки, значительно повышающей подъемную силу крыла. Для рабочих углов атаки 2—В° этот прирост подъемной силы составляет 40—45% (рис. 12).

Благодаря близости экрана уменьшается и лобовое сопротивление крыла, главным образом, за счет снижения его индуктивного сопротивления (рис. 13). Напомним, что причиной индуктивного сопротивления являются вихри, возникающие на концах крыла вследствие перетекания воздуха из-под нижней плоскости (зона повышенного давления) на верхнюю (зона разрежения). Сопротивление профиля, обусловленное силами давления и трения, с приближением крыла к экрану изменяется сравнительно мало.

С приближением крыла к экрану качество К может увеличиться в 1,5—2 и более раз по сравнению с его значением для данного же крыла, но на большой высоте; одновременно можно заметить, что при этом максимальные значения К достигаются при меньших углах атаки. Естественно, что К вблизи экрана, как и на большой высоте, сильно зависит от характеристик самого крыла. Отметим, что применяющиеся на экранопланах профили крыла по своим основным характеристикам различаются мало. На экраноплане «ОИИМФ-2» применен профиль с относительной толщиной С =10/12%.

При расчете площади крыла определяющей величиной является удельная нагрузка на единицу его площади. Для существующих экранопланов величина эта сравнительно невелика (35—50 кг/м2), что объясняется стремлением ограничить мощность двигателя экспериментального аппарата.

Устройства для повышения качестве крыла. Для повышения летных и особенно взлетно-посадочных характеристик экранопланов их крылья оборудуют (рис. 14) щитками, закрылками, заслонками, концевыми шайбами. Применяются поворачивающиеся крылья.

Напомним, что отклонение щитков и закрылков обеспечивает увеличение подъемной силы крыла, главным образом, благодаря повышению вогнутости его профиля. Концевые шайбы уменьшают перетекание воздуха через оконечности крыльев, а вблизи экрана обеспечивают образование под крылом полузамкнутого контура с зоной повышенного давления. На экранопланах обычно применяются односторонние шайбы, расположенные только с нижней стороны крыла.

Особенности аэрогидродинамической компоновки. Существуют две схемы компоновки экранопланов: «летающее крыло» и самолетная.

Первая характеризуется тем, что несущее крыло опирается концами на два поплавка, которые одновременно выполняют роль концевых шайб. Достоинствами этой схемы являются высокое аэродинамическое качество (благодаря отсутствию развитого корпуса и надстроек) и возможность использования объемов самого крыла для размещения грузов, основным недостатком — сложность решения проблемы устойчивости и мореходности (особенно для малых аппаратов).

В самолетной схеме из-за малого удлинения крыла λ, сравнительно сильно сказывается влияние корпуса (фюзеляжа) аппарата, снижающее качество. Тем не менее, крылья малого удлинения установлены на большинстве современных экранопланов (исключение представляет модель X. Вейланда), так как с увеличением λ= l/b существенно ухудшаются мореходные и эксплуатационные качества аппарата, например, появляется опасность касания концом крыла гребня волны. При заданной площади крыла необходимое значение К можно обеспечить за счет уменьшения h, что требует, как известно, при заданной высоте полета увеличения хорды крыла, т. е. соответствующего уменьшения λ.

Устойчивость. Экраноплан, как и самолет, должен обладать способностью сохранять заданный режим полета и самостоятельно (без вмешательства пилота) возвращаться к нему после, например, порыва ветра. При движении аппарата продольная устойчивость в значительной степени обусловлена взаимным расположением его центра тяжести ЦТ и аэродинамического фокуса F (рис. 15), т. е. точки, относительно которой момент полной аэродинамической силы крыла не зависит от угла атаки при постоянной скорости полета. Если ЦТ самолета расположен впереди фокуса, аппарат обладает статической продольной устойчивостью (по перегрузке). Для экранопланов проблема устойчивости значительно сложнее, так как положение фокуса крыла экраноплана зависит не только от угла атаки, но и от h. Продувками моделей установлено, что обычно применяемые крылья не обладают продольной устойчивостью, поэтому все современные экранопланы (как и самолеты) приходится оборудовать стабилизаторами или другими устройствами, смещающими их F в хвост аппарата (тем самым увеличивается расстояние между ЦТ и F). Наиболее успешно проблема продольной устойчивости решена на аппарате «Х-112», на котором она обеспечивается, главным образом, высоко установленным на вертикальном оперении, за пределами влияния экрана, раз» витым стабилизатором.

Рис. 10. Экраноплан, построенный студентами ОИИМФ.

Что же касается поперечной устойчивости экранопланов, то она практически всегда будет обеспечена: в случае накренения аппарата на консоли крыла, приближающегося к экрану, возрастает подъемная сила и появляется восстанавливающий момент.

Путевая (курсовая) устойчивость обеспечивается примерно теми же способами, которые приняты в авиации, т. е. соответствующим выбором площади вертикального оперения (воздушного киля) и его положения относительно ЦТ экраноплана. При этом, естественно, существенную роль играет общая компоновка аппарата, в частности, положение точки приложения тяги винта.

Управляемость. Для управления по курсу чаще всего ставят один или два воздушных руля, для повышения эффективности обычно располагаемых в струе воздушного винта, В случае применения гребного винта используется обычный водяной руль либо подвесной мотор.

