ЭКРАНОПЛАН И СПОСОБ ПРОДОЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭКРАНОПЛАНОМ Российский патент 1997 года по МПК B60V1/08 B64C39/00 

Изобретене относится к области летательных аппаратов на динамической воздушной подушке, обладающих повышенной устойчивостью по продольному каналу независимо от расстояния до экрана.

Известно транспортное средство на динамической воздушной подушке, содержащее фюзеляж с хвостовым горизонтальным оперением, установленным над несущим крылом S-образного профиля, снабженным управляемыми закрылками, боковыми скегами [1]
Способ управления этого транспортного средства по продольному каналу заключается в регулировании степени дросселирования выходной площади туннеля под нижней поверхностью крыла щитком, расположенным на кормовой части крыла.

Известен экраноплан "Орленок", содержащий фюзеляж, центроплан, консоли крыла, хвостовое оперение, боковые шайбы, расположенные под центропланом, закрылки, установленные по кормовой оконечности центроплана и по консолям крыла [2]
Способ управления экранопланом "Орленок" в продольном канале управления заключается в дросселировании потока воздуха, протекающего под крылом в тоннеле, ограниченном нижней поверхностью центроплана крыла, экранной поверхностью и экранными шайбами. Дросселирование осуществляют закрылком, размещенным на выходе туннеля на кормовой оконечности крыла.

Экраноплан "Орленок" и способ продольного управления, реализуемый на этом экраноплане, как наиболее близкие средства того же назначения по совокупности признаков к предлагаемым, приняты за прототип.

Недостатками известного транспортного средства на динамической воздушной подушке экраноплана "Орленок" и способа продольного управления им являются их низкая продольная устойчивость и недостаточная безопасность полета.

Это объясняется следующим:
1. Отсутствие самовосстановления экранопланом исходного баланса моментов относительно центра тяжести (ЦТ) после действия случайных возмущающих факторов, то есть прогрессирующая неустойчивость экраноплана в продольном канале управления.

Иначе говоря, устойчивый околоэкранный полет экранопланов может быть реализован лишь путем ручного парирования внешних возмущающих факторов (или следствия их действия) экипажем за счет коррекции балансировки аппарата отклонением рулей высоты вручную.

2. Невозможность простого и надежного способа вывода экраноплана из экранного полета в свободный полет и обратного перехода от свободного полета к околоэкранному полету, которая объясняется тем, что для ухода с экрана рулем высоты создают кабрирующий момент для того, чтобы экраноплан перешел в набор высоты. По мере удаления от экрана пикирующий момент от силы P_э энергично убывает, при этом неконтролируемый рост избытка кабрирующего момента от силы P_p может стать причиной потери скорости, управляемости экраноплана и послужить причиной возникновения аварийной ситуации.

Предлагаемая группа изобретений направлена на решение задачи по повышению безопасности полета и маневров, а также по повышению устойчивости экраноплана независимо от расстояния до экрана путем обеспечения самобалансировки экраноплана по продольному каналу. Иначе говоря, решается задача по обеспечению подавления изменений траектории установившегося экранного полета при возникновении и/или после прекращения действия внешних возмущений самим экранопланом без вмешательства экипажа, а также обеспечения безопасности и простоты вывода экраноплана из экранного полета в свободный полет и ввода в экранный полет из свободного полета.

Результат достигается за счет того, что экраноплан, содержащий фюзеляж, крыло, оперение, проточный, открытый с носа, сформированный под крылом или его центропланом симметричный относительно продольной оси экраноплана, туннель с управляемым щитком на кормовой оконечности крыла или его центроплана, снабжен корректором формы профиля днища и размеров проходного сечения проточной части туннеля, выполненным в виде шарнирно соединенных одними концами между собой, а другими подвижно с носовой и кормовой частями днища, соответственно, передней и задней управляемых створок, установленных с возможностью уборки заподлицо с днищем туннеля и дифференцированного выпуска в поток с образованием излома аэродинамического профиля, причем вершина излома размещена под центром тяжести экраноплана.

Данный экраноплан позволяет осуществить способ продольного управления экранопланом, включающий дросселирование потока воздуха на выходе из подкрыльевого туннеля и дополнительное дифференцированное дросселирование потока воздуха в воздушном тракте туннеля в зоне центра тяжести экраноплана.

