Экраноплан
Изобретение относится к экранопланостроению и преимущественно касается создания грузопассажирских экранопланов грузоподъемностью до 8 т. Экраноплан имеет центроплан, выполненный с аэродинамическими профилями в продольных сечениях. Сигарообразный фюзеляж экраноплана установлен на центроплане. Кабина экипажа и грузопассажирский салон расположены в фюзеляже. Полые герметичные продольные балки установлены на периферии центроплана по его концам. Надувные амортизирующие баллоны смонтированы под продольными балками. Два киля с рулями направления установлены на законцовках продольных балок. Горизонтальное оперение расположено на килях и включает в себя на участке между килями руль высоты, а на участках периферийных консолей - элероны. Толкающий винтовой движитель горизонтальной тяги заключен в кольцеобразный наружный обтекатель. Двигатель винтового движителя установлен внутри обтекателя хвостовой части фюзеляжа. Комплекс взлетно-посадочных устройств экраноплана включает в себя средства создания статической воздушной подушки под центропланом. Технический результат реализации изобретения заключается в создании экраноплана с высокими летно-техническими характеристикам. 8 з.п. ф-лы. 9 ил.
Область техники
Изобретение относится к летательным аппаратам - амфибиям с взлетно-посадочным устройством на воздушной подушке. Преимущественной областью использования изобретения являются грузопассажирские экранопланы грузоподъемностью до 8 тонн.
Предшествующий уровень техники
Использование развитого центроплана в качестве несущей поверхности при движении на воздушной подушке предусмотрено патентами RU 2057040 и 2173644. Патентом 2057040 предусмотрен также отбор значительной части воздуха из потока за винтовым движителем для создания статической воздушной подушки под центропланом на участке, ограниченном убирающимися завесами. Отбор воздуха для создания статической воздушной подушки от толкающего винтового движителя предусмотрен заявкой RU 94044419. Авторским свидетельством SU 1511170 предусмотрено размещение винтового движителя в кольцевом канале и отбор перед ним воздуха для создания статической воздушной подушки. Ближайшим аналогом изобретения является экраноплан по патенту RU 2129501 С1.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание экраноплана с высокими летно-техническими характеристиками.
Центроплан экраноплана выполнен с аэродинамическими профилями в продольных сечениях. Центроплан создает подъемную силу при крейсерском режиме полета за счет взаимодействия с потоком набегающего воздуха и экранного эффекта близости земной или водной поверхности, а на режимах взлета и посадки - за счет статической воздушной подушки.
Сигарообразный фюзеляж экраноплана с кабиной пилота и грузопассажирским салоном установлен на центроплане. При сигарообразной форме фюзеляжа его аэродинамическое сопротивление близко к минимальному. Установка фюзеляжа на центроплане облегчает доступ к нему экипажа, пассажиров и обслуживающего персонала.
Полые герметичные продольные балки экраноплана установлены на периферии центроплана по его бокам. Под продольными балками установлены надувные амортизирующие баллоны. Продольные балки с надувными баллонами в полете работают по принципу концевых шайб, повышая аэродинамическое качество экраноплана за счет увеличения эффективного удлинения центроплана. На режимах взлета и посадки с воды и на воду они служат поплавками и выполняют функцию бокового ограждения при движении экраноплана на статической воздушной подушке. Надувные баллоны также снижают динамические нагрузки при посадке.
Два киля экраноплана с рулями направления установлены на законцовках продольных балок. Кили в качестве вертикального оперения осуществляют поперечную стабилизацию экраноплана.
Горизонтальное оперение экраноплана установлено на килях и включает в себя на участке между килями руль высоты, а на участках периферийных консолей - элероны. Горизонтальное оперение осуществляет стабилизацию экраноплана по тангажу.
Силовая установка экраноплана включает в себя толкающий винтовой движитель горизонтальной тяги и его двигатель, установленный внутри обтекателя хвостовой части фюзеляжа. Винтовой движитель заключен в кольцеобразный наружный обтекатель. Двигатель осуществляет привод винтового движители на всех режимах его работы. Винтовой движитель создает горизонтальную тягу. Кольцеобразный обтекатель формирует воздушный поток за движителем и повышает его КПД.
