МОРСКОЙ ЭКРАНОЛЕТ КАШЕВАРОВА "МЭК" Российский патент 1997 года по МПК B64C39/00 

Изобретение относится к средствам скоростного водного транспорта, занимающего промежуточное положение между судами на воздушной подушке или на подводных крыльях и авиационными лайнерами.

Морской экранолет (МЭК) может перевозить более 10000 пассажиров и более 10000 т грузов со скоростью более 350 км/ч на расстояние более 5000 км.

Известны различные конструкции экранопланов и экранолетов [1,2,3]
Большинство из известных конструктивных решений включает особенности самолетных конструкций и плавсредств с их достоинствами и недостатками. При этом одним из проблемных вопросов при создании экранолета является выбор оптимальной силовой установки, обеспечивающей потребные эксплуатационные свойства такого транспортного средства.

Наиболее близким аналогом предложенного экранолета, принятым за прототип, является экраноплан Д. Уорнера (см. [3] стр. 105-107), содержащий прямоугольный крыловидный корпус с бортовыми стенками (скегами), с двигателями и движителями, органами управления двумя килями, рулями высоты и курса. Силовая установка экраноплана включает маршевые двигатели, расположенные под его хвостовой частью между килями, и стартовые жидкостные ракетные двигатели, установленные в носовой части корпуса.

Такая компоновка силовой установки не является оптимальной, так как она не обеспечивает полного использования экранного эффекта и возможностей двигателей.

В изобретении в качестве двигателя используется реактивное устройство, включающее сферическую камеру сгорания оголовник, в котором в колебательном режиме сгорает топливо при непрерывном поступлении от отдельного компрессора сжатого воздуха. При этом продукты сгоревшего топлива поступают в первичный водно-воздушный прямоточный реактивный движитель, состоящий из двух труб с кольцевым пространством между ними. Передний конец внутренней трубы является водо- или(и) воздухозаборником, установленным в носовой части МЭК, задний конец внешней трубы установлен в сопловой части поддонного пространства МЭК, ограниченного сверху дном МЭК, с боков вертикальными стенками, снизу водой, над которой летит или по которой плывет МЭК. Поддонное пространство МЭК выполняет роль вторичного прямоточного воздушно-реактивного движителя и одновременно аэродинамического подъемника во время движения МЭК с рейсовой скоростью.

В начале и в конце движения МЭК представляет собой корабль с водно-воздушным реактивным движителем и с воздушной подушкой под большей частью его прямоугольного дна, с шириной только в 2-3 раза меньшей его длины.

МЭК является более безопасным и дешевым средством транспорта, чем авиация и морские суда, его двигатели и движители более просты в устройстве, более надежны и экономичны в эксплуатации, и обладает большей удельной мощностью, чем применяемые в настоящее время на кораблях и самолетах.

МЭК не требует для своей эксплуатации на аэродромов, необходимых авиации, ни глубоководных трасс и портов, необходимых океанским судам равной грузоподъемности.

На фиг.1 показан МЭК, вид снизу; на фиг.2 -то же, вид сбоку; на фиг.3 - сечение А-А на фиг. 1 носовой части МЭК во время его стоянки в увеличенном виде по сравнению с фиг.1; на фиг.4 МЭК во время полета вид спереди; на фиг. 5 сечение Б-Б на фиг. 3 носовой и кормовой части МЭК во время его стоянки; на фиг. 6 сечение В-В на фиг.3 носовой и кормовой частей МЭК во время его полета; на фиг.7 сечение В-В на фиг.3 двигателя и средней части движителя в увеличенном виде по сравнению с фиг.3 и 6; на фиг.8 сечение Г-Г на фиг.7; на фиг.9 сечение Д-Д на фиг. 7.

