ГИДРОЛЕТ КАШЕВАРОВА Российский патент 1997 года по МПК B60V1/04 

Изобретение относится к транспортным средствам на воздушной подушке.

Гидролет относится к средствам скоростного водного транспорта, занимающего промежуточное положение между плавучими судами и авиационными лайнерами.

Предлагаемый гидролет может иметь скорость более 200 км/ч, радиус действия более 10000 км и вмещать более 10000 пассажирских мест.

Известен гидролет, содержащий прямоугольный корпус с бортовыми щитами, предназначенный для создания аэродинамической подъемной силы, рейсовые двигатели, рули курса и рули высоты, установленные на передней и задней оконечностях корпуса (заявка ЕП N 0295652, кл. B 60 V 1/22, 1988).

Данный гидролет имеет туннельное пространство, образованное только нижней плоскостью крыла и боковыми поверхностями фюзеляжа, в котором более полно используются экранный эффект, малым по сравнению с габаритами всего устройства (около 1/3 по длине и 1/4 по ширине), при этом двигатели-движители создают воздушный поток, проходящий над соединительным крылом, и не используемый для увеличения экранного эффекта. К тому же реактивные двигатели имеют малый КПД особенно во время старта экранолета, при котором нижняя часть фюзеляжей-поплавков находится в воде и требует наличия большой силы тяги для преодоления сопротивления воды движению поплавков.

Предлагаемый гидролет не имеет этих недостатков.

Устройство и принцип действия предлагаемого гидролета поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан гидролет, вид снизу; на фиг. 2 сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение А-А рейсового двигателя и движителя на фиг. 1 в увеличенном виде; на фиг. 4 сечения Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 сечения В-В на фиг. 3; на фиг. 6 сечения Г-Г на фиг. 3; на фиг. 7 и 8 продольное сечение стартового двигателя и движителя в масштабе, в 2 рейсовом движении гидролета; на фиг. 9 сечение Д-Д на фиг. 7; на фиг. 10 вид снизу левого угла соединения первого переднего руля высоты с дном гидролета в увеличенном масштабе по сравнению с видом на фиг. 1; на фиг. 11 сечение Е-Е на фиг. 10; на фиг. 12 сечение Ж-Ж на фиг. 10.

Гидролет имеет прямоугольный корпус с плоским дном 1. обтекаемой крышей 2 и боковыми щитами 3. На дне 1 гидролета установлены рейсовые двигатели 4 и движители 5, соединенные с дном 1 с помощью кронштейнов 6, стартовые движители 7 и движители 8 на подвижной платформе на подвижной платформе 9, поднимаемой и опускаемой с помощью масляных домкратов 10. Кронштейны 6 имеют обтекаемую форму по отношению к потокам воды и воздуха, возникающих при движении гидролета.

Дно 1 имеет наклон в 0,3 0,5^o от переднего руля 11 к заднему рулю 12 высоты во время полета гидролета, по время старта и на стоянке, когда он погружен в воду по ватерлинию. При этом ось 13 вращения переднего руля 11 находится ниже уровня воды на 0,3 0,5 м.

Оси 13 и 14 вращения рулей 11 и 12 высоты укреплены на носовом 15 и кормовом 16 ребрах корпуса гидролета, соединяющих дно 1 с крышей 2. На крыше 2 установлены кабина 17 для командира гидролета и штурмана, оборудованная навигационными приборами и системой управления гидролета, и воздухозаборная камера 18, от которой воздух по трубам 19 поступает и компрессорам 20.

Боковые щиты 8 на передних и задних концах имеют вертикальные оси 21 и 22 вращения передних и задних курсовых рулей 23 и 24, которые в начале движения гидролета погружены в воду, а при движении на крейсерском режиме находятся выше уровня воды и являются воздушными рулями гидролета.

Стартовые и рейсовые двигатели и движители имеют одинаковое устройство. Двигатель внутреннего сгорания представляет собой сферический оголовник 25, в центральной части которого размещена камера сгорания 26; выполненная в виде сферы 27 из жаропрочного сплава, отделенной от корпуса оголовника 25 термоизолирующей прокладкой 28 (обозначенной крестообразной штриховкой). Центральную часть оголовника 25 опоясывают секции 29 для сжатого воздуха, образованные концентрическими сферическими поверхностями и радиальными вертикальными плоскостями, между которыми проходят пояса 30 соединяющие центральную и периферийную части оголовника 25. Секции 29 с наружной стороны потери камеры сгорания 26. В верхней части оголовника 25 все секции 29 соединены ресивером 32, образованным продолжением сферических поверхностей секций 29.