Комплекс взлетно-посадочных устройств экраноплана включает в себя средства создания статической воздушной подушки, обеспечивающие поддержание избыточного давления воздуха в полости под центропланом при взлете и посадке экраноплана.
В большинстве случаев лучшие летно-технические характеристики могут быть получены, если центроплан выполнен с:
относительным удлинением от 0,5 до 0,6,
углом закрутки осевой хорды относительно задней кромки, равным от 3° до 5°,
углом закрутки концевой хорды относительно задней кромки, равным от 1° до 2°,
стреловидностью передней кромки, соответствующей ее округлению в горизонтальной плоскости по радиусу от 0,7 до 0,9 размаха центроплана,
с углом поперечного V от минус 4° до минус 6° по передней кромке,
относительной толщиной профиля по оси центроплана, равной от 9% до 10%, а у концевых хорд - от 7% до 8%.
Лучшие характеристики в эксплуатации достигаются, если фюзеляж выполнен с двумя откидными частями фонаря по одному из бортов для входа и выхода пилота и пассажиров и двумя аварийными люками для их выхода по другому борту.
Для предупреждения нежелательного взаимодействия винтового движителя с оперением оптимальны следующие соотношения размеров:
размах горизонтального оперения больше размаха центроплана, расстояние от горизонтального оперения до винтового движителя - более его четырех диаметров.
Лучшая аэродинамическая интеграция достигается, если продольные балки выполнены высотой, монотонно уменьшающейся от средней части к носовой и хвостовой частям.
Экраноплан может быть выполнен с консолями крыла. Площадь консолей составляет от 0,4 до 0,6 площади центроплана, а размах равен от 2,5 до 3,0 размаха центроплана. Консоли установлены под углом поперечного V от 1° до 2°. Корневой участок каждой консоли, соединенный с продольной балкой, установлен под углом от 25° до 30° и составляет по размаху от 0,33 до 0,37 размаха консоли.
Наличие консолей позволяет эксплуатировать экраноплан в качестве самолета при перемещении между участками, пригодными для полета с использованием экранного эффекта. Например, между морской, озерной или речной поверхностями и пустынными земными поверхностями.
Лучшие летно-технические характеристики экраноплана могут быть получены, если взлетно-посадочный комплекс устройств со средствами создания статической воздушной подушки включают в себя:
переднее и заднее гибкие убираемые ограждения, расположенные на нижней поверхности передней и задней частей центроплана,
воздуховод наддува воздушной подушки, который выполнен в центроплане и предназначен для отвода части воздушного потока за винтовым движителем в наддуваемое пространство под центропланом, ограниченное передним и задним гибкими ограждениями,
поворотную створку, смонтированную позади винтового движителя с возможностью установки ее в положение перекрытия входного отверстия воздуховода наддува воздушной подушки или под углом к верхней поверхности с образованием заборника части воздушного потока за винтовым движителем,
поворотные створки, смонтированные с возможностью установки их в положение перекрытия воздуховода наддува воздушной подушки или в положение открытия выходного отверстия этого воздуховода на нижней поверхности центроплана,
устройство синхронизации выпуска и уборки гибких ограждений с поворотом створок перед указанным воздуховодом и в его выходном отверстии, которое включает в себя два электро- или гидропривода, взаимодействующих посредством штоков и качалок с указанными ограждениями и створками,
маневровые рули для изменения направления движения перед взлетом и после посадки, смонтированные позади винтового движителя на стойках, расположенных выше поворотной створки в положении образования заборника части воздушного потока за винтовым движителем.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
Фиг.1 - экраноплан, вид сбоку.
Фиг.2 - экраноплан, вид сверху.
Фиг.3 - экраноплан, вид спереди.
Фиг.4 - модификация экраноплана с консолями крыла, вид сверху.
Фиг.5 - модификация экраноплана с консолями крыла, вид спереди.
Фиг.6 - разрез А-А фиг.1 в положении взлета или посадки.
Фиг.7 - вид В фиг.6.
Фиг.8 - зависимость аэродинамического качества и коэффициента подъемной силы экраноплана при полете на различных высотах.
Фиг.9 - зависимость коэффициента аэродинамической подъемной силы и продольного момента экраноплана от угла атаки при полете на различных высотах.