Морской экранолет (МЭК) имеет прямоугольный корпус с дном в виде плоскости 1, наклонной в сторону кормы в ее носовой части, и плоскости 2, наклонной в сторону носа в кормовой части корпуса. Соединяются плоскости 1 и 2 под тупым углом в сопловой части поддонного пространства 3, образованного сверху плоскостями 2 и 2, с боков вертикальными стенками 4 и снизу поверхностью воды, над которой летит МЭК, касаясь стенками 4 поверхности воды
В носовой части МЭК, образованной соединением плоскости 1 дна и поверхности крыловидной крыши 5, установлен носовой руль высоты 6. В кормовой части МЭК, образованной соединением плоскости 2 дна и поверхности крыши 5, установлен кормовой руль высоты 7. На носовой части корпуса МЭК находится капитанский мостик 8, на кормовой курсовой воздушный руль 9. В носовой части МЭК установлены двигатели с оголовниками 10 воздушно-реактивных прямоточных движителей 11 и водно-воздушных прямоточных движителей 12 и воздухозаборные трубы 13 над плоскостью 1 дна и водно-воздушные трубы 14 под плоскостью 1 дна. При этом концы труб движителей 11 и 12 установлены в сопловой части поддонного пространства 3. Перед оголовниками 10 установлены компрессоры 15 и 16. Компрессор 16 имеет воздухозаборную трубу 17, соединенную с воздухозаборной трубой 13, а компрессор 1 воздухозаборную трубу 18, соединенную с входным отверстием на крыше 5.

Воздухозаборные трубы 13 и 14 конусные, передний конец этих труб имеет больший диаметр, чем задний. Задние концы труб 13 и 14 вставлены в передние концы труб 11 и 12 с кольцевым отверстием 19, имеющим сопловое сужение более широкое в нижней части и более узкое в верхней. Трубы 11 и 12 конусные с меньшим диаметром передней части в сопловом сужении отверстия 19 и большим диаметром своего конца.

Кольцевое отверстие 19 соединено газоводом 20 с камерой сгорания 21 оголовника 10, выполненной в виде сферы из жаропрочного материала 22, отделенного от корпуса оголовника термоизолирующей прокладкой 23 (обозначенной крестообразной штриховкой).

Центральную часть оголовника 10 опоясывают камеры 24 для сжатого воздуха, образованные концентрическими сферическими поверхностями и радиальными плоскостями, между которыми проходят пояса 25, соединяющие центральную и периферийную части оголовника 10. Камеры 24 имеют с наружной стороны термоизолирующую прокладку 26, уменьшающую тепловые потери камеры 21.

В верхней части оголовника 10 все камеры 24 соединяются камерой 27, образованной продолжением сферических поверхностей камер 24.

Камеры сгорания 21 соединены радиальными конусными трубками 28 с камерами 24 для сжатого воздуха. В верхней части камеры 21 установлена форсунка 29, периодически впрыскивающая в камеру 21 дизельное топливо, которое поступает по патрубку 30 от топливного насоса. Патрубок 30 проходит к форсунке 29 через центральную часть камеры 27 и патрубок 31, соединяющий камеру 27 с компрессором 15 (16).

Камера 21 имеет электросвечи, используемые для запуска оголовника 10. Газовод 20 и трубы 11, 12, 13 и 14 имеют термоизолирующее покрытие поверхностей, соприкасающихся с раскаленными газами, выходящими из камеры 21.

На капитанском мостике 8 установлены система управления экранолетом, навигационное оборудование, радиолокатор, радиостанция, телефон, прожекторы, сигнальные огни и сирена.

Подготовка МЭК к рейсу состоит из запуска компрессоров 15 и 16 и двигателей (оголовников) 10. При этом один из двигателей 10 с компрессором 16 работает на стоянке МЭК, поставляя в поддонное пространство 3 выхлопные газы и воздух, создавая воздушную подушку под дном 2 при опущенном кормовом руле высоты 7 (фиг.5).

Для запуска двигателей 10 в патрубок 30 вводится бензин и включаются электросвечи зажигания. В результате 1-2 минутной работы камеры сгорания 21 на бензине температура и давление в ней поднимаются до величин, достаточных для работы камеры 21 на дизельном топливе, подача бензина в патрубок 30 прекращается и электросвечи выключаются.

При выходе из порта (гавани), где не допускаются высокие скорости МЭК и требуется высокая маневренность, запускаются двигатели 10 движителей 12 и 1-2 двигателя 10 движителей 11 для поддержания воздушной подушки под дном 2. После выхода из порта на морские (океанские) просторы включаются все двигатели 10 и МЭК приобретает скорость более 350 км/ч в экранном полете на высоте 3-4 м над уровнем воды.

