Способ комплексного повышения аэродинамических и транспортных характеристик, способ управления полетом и летательный аппарат - наземно-воздушная амфибия для осуществления указанных способов

 

Изобретение относится к транспорту и конструированию наземно-воздушных амфибийных летательных аппаратов (ЛА) типа экраноплан со взлетом и посадкой на воздушной подушке. Сущность способа: ЛА создают дополнительную подъемную силу отсосом пограничного слоя с верхней поверхности крыла, создают статическую многокамерную воздушную подушку под фюзеляжем и крылом, лопасти вентиляторов выполняют саблевидными с переменным сечением и увеличенной хордой профиля, сообщают этим вентиляторам дополнительную мощность и перераспределяют ее между ними и маршевыми движителями. Сущность способа управления полетом ЛА: сначала всю мощность силовой установки направляют на создание воздушной подушки, а затем постепенно перераспределяют эту мощность от вентиляторов к маршевым движителям, причем при торможении и посадке перераспределяют мощность газогенераторов от маршевых движителей к вентиляторам. Описываемый ЛА имеет установочный угол атаки фюзеляжа больше 0^o, но меньше угла атаки крыла, газогенераторы ЛА соединены с исполнительными механизмами маршевых движителей и вентиляторов газопроводами. Лопасти вентиляторов выполнены саблевидными с переменным сечением и увеличенной хордой профиля, а камеры воздушной подушки снабжены струйным ограждением. Технический результат - повышение и оптимизация аэродинамических, транспортных, летных и экономических характеристик ЛА. 3 с. и 6 з.п.ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к транспорту и касается летательных аппаратов типа экраноплан, а именно к летательным аппаратам на воздушной подушке, производящим взлет и посадку на аэродромах любой категории или даже в отсутствии такового. Более точно оно относится к способам повышения аэродинамических и транспортных характеристик летательных аппаратов, использующих эффект экрана над водной и твердой поверхностью и названных по особенностям полета наземно-воздушными амфибиями (НВА) за счет выполнения в них новых конструктивных элементов, а также повышения надежности, безопасности и экологичности транспортировки грузов как вблизи экранирующей поверхности, так и вне ее.

Предшествующий уровень техники.

Известен способ повышения аэродинамического качества летательного аппарата и летательный аппарат для его осуществления (см. описание изобретения к международной заявке WO 96/33896 МПК B 60 V 1/08, 31.10.1996).

Известный способ повышения аэродинамического качества летательного аппарата заключается в том, что в процессе полета летательного аппарата между его крылом и экранирующей поверхностью создают зону повышенного давления. При достижении скорости полета, превышающей скорость отрыва аппарата от экранирующей поверхности, часть воздуха из зоны повышенного давления отводят. Отводимую часть воздуха ускоряют до скорости, превышающей скорость набегающего потока воздуха, а затем выпускают на верхнюю поверхность крыла в направлении к его задней кромке. Летательный аппарат содержит крыло, включающее в себя продольные и поперечные силовые элементы, а также каналы, расположенные между продольными силовыми элементами.

Недостатками известного способа повышения аэродинамического качества и конструкции летательного аппарата для его осуществления является падение аэродинамического качества с ростом скорости до значений, близких к самолетным. Это происходит вследствие увеличения динамической составляющей подъемной силы при увеличении скорости полета.

Известен также способ оптимизации аэродинамических и транспортных характеристик экраноплана путем изменения конструктивных элементов аппарата (см. описание изобретения к международной заявке WO N 97/17241 по кл. МПК B 60 V 1/08, 15.05.1997). Экраноплан содержит корпус, хвостовое оперение, крылья, расположенные по обе стороны от корпуса и имеющие в плане форму треугольника. Угол атаки крыла выполнен переменным, величина его возрастает по мере приближения к корпусу.

Однако такой экраноплан приспособлен для полетов только в зоне эффекта экрана и не может летать вне его.

Известен также морской пассажирский экраноплан, содержащий корпус, хвостовое оперение и силовую установку, выполненный с составным крылом, имеющим удлинение λ_к = 4-5, с консолью в форме "чайка". Экраноплан снабжен хвостовым оперением, имеющим двухкилевое вертикальное крыло и горизонтальное крыло, опирающееся на концевые нервюры килей (см. патент РФ N 2076816 по кл. МПК B 60 V 1/08, 1997).

Недостатком известного экраноплана является то, что он уступает по отдельным летным и экономическим показателям современным самолетам.