Варианты осуществления изобретения
Сигарообразный фюзеляж 1 с кабиной экипажа и грузопассажирским салоном 2 установлен на центроплане 3 с возможностью легкого доступа к нему экипажа, пассажиров и обслуживающего персонала. Фюзеляж 1 выполнен с откидными частями 17 и 18 по левому борту для входа и выхода пилота и пассажиров и двумя аварийными люками (не показаны) для их выхода по правому борту.
Центроплан 3 является несущим элементом, создающим подъемную силу при крейсерском режиме полета за счет взаимодействия с набегающим потоком воздуха и за счет экранного эффекта близости земной или водной поверхности. На режимах взлета и посадки подъемная сила создается за счет статической воздушной подушки под центропланом. Центроплан 3 выполнен:
с относительным удлинением от 0,5 до 0,6,
с углом закрутки осевой хорды относительно задней кромки, равным от 3° до 5°,
с углом закрутки концевой хорды относительно задней кромки, равным от 1° до 2°,
со стреловидностью передней кромки 16, соответствующей ее скруглению в горизонтальной плоскости по радиусу, равному от 0,7 до 0,9 размаха центроплана 3,
с углом поперечного V от минус 4° до минус 6°,
с относительной толщиной профиля по оси центроплана, равной от 9% до 10%, а у концевых хорд - от 7% до 8%.
Полые герметичные продольные балки 4 установлены вдоль концевых хорд центроплана 3 и снабжены в нижней части надувными амортизирующими баллонами 5. При взлете с воды и при посадке на воду они служат поплавками. При движении экраноплана на статической или динамической воздушной подушке они выполняют роль бокового ограждения. Надувные баллоны 5, кроме того, снижают динамические нагрузки при посадке. Продольные балки 4 с надувными баллонами 5 в полете работают по принципу концевых шайб, повышая аэродинамическое качество за счет увеличения эффективного удлинения центроплана. Высота продольных балок 4 монотонно уменьшается от средней части к носовой и хвостовой частям.
Кили 6 с рулями 7 направления установлены на законцовках 8 хвостовой части продольных балок 4. Кили 6 осуществляют поперечную стабилизацию экраноплана. Горизонтальное оперение 9 установлено на килях 6 и снабжено на участке между килями рулем 10 высоты, а на периферийных консолях 11 - элеронами 12. Горизонтальное оперение осуществляет стабилизацию экраноплана по тангажу. Размах горизонтального оперения 9 больше размаха центроплана 3. Расстояние горизонтального оперения 9 от винтового движителя 14 более четырех его диаметров. Размах вертикального оперения килей 6 более диаметра винтового движителя 14.
В одной из модификаций экраноплан выполнен с консолями 36 крыла. Площадь консолей составляет от 0,4 до 0,6 площади центроплана 3. Размах консолей равен от 2,5 до 3,0 размаха центроплана 3. Консоли установлены под углом поперечного V от 1° до 2°. Корневой участок 37 каждой консоли, соединенный с продольной балкой 4, установлен под углом от 25° до 30° и составляет по размаху от 0,33 до 0,37 размаха консоли. Каждая консоль 36 снабжена элероном 38.
Силовая установка экраноплана включает в себя маршевый двигатель (не показан), установленный внутри обтекателя 13 хвостовой части фюзеляжа, и толкающий винтовой движитель 14 горизонтальной тяги. Винтовой движитель 14 охватывает хвостовой обтекатель 13 фюзеляжа и заключен в кольцеобразный наружный обтекатель 15. Двигатель осуществляет привод винтового движителя 14 на всех режимах его работы. Винтовой движитель 14 создает воздушный поток, обеспечивающий горизонтальную тягу, а кольцеобразный обтекатель 15 формирует воздушный поток за движителем 14 и повышает его КПД.
