Идея использования аэродинамических сил для поддержания судов над водной поверхностью

Идея использования аэродинамических сил для поддержания судов над водной поверхностью была выдвинута ещё в 30-е годы прошлого столетия. Первая известная нам заявка на судно, использующее для движения воздушные крылья, принадлежит финскому инженеру Т. Каарио и относится к 1935 году, так же следует отметить проекты шведского инженера И. Троенга и американского инженера Д. Уорнера, относящиеся к 30-м годам ХХ века. Первые изобретатели судов с использованием воздушных крыльев использовали экранный эффект крыла вблизи опорной поверхности-экрана, который обеспечивал крылу значительный рост подъёмной силы, но создавал проблемы с решением вопросов устойчивости движения. Попытки реализовать этот эффект не дали серьёзных практических результатов. Непреодолимым препятствием в решении этой задачи оказалось обеспечение УСТОЙЧИВОСТИ движения вблизи экрана

 

Фиг.65 Схема конструкции экраноплана

Т. Каарио (Финляндия)

 

Фиг.66 Схема экраноплана конструкции И. Троенга (Швеция)

 

Фиг.67 Схема экраноплана конструкции Р.Е. Алексеева 1947г.

 

РАЗРАБОТКА Р.Е. АЛЕКСЕЕВЫМ ИДЕИ НОВОГО ТИПА СУДНА - ЭКРАНОПЛПНА

В 1949 году под руководством Р.Е. Алексеева был спроектирован, построен и испытан катер «А-8». В ходе испытаний катера «А-8» подтвердились результаты модельных испытаний в бассейне неустойчивости движения при ходе на крыльях. Особенно влияние образующейся под днищем катера «воздушной подушки» как положительное, так и отрицательное на ходовые качества катера «А-8». Катер «прыгал» и получил название «Лягушка»

Фиг.68 Рисунок Р.Е. Алексеева катера «А-8» («Лягушка»)

В ходе испытаний катера подтвердилось, что на неустойчивость хода, отрицательно повлиял, так называемый «экранный эффект» поверхности воды.

Благодаря испытаниям этого катера, была доработана крыльевая схема и корпус катера, чтобы использовать их только для СПК.

Параллельно Р.Е. Алексеевым была выполнена НИР «Исследование движения судов над поверхностью воды», в которой производились исследования полей давления корпусов моделей в виде толстого крыла при движении их вблизи поверхности воды. Эта работа внесла ясность, каким путём идти при проектирование СПК, а каким путём идти в проектирование нового типа транспорта – ЭКРАНОПЛАНОВ.

 

ЭФФЕКТ АЛЕКСЕЕВА» НА ЭКРАНОПЛАНАХ

В период 1935-1939 годов комплекс экспериментальных и теоретических работ в области изучения влияния на крыло «экранного эффекта» был проведён в ЦАГИ Я.М. Серебрийским. Результаты этих исследований позволили произвести приближённую оценку влияния «экранного эффекта» на аэродинамические характеристики низколетящего крыла. В частности, было показано. что на малых высотах (меньше хорды крыла) подъёмная сила растёт, причём тем больше, чем ближе крыло расположено к экрану. Экраноплан имеет следующие режимы движения: плавание – действуют гидростатические силы, взлёт и посадка – действуют гидродинамические силы, полёт вблизи экрана и полёт вне экрана – действуют аэродинамические силы. Кроме основных режимов экраноплан имеет так называемые переходные режимы движения: - с плавания на глиссирование, в процессе которого осуществляется переход с гидростатических на гидродинамические силы поддержания, - с глиссирования на полёт вблизи экрана, когда осуществляется переход с гидродинамических на аэродинамические силы поддержания, - с экранного в свободный полёт, когда с ростом высоты исчезает экранный эффект. Каждый режим требовал глубокой теоретической и практической проработки. Р.Е. Алексеев максимально использует опыт, полученный при разработки СПК. Стремится добиться на всех режимах устойчивого движения экраноплана, благодаря подбору элементов конструкции, профилей крыльев, силовой установки, чтобы были плавные переходы от режима к режиму с помощью САМОРЕГУЛЯЦИИ.

Фиг.69 Зависимость коэффициента подъёмной силы Подводного крыла от погружения и воздушного крыла от высоты над экраном

 

Из сравнения гидродинамических характеристик мало погруженного крыла в зависимости от глубины его погружения и аэродинамических характеристик воздушного крыла в зависимости от высоты над водяной или другой опорной поверхности – экраном видно, что принципиальный характер этих кривых адекватен, но зеркален. В обоих случаях, существует механизм обеспечения устойчивости движения на крыльях. Поэтому, когда Алексеевым были получены данные по аэродинамическим характеристикам воздушного крыла вблизи экрана, он понял, что имеются реальные возможности создания практического образца судна на воздушных крыльях.