Наиболее близким по технической сущности из обнаруженных аналогов является способ увеличения несущих свойств крыла, реализованный в корабле-экраноплане "Орленок" конструкции Р.Е.Алексеева (см. ж. "Крылья Родины" N 11, 1991, с. 28-29), который принят за прототип.

Экраноплан "Орленок" выполнен по самолетной схеме и содержит фюзеляж, низкорасположенное крыло увеличенной хорды и укороченного размаха (удлинение λ_к = 5) с концевыми шайбами и с энергоемкой механизацией, Т-образное хвостовое оперение. Силовая установка состоит из стартового и маршевого блоков. Стартовый блок имеет два поддувных двухконтурных турбореактивных двигателя, выполняющих функции нагнетателей газа под крыло для создания статической воздушной подушки и размещенных в носовой части внутри фюзеляжа перед крылом. Маршевый блок имеет турбовинтовой двигатель, расположенный на стыке киля и стабилизатора.

Недостатком известного прототипа является прежде всего его низкая транспортная эффективность по таким показателям, как максимальный полезный груз, количество пассажирских мест, дальность полета, расход топлива, сезонная эксплуатация. Кроме того, конструкция фюзеляжа экраноплана "Орленок" не создает подъемной силы. При этом использование эффекта экрана у прототипа ограничено малой хордой крыла (h>0,1) и составляет приращение несущих свойств крыла всего на 60-70%. Завышенная энерговооруженность экраноплана объясняется его неоптимальным способом старта и посадки, а также тем, что он предназначен для эксплуатации в двух средах - воде и воздухе, которые отличаются между собой по плотности более чем в 800 раз.

Особенности конструкции экраноплана "Орленок" требуют работы носовых поддувных двигателей в крейсерском полете в зоне экрана, что создает высокий уровень шума в салонах и кабине пилотов, особенно при старте с неподготовленной грунтовой площадки, а воздушная подушка оказывает отрицательное экологическое воздействие на грунт. Силовая установка, разнесенная по длине фюзеляжа, приводит к сложной конструктивной схеме экраноплана "Орленок". Обеспечение прочности такой конструкции значительно увеличивает ее металлоемкость и приводит к уменьшению массы полезного груза.

Раскрытие изобретения.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке способа комплексного повышения аэродинамических и транспортных характеристик летательного аппарата наземно-воздушной амфибии, в предложении эффективного способа управления его полетом, а также в обеспечении характеристик устойчивости и управляемости при полетах как вблизи экрана, так и вне его. Другой задачей изобретения является разработка летательного аппарата наземно-воздушной амфибии, позволяющего осуществлять: - движение не только в приземном режиме, но и в режиме свободного полета с высокими аэродинамическими качествами; - стабилизацию и управление движением летательного аппарата на всех режимах, включая взлет и посадку; - простоту управления полетом; - экономичность транспортировки грузов и пассажиров на значительные расстояния.

Для повышения аэродинамических и транспортных характеристик летательному аппарату создают дополнительную подъемную силу за счет отсоса потока с верхней поверхности крыла путем расположения воздухозаборников несущих вентиляторов на верхней поверхности крыла; создают статическую многокамерную воздушную подушку под фюзеляжем и крылом; снабжают лопасти несущих вентиляторов подъемными свойствами; усиливают эффект от лопастей несущих вентиляторов подачей на их исполнительные механизмы дополнительной мощности от газогенераторов за счет отключения маршевых движителей, при этом передачу и распределение мощности от газогенераторов к исполнительным механизмам маршевых движителей и несущих вентиляторов осуществляют газодинамическим путем.

Способ управления полетом наземно-воздушной амфибии осуществляют путем изменения подъемной силы и тяговых усилий движителей. При этом сначала всю мощность силовой установки направляют на создание воздушной подушки, после взлета производят постепенное перераспределение мощности от несущих вентиляторов к маршевым движителям для сообщения летательному аппарату поступательного движения в направлении продольной оси фюзеляжа. Величину передаваемой мощности изменяют пропорционально росту подъемной силы крыла по мере увеличения скорости движения. При выходе на крейсерский режим полета все 100% вырабатываемой газогенераторами мощности направляют на маршевые движители для обеспечения горизонтального движения при полностью отключенных несущих вентиляторах. При режиме торможения вначале снижают тягу маршевых движителей, выпускают щитки и элерон-закрылки, затем часть мощности плавно перераспределяют от маршевых движителей к несущим вентиляторам. При этом объем передаваемой мощности изменяют пропорционально уменьшению подъемной силы крыльев по мере снижения скорости движения. Форсируют работу газогенераторов для одновременного обеспечения реверсивного режима маршевых движителей и усиления работы несущих вентиляторов. Реверсивный режим маршевых движителей обеспечивают путем перекладки лопастей вентиляторов на отрицательный угол атаки.