Центроплан 3, продольные балки 4 с амортизирующими баллонами 5 и винтовой движитель 14 входят также в состав средств создания статической воздушной подушки. Переднее 19 и заднее 20 гибкие убираемые ограждения, расположенные на нижней поверхности передней и задней частей центроплана 3, формируют совместно с балками 4 и баллонами 5 область статической воздушной подушки. Воздуховод 21 наддува воздушной подушки выполнен в центроплане 3 и предназначен для отвода части воздушного потока за винтовым движителем 14 в пространство, ограниченное передним 19 и задним 20 гибкими ограждениями. Поворотная створка 22 смонтирована позади винтового движителя 14 с возможностью установки ее заподлицо с верхней поверхностью центроплана 3 в положение перекрытия воздуховода 21 или под углом к этой поверхности с образованием заборника, формируемого поворотной панелью 23 и внутренними боковыми поверхностями стоек 35. Створка 22 может быть подпружинена на открытие воздуховода 21 либо соединена с панелью 23 кулисным механизмом. Поворотные створки 24 могут быть установлены в положение перекрытия воздуховода 21 или в положение открытия выходного отверстия этого воздуховода. Устройство синхронизации выпуска и уборки ограждений 19, 20 с поворотом створок 21 и 24 включает в себя электро- или гидроприводы 25, 26, взаимодействующие посредством штоков 27, 28, тяги 29 и качалок 30, 31, 32, 33 с указанными ограждениями, створками 24 и створкой 21 посредством панели 23.
Рули 34 комплекса взлетно-посадочных устройств смонтированы позади винтового движителя 14 на стойках 35, расположенных выше поворотной створки 22 и панели 23 в положении образования ими заборника части воздушного потока за движителем, и предназначены для изменения направления движения экраноплана перед взлетом и после посадки.
При эксплуатации экраноплана амортизационные баллоны 5 надувают и поддерживают в них избыточное давление воздуха до 0,2 атмосфер. При взлете экраноплана с воды или посадке его на воду переднее 19 и заднее 20 гибкие ограждения выводят в рабочее положение, а поворотную створку 22 переводят при помощи панели 23 в положение под углом к центроплану с образованием заборника воздуха. Отобранную часть потока воздуха за винтовым движителем 14 транспортируют под переднюю часть центроплана позади переднего гибкого ограждения 19 и создают статическую воздушную подушку с избыточным давлением воздуха до 100 кгс/м2.
Изменение направления движения на режимах взлета и посадки экраноплана осуществляется посредством маневровых рулей 34, взаимодействующих с воздушным потоком, который создает винтовой движитель 14.
При крейсерском режиме полета за счет взаимодействия центроплана с набегающим потоком воздуха и за счет экранного эффекта близости земной или водной поверхности создается подъемная сила динамической воздушной подушки. При полете на высоте от земной или водной поверхности, составляющей от 0,1 до 0,5 средней хорды центроплана, либо от 0,2 до 0,3 его размаха, со скоростью от 200 до 280 километров в час с углом атаки центроплана от 5° до 6°, при горизонтальной тяге винтового толкающего движителя, равной от 0,25 до 0,33 полетного веса экраноплана, создается достаточная подъемная сила.
Как следует из графиков, представленных на фиг.8 и 9, во время полета на высоте, соответствующей отношению h - расстояния от нижней поверхности центроплана до земной или водной поверхности - в интервале величин от 0,10 до 0,15, максимальное аэродинамическое качество К может быть достигнуто при значении коэффициента Суа аэродинамической подъемной силы, соответствующем углу а атаки центроплана от 5° до 6°. Из графиков видно, что при прочих равных условиях в процессе полета вблизи экрана (h=0,1...0,5) аэродинамическое качество повышается относительно аэродинамического качества при полете на большой высоте на 2,5...4,5 единицы. В результате, на режиме экранного полета реализуется величина аэродинамического качества порядка 14, что является весьма высоким значением для летательных аппаратов с размерностью 2,0...2,5 тонны взлетного веса. Из графиков фиг.8 видно, что по мере приближения к экрану величина коэффициента аэродинамической подъемной силы, при которой достигается наибольшее аэродинамическое качество, увеличивается от 0,45 при полете на большой высоте до 0,50 при 
=0,1. Зависимости коэффициента аэродинамической подъемной силы от угла атаки для полета на большой высоте и вблизи экрана приведены на фиг.8. Значительно увеличение несущей способности экраноплана при полете вблизи экрана (до 30% при угле атаки от 4° до 8°). Характер же зависимости коэффициента продольного момента mza по углу атаки для различных высот полета показывает, что экраноплан в диапазоне углов атаки от 0° до 18° статически устойчив, а при 20° и более практически нейтрален. При полете с углом атаки от 0° до 12° запас продольной статической устойчивости составляет от минус 0,06 до минус 0,09 вне зависимости от высоты полета.