Камера 26 сгорания соединена радиальными конусными трубками 33 с секциями 29 для сжатого воздуха. В верхней части камеры 26 установлена форсунка 34, периодически впрыскивающая в камеру 26 дизельное топливо, которое поступает по патрубку 35 от насоса 36 из бака 37. Патрубок 35 проходит к форсунке 34 через центральную часть ресивера 32 и патрубок 38, соединяющий камеру 32 движителя 4 с компрессором 20 и ресивер 32 движителя 7 с помощью шарнирного воздуховода 39 с компрессором 20. При запуске двигателя через форсунку 34 поступает бензин, который воспламеняется от электросвечей 40.

Нижняя часть камеры сгорания 26 и оголовника 25 плавно переходят в газовод 41, соединяющий камеру 26 с эксцентричным кольцевым отверстием 42, широким внизу, узким вверху, образованным центральным патрубком 43 и основной трубой 44 движителя 5, установленных в кронштейне 6. Газовод 41 также, как и камеры 26 и 29, имеют термоизолирующую прокладку 45.

На подвижной платформе 9 кроме двигателя 7 и движителя 8 установлены также бак 37 с насосом 36. Кронштейн 6 соединяет подвижную платформу 9 с трубой 44 и патрубком 43 движителя 8 с оголовником 25 двигателя 7 и с плоскостью 46, перекрывающей отверстие в дне 1 при поднятой с помощью масляных домкратов 10 платформе 9.

Масляные домкраты 10 имеют поршень 47 со штоком 48, который соединен с кронштейном 49 платформы 9. Нижняя и верхняя части цилиндра 50 домкрата 10 соединены маслопроводом 51 с маслонасосом 52.

На фиг. 7 изображена платформа 9 в нижнем положении, которое она занимает во время старта гидролета. В этом положении работают стартовые двигатели 7 и движители 8.

На фиг. 8 дано верхнее положение платформы 9, которое она занимает после того, как в результате разгона гидролета между его днищем и поверхностью воды образуется воздушная "подушка" сжимаемого в 1,1 1,2 раза воздуха.

Устройство двигателя 7 отличается от устройства двигателя 4 только длиной газовода 41, который у двигателя 7 короче, чем у двигателя 4 настолько, на сколько труба 44 движителя 8 ближе к оголовнику 25 двигателя 4.

Компрессоры 20 обеспечивают работу двигателей 4 и 7 сжатым воздухом.

Работа основных устройств гидролета осуществляется следующим образом.

Перед стартом гидролет представляет собой корабль, стоящий у причальной стенки морского порта. В это время платформы 9 стартовых двигателей 7 и движителей 8 находятся в нижнем рабочем положении (фиг. 7), а гидролет погружен в воду до ватерлинии, показанной пунктиром б (фиг. 1).

Запускаются в работу компрессоры 20 через шарнирный воздухопровод 39 сжатый воздух поступает в патрубок 38, в ресивер 32 и далее в секции 29, из которых по трубкам 33 сжатый воздух заполняет камеру сгорания 26.

Одновременно через форсунку 34 в камеру сгорания 26 вспрыскивается бензин и поджигается электросвечами зажигания 40, получающими электроимпульсы от системы 53 их формирования, соединенной электрокабелем с аккумулятором 54. Через 1 2 мин работы камеры сгорания на бензине жаропрочный термоинерционный корпус камеры 26 разогревается (раскалиться) в такой мере, что через форсунку 34 начнет подаваться дизельное топливо, которое будет воспламеняться уже без работы электросвечей 40, как у обычных дизельных двигателей. Переключение системы питания форсунок 34 с бензина на дизельное топливо производится системой управления гидролета по заданной программе.

В зависимости о конкретных условий выхода гидролета из порта могут быть использованы только стартовые двигатели или все двигатели гидролета. При использовании всех двигателей гидролета выход гидролета на рейсовую скорость может быть произведен за время менее 20 мин. Стартовые двигатели 7 выключаются как только движитель 8 перестанет заполняться водой, в результате чего резко снизится его тяга, так как упадет давление выхлопных газов в кольцевой щели 42 и увеличится расход сжатого воздуха, подаваемого емого в ресивер 32. Об этом изменении в систему управления поступят электросигналы от соответствующих датчиков, которые будут установлены, например, в ресивере 32 или воздуховоде 39.

