Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой

Изобретение относится к области водного транспорта и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации судов. Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой выполнено продольно-сочлененным, двухкорпусным. Передний корпус содержит движитель. Задний корпус имеет катамаранную схему. Между скегами заднего корпуса имеется тоннель, который образует аэродинамическую плоскость. Соединение переднего и заднего корпусов происходит посредством шарнира или шарниров с одной или несколькими степенями свободы. Достигается снижение общего гидродинамического сопротивления судна, увеличение грузоподъёмности и безопасной скорости, без опрокидывающих моментов через корму. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области водного транспорта и может быть использовано при проектировании, строительстве, эксплуатации кораблей, судов, катеров.

Известные скоростные катамараны, спортивные трехточки, глиссеры, с движителем, находящимся в кормовой части, имеют ряд недостатков. Так при высокой скорости создается аэродинамическая подъемная сила и судно, будь то катамаран или трехточка с аэродинамической плоскостью при повышенном угле атаки, вызванном волной, порывом ветра или самой аэродинамикой, стремятся к взлету и опрокидыванию через корму, так как движитель продолжает толкать судно в тот момент, когда носовая его оконечность на взлете притормаживается. Такой опрокидывающий момент в полной мере не дает достичь максимальной скорости судна, катера и грозит катастрофой. Проблема с опрокидыванием катера была, в некоторой степени, решена в проекте переднеприводной гоночной лодки «Лаурита» (патент LV№13830, автор Улдыс Атматс). Так передний привод на этой гоночной лодке действительно дает меньший опрокидывающий момент, ибо винт - движитель сразу же выходит из воды при повышенном угле атаки и тяга прекращается.

Однако аэродинамическая плоскость, составляющая единое целое с корпусом, при разных дифферентах, в зависимости от скорости и волн изменяет свой угол атаки и не всегда работает в оптимальном режиме. Так же существенным недостатком является ограниченность подъема корпуса из-за изменения дифферента на нос и выхода из воды движителя - винта, при аэродинамическом приподнятии кормовой части, обусловленном монолитной конструкцией корпуса, что приводит к неустойчивому движению и дельфинированию от чередующихся изменений в тяге движителя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является проект экраноплана (ЭКРАНОПЛАН "RUSWIND", патент RU №2140370 C1, автор Екимов С.В.). В этом экраноплане движитель находится в передней гондоле, соединенной с фюзеляжем упругим шарниром, опирающимся на опорные поплавки. Так же в фюзеляже имеется кабина, в хвостовой части киль с рулем поворота и аэродинамическое крыло с рулями высоты. Экраноплан можно рассматривать как однокорпусный, с вынесенной гондолой для движителя вперед, которая имеет некоторую свободу качания в вертикальной плоскости за счет поперечной оси упругого шарнира. У данного экраноплана есть признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - используется движительный комплекс в передней части судна, аэродинамическая плоскость находится в задней части судна.

Однако этот экраноплан имеет ряд существенных недостатков:

Так экраноплан выполнен по самолетной, а не по корабельной схеме, с присущими недостатками в водной среде. По некоторым показателям этот экраноплан является гидросамолетом на поплавках, особенно в том случае, где в качестве движителя применяется воздушный винт, и лишь для предотвращения взлета гондолы, применены антикрылья, что является противоестественным для снижения аэрогидродинамического сопротивления. К недостаткам так же можно отнести увеличенную габаритную ширину за счет крыльев, высокий центр тяжести, уменьшенную начальную остойчивость за счет применения поплавков на фюзеляже, и как следствие - валкость, плохую остойчивость и мореходность. Так же соединение упругим шарниром с поперечной осью дает возможность только приподнятия фюзеляжа над поверхностью, но не дает возможности поворота передней гондолы с движителем по курсу, независимо от фюзеляжа. Так же ось соединения не может иметь смещение в других плоскостях, для изменения дифферента в передней гондоле и регулировки высоты оси упругого шарнира. Недостатком так же является то, что при полном отрыве фюзеляжа от поверхности, управление по курсу происходит только за счет воздушного руля за килем, что создает большее аэродинамическое сопротивление для достижения эффективного поворота. Так же и передняя гондола своими обводами, находясь в более плотной среде, оказывает сопротивление повороту в целом, за счет курсовой устойчивости движительного комплекса, не имея возможности изменять вектор тяги по курсу в водном исполнении экраноплана.

Технической задачей изобретения является создание такой конструкции скоростного судна, которое бы в полной мере использовало передний привод движителя и аэродинамическую плоскость на подъем судна из воды, для снижения гидродинамического сопротивления, без возможных опрокидывающих моментов, с улучшенной управляемостью при маневрах, повышенной остойчивостью, мореходностью. Уменьшение габаритной ширины от выступающих за корпус крыльев.

Поставленная задача решена следующим образом:

Как и в прототипе экраноплане «RUSWIND», используется движительный комплекс в передней части судна, а аэродинамическая плоскость в задней части судна.

