ФОРМИРОВАНИЕ НОВОЙ КОНЦЕПЦИИ ЭКРАНОПЛАНОВ

​FORMATION OF A NEW CONCEPT OF EKRANOPLANES

Korovin Vadim

student, Department of Shipbuilding and Aviation Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Nikita Rumyantsev

graduate student, Department of Shipbuilding and Aviation Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Nikita Gladyshev

graduate student, Department of Shipbuilding and Aviation Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Alexey Sadovsky

Head of the Aerohydrodynamics Department, Central Design Bureau for Hydrofoil Vessels named after R. E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Igor Petrov

Design Engineer 3rd Cat., JSC KB Vympel, Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Viktor Morozov

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

АННОТАЦИЯ

В данной статье будет представлена новая концепция экранопланов. Будут представлены её преимущества по сравнению с классической аэрогидродинамической компоновкой. Новая концепция экранопланов наиболее экономически целесообразна, благодаря уменьшении массы корпуса и снижении потребной тяговооружённости. Более подробно доказательная база приведена в самой статье.

ABSTRACT

This article will present a new concept of ekranoplanes. Its advantages over the classic aero-hydrodynamic layout will be presented. The new concept of ekranoplanes is the most economically feasible, due to the reduction in body weight and the reduction in thrust-to-weight requirements. The evidence base is given in more detail in this article.

Ключевые слова: экраноплан, СВП, ШВП, аэрогидродинамика, экономическая целесообразность.

Keywords: ekranoplan, hovercraft, hovercraft landing gear, aerohydrodynamics, economic feasibility.

Идея экранопланов опирается на те выгоды, которые даёт экранный эффект в части повышения аэродинамического качества и снижения энергетических затрат в крейсерском движении. Дополнительный эффект в случае использования в экранопланах амфибийного шасси на воздушной подушке дают возможность круглогодичного применения этих аппаратов на российских реках, приём груза и обслуживание на береговых грунтовых площадках, существенное снижение затрат на инфраструктуру.

Состояние альтернативных транспортных средств, включая региональную и межобластную авиацию в ближайшие десятилетия не может представлять серьёзную конкуренцию речным экранопланам типа «Ракета-2». Продолжающийся «отрицательный рост» численности аэродромов, особенно в классе Г, Д и Е в России, отсутствие транспортной обеспеченности населения удалённых регионов Сибири и Дальнего Востока обязывает искать альтернативные транспортные системы, подобные речной амфибийной транспортной системы на базе экранопланов [1]. Однако реализация идеи создания сети регулярных речных маршрутов на базе амфибийных экранопланов наталкивается на ряд проблем. Если отвлечься от социально-экономической обстановки в регионах России, (сложности экономической деятельности, низкой платёжной способности и оттока населения из сибирских и дальневосточных районов), можно выделить наиболее актуальные проблемы при создании экранопланов. К ним можно отнести:

• Рост энерговооруженности экранопланов при старте с воды в 2-3 раза, по сравнению с потребной энерговооруженностью в крейсерском полете.
• Высокая стоимость экранопланов по сравнению с водоизмещающими судами.
• Высокий уровень шума в акваториях прибрежных городов и сёл.

В 70-х годах прошлого века выход из «проектного кризиса» в своих последних работах указал Лауреат государственных и Ленинской премий, доктор технических наук Р.Е. Алексеев, создав проект амфибийного экраноплана «Ракета-2». Ключевыми решениями этого проекта были: - использование поддува от турбовинтовых двигателей для организации воздушной подушки под крылом; - применение пневмобаллонного ограждения, обеспечивавшего снижение эксплуатационных перегрузок и повышение амфибийных свойств; - технологичная конструкция планера с простыми обводами, прямоугольным крылом малого удлинения и прямоугольным горизонтальным оперением, рис.1. Экраноплан «Ракета-2» предназначался для круглогодичной эксплуатации на магистральных реках России. Проект был рассчитан на крейсерскую скорость около 180 км/час, что соответствовало требованиям речных пароходств по безопасности судоходства. Его масштабная пилотируемая модель катер-экраноплан «Волга-2» подтвердила расчётные ходовые характеристики проекта, высокое весовое совершенство планера и низкие эксплуатационные перегрузки на всех режимах движения. С полной нагрузкой экраноплан «Волга-2» взлетал при штатном волнении и переходил в крейсерский полет с предельно низкой стартовой энерговооруженностью. Экраноплан «Волга-2» в течении нескольких лет проходил эксплуатационные испытания зимой и летом.

Рисунок 1. Пассажирский речной амфибийный экраноплан «Ракета-2»

Инициативной группой нижегородских студентов и инженеров совместно с учёными московского филиала ЦАГИ в течении двух десятилетий проводились исследования модификаций речного экраноплана «Ракета-2», направленные на формирование новой концепции амфибийного экраноплана с целью решения проблем, обозначенных в начале статьи, т.е. снижение строительной стоимости, уменьшение взлётной энерговооруженности, цены и шумности аппарата. Основная идея концепции заключается в разделение силовой установки на маршевую и подъемную, отказ от поддува и создании воздушной подушки (ВП) камерного типа под фюзеляжем экраноплана с отдельным турбовентиляторным агрегатом (ТВА) для создания ВП. Один из вариантов исследуемой концепции с условным названием ЭП-100 показан на рис.2. Можно выделить следующие принципиальные решения в новой концепции экраноплана.