С прекращением работы стартовых двигателей 7, дно 1 гидролета поднимется над уровнем воды, а масляные домкраты 10 поднимут платформу 9 в верхнее положение (фиг. 8). Исключение из работы стартовых двигателей 7 не уменьшит скорости движения гидролета, так как его дно 1 перестанет соприкасаться с водой, в результате чего резко уменьшится сила трения дна 1 о воду. Уменьшится также "угол атаки" наклон дна 1. В результате этого возрастет та часть силы тяги рейсовых двигателей, которая создает ускорение полета гидролета.

Минимальное время гидролета выхода на рейсовую скорость в значительной мере зависит от управления наклоном рулей 11 и 12 высоты, которое производится по заданной программе, реализуемой системой управления гидролета, подобной автопилоту самолета. Изменение наклона рулей 11 и 12 высоты производится в результате включения в работу электродвигателя с редуктором 55, вращающим шестерню 56, находящуюся в зацеплении с секторной шестерней 57, жестко связанной с рулем 11 (фиг. 11). Руль 11 высоты имеет предельные углы поворота менее, чем ± 5^o. (фиг. 10 12), а руль 12 имеет предельные углы 0 - 10^o. В начале старта рулю 11 придают положительный угол, близкий к предельному, а рулю 12 наибольший отрицательный угол, в результате создается наибольшая подъемная сила гидродинамическая как за счет рулей 11 и 12, так и за счет наклона дна 1. Очевидно, что при различной загрузке гидролета углы наклона рулей 11 и 12, соответствующие наименьшей затрате времени на достижение рейсовой скорости, будут различны. Выбор оптимальных значений углов поворота производится системой управления гидролета по программе старта с использованием показаний пьезоэлектрических датчиков 58 давления воды, установленных на нижней части кронштейнов 6.

Давление воды на чувствительный элемент датчика возрастает пропорционально квадрату скорости движения гидролета относительно воды. Такая зависимость позволяет с большой степенью точности определять скорость гидролета с помощью весьма простого и надежного устройства, электросигналы которого с заданной частотой поступают в систему управления полета гидролета. Аналогичный датчик 59 устанавливается также в верхней части патрубка 43 и по его показаниям система управления получает информацию о том, попадает ли воздух в верхнюю часть патрубка 43 (что отрицательно сказывается на тяге двигателя 5) система управления уменьшает углы наклона рулей 11 и 12, в результате чего высота полета гидролета уменьшается и воздух прекращает поступать в патрубок 43.

Кроме того по разности скоростей в патрубке 43 и вне его определяемой системой управления по показаниям датчиков 58 и 59, определяется сила тяги движителя 5 главного показателя эффективности работы двигателя 4 и движителя 5.

В начале старта гидролета его подъемная сила определяется вытесненной им воды и гидродинамической силой, увеличивающейся с увеличением скорости движения гидролета.

После того как дно 1 гидролета поднимется над поверхностью воды подъемная сила гидролета будет определяться аэродинамическим давлением воздуха на дно 1 в результате того, что площадь входного поперечного сечения, образованного нижней плоскостью переднего высоты руля 11, боковыми щитами 3 и поверхностью воды будет на 20 30 больше площади выходного поперечного сечения, образованного нижней плоскостью заднего руля 12 высоты, боковыми щитами 3 и поверхностью воды. При этом площади входного и выходного поперечного сечения могут изменяться за счет поворота рулей 11 и 12 высоты.

С поворотом руля 11 вверх площадь поперечного сечения входного потока воздуха увеличится, а с поворотом руля 12 площадь поперечного сечения выходного потока воздуха уменьшится, вследствие чего давление воздуха на дно 1 увеличится и гидролет поднимется над поверхностью воды. Однако этот подъем увеличит зазор между поверхностью воды дна 1 гидролета, что ограничивает его подъем над водой. К тому же подъем дна 1 гидролета выше расчетного значения приведет к уменьшению забора воды в патрубок 43 движителя, что приведет к уменьшению силы тяги движителя и, как следствие этого, к уменьшению скорости полета гидролета и его подъемной силы.

Таким образом конструкция гидролета, даже при выходе из строя системы управления полетом гидролета, будет находится в устойчивом положении по занимаемой гидролетом высоте и скорости полета как в саморегулирующаяся система.

В установившемся режиме рейсового полета, движители 5 будут находится на минимальной глубине, а нижние срезы щитов 3 будут только врезаться в гребни волн с зазорами над впадинами между гребнями волн.