Известную сложность представляет свойственный экранопланам сильный дрейф на циркуляции; ведь у них нет ни погруженной в воду масти корпуса, ни стоек подводных крыльев. Возможности выполнения крутых виражей со скольжением несущего крыла ограничены опаской близостью поверхности воды или Земли.


Для управляемости в продольной плоскости практически все экранопланы, включая и аппараты с гребным винтом, оборудуются рулем высоты или закрылком. Эти же устройства используются при старте экраноплана и для балансировки его на выбранном режиме полета.

Управляемость аппаратов в поперечной плоскости, т. е. по крену, необходимая для противодействия кренящим моментам и выполнения виражей, осуществляется при помощи элеронов, элевонов (т. е. тех же элеронов, но выполняющих одновременно и функции рулей высоты) или зависающих элеронов (т. е. элеронов, могущих работать и в режиме закрылков). Площадь этих дополнительных плоскостей довольно велика, так как скорость движения экраноплана все же значительно меньше, чем скорость самолета. Так, суммарная площадь V-образного хвостового оперения на «КАG-3» составляет 3,2 м2 или около 35% площади несущего крыла.

Двигатели и движители. Мощность двигателей экранопланов, как Правило, сравнительно невелика: отнесенная к полному весу экракоплана она колеблется от 80 до 160 л. с/т.

Большинство современных экранопланов приводится в движение воздушным винтом. Достоинства его очевидны: это возможность достижения больших скоростей и обеспечения амфибийных качеств аппарата.

Реже используется гребной винт, работающий в воде. Его положительными сторонами являются сравнительно небольшие размеры и незначительная шумность, а самое главное — более высокий к. п. д. на скоростях до 100—120 км/час. Так, на швартовах удельный упор, развиваемый воздушными винтами, колеблется в пределах 2—3 кг/л. с, а у гребных достигает 4—5 кг/л. с.

Стартовые устройства. Для выхода на основной режим движения экраноплану, как и гидросамолету или судну на подводных крыльях, необходимо развить скорость, при которой подъемная сила крыльев станет равной весу аппарата и оторвет его от воды. Испытаниями моделей установлено, что максимальное сопротивление движению («горб» на кривой сопротивления) возникает на скоростях, составляющих 40—60% от скорости отрыва.

Из рис. 16 видно, что горб полного сопротивления R возникает вследствие роста его гидродинамической составляющей W при повышении скорости на режиме плавания. Именно горбу сопротивления при критической скорости vкр и соответствует минимальное значение аэрогидродинамического качества К экраноплана. Если максимальная тяга движителя недостаточна (кривая 1), экраноплан не сможет преодолеть горб сопротивления и будет продолжать глиссировать со скоростью, соответствующей точке а.

Насколько резко меняется сопротивление при разбеге видно, например, из кривой сопротивления экраноплана «Х-112» (рис. 17). При выходе на расчетный режим R упало с 25—35 до 10 кг, а гидродинамическое качество К (при весе D = 231 кг) увеличилось с 7,7 до 23.

Для преодоления горба сопротивления при разбеге и выходе на расчетный режим было бы необходимо кратковременно повышать мощность двигателя в 2,5—3,5 раза по сравнению с той, которая необходима для полета. На практике повышения подъемной силы, выталкивающей корпус из воды в момент разгона, достигают применением каких-либо стартовых устройств: закрылков, предкрылков, поворотных крыльев, гидролыж, систем поддува.

На «Аэросанях № 8», например, это — два небольших поворотных крыла, установленных между боковыми шайбами в струе воздушного винта. В момент разбега среднее крыло при помощи ручного привода устанавливается так, что отбрасываемая винтом воздушная струя направляется под основное несущее крыло. В результате в полузамкнутом объеме под несущим крылом, огражденном с боков поплавками-шайбами, а в хвостовой части опущенными закрылками, образуется воздушная подушка с повышенным давлением. Таким образом, даже при отсутствии поступательного движения на крыле развивается значительная подъемная сила, приподнимающая аппарат из воды.

Стартовое устройство в виде гидролыж, т. е. подводных крыльев Еесьма малого удлинения (λ=0,1 / 0,2 и менее), до настоящего времени было применено лишь на экраноплане X. Вейланда. Считается, что их достоинствами являются довольно высокое гидродинамическое качество (К = 5 / 6), возможность снижения перегрузок аппарата при движении на волнении и простота.

Стартовое устройство в виде специальной системы поддува, состоящей из двух вентиляторов с газотурбинным приводом, предусмотрено лишь на экраноплане «Коламбиа».

Стартовые устройства могут применяться также и для снижения перегрузок при посадке, особенно в сложных гидрометеорологических условиях.

Конструкция корпуса. По конструкции корпуса, поплавков, крыльев и других элементов современные экранопланы во многом напоминают самолет. Большинство аппаратов выполнено из легких, главным образом алюминиевых, сплавов, причем толщины обшивки и профилей набора (например, у экраноплана ОИИМФ) находятся в пределах 0,5—2,0 мм.

Несколько отличаются от других аппараты У. Бертельсона, на которых применена ферменная конструкция из легких стальных труб с дюралевой обшивкой. Оригинальна конструкция экраноплана Н. Дискинсона: несущее крыло и поплавки выполнены из сплошных брусков пенопласта, стянутых тонким стальным тросом.

Все в больших масштабах применяются и новые конструкционные материалы. Например, часть обшивки «КАG-3» изготовлена из стеклопластика.

Boatportal.ru

logo