Указанные отличия являются существенными, так как дополнительное дросселирование потока воздуха в проточной части туннеля, которое осуществляют в зоне центра тяжести под днищем экраноплана, например, по закону

где ΔS_iн элемент площади нижней поверхности профиля центроплана от передней кромки до вершины излома корректора профиля;
ΔS_jxb элемент площади нижней поверхности от вершины корректора профиля центроплана до выходной кромки щитка на кормовой оконечности туннеля;
P_iнi, P_jxb местные статические давления на соответствующих i-ых и j-ых участках площади профиля центроплана;
l_iнi, l_jxb расстояния от центра тяжести экраноплана до i-го и j-го элементов площади на днище крыльевого профиля, образующего проточный туннель,
позволяет поместить точку приложения равнодействующей от сил статического давления потока воздуха в проточном туннеле на днище экраноплана также в зону центра тяжести экраноплана.

В этом случае исключается возможность перебалансировки экраноплана при действии (или после окончания действия) внешних возмущающих факторов.

Более того, одновременное дифференцированное дросселирование потока воздуха в зоне центра тяжести и на задней кромке щитка экраноплана позволяет реализовать процесс динамического саморегулируемого подавления внешних возмущающих факторов и/или следствия их действия на траекторию установившегося устойчивого полета у экрана.

Кроме того, динамически устойчивый саморегулирующийся в продольном канале экраноплан можно с высокой степенью надежности выводить из экранного полета в свободный полет и из свободного полета переводить в экранный полет, а также обеспечить безопасность маневров экраноплана.

На фиг.1 изображен экраноплан, вид сбоку с убранными заподлицо с профилем крыла (центроплана) корректором профиля и щитком в свободном полете; на фиг. 2 то же, с выпущенными корректором профиля и щитком в экранном полете; на фиг.3 то же, с выпущенным корректором профиля и убранным щитком для ухода с экрана в свободный полет; на фиг.4 то же, с выпущенными корректором профиля и щитком при входе экраноплана в экранный полет со снижения с отрицательным углом траектории θ; на фиг.5 то же, с выпущенными корректором профиля и щитком при входе в экранный полет с положительным углом тангажа +α; на фиг.6 -экраноплан, вид спереди.

Экраноплан содержит фюзеляж 1, силовую установку 2, хвостовое оперение с килем 3, рулем направления 4, стабилизатором 5 и рулем высоты 6, крыло с центропланом 7 и консолями 8. Под крылом или его центропланом установлены экранные шайбы 9, которые совместно с крылом или его центропланом образуют проточный симметричный относительно продольной оси экраноплана туннель 10, на кормовой оконечности которого установлен управляемый щиток 11 для регулирования площади f₅ выходного сечения туннеля 10. В зоне центра тяжести экраноплана под днищем центроплана установлен корректор формы профиля 12 с передней створкой 13 и задней створкой 14. Створка 14 закреплена на днище крыла или центроплана 7 на шарнире 15. Передняя створка 13 навешена на днище центроплана 7 на роликах 16 с возможностью перемещения роликов по рельсам 17.

Передняя створка 13 и задняя створка 14 соединены между собой шарниром 18. Шарнир 18 размещен под центром тяжести экраноплана.

Створки 13, 14 и щиток 12 могут прилегать заподлицо с нижней аэродинамической поверхностью крыльевого профиля крыла или центроплана 7 либо выступать за пределы обводов центроплана внутрь проточной части туннеля 10, частично перекрывая его поперечное сечение, причем незначительно смещение шарнира 18 назад от ЦТ на работе корректора 12 не отражается.

В выпущенном положении створки 13, 14 под центром тяжести экраноплана образуют излом (фиг.2-5) аэродинамического крыльевого профиля, который может выступать в проточную часть туннеля 10 и обеспечивать возможность регулирования проходного сечения туннеля f₂ под центром тяжести экраноплана.

Корректор профиля 12 и щиток 11 при работе могут занимать различные положения от крайних убранных I до крайних выпущенных II, включая множество сочетаний промежуточных положений, которые нужны для каждого конкретного случая.

Экраноплан функционирует следующим образом. Перед началом разбега выпускают в крайнее отклоненное положение щиток 11, включают силовую установку 2 на взлетный режим и разгоняют экраноплан до скорости отрыва от экранной поверхности. По мере роста скорости при разбеге плавно выдвигают в проточную часть воздушного тракта туннеля 10 корректор формы профиля 12, регулируя при этом проходное сечение тракта f₂ так, чтобы экраноплан находился в плоскости горизонта.

После отрыва экраноплана от экранной поверхности в проточной части подкрыльевого туннеля 10 устанавливается режим течения воздух, удовлетворяющий равенству /1/.