Доводят режим торможения до нулевой горизонтальной скорости и осуществляют режим маневрирования путем передачи части мощности на один или оба маршевых движителя. При посадке полностью отключают маршевые движители, плавно переводят режим работы несущих вентиляторов с максимального до нулевого при касании аппарата с поверхностью.

Летательный аппарат - наземно-воздушная амфибия (НВА-120), типоразмер которой определен по взлетному весу в 120 тонн с диапазоном 100-150 тонн, в котором реализованы заявляемые способы, содержит фюзеляж с пассажирскими салонами и грузовыми отсеками, несущее крыло с шайбами на концах, силовую установку с приводами маршевых движителей и вентиляторов для формирования стартовой и посадочной многокамерной воздушной подушки, системы управления движением и стабилизации. При этом фюзеляж выполнен с установочным углом атаки больше 0^oC, но меньше угла атаки несущего крыла. Газогенераторы соединены с исполнительными механизмами посредством газопроводов. Вентиляторы выполнены несущими. Они установлены на стыке фюзеляжа и крыла в кольцах, которые снабжены выходом на верхнюю поверхность крыла. Камеры воздушной подушки расположены по принципу трехопорного колесного шасси и снабжены струйной завесой.

В качестве одного из вариантов на концах несущего крыла к шайбам прикреплены съемные навесные пассажирские или грузовые модульные секции. Они крепятся посредством трех гидравлических замков через центрирующие установочные конусные штифты. Процесс крепления навесных модульных секций осуществляется боковым наездом носителя на стоящую модульную секцию до входа конусных штифтов в конические отверстия. Такое конструктивное решение стыковки является весьма удачным, поскольку конусные отверстия не требуют высокой точности попадания при причаливании (наезде), поскольку диаметр внешнего отверстия в модульной секции значительно больше диаметра входящего штифта носителя. После вхождения всех трех штифтов носителя в клиновые отверстия модуля, клиновой рычаг входит в захват штифта и с помощью гидроцилиндра все три штифта задвигаются в отверстия до полной посадки. После затяжки конических штифтов срабатывают фиксаторы трех замков по длине шайбы. Этим обеспечивается надежное прилегание боковых поверхностей шайбы и модульной секции. В процессе движения все нагрузки воспринимаются тремя коническими штифтами и тремя фиксаторами замков. При этом и конические штифты и фиксаторы замков работают и на срез, и на растяжение, поэтому надежность крепления обеспечивается прочностными расчетами, свойствами материалов и конструктивными размерами конических штифтов и фиксаторов замков.

Силовая установка состоит из воздухозаборников, газогенераторов, несущих вентиляторов и маршевых движителей с их исполнительными механизмами, а также термостатированных газопроводов с газораспределительными устройствами.

На нижних плоскостях фюзеляжа, крыла и модульных секций выполнены продольные скеговые ограждения. Газогенераторы расположены внутри корпуса, что защищает их от внешних воздействий.

Краткое описание чертежей На чертежах схематично изображен летательный аппарат, в котором реализован предлагаемый способ комплексного повышения аэродинамических и транспортных характеристик наземно-воздушной амфибии и способ управления ее полетом: фиг. 1 - летательный аппарат, вид сбоку; фиг. 2 - вид в плане по фиг. 1; фиг. 3 - сечение А-А по фиг. 2; фиг. 4 - вид спереди по фиг. 1;
фиг. 5 - вид сзади по фиг. 1;
фиг. 6 - схемный чертеж несущего вентилятора;
фиг. 7 - график сравнения характеристик различных летательных аппаратов.

