Вопросы проектирования и оценки технических возможностей экраноплана как нового вида транспорта

Проблема создания транспортных средств, использующих в своем движении благоприятное влияние близости границы раздела сред, имеет солидную историю. Граница раздела сред (воздух-вода, воздух-твердая поверхность) воздействует на аэродинамические характеристики объекта аналогично экрану, поэтому аппараты, использующие этот эффект, получили название «экранопланы».

Наиболее подробный исторический очерк, посвященный этой проблеме, изложен в книге [4]. Ее автор, известный популяризатор «идеи экраноплана», Н. И. Белавин отмечает, что еще в 1716 году шведский ученый Э. Сведенборг предложил конструкцию аппарата на воздушной подушке с нагнетанием воздуха под корпус с помощью воздушных винтов, но достаточно серьезно вопрос околоэкранного полета начал изучаться только в двадцатые годы прошедшего столетия. Основополагающие работы в этом направлении были выполнены Б. Н. Юрьевым, Я. М. Серебрийским, Б. А. Ушаковым. За истекшие 70−80 лет со времени научного обоснования Б. Н. Юрьевым «эффекта экрана» в мире было создано более 60-ти действующих образцов экранопланов [4, 18, 19, 82]. Этой проблемой, с разной степенью активности и успехом, занимались ученые и инженеры США, Германии, Швеции, Норвегии, Финляндии, Японии, Китая и других стран. Наибольших успехов удалось достичь в СССР. Благодаря теоретическим и экспериментальным работам ученых ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, коллективов конструкторских бюро, возглавляемых Р. Е. Алексеевым, Р. Бартини, а также ряда ВУЗов и энтузиастов-одиночек, в СССР создано более двух десятков натурных (действующих) образцов экранопланов различных классов и схем.

Весь упомянутый период времени развития экранопланостроения можно условно разделить на три этапа.

Первый этап — 20-е — 50-е годы прошлого столетия характеризуются созданием небольшого количества экранопланов оригинального внешнего вида. На взгляд современного специалиста компоновочные, аэрогидродинамические решения этих аппаратов наивны, несовершенны и, часто, ошибочны.

Отсутствие теоретического базиса по аэрогидродинамике, устойчивости экраноплана, уровень технологии того времени и, наконец, отсутствие концепции экраноплана, как транспортного средства, обусловили это многообразие схем и компоновок, подкрепленных лишь интуицией автора, часто одиночки-энтузиаста, В то же время следует отметить, что на вторую половину указанного периода приходятся существенные результаты теоретических исследований в области аэродинамики околоэкранного полета. Наиболее известные их них работы Серебрийского ЯМ. и Смирнова А. Н, [67, 69].

Второй этап 1960;е -1970;е годы. В этот период большой скачок в создании экранопланов был достигнут благодаря деятельности научно-исследовательских и конструкторских коллективов СССР, связанных, в основном, с оборонным комплексом (КБ Алексеева P.E., Бартини Р., ряда авиационных вузов). В этот период было выполнено много фундаментальных исследований по аэродинамике профиля [22, 23, 38, 49, 59] и крыла вблизи экрана [20, 34, 37, 38, 62, 64, 74], активно велись работы по оптимизации схемно-компоновочных решений, поиску и обоснованию сфер использования, определению роли и места экраноплана в транспортной системе [5, 6, 44, 45, 63, 65]. В начале 70-х годов были получены значительные результаты в развитии теории устойчивости движения экранопланов. Фундаментальные основы в решении этого вопроса заложил Р. Д. Иродов [39]. Дальнейшее развитие решения этой проблемы получило в трудах В. И. Жукова [36] и других авторов [55, 56,.

57]. в указанный период проведено огромное количество лабораторных и натурных экспериментов на моделях, в том числе и полунатурных [82].

В СССР создан ряд крупных экранопланов военного назначения [82]: «Каспийский монстр» (КМ), взлетной массой более 500 т, «Лунь» — более 300 т, «Орленок» — более 100 т. В Германии инженер Липпиш активно занимался созданием легких экранопланов взлетной массой от 350 кг (X-112, Х-113, Х-114) оригинальной схемы.

Второй этап характерен резким сокращением многообразия аэродинамических схем аппаратов. Выявляется несколько из них, наиболее полно использующих «эффект экрана». Это классическая схема (КМ, Лунь, Орленок), схема с крылом малого удлинения и третья схема, представляющая комбинацию первых двух, и имеющая центроплан большой хорды и более или менее развитые консоли крыла.