Подводные крылья.

V = до 120 км/час

Воздушные крылья.

V = до 500 км/час

Необходимыми элементами компоновки экраноплана являются фюзеляж, несущее крыло, аэродинамические плоскости, обеспечивающие продольную и боковую устойчивость, горизонтальное и вертикальное оперение, рулевые поверхности для управления экранопланом и стартово-поддувное утройство.

Можно сделать вывод, что «ЭФФЕКТ АЛЕКСЕЕВА» на экраноплане это не одно явление, а комплекс ПРОЛОНГИРУЮЩИХ действий, приводящих к САМОРЕГУЛИРОВАНИЮ подъёмной силы воздушного крыла вблизи экрана, чтобы его добиться необходимо определить взаимосвязь, как отдельных элементов компоновки так и определённую зависимость от экрана. Наиболее достоверными результатами являются результаты испытаний катапультируемых, буксируемых, радиоуправляемых моделей и пересчёт полученных данных на натурное судно

 

ОТРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОЙ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПОНОВКИ ЭКРАНОПЛАНА НА САМОХОДНЫХ МОДЕЛЯХ

Используя опыт, накопленный при создании СПК и на базе имеющегося научно - экспериментального задела, уже в1960 году была разработана аэрогидродинамическая компоновка экраноплана («двухточка или «тандем»), являющаяся логическим воплощением в экранную аэродинамику схемы судна на двух мало погруженных подводных крыльях. Наличие градиента подъёмной силы по высоте (глубине) в том и в другом случае является основой решения вопросов устойчивости движения.

Сравнивая компоновки «А-4» и «СМ-1» можно предположить зеркальное сходство только с изменениями, учитывающими окружающую среду (вода, воздух).

 

Фиг.70 Компоновка первого катера на мало погруженных подводных крыльях конструкции Р.Е. Алексеева «А-4»

Фиг.71 Компоновка самоходной модели первого экраноплана конструкции Р.Е. Алексеева «СМ-1».

Фиг.72. Первый экраноплан «СМ-1» в полёте 1961г.

В 1961 году на базе этой компоновки был разработан проект и построена самоходная модель экраноплана «СМ-1». В ходе её испытаний достигнута скорость около 200 км/час при удовлетворительных характеристиках устойчивости и управляемости вблизи экрана (вода, заснеженная поверхность). К основным недостаткам этой компоновки следует отнести высокие взлётно-посадочные характеристики и высокую чувствительность экрана. Дальнейшие работы по совершенствованию компоновки были направлены на повышение аэрогидродинамического качества, снижение взлётно-посадочных скоростей и улучшения динамики полёта экраноплана. В 1962 году была построена самоходная модель «СМ-2», для улучшения взлётно-посадочных характеристик впервые в мировой практике был применён «поддув» двигателями под несущее крыло. Сама идея «поддува» была выдвинута Р.Е. Алексеевым ещё в конце 1959 г., однако потребовалось проведение комплекса экспериментальных исследований для разработки практических рекомендаций по выбору принципиальной схемы «поддува». Высокий эффект от «поддува», когда один килограмм тяги двигателя обеспечивает до 10 кг. подъёмной силы, создал предпосылки для значительного снижения взлётно-посадочных скоростей экраноплана, что в перспективе способствовало повышению весовой отдачи и мореходности этого нового типа высокоскоростных судов.

Фиг.73 Схема образования подъёмной силы при «поддуве» под крыло, расположенное у экрана

Фиг.74 Аэрогидродинамическая компоновка самоходной модели «СМ-2»

Фиг.75 «СМ-2» в полёте 1962г.

Благодаря системе «поддува», стартовые характеристики «СМ-2» оказались значительно выше чем у «СМ-1», но сильное влияние «поддува» на аэродинамические характеристики носового крыла экраноплана и существенное на кормовое, создали большие трудности в решении вопросов продольной устойчивости. Положительное решение этого вопроса было получено в 1963г., с выносом кормового несущего крыла из зоны воздействия воздушных потоков от носового крыла. Так была создана принципиально новая аэрогидродинамическая компоновка экраноплана, получившая в последствие наименование «САМОЛЁТНОЙ»

Особенностью этой компоновки являлось одно несущее крыло с устройством для «поддува» и Т – образным оперением для обеспечения продольной и боковой устойчивости. В 1963 году на основе этой компоновки был разработан проект и построена самоходная модель экраноплана «СМ-2П»,

Фиг.76 Аэрогидродинамическая компоновка самоходной модели «СМ-2П»

Фиг.77 «СМ-2П» выход на берег 1963г.

АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ КОМПОНОВКА «СМ-2П» СТАЛА ПРООБРАЗОМ КОМПОНОВОК ПЕРВЫХ РОССИЙСКИХ ЭКРАНОПЛАНОВ – СХЕМЫ «САМОЛЁТНАЯ».

Дальнейшие работы проводились в направлении создания конкретных образцов экранопланов. Созданные в период 1963-1965гг. самоходные модели экранопланов «СМ-2П7», «СМ-3», «СМ-4», «СМ-5» отражали этапы в развитии отдельных компоновок для этих образцов.

Фиг.78 Самоходная модель «СМ-3»

Фиг.79 Самоходная модель «СМ-4»

Фиг.80 Самоходная модель «СМ-5»

СОЗДАНИЕ ПОД РУКОВОДСТВОМ Р.Е. АЛЕКСЕЕВА НАТУРНЫХ ЭКРАНОПЛАНОВ «КМ» И «ОРЛЁНОК».

Чтобы окончательно убедиться в полученной опытном путём научно-проектной базе, для создания нового типа транспорта, Р.Е. Алексеевым было принято решение, поддержанное головными институтами МСП и МАП, о проектировании и строительстве натурного корабля-экраноплана «КМ» (корабль-макет). Который представлял собой экраноплан-лабораторию, где было возможно в натурных условиях изучать наиболее острые вопросы создания экранопланов. Техно-рабочий проект был разработан в 1964 году. В 1966 году «КМ» был построен и спущен на воду. В период с 1966-1969 годов он прошёл всесторонние государственные испытания. Государственная Комиссия отметила не только достигнутые на испытаниях важнейшие научно-технические достижения в области экранопланостроения, но и факт создания в СССР самого крупного летательного аппарата (550 тонн).

Предварительно для отработки компоновки «КМ» была спроектированная, построена и испытана «СМ-8».

Фиг.81 Аэрогидродинамическая компоновка «СМ-8» самоходной модели «КМ»

Фиг.82 «СМ-8» в полёте

Фиг.83 «КМ» в полёте

Первым экранопланом, заказанным ВМФ в 1968 году, был транспортно – десантный экраноплан «Орлёнок» с взлётной массой до 140 тонн, способный перевозить груз 20 тонн со скоростью 400 км/час на дальность до 1500 км. Экраноплан должен был взлетать и садиться на воду при волнении моря до 2 м. Должен был обладать амфибийностью, то есть способностью самостоятельно выходить на относительно ровный берег, с естественным покрытием, а также на специальную мелкосидящую понтон-площадку.

Для отработки отдельных элементов и данных для расчётов и проектирования компоновки «Орлёнка» была спроектирована, построена и испытана самоходная модель «СМ-6».

Фиг.84 Самоходная модель «СМ-6» экраноплана «Орлёнок»

«Орлёнок» был построен и спущен на воду в 1973 году. Всего было построено 4 экраноплана такого типа.

Экраноплан «Орлёнок» имел аэрогидродинамическую компоновку – «самолётного» типа. Он представлял собой свободно несущий моноплан, включающий в себя фюзеляж обтекаемой формы с гидродинамическими и амфибийными элементами в нижней части фюзеляжа и развитое оперение. В фюзеляже размещались кабина экипажа, помещение для отдыха экипажа, отсеки радиоэлектронного и радиосвязного оборудования, грузовой отсек, а также отдельный отсек вспомогательной силовой установки и бортовых агрегатов, обеспечивающих запуск двигателей главной силовой установки, работу гидравлической и электрической систем экраноплана. Грузовой отсек занимал основную часть фюзеляжа, имел грузовую платформу, оборудованную швартовными устройствами со специальными гнёздами, которые позволяли выполнять несколько вариантов раскрепления грузов, колёсной и гусеничной техники, а также блоков сидений для перевозки людей. Для погрузки и выгрузки техники и грузов в носовой части экраноплана был специальный грузовой разъём (носовая часть отворачивалась). Главная силовая установка состояла из одного маршевого турбовинтового двигателя типа НК-12 и двух стартовых турбовентиляторных двигателей типа НК-8.

Фиг. 85 Экраноплан «Орлёнок» в полёте

Были разработаны проекты использования экраноплана «Орлёнок»:

- пассажирский экраноплан;

- грузопассажирский экраноплан

- арктический геологоразведочный экраноплан;

- поисковой спасательный экраноплан для авиационного морского поискового спасательного комплекса с самолёта АН-224 «Мрия».

Следует отметить, что по живучести и безопасности экранопланы имеют существенные преимущества по сравнению с самолётами, обусловленные тем, что в аварийных ситуациях, в том числе при отказах материальной части, у экраноплана всегда остаётся возможность сесть на водную поверхность, которую можно рассматривать в этих случаях как постоянно присутствующий аэродром.