Поверхности движителей, соприкасающиеся с водой, будут нагреты выхлопными газами до 120 150^oC, при которой между водой и этой поверхностью будет создана паровая смазка, т.е. тонкий слой пара, имеющий плотность и вязкость в сотни раз меньше, чем плотность и вязкость воды. Такая паровая смазка уменьшит в сотни раз силу трения этих поверхностей о воду, по сравнению с силой трения, которая была бы при непосредственной контакте поверхностей с водой (без паровой смазки).

Этот эффект стократного уменьшения силы трения открыт мной и впервые использован в данной заявке для уменьшения силы трения разогретых поверхностей движителя о воду. Использование этого эффекта позволило пучить скорость движения гидролета более 200 км/ч, при которой возникает достаточная для полета подъемная сила, обусловленная эффектом экрана, усиленного боковыми щитами, существенно уменьшающими отток воздуха в стороны из под дна 1 гидролета. Боковые щиты 3 не только существенно увеличивают эффект экрана, на и обеспечивают саморегулировку высоты дна 1 над поверхностью воды, так как увеличение этой высоты ведет к утечке воздуха между поверхностью воды и нижней кромкой щитов 3, и как следствие уменьшение подъемной силы и уменьшения высоты дна 1 над водой.

Уменьшение высоты гидролета уменьшает зазор между поверхностью воды и нижней кромкой щитов 3, и как следствие этого, увеличивает подъемную силу. Благодаря такому устройству высота полета гидролета над поверхностью воды может быть в небольших и вполне безопасных пределах (1-2 м) устанавливаться пилотом с помощью рулей высоты в зависимости от высоты волн, силы и направления ветра. Оптимальной будет такая высота полета, при которой гидролет будет развивать наибольшую скорость относительно окружающей его воды.

На фиг. 2 дано изображение гидролета при его полете с рейсовой скоростью над поверхностью воды, уровень которой обозначен буквой а.

Торможение гидролета производится включением двигателей 4, в результате чего сила тяги движителя 5 прекратится, уменьшится скорость движения, уменьшится подъемная сила и гидролет погрузится в воду, что многократно увеличит силы сопротивления его движению.

Изменение направления движения гидролета производится с помощью релей 23 и 24, которые во время полета гидролета превращаются в воздушно-водяные. При этом передняя часть руля 23 (фиг. 12) будет находится над поверхностью воды, а его задняя нижняя часть будет находиться в воде. Площадь передней и задней частей руля 23 подбираются такими, чтобы момент силы воздействующий на них при рейсовой скорости полета гидролета были бы примерно равными. Рули 23 и 24 являются одновременно обтекателями щитов 3, уменьшающими сопротивление воды и воздуха их движению. Аналогичную работу обтекателей играют рули 11 и 12 высоты относительно ребер 15 и 16, соединяющих дно 1 и крышу 2 гидролета.

Двигатели 4 и 7 гидролета, имеющие одинаковое устройство и работу, являются главным отличием гидролета от всех известных транспортных устройств с двигателями внутреннего сгорания, применяемыми на самолетах, автомобилях и на кораблях.

Работа предлагаемых двигателей 4 и 7 в установившемся режиме производится по заполнению сгорания камеры 26 сжатым воздухом, впрыском в нее через форсунку 34 дизельного топлива, его воспламенениям и направлением раскаленных выхлопных газов в газоход 41 и далее в кольцевую щель 42 движителя 5 и 8. При этом сжатый воздух поступает от компрессора 20 через патрубок 38 и секции 29 равномерным потоком, а из секции 29 в камеру 26 сгорания поступление происходит по конусным трубкам 33 в колебательном режиме. Этот колебательный режим возникает в результате периодического впрыска в камеру 26 и воспламенения дизельного топлива. В момент воспламенения дизельного топлива температура в камере 26 поднимается более, чем на 1000^oC, давление продуктов сгорания выхлопных газов увеличивается в 3 4 раза по сравнению с движение сжатого воздуха, находящегося в секциях 29. В этот момент основная часть выхлопных газов устремляется в газовод 41, а существенно меньшая часть этих газов поступает в конусные трубки 33, преодолевая поток сжатого воздуха, поступающего через эти трубки в камеру 26. Выхлопные газы, вошедшие в узкие конусные отверстия трубок 33, продвигаясь по ним к секциям 29, расширяются в трубках 33 с уменьшением своего давления и уменьшением скорости движения. В то же время в секции 29 по инерции продолжает поступать сжатый воздух и не имея выхода через трубки 33, перекрытые выхлопными газами, его давление в трубках 33 повышается.