Ведется упорный поиск решения проблемы взлета с воды. Создаются системы поддува под крыло, стартовые ускорители, гидролыжи и т. д. На экспериментальных образцах отрабатываются вопросы управления, навигации, безопасности, надежности и живучести экранопланов.

В конце 70-х годов активность в создании летных образцов экранопланов резко снизилась. К числу объективных причин этого можно отнести нерешенность проблемы устойчивости полета экраноплана. По этой причине произошло несколько аварий, что в значительной мере дискредитировало идею «экранного полета» и привело к свертыванию работ в этой области.

В конце 1980;х годов отмечается новое оживление. Это время можно назвать началом третьего этапа развития экранопланостроения. Большой интерес к экранопланам проявляют США, Япония, Китай, Сингапур, Филиппины, Малайзия и другие страны. Возобновляется на конверсионной основе работа в ЦКБ по СПК в Нижнем Новгороде. Там заложен постройкой экраноплан спасатель взлетной массой более 300 т.

Ряд творческих коллективов в Нижнем Новгороде строит и модернизирует ранее созданные легкие экранопланы «Волга 2», «Стриж» и другие. Активно работают над проблемой ученые ряда ВУЗов России (Московский государственный авиационный институт, Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева (КАИ), технические университеты г. г.Иркутска, Комсомольска на Амуре и др.). В частности ученые Иркутского государственного технического университета работают в направлении создания экраноплана схемы «утка». Там выполнен большой объем исследований по аэро-гидродинамике, устойчивости, проектированию, постановке лабораторных и натурных экспериментов [25−28, 55−57, 60, 61].

Характерной чертой третьего этапа развития идеи околоэкранного полета является деятельность в направлении детальной проработки и уточнении фундаментальных основ теории, оптимизации компоновок, совершенствовании конструкции, поиск областей применения и путей обеспечения эффективности экраноплана как транспортного средства [1, 8−17, 21, 29, 31, 36, 40−42, 50−52, 68, 71−76, 80−81]. По мере накопления теоретических знаний и практического опыта складывается более четкое представление о положительных факторах влияния экрана на характеристики аппарата, о роли и месте экранопланов в системе транспортных средств. Исследованиями [4, 6, 18, 19, 29, 52, 54, 74, 85] доказано существование «ниши» в скоростном ряду транспортных средств в диапазоне 150.400 км/ч, которую могут заполнить экранопланы.

В зарубежной литературе [18, 19] опубликованы многочисленные проекты использования экранопланов, например: круглогодичные грузопассажирские перевозки на трансокеанских маршрутах, в прибрежных районах, по рекам, крупным озерамделовые поездки, перевозка почты, патрулирование и так далеевоенное применение: борьба с подводными лодками, транспортно-десантные операции с возможностью выхода на сушу.

Очерченную сферу применения обосновывают высокой транспортной эффективностью экранопланов, нетребовательностью к условиям базирования, высокой скоростью, грузоподъемностью, амфибийностью.

Сложилась определенная система классификации экранопланов. Так, например, в рамках Международной морской организации (1М0), разработана классификация, подразделяющая экранопланы на три типа:

— тип, А — экранопланы, не имеющие возможности отрыва от экрана;

— тип В — аппараты, способные, в случае необходимости, летать вне экрана;

— тип С — летательные аппараты, использующие экран только в режимах взлета-посадки.

Соответственно разделен порядок сертификации экранопланов: тип, А сертифицируется 1М0, тип В — сертифицируется в 1МО с зЛетом требований Международной авиационной организации (11СА0), третий тип — тип С — сертифицируется по нормали 1КА0 с привлечением норм 1М0.

Наибольшее развитие, если следовать приведенной квалификации, получили аппараты первых двух типов, причем в первом из них (тип А) внимание проектировщиков и исследователей сосредоточено на аппаратах, не имеющих непосредственного контакта с экраном в крейсерском режиме движения. Для удобства используется принцип классификации экранопланов и по многим другим признакам, например: по конструктивно-компоновочной схеме (самолетная, летающее крыло, комбинированная) — по расположению и форме оперения (нормальная схема, схема «утка»). Резко различаются экранопланы по способу старта (старт с глиссирования, старт с поддувом). Особенно значительно это различие в скоростях движения.