Рисунок 2. Речной пассажирский 104 местный экраноплан ЭП-100

Отказ от свободного полета вне экрана, который обеспечивает возможность минимизации мощности маршевых двигателей, достаточной для взлета и полета на крейсерском режиме до высоты не более 5-6 метров. Уходя в свободный полет, экраноплан переходит в юрисдикцию авиационных правил АП-25 и превращается в «плохой» самолёт. Недостатки экранопланов типа Б и В показаны в работе [2].

Создание технологичной конструкции с простыми обводами без ущерба аэродинамическому качеству. Фюзеляж круглого сечения технологически более сложен и не нужен для невысотных полетов. Фюзеляж прямоугольного сечения, крылья и оперение без сужения дают возможность сократить количество сборочной оснастки, широко механизировать и автоматизировать процесс сборки стрингерных панелей фюзеляжа, крыла и оперения, снизить стоимость планера.

Разделение силовой установки на маршевую и «подъёмную» для создания ВП позволяет рационально настроить каждый агрегат на свои функции, добиться их максимальной эффективности на всех режимах движения при общем снижении массы энергетического комплекса. Полная разгрузка аппарата силами ВП достигается отдельным турбовентиляторным агрегатом (ТВА) при минимальной мощности маршевых двигателей, обеспечивающей низкий уровень шума на режимах рулёжки в населённых пунктах.

Подфюзеляжное шасси на ВП (ШВП) камерного типа с пневмобаллонным ограждением придаёт аппарату уникальные функции мультибазирования, всесезонность эксплуатации и существенное уменьшение уровня эксплуатационных перегрузок на всех режимах движения, включая посадочные, что снижает массу планера. В полете убираются только поперечные элементы ограждения ВП, что обеспечивает защищённость конструкции планера при контактах аппарата с экранной поверхностью.

Одним из важных аспектов проектирования экраноплана с ШВП является совершенствование гидродинамики амфибии. В балансе сил гидродинамического сопротивления экранопланов при разбеге и взлёте с воды можно выделить три основных составляющих:

• Сопротивление трения смоченных поверхностей (водоизмещающих, либо глиссирующих);
• Волновое сопротивление амфибии при движении в воде;
• Остаточное сопротивление амфибии (брызгообразование и прочее).

Особенностью экранопланов, использующих ВП, независимо от способа её создания (поддувом или камерным) является изменение осадки аппарата, начиная с нулевых скоростей и уменьшение смоченной поверхности водоизмещающих элементов конструкции. Несущая способность экраноплана складывается из трёх сил:

• -аэродинамической подъёмной силы крыла и других элементов аэродинамической компоновки;
• -подъемной силы воздушной подушки;
• -гидродинамической силы водоизмещающих и глиссирующих элементов гидродинамической компоновки.

Обычно взлет экраноплана начинается синхронно с работой воздушной подушки. При этом все три составляющих подъёмной силы зависят от скорости аппарата. Общий характер изменения этих сил в относительной форме (отношение силы к взлётному весу) в зависимости от относительной скорости (отношение скорости к скорости отрыва от воды) показан на рис.3.  На этой схеме  -относительная подъёмная сила гидродинамической составляющей компоновки (где  -сумма гидростатической и гидродинамической силы),  -относительная подъемная сила воздушной подушки, включая статическую силу избыточного давления в куполе ВП и вертикальную силу, создаваемую нагнетателем),  -относительная аэродинамическая подъёмная сила крыла (. аэродинамическая подъёмная сила крыла и подъемная сила других агрегатов, например фюзеляжа).

В начальный момент разбега экраноплана основной подъемной силой аппарата является сила ВП. Разгружая аппарат, она поднимает его на высоту, определяемую давлением в куполе ВП

где -среднее избыточное давление в куполе ВП в Па,  -массовая плотность воды в кг/м³ .

Рисунок 3. Изменение относительных силовых факторов по скорости аппарата

Относительная подъёмная сила  , создаваемая избыточным давлением под куполом ВП в реальных условиях всегда меньше 1,0. Тем не менее, поднимая амфибию из воды, её действие проявляется в существенном уменьшении смоченной поверхности элементов ограждения ВП, поперечных щитков и боковых пневмобаллонов. Практика испытаний пневмобаллонного шасси на нижегородских аппаратах с ШВП (стенды и буксируемые модели самолёта «Динго», демонстраторов ЛА с ШВП ЦАГИ, экраноплана «Волга-2». СМ-9 и других) показывает, что при моделируемой производительности и напоре нагнетателей этих аппаратов, пневмобаллон практически полностью выходит из воды, оставляя контактируемую с водой поверхность менее 0,5 диаметра пневмобаллона. При этом большинство пневмобаллонов можно отнести к «объемным» скегам по классификации скеговых судов на воздушной подушке [3], водоизмещающих не менее половины веса аппарата. Несмотря на разгрузку силами ВП гидродинамическая составляющая сопротивления в начале разбега достаточно велика и именно в этой части разбега возникает первый горб сопротивления, который иногда определяет саму возможность взлёта с воды.