Лучший вариант осуществления изобретения
Летательный аппарат - наземно-воздушная амфибия содержит фюзеляж 1 с пассажирскими или грузовыми отсеками 2, силовую установку, содержащую воздухозаборники 3, газогенераторы 4, несущие вентиляторы 5, газораспределители 6, термостатированные газопроводы 7 и маршевые движители 8. Несущие крылья 9 выполнены с малым удлинением. Они имеют на концах шайбы 10, к которым прикреплены съемные навесные пассажирские или грузовые модульные секции 11. Нагнетатель воздуха под днище фюзеляжа выполнен в виде несущих вентиляторов 5, которые расположены на стыке фюзеляжа 1 и крыла 9 в кольцах 12, имеющих выход на верхнюю поверхность крыла 9. Нижняя поверхность фюзеляжа 1 имеет установочный угол атаки α больше 0^o, но меньше угла атаки несущего крыла 9. На нижних плоскостях фюзеляжа 1 и модульных секций 11 выполнены продольные скеговые ограждения 13. Камеры воздушной подушки I, II и III расположены по принципу трехопорного шасси и снабжены струйной завесой 14. Несущее крыло 9 имеет в плане стреловидность по передней и задней кромке и оборудовано щитками 15 и элерон-закрылками 16, а навесные модульные секции 11 прикреплены к шайбам 10 крыла 9 посредством гидравлических замков 17 через центрирующие установочные конусные штифты 18. Газогенераторы 4 расположены внутри корпуса, а не в навесных мотогондолах, как у прототипа. Это защищает их от засорения извне. Газопроводы 7 от газогенераторов 4 к исполнительным механизмам 19 маршевых движителей 8 и несущих вентиляторов 5 выполнены термостатированными, то есть защищенными от внешней среды надежной теплоизоляцией. Лопасти 20 несущих вентиляторов 5 выполнены с саблевидным профилем (в плане).

Нижняя экранируемая несущая поверхность фюзеляжа наземно-воздушной амфибии НВА-120 является плоскостью с большой хордой, поэтому при движении аппарата в воздухе обеспечивает приращение подъемной силы в 2-3 раза по сравнению с прототипом, так как относительная высота полета будет намного меньше 0,1 величины средней аэродинамической хорды крыла. На фиг. 7 показана зависимость аэродинамического качества K экранопланов НВА-120, "Орленок" и др. от относительной высоты полета h/САХ, где h - абсолютная высота полетов, САХ - средняя аэродинамическая хорда. Для известных экранопланов величина этого аэродинамического качества K будет равна: для экраноплана "Орленок" K = 14, для экраноплана "Лунь" K = 13,8, а для предлагаемого в настоящем изобретении НВА-120 - K = 26. При крейсерской скорости полета 400 км/час подъемная сила для "Орленка" и НВА-120 одинакова и равна y = 120 т, общее сопротивление летательных аппаратов равно: для экраноплана "Орленок" - 9 т, для НВА-120 - 5 т. Средняя аэродинамическая хорда для экраноплана "Орленок" равна 5,4 м, а для НВА-120 равна 12 м. Тогда абсолютная высота полета, исчисляемая по формуле h ·(САХ), будет рана: для экраноплана "Орленок" - 5,4·0,15 = 0,81 м, для НВА-120 составит - 12·0,06 = 0,72 м. Это означает, что практически на одинаковых высотах полета аэродинамическое качество K НВА-120 почти в два раза выше, чем у экраноплана "Орленка" (K=26 и K=14 соответственно).

Экспериментальные кривые K (фиг. 7) построены для разных скоростей полета. При увеличении скорости полета на естественных высотах экрана аэродинамическое качество повышается, что приводит к саморегулируемому выбору аппаратом высоты полета на большем расстоянии от экранирующей поверхности. Для преодоления неожиданных препятствий на маршруте подлет осуществляется изменением угла атаки и/или выпуском средств механизации (использованием элерон-закрылков).

Переход на авиационные нормы при проектировании и строительстве предлагаемого летательного аппарата - наземно-воздушной амфибии позволяет облегчить конструкцию корпуса более чем на 40% от взлетного веса по сравнению с прототипом - экранопланом "Орленок" и увеличить на указанную величину полезную нагрузку.

Другой особенностью предлагаемого технического решения является то, что НВА-120 спроектирован для взлета и посадки не только с водной поверхности, но и для взлета с любой другой поверхности, а также имеет возможность зависать над ней на высоте 0,5-1 м для проведения аварийно-спасательных и погрузочно-разгрузочных работ с помощью выпущенных трапов, аппарелей и других механизмов, что в корне отличает предлагаемый аппарат от известных.