Всего в поле зрения автора, при анализе истории становления и развития идеи околоэкранного полета, попало более 80-ти проектов аппаратов, использующих в своем движении благоприятное влияние близости экранирующей поверхности. Информация о некоторых, наиболее интересных и в достаточной степени реализованных, приведена в таблице 1. Более подробная характеристика известных проектов и разработок экранопланов приведена в приложении к диссертации.

Изложенный исторический обзор становления и развития проблемы создания экранопланов показал, что работы в этом направлении ведутся, с той или иной степенью интенсивности, на протяжении всего ХХ-го столетия. Интерес ученых и конструкторов к транспортным экранопланам объясняется тем, что они потенциально обладают рядом положительных качеств:

• возможностью достижения высокой топливной эффективности;

• большой скоростью движения;

• возможностью и целесообразностью создания аппаратов высокой грузоподъемности.

Однако, не смотря на большое число построенных опытных экранопланов, известны лишь единичные случаи их практического использования. Причина этого, по мнению диссертанта, заключается, в частности, в нерешенности ряда вопросов научного характера. Не достаточно изучены, не обобщены и должным образом не интерпретированы многие особенности околоэкранного полета. В результате сложилось несколько искаженное представление о технических возможностях экранопланов.

Подтверждением актуальности исследований, представленных в диссертации, является то, что они выполнены в рамках Государственной межвузовской научно-технической программы (МНТП) «Экраноплан».

Годы Автор, наименование Страна Назначение проекта.

1 2 3 4.

1930; Т. Каарио «Аэросани-1» Финляндия Исследоват.

1940 Т. Каарио «Аэросани-2» Финляндия Исследоват.

Д.Уорнер США Исследоват.

И.Троенг 1 Шветщя Исследоват.

И.Троенг 2 «Аэробот» Швеция Исследоват.

Дж.Мартин 1 США Военно-тр.

Д.Лерэй США Транспорт.

М.Тенаклиа Швейцария Транспорт.

1940; Т. Каарио Финляндия Транспорт.

1950 «Аэросани"-3».

Х.Зудштед США Транспорт.

Дж.Мартин 2 США Военно-тр.

И.Хуард США Транспорт.

1960; Бертельсон «0ЕМ-1» США Исследоват.

1970 Бертельсон «ОЕМ-2» США Транспорт.

Бертельсон «ОЕМ-3» США Транспорт.

Суханов СССР Исследоват.

Дископлан-2″.

Т.Каарио Финляндия Исследоват.

Аэросани"-8″.

Корягин «Локхид» США Исследоват.

Дискенсон США Исследоват.

Эндо «Кавасаки» Япония Исследоват.

Табл. 1.

Стартовая АэродинаТип Тип стартоПримечамасса, мическая движивого устройние т схема теля ства.

5 6 7 8 9.

0,09 Ж нет ГС Построен.

0,09 лк ВВ ГС Построен.

— Утка L ВВ ГС+ПП Построен.

3,00 ЛК ВВ ГС Построен.

0,6 ж ГВ ГС Построен сс ВВ ГС Проект лк ГВ ГС+ПП Проект лк ГВ ГС Проект лк ВВ ГС Построен.

1 лк ВВ ГС+ПП Построен.

— сс ВВ ГС Проект.

400 лк ГВ ГС Проект.

0,41 лк ВВ ГС+ПП Построен.

0,64 лк ВВ ГС+ПП Построен.

1Д4 лк ВВ ГС+ПП Построен.

0,24 лк — ГС Построен.

0,5 лк ВВ ГС Построен.

0,63 лк ГВ ГС Построен.

0,5 лк ВВ ГС Построен.

0,6 лк ГВ ГС Построен.

Годы Автор, наименование проекта.

1 2 1960; Будницкий.

1970 «ИНИМФ-2».

Липпиш Х-112 Вейланд «Малый Вейландкрафт» Рейтхарт Корягин «Клиппер» Пьецух «ПАИ-67».

Липпиш Х-113 Вейланд «Большой Вейландкрафт» М. Хаклиа А.Сигенари «Кавасаки» М. Яцуси «Кавасаки» Д. Коксидж Г. Эберхард П. Мантль «Дженерал электрик» Л. Клаусс Липпиш Д. Томпсон У.Харкинсон Д. Велли Е.Хенфорд.

Страна Назначение.

3 4.

СССР Исследоват.

США Исследоват.