В результате динамики этих процессов наступает момент, когда давление сжатого воздуха в трубках 33 станет большим, чем давление выхлопных газов, попавших в эти трубки. Этому процессу содействует резкое падение давления выхлопных газов в камере 26, поступающих в газоход 41. Инерционность такого движения струи выхлопных газов столь велика, что давление в камере 25 упадет до уровня, меньшего чем давление в секциях 29. Когда это произойдет (через тысячные доли секунд после воспламенения топлива), то сжатый воздух, вытолкнув выхлопные газы, попавшие в трубки 33, начнет заполнять камеру 26. В тот момент, когда камера 26 заполнится сжатым воздухом, нагретым при его прохождении через трубки 33 и от жаропрочного термоинерционного корпуса 27 до температуры воспламенения дизельного топлива, в камеру 26 через форсунку 34 впрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется и, тем самым начинается следующий цикл работы камеры сгорания 26.

Диаметры, конусность и количество трубок 33 рассчитаны на заполнение камеры 26 в кратчайшие сроки, а их длина принята такой, чтобы выхлопные газы, попавшие в них в момент воспламенения топлива, не успели дойти до секции 29 со сжатым воздухом. Такой расчет учитывает также диаметр и длину газохода 41, площадь поперечного сечения кольцевой щели 42 и давление выходящих из нее выхлопных газов.

Надлежащий расчет всех этих величин дает возможность получить среднее давление в кольцевой щели 42 существенно большим, чем давление сжатого воздуха, поставляемого компрессором 20 в камеру сгорания 26.

Период свободных колебаний работы камеры 26 двигателя 4 зависит от всех вышеупомянутых величин и определяется соответствующим расчетом с последующей экспериментальной проверкой и доводкой. Оптимальный темп работы камеры 26 подбирается плавным изменением периода времени впрыска дозированного количества топлива через форсунку 34 и замером объема и давления поступающих в газоход 41 выхлопных газов заданного давления определяет оптимальный темп работы камеры 26 и ее максимальную производительность, которая достигается при совпадении периода впрыска дизельного топлива с периодом свободных колебаний вышеизложенных процессов ее работы.

Высокий КПД двигателя 4 определяется тем, что тепловая энергия, нагревающая корпус оголовника 25, несмотря на противодействие термоизолирующей прокладки 28, окружающей корпус 27 камеры 26, нагревает находящийся в секциях 29 и в трубках 33 сжатый воздух, который возвращает эту тепловую энергию в камеру сгорания 26. Этому процессу содействует также термоизолирующая прокладка 28 внешней сферической поверхности секций 29 и термоинерционный корпус камеры 26, усредняющий температуру между температурой воспламенения топлива и температурой поступающего в камеру 26 сжатого воздуха.

Производительность камеры сгорания 26 превосходит производительность камеры сгорания равного объема, например, дизельного двигателя в десятки раз, благодаря чему удельная мощность двигателя 4 в десятки раз превосходит удельную мощность лучших дизельных двигателей. Простота конструкции двигателей 4 и 7, отсутствие движущихся частей и клапанов, делает их во много раз надежнее в эксплуатации и дешевле в изготовлении любых известных двигателей внутреннего сгорания. Такими же свойствами обладают и движители 5 и 8, соединенные с двигателями 4 и 7 в двигательную установку гидролета, обеспечивающую ему многократное превосходство по всем основным характеристикам двигательной установки перед двигательными установками самолета и судов как при движении по воздуху, так и при движении по воде (во время старта и финиша).

Использование: в транспортных средствах на воздушной подушке. Сущность изобретения: гидролет содержит корпус с бортовыми щитами, рейсовые и стартовые двигатели, установленные на дне корпуса; двигатели выполнены со сферическими оголовниками камеры сгорания, соединенной газоводом с основной трубой, образующей сопло водно-газового пряточного реактивного движителя; на передних и задних частях бортовых щитов установлены рули курса, являющиеся обтекателями щитов. 12 ил.

Гидролет, содержащий прямоугольный корпус с бортовыми щитами, предназначенный для создания аэродинамической подъемной силы, рейсовые двигатели, рули курса и рули высоты, установленные на передней и задней оконечностях корпуса, отличающийся тем, что он снабжен стартовыми двигателями, которые установлены на дне корпуса с возможностью перемещения в вертикальном направлении, рейсовые и стартовые двигатели выполнены со сферическими оголовниками камеры сгорания, соединенной газоводом с основной трубкой, образующий сопло водно-газового прямоточного реактивного движителя, а рули курса установлены на передних и задних частях бортовых щитов так, что являются их обтекателями.