Для того, чтобы обеспечить возможность вертикального отрыва от любой поверхности без преодоления сил трения, качения или гидродинамического сопротивления, пространство образования воздушной подушки делится на отдельные камеры I, II и III так, что воздух не перетекает из камеры в камеру. На НВА-120 таких камер выполнено три. Такое конструктивное решение создает многокамерную статическую воздушную подушку. Дополнительно к механическому ограждению воздушной подушки, состоящему из щитков 15, элерон-закрылков 16 и скегов 13, по периметру каждой камеры воздушной подушки выполнена струйная завеса 14, образованная путем выдува струй газов под несущую поверхность. Кроме того, лопасти несущих вентиляторов большого диаметра придают дополнительную подъемную силу многокамерной статической воздушной подушке. Таким образом, общая суммарная подъемная сила НВА-120 в режиме висения и маневрирования складывается из следующих составляющих:
- статическая воздушная подушка дает до 40%;
- реакция массы отбрасываемого вентиляторами воздуха дает 8%;
- аэродинамическая подъемная сила всех лопастей вентиляторов составляет 35%;
- отсос пограничного слоя с верхней дужки крыла воздухозаборниками вентиляторов составляет около 7%;
- обдув верхней дужки крыла обеспечивает до 6%;
- выпуск передних щитков обеспечивают более 4%.

Исходя из того, что общая подъемная сила аппарата составляет 120 тонн, определяем абсолютные значения составляющих общей подъемной силы аппарата в режиме висения:
40%+8%+35%+7%+6%+4%=100%
48т+9,6т+43,2т+8,4т+6т+48т=120т
Именно такой комплекс составляющих сил позволяет обеспечить вертикальный взлет НВА-120 на значительную высоту (от 0,5 до 2,0 м) без применения традиционных гибких ограждений воздушной подушки, чем и обеспечивается преодоление различных препятствий. При движении НВА-120 и экраноплана "Орленок" на одинаковых высотах аэродинамическое качество K НВА-120 равно 26, а у экраноплана "Орленок" равно 14. Увеличение аэродинамического качества K на 12 единиц можно использовать в двух аспектах: снижать потребляемую мощность и экономить топливо примерно в два раза или увеличить полезную нагрузку примерно на 20% от взлетного веса, то есть на 24 тонны. Создается возможность установки навесных модульных секций для размещения дополнительной массы полезного груза (например, две навесные модульные секции по 12 тонн полезного груза каждый).

Выполненный в предлагаемом решении перевод летательного аппарата НВА-120 в область аэродинамического качества со значением K = 26 - это существенное повышение транспортной эффективности летательных аппаратов такого класса, поскольку лучшие показатели самолетов транспортного назначения имеют K = 19-22.

Силовая установка наземно-воздушной амфибии сформирована на базе серийно выпускаемых газотурбинных блоков. Газогенератор 4 вырабатывает рабочее тело в виде высокотемпературного газа и с помощью системы термостатированных газопроводов 7 и газораспределителей 6 (заслонки) оно распределяется в необходимых количествах исполнительными механизмами 19 (свободными турбинами) несущих вентиляторов, установленных в кольцах 12, и маршевых движителей 8. В отличие от известных традиционных аппаратов на воздушных подушках, где мощности обычно распределяются через жесткую трансмиссию по установившейся схеме: 30% на воздушную подушку и 70% на тягу движения, в предлагаемом аппарате можно использовать все 100% мощности на создание воздушной подушки или все 100% на тягу винтов маршевых движителей. Например, в режиме подъема, висения, маневрирования в зоне экрана большая часть мощности подается на создание воздушной подушки, а в крейсерском полете вся мощность газогенератора срабатывается на маршевых движителях (несущие вентиляторы в это время отключены).

Газодинамический способ передачи и регулирования мощности через термостатированные газопроводы 7, обеспечивающие кинематическую связь между газогенераторами 4 и исполнительными механизмами 19, позволяет плавно перераспределять мощность по мере надобности, исключает применение жестких механических трансмиссий, редукторов, муфт, подшипников и прочих узлов. Все это упрощает конструкцию силовой установки, уменьшает ее себестоимость, повышает эксплуатационную надежность, снижает ее массу примерно на 4% от взлетной массы (4,8 тонны), что в свою очередь повышает транспортную эффективность предлагаемого по данному изобретению летательного аппарата НВА-120, а также упрощает способ управления полетом летательного аппарата. Кроме того, компоновка силовой установки выполнена таким образом, что газогенераторы 4, наиболее уязвимые в других летательных аппаратах, размещены внутри корпуса фюзеляжа 1, и воздухозабор выведен в "чистую" зону набегающего потока, а центростремительными силами, возникающими в воздухозаборниках 3, осуществляется сепарация частиц, плотность которых больше воздуха (песок, вода, снег, лед, биомасса). Таким образом защищается проточная часть от засорения извне, что повышает ресурс и надежность работы силовой установки.