США Исследоват.

США Транспорт.

США Исследоват.

СССР Исследоват.

ФРГ Исследоват.

США Транспорт.

Франция Транспорт.

Япония Транспорт.

Япония Транспорт.

Канада Транспорт.

ФРГ Транспорт.

США Транспорт.

Франция Транспорт.

ФРГ Транспорт.

США Транспорт.

США Транспорт.

ФРГ Транспорт.

США Транспорт.

Стартовая АэродинаТип Тип стартоПримечамасса, мическая движивого устройние т схема теля ства.

5 6 7 8 9.

0,45 Ж ВВ ГС Построен.

0,33 сс вв ГС Построен.

4,3 сс ВВ ГС Построен.

2,3 лк — ГС Построен.

0,44 сс вв ГС Построен.

0,3 сс гв ГС Построен.

0,34 сс вв ГС Построен.

1000 сс вв ГС Проект сс гв ГС Проект.

— лк вв ГС Проект.

— сс л вв ГС Проект.

— сс вв ГС Проект.

— лк вв гс+пп Проект.

— лк вв гс+пп Проект сс вв гс+пп Проект.

200 сс вв ГС Проект.

— сс гв ГС Проект лк гв ГС Проект.

— сс гв ГС Проект.

— сс гв ГС Патент.

Годы Автор, Страна Назначение наименование проекта.

1 2 3 4.

1960; Данген «РАМ-1» США Военный.

1970 Боинг «Лоубой» США Военный.

Викл Рисерч США Военный.

Колумбия".

Дж.Мартин США Военный.

ЦЛСТ"ЭС-1″ СССР Исследоват.

ЦЛСТ «ЭС-2, Шмель» СССР Исследоват.

Вертак-220″ США Исследоват.

ЦКБ СПК «Орленок» СССР Военно-транс.

ЦКБ СПК «Лунь» СССР Военно-транс.

ЦКБ СПК «КМ» СССР Военно-транс.

1970; ЦЛСТ, СССР Исследоват.

1980 МВТУ «ЭС-2М».

А. Липпиш Х-114 ФРГ Транспорт.

Йорг «ТАВ-У11−5» ФРГ Исследоват.

Санберн" ВеликобриИсследоват. тания.

ИЛИ «АДП-04» СССР Исследоват.

ИЛИ «АДП-05 Орфей» СССР Исследоват.

ИЛИ «АДП-04М» СССР Исследоват.

МАИ «ЭЛА» СССР Исследоват.

КПИ"ЭЛА-13″ СССР Исследоват.

У.Э.Уолледж ВеликобриИсследоват. тания.

Стартовая АэродинаТип масса, мическая движит схема теля.

5 6 7.

90 Ж ВВ.

125 СС вв.

100 ЛК ВВ.

— ЛК вв.

0,15 СС вв.

0,45 СС —.

0,5 СС —.

125 СС вв.

300 СС вв.

500 СС вв.

0,56 СС вв.

135 СС вв.

0,66 ЛК вв.

СС —.

0,23 СС вв.

0,32 СС вв.

3,00 СС вв.

— СС вв.

0,28 СС вв.

— СС вв.

Тип стартоПримечавого устройние ства.

8 9 пп Проект.

ГС Проект пп Проект.

ГС Патент.

ГС Построен.

ГС Построен.

ГС Построен пп Построен пп Построен пп Построен.

ГС Построен.

ГС Построен.

ГС Построен.

СШ Построен.

СШ Построен.

СШ Построен.

ГС Построен.

ГС Построен.

ГС Патент.

Годы.

19Ю-1980.

1980 1995.

Автор, Страна Назначение Стартовая АэродинаТип Тип стартопримечанаименование проекта масса, т мическая схема движителя вого устройства ние.

2 3 4 5 6 7 8 9.

AF-XS Япония Исследоват. — лк ГВ ГС Построен.

Синмэйвакогекуки".

NASA «SENOL» США Транспорт. ИЗО СС ВВ J ПП Проект.

У.Вланшард США Транспорт. — сс ВВ ПП Патент.

Фр. Мальвестуто США Транспорт. — сс ВВ i ПП Патент.

НИС ВМС «WIG» США Транспорт. — сс ВВ ПП Проект.

Cygne-10″ Франция Транспорт. 10 лк ВВ ГС Проект.

Cygne-14″ Франция Транспорт. 14 лк ВВ ГС Проект.