Сила тяги и подъемная сила возникают в результате работы двигателей 10 в установившемся режиме, которая производится в ритме свободных колебаний процессов по заполнению камеры сгорания 21 сжатым воздухом, впрыском в нее через форсунку 29 дизельного топлива, его воспламенения и выходу из раскаленных газов под большим давлением через газовод 20 в кольцевое отверстие 19. При этом сжатый воздух поступает от компрессора 15 (или 16) через патрубок 31 в камере 27 и камеру 24 равномерным потоком, а из камеры 24 в камеру сгорания 21 сжатый воздух проходит по конусным трубкам 28 уже в колебательном режиме, который возникает в результате периодического впрыска в камеру 21 и воспламенения дизельного топлива. В момент воспламенения дизельного топлива температура в камере 21 поднимается более чем на 1500^oC, а давление продуктов сгорания выхлопных газов увеличивается в 5-6 раз по сравнению с давлением сжатого воздуха, находящегося в камерах 24. Во время и после горения топлива основная часть выхлопных газов устремляется в газовод 20 и далее в кольцевое отверстие 19. Во много раз меньшая часть газов (во столько раз меньшая, во сколько площадь отверстий конусных трубок 28 меньше площади поперечного сечения газовода 20 с учетом коэффициента на отношение диаметра трубок 28 и газовода 20) поступает в конусные трубки 28, преодолевая поток сжатого воздуха, поступавшего через эти трубки в камеру 21.

Выхлопные газы, вошедшие в малые отверстия трубок 28, продвигаясь по ним к камерам 24, расширяются в расширяющихся конусных трубках 28 с уменьшением скорости движения. В то же время в камеры 24 по инерции продолжает поступать сжатый воздух и, не имея выхода в трубки 28, перекрытые выхлопными газами, сжатый воздух увеличивает давление в камерах 24 и в широких концах трубок 28. Одновременно в камере 21 происходит быстрое снижение давления выхлопных газов, устремившихся в газовод 20. Инерционность такого направления струи газов столь велика, что давление в камере 21 упадет до уровня меньшего, чем давление сжатого воздуха в камерах 24. Когда это произойдет (а произойдет это через тысячные доли секунды после воспламенения топлива), сжатый воздух, вытолкнув выхлопные газы, попавшие в трубки 28, начнет заполнять камеру 21. В тот момент, когда камера 21 заполнится сжатым воздухом, нагретым при его прохождении через трубки 28 от жаропрочного термоинерционного корпуса 22 до температуры воспламенения дизельного топлива, в камеру 21 через форсунку 29 впрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется и тем самым начинается следующий цикл работы камеры сгорания 21.

Диаметры, конусность и количество трубок 28 рассчитаны на заполнение камеры 21 в кратчайшее время, а их длина принята такой, чтобы выхлопные газы, попавшие в них, не успели дойти до камеры 24 со сжатым воздухом. Такой расчет учитывает также диаметр и длину газовода 20, площадь поперечного сечения сопловой части отверстия 19 и давление проходящих через него газов.

Надлежащий расчет и рациональный выбор всех этих величин даст возможность получить среднее давление в сопловой части отверстия 19 в несколько раз большим, чем давление сжатого воздуха, поставляемого компрессором в камеры 24 и далее в камеру сгорания 21.

Оптимальный темп работы камеры сгорания 21 подбирается плавным изменением периода впрыска дозированного количества дизельного топлива через форсунку 29 и замером объема и давления выхлопных газов, поступающих за единицу времени в кольцевое отверстие 19. Максимальное произведение объема газов на их давление при прохождении ими соплового сужения кольцевого отверстия 19 определяет оптимальный темп работы камеры 21 и ее максимальную производительность, которая достигается при совпадении периода впрыска дизельного топлива с периодом свободных колебаний вышеизложенных процессов ее работы.