Саблевидные лопасти 20 несущих вентиляторов 5 выполнены с переменным сечением, с увеличенной хордой профиля лопасти, что позволяет им создавать дополнительную подъемную силу, по эффективности сравнимую с лопастями вертолетных винтов (см. фиг. 6). Их расположение в кольцах 12 в зоне повышенного давления воздушной подушки (ρ > 0,125) увеличивает подъемную силу еще на 8%, а, кроме того, лопасти 20 работают в зоне влияния экрана что увеличивает их несущие свойства еще на 50-80% по сравнению с винтами горизонтальной тяги. Другими словами, несущие вентиляторы 5 позволяют увеличить массу полезного груза на борту летательного аппарата в общей сложности до 50% от взлетной массы (т.е. до 60 тонн), увеличивая возможность установки навесных модульных секций. Все это также повышает транспортную эффективность НВА-120.

Согласно заявляемому способу нижняя плоскость фюзеляжа используется как несущая поверхность в составе крыла 9. Она имеет установочный угол атаки больше нуля, но меньше установочного угла атаки крыла в корневом сечении. В качестве одного из вариантов исполнения предлагается угол, равный 2-4^o. Поэтому при движении над экраном под плоскостью фюзеляжа создается дополнительная подъемная сила, равная 35% от общей подъемной силы. Площадь несущей поверхности крыла 9 ограничена концевыми шайбами 10, к которым прикреплены съемные навесные модульные секции, что вместе с продольными скегами снижает индуктивные потери крыла.

Подъемная сила Y_ф вычисляется по формуле:

где
C_y - коэффициент подъемной силы;
ρ - плотность воздуха;
V - скорость полета;
S - площадь фюзеляжа.

Аэродинамические испытания модели фюзеляжа показали коэффициент подъемной силы C_y = 0,38. Несущая поверхность фюзеляжа имеет размеры: ширина 9 м и длина 20 м, тогда площадь S=180 кв.м. При скорости полета 400 км/час (111 м/с) и плотности воздуха ρ = 0,125 кг·с²/м⁴ подъемная сила Y_ф будет равна 52672 кг. Если принять максимальный взлетный вес НВА-120 за 100%, то подъемная силы Y_ф составляет 35% от 120 тонн, оставшиеся 65% подъемной силы приходятся на крыло и навесные модульные секции. Принимаем, что полезная нагрузка равна 60 т и на фюзеляж приходится 75% полезной нагрузки, равной 45 тоннам, а подъемная сила фюзеляжа составляет 52,7 тонны. Из чего видно, что величина подъемной силы фюзеляжа больше его полезной нагрузки.

Несущие вентиляторы 5 установлены в кольцах 12 на стыке фюзеляжа 1 и крыла 9 так, что они нагнетают воздух в три изолированные друг от друга камеры I, II, III в зоне воздушной подушки и обеспечивают стабильный поток воздуха, создающий избыточное давление под крылом 9 и фюзеляжем 11. Но, кроме того, несущие вентиляторы 5 имеют также собственную подъемную силу. Несущий вентилятор 5 представляет осевую установку с 6-ю саблевидными лопастями 20 увеличенной хорды профиля. Диаметр вентилятора - 7 м, диаметр втулки - 2 м. При оборотах на конце пера лопасти линейная скорость равна 300 м/с, а у втулки - 86 м/с, тогда средняя линейная скорость лопасти будет равна 386/2 = 193 м/с. Зная аэродинамический коэффициент подъемной силы по продувкам в аэротрубе C_y = 0,96 при среднем угле атаки 12^o, определяем подъемную силу одной лопасти:
,
где
ρ = 0,178 кг·с²/м⁴; V = 193 м/с; S = 2,5 м², тогда Y_л = 7956 кг. Для двух шестилопастных вентиляторов подъемная сила составит 95,5 тонн, что обеспечивает 63% максимального взлетного веса НВА-120, и только 37% оставшегося взлетного веса приходится на воздушную подушку (m=55,5 тонн). Определим удельное давление воздушной подушки. Общая площадь воздушной подушки S равна 350 м², тогда удельное давление q=m/S = 55500/350 = 158 кг/м².

Обычно суда на воздушной подушке имеют удельное давление более 800 кг/м² (такие, как "Кальмар", "Джейран", "Эйркрафт"). Поэтому необходимое для предлагаемой конструкции удельное давление настолько мало, что его можно удерживать с помощью струйной завесы.

Работа устройств НВА-120 по обеспечению заявляемых способов повышения аэродинамических и транспортных характеристик летательного аппарата осуществляется следующим образом.