Г. И.Йорг Великобритан Транспорт. — сс ВВ ГС Патент.

Р.Грир США Транспорт. — сс ВВ ГС Патент.

Р.Смитеро США Транспорт. — сс ВВ ГС Патент.

Иорг-IV" ФРГ Транспорт. — сс ГВ ГС Построен.

НТСЦ «Модель 901» Китай Исследоват. 033 сс ВВ ГС Построен.

Барышев «Вихрь» Россия Транспорт. 25 сс ВВ ГС Проект.

Васильев «СЛЭП-2» Россия Исследоват. 0,4 сс ВВ ГС Проект.

КГТУ «РТ-6М» Россия Исследоват. 1,5 сс ВВ ГС Строится.

Условные обозначения, принятые в таблице:

ВВ — воздушный винтГВ — гребной винтПП — с поддувомСС — самолетная схемаЖ — летающее крылоГС — глиссированиеСШ — с шасси.

1992;2000 Г. Г.). Задачей Программы являлась разработка научных основ создания транспортных экранопланов.

В настоящую диссертацию включены исследования по вопросам проектирования и оценке перспектив создания экраноплана как нового транспортного средства.

Цели работы:

1. Систематизировать известные и проведенные в рамках МНТП «Экраноплан» материалы исследований.

2. Оценить технические возможности экраноплана как нового вида транспорта.

3. Разработать рекомендации по выбору проектных параметров экраноплана и перспективам его применения.

Научная новизна.

1. Проанализированы с практической точки зрения основные факторы влияния экрана на летно-технические характеристики летательного аппарата.

2. На базе предложенных расчетных моделей разработаны инженерные методики оценки аэродинамического взаимодействия крыла с экраном и устойчивости движения для начальных этапов проектирования.

3. Разработаны методики и рекомендации по выбору основных параметров крыла и оперения экраноплана.

4. Предложена концепция транспортного экраноплана, реализованная в проекте экспериментального образца аппарата.

Достоверностьполученныхрезультатов обеспечивается использованием общепринятых теоретических положений, рекомендаций, логикой рассуждений и выводов, а также сопоставлением полученных результатов с данными экспериментов и теоретическими исследованиями других авторов.

Практическая ценность. В диссертации рассмотрены все основные вопросы, которые решаются на начальных стадиях проектироваш1я аппарата. Предложенные методики использованы при разработке и реализации, под руководством диссертанта, проекта экспериментального экраноплана «летающая лаборатория».

Публикации и апробация работы. Основные результаты исследований опубликованы в работах [8, 10, 13, 14, 14, 17, 25, 30, 51, 53, 77, 83], представлены в научно-исследовательских отчетах по Программе «Экраноплан» за 1994;2000 г. г. и доложены на Всероссийских и международных конференциях «Экраноплан-94», «Экраноплан-96».

Объем и струтст’ура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованной литературы. Материал изложен на 134 страницах, вютючает 2 таблицы, 28 рисунков, 2 фотографии. Список использованной литературы содержж 83 наименования.

Основные результаты исследований опубликованы в работах [8, 10, 13, 14, 17, 24, 29, 50−52, 76], а так же доложены на Всероссийской и Международной конференциях (Экраноплан-94 и Экраноплан-96).

Предложенные методики и алгоритмы расчетов, рекомендации по выбору схемы и основных параметров экраноплана использованы при разработке проекта экспериментального аппарата «Летающая лаборатория», выполняемого в рамках государственной межвузовской научно-технической программы «Экраноплан».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен аналитический обзор современного состояния проблемы разработки и создания транспортного экраноплана.

2. Дана оценка и сформулированы обобщающие, практически полезные выводы об основных факторах влияния экрана на летно-технические характеристики экраноплана.

3. Предложена инженерная модель, описывающая аэродинамическое взаимодействие крыла с экраном и позволяющая анализировать устойчивость движения аппарата для начальных этапов проектирования.

4. Разработаны рекомендации к выбору основных параметров крыла и оперения экраноплана.

5. Выполнена комплексная сравнительная оценка летно-технических характеристик экранопланов различных, наиболее отработанных и распространенных конструктивно-компоновочных схем. Разработана концепция экраноплана «летающая лаборатория» для постановки и проведения широкомасштабного натурного эксперимента. Выполнен проект этого аппарата, реализуемый постройкой экспериментального образца с взлетной массой 1500 кг.