Высокий КПД двигателя оголовника 10 определяется те, что тепловая энергия сгоравшего топлива, прошедшая через термоизолирующую прокладку 23, окружающую камеру сгорания 21, и нагревшая корпус оголовника 10, нагревает сжатый воздух, проходящий через камеры 24 и трубки 28 в камеру сгорания 21 и тем самым возвращает эту тепловую энергию для полезного использования в двигателей. Этому процессу содействует также термоизолирующая прокладка 26 внешней сферической поверхности камеры 24 и термоинерционный корпус 22 камеры 21, усредняющий температуру между температурой воспламенения топлива и температурой сжатого воздуха, поступающего в камеру 21 через трубки 28.

Простота конструкции двигателя 10, отсутствие движущихся частей и клапанов делает его во много раз надежней в эксплуатации, дешевле в изготовлении известных ДВС и увеличивает его ресурс работы (срок службы). Такими же положительными свойствами обладают воздушно-реактивные движители 11, 12 и аэродинамический подъемник вторичного воздушно-реактивного движителя 3, являющегося принципиально новым движителем, не имеющим аналогов в современной технике. Этот движитель использует кинетическую энергию газов, выходящих из труб 11 и 12 первичных реактивных движителей, которая в известных воздушно-реактивных двигателях теряется. При этом теряемая величина энергии известных двигателей превосходит полезно используемую величину энергии.

Энергетическое устройство МЭК, включающее оголовники 10, первичные воздушно- и водно-воздушные реактивные движители 11 и 12 и вторичный воздушно-реактивный движитель аэродинамического подъемника 3, имеет существенно больший КПД, чем известные энергетические устройства, состоящие из воздушно-реактивных двигателей и движителей.

Процессы, связанные с работой первичного и вторичного воздушно-реактивных движителей и с их взаимодействием, требуют экспериментальной проверки, на основании которой может быть уточнение конструкции этих движителей и получены более обоснованными их характеристики.

Водно-воздушный реактивный движитель 12 используется прежде всего для разгона МЭК, когда кормовой руль высоты 7 опущен до воды, образуя под дном МЭК воздушную подушку, которая подпитывается (создается) при работе воздушно-реактивных двигателей 11. До тех пор пока кормовой руль высоты 7 опущен до поверхности воды, главную часть тяговой силы, необходимой для разгона МЭК, создают водно-воздушные реактивные движители 12. При этом во входные отверстия их трубок 14 поступает вода, которая под воздействием выхлопных газов, выходящих из кольцевого отверстия 19, с большой скоростью выталкиваются из трубы движителя 12 и затем уходит под кормовой руль высоты 7, сообщая реактивную силу тяги движителю 12. Учитывая, что плотность воды более чем в 500 раз превышает плотность воздуха, водно-воздушный реактивный движитель 12 при его работе с водой создает большую силу тяги чем при работе с воздухом, когда его входная труба поднимается выше уровня воды. Но в этот момент уже большая доля силы тяги будет создаваться первичными и вторичными воздушно-реактивными движителями. В этот момент и водно-воздушный реактивный движитель 12 будет работать как воздушно-реактивный движитель 12.

Во время работы с водой водно-воздушный реактивный движитель 12 будет иметь меньшую скорость истечения выхлопных газов сопловое отверстие 19, в соответствии с этим частота подачи топлива в камеру сгорания 21 будет уменьшение, а давление газов в кольцевом отверстии 19 при этом может даже возрасти, в результате чего возрастет КПД двигателя. Однако вторичный движитель в это время не работает, в результате чего КПД водно-воздушного реактивного движителя будет меньше, чем общий КПД первичного и вторичного воздушно-реактивных движителей.

Водно-воздушные реактивные движители 12 позволяют МЭК иметь высокую маневренность при движении с большим диапазоном скоростей, имеющим столько ступеней, сколько движителей 12 имеет МЭК, так как может быть включено в работу любое количество движителей 12. К тому же, включая движители, расположенные только у одного борта, МЭК может иметь радиус траектории движения в несколько раз меньший, чем у кораблей таких же размеров.

Используя "воздушную подушку", МЭК может проходить по фарватеру с глубиной в 3 м, что недоступно для кораблей такой грузоподъемности, как МЭК.