В режиме стоянки, погрузки, разгрузки ко всем бортовым системам подведены три вида электроэнергии - постоянный ток 27 В, переменный ток 220 В/50 Гц и переменный ток 115 В/400 Гц, который получают от бортового стояночного турбоагрегата.

После загрузки борт герметизируется и запускаются газогенараторы эквивалентной мощностью 2·5400 л.с. Высокотемпературный газ (рабочее тело) через газораспределители по термостатированному газопроводу подается к исполнительным механизмам несущих вентиляторов. Газогенераторы переводятся в режим работы с малого газа до 0,6 номинальной мощности, вентиляторы раскручиваются на 85% от номинального количества оборотов. Затем выпускаются ограждения воздушной подушки - элерон-закрылки и щитки крыльев и фюзеляжа, включается струйная завеса, аппарат поднимается на высоту 0,4 м. Газогенераторы переводятся в номинальный режим работы - несущие вентиляторы раскручиваются на 100% оборотов, аппарат поднимается на высоту 1,5 м.

В режиме висения проверяют балансировку на статической воздушной подушке. Затем газораспределительным устройством часть рабочего тела перепускают на исполнительные механизмы маршевых движителей, начинается горизонтальное движение аппарата, обдув рулей высоты и рулей направления. Разворачивают НВА в нужном направлении движения и на малой скорости выруливают на стартовый участок трассы.

Увеличивая подачу рабочего тела на исполнительные механизмы маршевых движителей, начинают разбег, при этом газ распределяется в соотношении 50%/50% на несущие вентиляторы и маршевые движители. На скорости 180-200 км/час плавно перекрывают подачу газа на несущие вентиляторы, одновременно убирают щитки и элерон-закрылки в нулевое положение. В это время аппарат энергично разгоняется и все 100% рабочего тела подаются на маршевые движители. При достижении крейсерской скорости 250-400 км/час снижается режим работы газогенераторов до 0,6 от номинального. На установившемся режиме НВА выполняет рейс на естественно выбранной высоте в зависимости от массы, скорости и положения в пространстве (крен, тангаж).

При подходе к пункту назначения на участке трассы торможения выполняют следующие операции: выпускают элерон-закрылки, в результате чего скорость движения снижается до 200 км/час. Рабочее тело в объеме 50% подается на вентиляторы - встречный выброс воздуха вентиляторами из-под крыла (элерон-закрылки выпущены, а щитки еще нет) тормозит аппарат до скорости 100-80 км/час.

Выпускаются щитки и одновременно доводят режим работы газогенераторов до номинального с переводом 100% рабочего тела на несущие вентиляторы - НВА останавливается в режиме висения с высотой 1,5 м. Затем, перепуская часть рабочего тела на любой маршевый движитель, заруливают на стояночную площадку. Плавно доводят режим работы газогенераторов до малого газа, сбрасывают воздушную подушку путем убирания щитков. НВА плавно садится, после чего производится остановка газогенераторов, запускается бортовой стояночный турбоагрегат, производится разгрузка-погрузка грузов, замена модулей.

Промышленное применение
Использование предложенных способов и устройства для их реализации позволяет получить высокоэффективное транспортное средство, способное принципиально изменить и улучшить существующую транспортную систему. В таблице приведены сравнительные характеристики параметров заявляемого летательного аппарата НВА-120 и прототипа - экраноплана "Орленок".

Себестоимость тонно-километра перевозимого груза снижается минимум в два раза по сравнению с известными летательными аппаратами. Повышается безопасность полетов, увеличивается проникающая способностью в труднодоступные неосвоенные регионы, средняя скорость грузопотоков увеличивается с 80 до 300 км/час. Существенно улучшаются экологические параметры: уменьшаются выбросы токсичных газов на единицу объема, звуковые нагрузки, механические повреждения грунтов, тундры, болот.

Снижается необходимость строительства авто- и железнодорожных трасс, аэродромных площадок, отчуждения земель, лесов.

Использование предлагаемых способов и устройства снижает металлоемкость, трудоемкость и энергоемкость производства летательных аппаратов типа НВА-120.

Аппарат наземно-воздушной амфибии НВА-120 разработан как многоцелевой летательный аппарат в дополнение к существующим транспортным средствам. Он относится к самостоятельному виду транспорта, способному конкурировать по основным экономическим показателям с известными самолетами А-319, ТУ-134, АН-8, L-100-30, Боинг-757, с судами на подводных крыльях и судами на воздушной подушке.