Предусмотрены следующие отличия:

Судно является двухкорпусным, продольносочлененным. Передний глиссирующий корпус с движительной установкой является тянущим - водным тягачом. Задний грузопассажирский корпус имеет катамаранную схему с тоннелем, образующим аэродинамическую плоскость между скегами, которая создает разгрузку и подъем от набегающего потока воздуха при движении.

Кроме того, судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой, отличается тем, что в своем соединении между корпусами имеет шарнир по типу шарового, карданного, или иного, дающего несколько степеней свободы, находящийся в надпалубном или подпалубном пространстве диаметральной плоскости переднего корпуса. Вследствие чего задний корпус имеет возможность не только качания в поперечной плоскости, сохраняя возможность свободного поднятия корпуса над поверхностью, но и осуществлять возможность управляемого поворота вокруг шарнира и тем самым меняя вектор тяги движителя переднего корпуса при маневрах.

Так же новым существенным признаком является возможность использования шарнира, установленного в переднем корпусе на подвижной площадке, имеющей возможность перемещения в диаметральной плоскости для регулировки дифферента переднего корпуса от нагрузки заднего корпуса и возможность регулировки высоты шарнира над поверхностью, для приподнятия носа заднего корпуса и задания угла атаки аэродинамической плоскости.

Так же новым существенным признаком является возможность сочленения корпусов двумя или несколькими бортовыми шарнирами, разнесенными от диаметральной плоскости, с одинаковой шириной корпусов в месте стыковки, где забор воздуха в тоннель происходит за счет конструктивного приподнятии носовой части заднего катамаранного корпуса.

Экипаж с органами управления может находиться как в переднем корпусе - водном тягаче, так и в заднем корпусе - водном прицепе судна.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:

Компоновка продольного сочленения переднего с тяговым движителем корпуса и заднего корпуса с аэродинамической разгрузкой делает судно более устойчивым, маневренным, без возможности продольного опрокидывания через корму. В заднем грузопассажирском корпусе применена катамаранная схема, вследствие чего улучшается остойчивость и мореходность, с сохранением поднятия корпуса вплоть до чистого парения, за счет подъемной силы на аэродинамическую плоскость в тоннеле между скегами.

Применение шарнирного механизма с несколькими степенями свободы в переднем корпусе позволяет делать аэродинамический подъем заднего катамаранного корпуса и поворот корпусов вокруг шарнира, улучшая управляемость судна при маневрах.

В случае применения сцепления корпусов шарнирами, расположенными по обоим бортам, судно становится более конструктивно прочным, более мореходным, устойчивым на курсе. При этом задний катамаранный корпус имеет свободу подъема вокруг оси шарниров, при скоростном напоре на аэродинамическую плоскость. Маневренность, в случае применения сочленения с бортовыми шарнирами, совершается за счет поворота вектора тяги движителя в переднем корпусе или рулями в корпусах.

Изобретение позволяет эффективно использовать аэрогидродинамику судна, достигать более высоких показателей в мореходности, остойчивости, маневренности, компактности, грузоподъемности и скорости. Так же, в случае применения шарнирного соединения с несколькими степенями свободы в диаметральной плоскости, использовать раздельно корпуса - как буксировщика-тягача, так и задний корпус в качестве водного прицепа с гидроаэродинамическим поддержанием. А так же использовать унификацию шарового или седельно-тягового сцепного или иных устройств известных типов от автомобилей, в сочленении корпусов.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства изобретения поясняется чертежами. На фиг.1, 2, 3 представлена компоновочная схема судна - соответственно вид сбоку, сверху и спереди. На фиг. 4 - вариант компоновки с бортовыми шарнирами. Возможные варианты применения шарнирных механизмов при бортовом расположении шарниров на фиг. 5. Вариант сочленения с карданным шарниром и рулевым приводом на фиг. 6.

Компоновка судна (см. фиг. 1) выполнена двухкорпусной с продольно-соединенными друг за другом передним - ведущим корпусом 1 и задним - ведомым корпусом 2. Сочленение корпусов происходит через один или несколько шарниров 3 с одной или несколькими степенями свободы, в одной или нескольких плоскостях. В переднем глиссирующем корпусе 1 находится двигатель 4, тяговый движитель 5, подвижная площадка 6 с механизмом 7 регулировки высоты шарнира над горизонтом. Высота шарнира над горизонтом задает возможность приподнятия носа заднего корпуса 2 и изменять угол атаки аэродинамической плоскости 8. В качестве движителя 5 может применяться любой тип движителя, создающий достаточную тягу для получения эффекта воздушной подушки, созданной за счет скоростного напора, во время движения судна. Задний корпус 2 имеет обводы с центральным тоннелем в виде аэродинамической плоскости 8, которая опирается по бортам на глиссирующие скеги 9. Аэродинамическая плоскость 8, имеющая значительную площадь несущей поверхности, является составляющей обводы заднего корпуса. Так же в заднем корпусе 2 находится грузопассажирский отсек 10. Задний корпус 2 (см. фиг.2) может иметь спереди стреловидную форму 11, оканчивающуюся дышлом 12 со сцепным устройством 13 или карданом 14. Так же шарнир 3 дает возможность поворота судна по курсу. Так же в системе сочленения корпусов возможно применение амортизаторов 15 и редукторов 16 (см. фиг.6). В случае применения корпусов 1, 2 с одинаковой шириной (см. фиг.5, 6) в месте сопряжения, могут использоваться бортовые осевые шарниры 17 или шаровые 3 по одному или несколько на борт, с соединительными рычагами 18 и без таковых, а так же может присутствовать воздухозаборный козырек 19.