Экраноплан с консолями крыла способен, кроме того, осуществлять свободный полет, преимущественно, для перемещения от одного участка экранного полета к другому либо для перемещения к участку, пригодному для посадки и взлета с использованием статической воздушной подушки.
1. Экраноплан, содержащий центроплан, выполненный с аэродинамическими профилями в продольных сечениях, сигарообразный фюзеляж, установленный на центроплане, кабину экипажа и грузопассажирский салон, расположенные в фюзеляже, полые герметичные продольные балки, установленные на периферии центроплана по его концам, надувные амортизирующие баллоны, установленные под продольными балками, два киля с рулями направления, установленные на законцовках продольных балок, горизонтальное оперение, которое установлено на килях и включает в себя на участке между килями руль высоты, а на участках периферийных консолей - элероны, толкающий винтовой движитель горизонтальной тяги, заключенный в кольцеобразный наружный обтекатель, двигатель винтового движителя, установленный внутри обтекателя хвостовой части фюзеляжа, комплекс взлетно-посадочных устройств, включающий средства создания статической воздушной подушки.
2. Экраноплан по п.1, отличающийся тем, что центроплан выполнен с относительным удлинением от 0,5 до 0,6, с углом закрутки осевой хорды относительно задней кромки от 3 до 5°, с углом закрутки концевой хорды относительно задней кромки, равным от 1 до 2°, со стреловидностью передней кромки, соответствующей ее скруглению в горизонтальной плоскости по радиусу от 0,7 до 0,9 размаха центроплана, с углом поперечного V от -4 до -6° по передней кромке, с относительной толщиной профиля по оси центроплана, равной от 9 до 10%, а у концевых хорд - от 7 до 8%.
3. Экраноплан по п.1, отличающийся тем, что фюзеляж выполнен с двумя откидными частями на одном из бортов для входа и выхода пилота и пассажиров и с двумя аварийными люками для их выхода на другом борту.
4. Экраноплан по п.1, отличающийся тем, что размах горизонтального оперения больше удвоенного размаха центроплана, расстояние от горизонтального оперения до винтового движителя более четырех его диаметров.
5. Экраноплан по п.1, отличающийся тем, что продольные балки выполнены высотой, монотонно уменьшающейся от средней части к носовой и хвостовой частям.
6. Экраноплан по п.1, отличающийся тем, что средства создания статической воздушной подушки включают в себя переднее и заднее гибкие убираемые ограждения, расположенные на нижней поверхности передней и задней частей центроплана, воздуховод наддува воздушной подушки, который выполнен в центроплане и предназначен для отвода части воздушного потока за винтовым движителем в наддуваемое пространство под центропланом, ограниченное передним и задним гибкими ограждениями, поворотную створку, смонтированную позади винтового движителя с возможностью установки ее в положение перекрытия входного отверстия воздуховода наддува воздушной подушки или под углом к верхней поверхности центроплана с образованием заборника части воздушного потока за винтовым движителем, поворотные створки, смонтированные с возможностью установки их в положение перекрытия воздуховода наддува воздушной подушки или в положение открытия выходного отверстия этого воздуховода на нижней поверхности центроплана, устройство синхронизации выпуска и уборки гибких ограждений с поворотом створок перед указанным воздуховодом и в его выходном отверстии.
7. Экраноплан по п.6, отличающийся тем, что устройство синхронизации выпуска и уборки гибких ограждений с поворотом створок включает в себя два электро- или гидропривода, взаимодействующих посредством штоков и качалок с указанными ограждениями и створками.
8. Экраноплан по п.1, отличающийся тем, что он снабжен двумя манеровыми рулями для изменения направления его движения перед взлетом и после посадки, смонтированными позади винтового движителя на стойках, расположенных выше поворотной створки в положении образования заборника части воздушного потока за винтовым движителем.
9. Экраноплан по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он выполнен с консолями крыла, в котором площадь консолей составляет от 0,4 до 0,6 площади центроплана, размах консолей равен от 2,5 до 3,0 размаха центроплана, консоли установлены под углом поперечного V от 1 до 2°, корневой участок каждой консоли, соединенный с продольной балкой, установлен под углом от 25 до 30° и составляет по размаху от 0,33 до 0,37 размаха консоли.