Использование: в качестве скоростного транспортного средства для перевозки пассажиров и больших грузов. Сущность изобретения: крыловидный корпус экранолета выполнен с днищем в виде двух прямоугольных плоскостей - носовой и кормовой, пересекающихся под тупым углом, образуя с поверхностью воды и бортовыми стенками поддонное пространство, используемое в качестве вторичного воздушно-реактивного движителя. В сопловой части этого движителя установлены концы труб первичных воздушно-реактивных и водно-воздушных прямоточных движетелей, соединенных газоводами с воздушно-реактивными двигателями и воздухозаборными трубами, установленными в носовой части корпуса. При этом каждый воздушно-реактивный двигатель выполнен со сферическими оголовником и камерой сгорания, соединенной газоводом с кольцевым зазором первичного прямоточного воздушно-реактивного движителя. Носовой и кормовой рули высоты установлены в месте соединения плоскостей дна и поверхности крыши корпуса, а на носовой и кормовой частях крыши установлены рули курса. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Морской экранолет, содержащий прямоугольный крыловидный корпус с бортовыми стенками, с двигателями и движителями, с рулями высоты и курса, отличающийся тем, что дно корпуса выполнено в виде двух прямоугольных плоскостей носовой и кормовой, пересекающихся под тупым углом в сопловом сечении поддонного пространства и образующих вторичный воздушно-реактивный движитель, в сопловой части этого движителя установлены концы труб первичных воздушно-реактивных и водно-воздушных прямоточных движителей, соединенных газоводами с воздушно-реактивными двигателями и с воздухозаборными трубами, установленными в носовой части корпуса, при этом каждый воздушно-реактивный двигатель выполнен со сферическим оголовником, газовод которого соединен с кольцевым зазором соответствующего первичного прямоточного воздушно-реактивного движителя, а носовой и кормовой рули высоты установлены в месте соединения плоскостей поддонного пространства и поверхности крыши корпуса, на носовой и кормовой частях крыши установлены рули курса. 2. Экранолет по п.1, отличающийся тем, что сферический оголовник имеет центрально-расположенную сферическую камеру сгорания, изготовленную из жаропрочного материала, между которым и корпусом оголовника установлена термоизолирующая прокладка: камеры для сжатого воздуха, образованные сферическими поверхностями с термоизолирующей прокладкой на наружной поверхности камеры и радиальными плоскостями, проходящими через камеру сгорания, между которыми проходят пояса, соединяющие центральную и периферийную части корпуса оголовника; конические трубки, соединяющие камеру сгорания с камерами для сжатого воздуха, форсунку ввода жидкого топлива в камеру сгорания; электросвечи зажигания, установленные в камере сгорания. 3. Экранолет по п.1, отличающийся тем, что первичный прямоточный воздушно-реактивный движитель имеет коническую воздухозаборную трубу, конец которой, меньшего диаметра, вставлен в начало конической трубы прямоточного воздушно-реактивного движителя с кольцевым отверстием, соединенным газоводом со сферической камерой сгорания оголовника, при этом начало воздухозаборной трубы большого диаметра установлено в носовой части крыши экранолета, а конец конусной трубы движителя имеет больший диаметр, чем начало, и установлен в сопловой части поддонного пространства; кольцевое отверстие имеет сопловое сужение и расширение к концу воздухозаборной трубы. 4. Экранолет по п.1, отличающийся тем, что первичный прямоточный воздушно-реактивный движитель имеет водо- или воздухозаборную трубу, установленную под дном носовой части, и кольцевое отверстие, сопловая часть которого, эксцентричная с большим расстоянием между трубами внизу и меньшим расстоянием между трубами вверху. 5. Экранолет по п.1, отличающийся тем, что аэродинамический подъемник вторичного прямоточного воздушно-реактивного движителя представляет собой поддонное пространство, ограниченное вверху носовой и кормовой плоскостями, пересекающимися в сопловой части этого пространства под тупым углом, при этом кормовая плоскость дна имеет большую длину и большую высоту ее начала; с боков поддонное пространство ограничено вертикальными стенками бортов, снизу поверхностью воды, а с кормы поддонное пространство может быть ограничено наклоном руля высоты.