В случае использования карданного шарнира 14 (см. фиг. 6) для управления и по курсу, рулевой вал 21 может проходить в дейдвудной рулевой трубе 22, через упорно-опорный механизм 23.

Регулировка механизма 7 угла атаки аэродинамической плоскости 8 может находиться и на заднем корпусе 2 над дышлом 12. Полезная нагрузка находится в заднем корпусе 2. Экипаж с блоком управления может находиться как в переднем 1, так и в заднем 2 корпусах.

Пример осуществления изобретения в работе происходит следующим образом:

- в статике передний 1 и задний 2 корпусы находятся в водоизмещающем режиме, имея положительную плавучесть переднего и заднего корпуса. Аэродинамическая зона плоскости 8 конструктивно находится над ватерлинией, под регулируемым углом атаки,

- в начале разгона, при увеличении скорости набегающего воздушного потока, задний корпус 2 судна, под действием аэродинамической силы на аэродинамическую плоскость 8 и гидродинамической силы на глиссирующие поверхности скегов 9, начинает приподниматься из воды. Смоченная поверхность судна уменьшается с увеличением скорости, и облегчается выход на крейсерский режим;

- когда судно наберет расчетную крейсерскую скорость, на задний корпус 2 подействует аэродинамическая сила, которая приведет к частичному или полному выходу заднего корпуса 2 из воды. Благодаря шарниру 3, выравнивающий дифферент незначительно повлияет на передний корпус 1, вследствие чего судно будет двигаться фактически на минимальной кормовой глиссирующей подошве переднего корпуса 1;

- остойчивость судна на крейсерском режиме обеспечивается наличием динамической воздушной подушки под крылом 8 и гидродинамических сил на глиссирующих поверхностях скегов 9 заднего корпуса 2. При неполном отрыве от воды, крене, или при смене курса, на бортовые скеги 9 воздействует дополнительный восстанавливающий гидродинамический момент;

- высокая скорость на волнении обеспечивается остроскулыми обводами переднего корпуса, способного несколько качаться вокруг шарнира 3 в основной плоскости, сглаживая и амортизируя тем самым вертикальные колебания на шарнире 3, что дает заднему корпусу 2, с аэродинамической плоскостью 8 большую уравновешенность в случае чистого парения над водой и предсказуемость для возможной регулировки угла атаки крыла. Также высокая скорость обеспечивается обтекаемой конструкцией надстройки корпусов.

Техническим результатом является создание нового типа переднеприводного, продольно сочлененного судна, передний корпус которого, по сути, является гидродинамическим тягачом - буксировщиком, а задний корпус - аэродинамическим крылом с полезной нагрузкой, вследствие чего снижается общее гидродинамическое сопротивление судна, увеличивается грузоподъемность и безопасная скорость, без опрокидывающих моментов через корму.

Изобретение позволяет эффективно использовать аэродинамику судна, достигать более высоких показателей в грузоподъемности и скорости, а также использовать раздельно корпусы как буксировщика-тягача, так и гидроаэродинамического прицепа, с возможной унификацией при использовании сцепного устройства. Предлагаемое судно имеет неизвестную ранее гидродинамическую схему, конструкцию и архитектуру.

1. Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой, отличающееся тем, что соединение переднего ведущего корпуса с движителем и заднего ведомого корпуса, имеющего катамаранную схему, где между скегами имеется тоннель, образующий аэродинамическую плоскость, происходит посредством шарнира или шарниров с одной или несколькими степенями свободы.

2. Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой по п.1, характеризующееся тем, что при применении одного шарнира с несколькими степенями свободы, расположенного в диаметральной плоскости переднего корпуса, имеется как возможность его курсового поворота вокруг шарнира, так и возможность подъема заднего корпуса над водой.

3. Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой по п.1, характеризующееся тем, что в качестве связи между корпусами может иметь соединение по типу карданных валов, дающее возможность как поднятия заднего корпуса курсового поворота, так и использования соединения в качестве приводного поворотного механизма.

4. Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой по п.1, характеризующееся тем, что может иметь механизм регулировки шарнира по высоте и в диаметральной плоскости переднего корпуса.

5. Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой по п.1, характеризующееся тем, что при применении сцепления корпусов в соединении могут применяться рычаги и амортизаторы.

6. Судно переднеприводное с аэродинамической разгрузкой по п.1, характеризующееся тем, что при применении в соединении корпусов унифицированных шарниров по типу автомобильных: фаркопа, шарового шарнира, тягово-седельной сцепки, возможно применение заднего корпуса в качестве водного прицепа с другими плавсредствами, имеющими в корме унифицированные сцепки.