Предлагаемый летательный аппарат заполняет собственную транспортную нишу, имеет большую перспективу развития для организации новых грузопотоков в районах с осложненными метеорологическими и эксплуатационными условиями, в регионах со слаборазвитой транспортной инфраструктурой.

Формула изобретения

1. Способ комплексного повышения аэродинамических и транспортных характеристик летательного аппарата - наземно-воздушной амфибии, заключающийся в том, что ему создают подъемную силу с помощью зоны повышенного давления между крылом аппарата и экранирующей поверхностью, сообщают поступательное движение с помощью маршевых движителей, управляют тангажем, курсом и креном, отличающийся тем, что дополнительную подъемную силу аппарату обеспечивают путем отсоса потока с верхней поверхности крыла, создают статическую многокамерную воздушную подушку под фюзеляжем и крылом, лопасти вентиляторов выполняют саблевидными с переменным сечением и увеличенной хордой профиля, усиливают эффект от лопастей несущих вентиляторов подачей на их исполнительные механизмы дополнительной мощности от газогенераторов за счет маршевых движителей, при этом передачу и распределение мощности от газогенераторов к исполнительным механизмам маршевых движителей и несущих вентиляторов осуществляют газодинамическим путем.

2. Способ управления полетом летательного аппарата - наземно-воздушной амфибии - путем изменения подъемной силы и тяговых усилий движителей аппарата, отличающийся тем, что сначала всю мощность силовой установки направляют на создание воздушной подушки, после взлета производят постепенное перераспределение мощности от несущих вентиляторов к маршевым движителям на сообщение аппарату поступательного движения в направлении продольной оси фюзеляжа, при этом передаваемую мощность изменяют пропорционально росту подъемной силы крыла по мере увеличения скорости движения, а при выходе на крейсерский режим полета все 100% вырабатываемой газогенераторами мощности направляют на горизонтальное движение, при этом несущие вентиляторы отключают, при режиме торможения вначале снижают тягу маршевых движителей, выпускают щитки и элерон-закрылки, а затем часть мощности плавно перераспределяют от маршевых движителей к несущим вентиляторам, при этом величину передаваемой мощности изменяют пропорционально уменьшению подъемной силы крыла по мере снижения скорости движения, форсируют работу газогенераторов для одновременного обеспечения реверсивного режима маршевых движителей и усиления работы несущих вентиляторов, доводят режим торможения до нулевой скорости, затем осуществляют режим маневрирования путем передачи части мощности на один или оба маршевых движителя, плавно переводят режим работы несущих вентиляторов с максимального до нулевого при касании аппарата с поверхностью.

3. Летательный аппарат - наземно-воздушная амфибия -, содержащий фюзеляж с пассажирскими и грузовыми отсеками, несущее крыло с шайбами на концах, силовую установку для создания тяги и формирования стартовой и посадочной воздушной подушки, системы управления движением и стабилизации, отличающийся тем, что фюзеляж выполнен с установочным углом атаки больше 0^o, но меньше угла атаки несущего крыла, газогенераторы соединены с исполнительными механизмами маршевых движителей и вентиляторов посредством газопроводов, лопасти вентиляторов выполнены саблевидными с переменным сечением и увеличенной хордой профиля, вентиляторы установлены на стыке фюзеляжа и крыла в кольцах, снабженных выходом на верхнюю поверхность крыла, при этом камеры воздушной подушки расположены по принципу трехопорного колесного шасси и снабжены струйным ограждением.

4. Летательный аппарат по п.3, отличающийся тем, что к шайбам на концах несущего крыла прикреплены съемные навесные пассажирские или грузовые модульные секции.

5. Летательный аппарат по п.4, отличающийся тем, что навесные модульные секции прикреплены к шайбам крыла посредством гидравлических замков и центрирующих установочных штифтов.

6. Летательный аппарат по п.4, отличающийся тем, что на нижних плоскостях фюзеляжа и модульных секций выполнены продольные скеговые ограждения.

7. Летательный аппарат по п. 4, отличающийся тем, что газогенераторы расположены внутри его фюзеляжа и защищены от внешних воздействий.

8. Летательный аппарат по п.3, отличающийся тем, что газопроводы выполнены термостатированными.

9. Летательный аппарат по п.3, отличающийся тем, что струйное ограждение камер воздушной подушки выполнено регулируемым в отношении положения к вертикальной плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 20-2002

(73) Патентообладатель:
Отарид Консалт Лимитед (RU)

(73) Патентообладатель:
Назаров Валентин Васильевич (RU)

Договор № 13414 зарегистрирован 12.11.2001

Извещение опубликовано: 20.07.2002        

---