В начальный период разбега, когда подъёмная сила крыла невелика, экраноплан с ШВП баллонного типа по физическим гидродинамическим процессам близок к скеговым судам на ВП (СВПС). На рис.4 показано изменение составляющих сопротивления движению экспериментального скегового судна на воздушной подушке (СВПС) SES-100B по относительной скорости (критерий Фруда по длине ВП) [3].

Рисунок 4. Составляющие сопротивления движению СВПС SES-100B на волнении 0–1 балл

На рисунке 4 - Х-полное сопротивление движению в Н, D=М₀ -полное водоизмещение судна в кГ, 1-волновое сопротивление, 2-гидродинамическое сопротивление трения скегов и поперечных элементов ограждения, 3- аэродинамическое сопротивление, 4-остаточное сопротивление.

Очевидно, что в балансе сил сопротивления наибольшая составляющая, это волновое сопротивление, которое для СВПС, также как для экраноплана с баллонным ограждением ВП можно определить формулой [3]

Отличительной особенностью формулы (2) от формулы (61) в работе [3, стр.76] является введение переменной , учитывающей разгрузку силы веса экраноплана аэродинамической подъемной силой крыла.

Дополнительным отличием этой формулы будет влияние скорости на среднее избыточное давление  в куполе ВП. Очевидно, что с увеличением скорости и аэродинамической разгрузки возникнет и будет увеличиваться зазор между ограждением ВП и водой. На практике пневмобаллоны на больше части дистанции разбега будут контактировать с водой, но суммарная площадь истечения из-под ограждения ВП будет расти, характеристики нагнетателя будут сдвигаться в зону больших расходов и меньшего давления, а значит меньшей разгрузки силами ВП. Будет происходить самобаллансировка системы с дальнейшим уменьшением роли ВП и увеличение роли аэродинамической подъемной силы в балансе вертикальных сил.

Очевидно, что характер сил сопротивления при взлёте экраноплана с ШВП качественно до Fr=1,2…1,5 будет близок графикам сопротивления СВПС, рис.4. В этом случае обращает внимание значительная роль волнового сопротивления на величину первого горба сопротивления экраноплана, который по статистике скорее всего будет в диапазоне относительных скоростей Fr = 0,4...0,75. Большое влияние на волновое сопротивление оказывает удлинение ВП, что демонстрируют графики зависимости рис.5, взятые из работы [3]. Учитывая не всегда прямоугольную форму ВП, удлинение легче определять через характерный размер -ширину ВП согласно зависимости

Рисунок 5. Зависимость коэффициента волнового сопротивления К_ГВ от числа Фруда и удлинения воздушной подушки

Для СВП и СВПС удлинение ВП ограничивается вопросами боковой остойчивости. Обычно для СВП  Использование крыла или центроплана на экраноплане для организации ВП (поддувом, как на пр.904 «Орлёнок», или камерным способом, как на ЭП «Тунгус») не даёт возможности существенно снизить волновое сопротивление как из-за малого удлинения ВП (в гидродинамическом плане), так и большой замываемой площади поперечных щитков. Применение ВП под фюзеляжем, как в проекте ЭП-100, даёт возможность создать ВП с удлинением до   и более. При этом вопросы боковой остойчивости с успехом решают крыльевые скеги-поплавки. Таким образом организация ШВП под фюзеляжем амфибийного экраноплана может дать положительный эффект в вопросе достижения совершенствования гидродинамической части экраноплана. Практика показывает, что теоретические предпосылки часто корректируются натурными или экспериментальными исследованиями, выявляющими особенности гидродинамического обтекания и вредную интерференцию водоизмещающих и глиссирующих тел.  Для более полного обоснования принятых решений и выявления не прогнозируемых процессов наилучшим способом является модельный эксперимент. Для дальнейшего изучения подфюзеляжного ШВП для экранопланов подготовлен экспериментальный стенд, моделирующий шасси ЭП-100 в масштабе 1:10 рис.6. Результаты прогнозируемых исследований стенда будут опубликованы после проведения буксировочных испытаний.

Рисунок 6. Буксируемый стенд шасси на воздушной подушке экраноплана

Список литературы:

1. Морозов В.П., Соколянский В.П., Мусатов Р.А., Долгополов А.А., Захарченко Ю.А., Мерзликин Ю.Ю., Чесноков С.В., Дунаевский А.И. (Москва). Роль воздушных амфибий в развитии транспортной системы России. Сборник докладов 1Х научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон- 2012». Москва, ЦАГИ.2012. Сентябрь 7-8. 2012. Часть 1.
2. Морозов В.П., Мерзликин Ю.Ю. Цена свободного полета экранопланов, ж. Полет, Москва, 2018.
3. Смирнов С.А. Суда на воздушной подушке скегового типа. -Л.: Судостроение, 1983.216 с.