Признаком устойчивого установившегося экранного полета в горизонтальной плоскости служит отсутствие колебаний экраноплана относительно центра тяжести с носа на корму и с кормы на нос.

Поток воздуха в туннеле 10 дросселируется не менее двух раз. Первое дросселирование происходит в сечении f₂ в точке излома корректора профиля 12. Второе дросселирование потока осуществляется на задней кромке щитка 11 в сечении f₅. Подбором площадей сечений f₂ и f₅ для каждого скоростного режима с учетом загрузки экраноплана обеспечивается равенство моментов M_1Э и M_2Э на днище экраноплана со стороны проточного туннеля 10 на участках от сечений f₁ до f₂ и от f₂ до f₅ соответственно.

Точка приложения равнодействующей от сил давления на днище центроплана при этом проходит через центр тяжести экраноплана. Экраноплан оказывается динамически сбалансированным по кабрирующему M_1Э и пикирующему M_2Э моментам M_1Э M_2Э, созданным для обеспечения продольной балансировки без отклонения рулей высоты. При этом экраноплан способен мгновенно реагировать на внешние возмущающие факторы, подавляя их действие без вмешательства экипажа.

Пусть, например, под действием возмущения у аппарата была приподнята носовая часть (фиг.5), то есть было увеличено сечение f₂.

В этом случае произошло понижение статического давления на участке туннеля от f₁ до f₂ и повышение статического давления на участке от f₂ до f₅. Соответственно уменьшился момент M_1Э и возрос момент M_2Э. Вследствие этого экраноплан начинает поворачиваться относительно ЦТ, приближая носовую часть к экрану и уменьшая величину площади f₂, до восстановления исходного соотношения между площадями f₂ и f₅.

Аналогичным образом происходит восстановление устойчивого полета после случайного воздействия обусловившего опускание носовой части аппарата (фиг. 4).

В этом случае происходит раскрытие площади f₅ туннеля 10 так, что большая часть перепада скоростного напора срабатывается на участке от сечения f₁ до сечения f₂ и появляется нескомпенсированное приращение кабрирующего момента DM_1Э, которое вызывает вращение аппарата на кабрирование с одновременным прикрытием площади f₅, появлением и возрастанием приращения пикирующего момента DМ_2Э до выравнивания моментов М_1Э М_2Э.

Из сказанного следует, что в установившемся экранном полете корректор формы профиля 12 и щиток 11 надежно обеспечивают поддержание динамического равновесия экраноплана по продольному каналу управления без участия экипажа.

Наличие корректора формы профиля 12 и щитка 11 позволяет также просто, плавно без возникновения опасных режимов выводить аппарат из экранного полета в свободный полет.

Для этого в установившемся экранном полете при основной экранопланной конфигурации аппарата (фиг.2) перемещают щиток 11 в сторону убранного положения (фиг.3), увеличивая площадь f₅ и оставляя при этом без изменения площадь f₂.

В результате этого большая часть перепада давления в туннеле 10 срабатывается на участке от f₁ до f₂, создавая избыток нескомпенсированного кабрирующего момента D М_1Э, под действием которого экраноплан начинает вращение относительно ЦТ на поднятие носовой части, а так как экраноплан обладает поступательной скоростью, то он переходит в набор высоты. Причем, по мере удаления от экрана вращение аппарата энергично затухает вследствие затухания действия экранного эффекта, и аппарат переходит в пологий набор высоты. После ухода на безопасную высоту корректор формы профиля 12 убирают и аппарат приобретает аэродинамические обводы, характерные для самолета, предназначенного для полетов в свободном пространстве.

Ввод аппарата в экранный полет из свободного пространства может осуществляться по двум достаточно эффективным и безопасным вариантам. В каждом из них перед вводом аппарата в экран выпускают корректор формы профиля 12 и закрылок 11 в положения, соответствующие той скорости (с учетом загрузки), которая будет у экраноплана после ввода в экранный полет.

Первый вариант ввода экраноплана в экранный полет с планирования с отрицательным углом траектории q. В том случае (фиг.4) площадь туннеля 10 в сечении f₅ больше площади f₂.

Поэтому по мере приближения экраноплана к экранной поверхности возникает и все время увеличивается кабрирующий несбалансированный относительно ЦТ момент M_1Э на участке туннеля 10 от f₁ до f₂. Момент M_1Э начинает поворачивать экраноплан на поднятие носовой части и опускание хвостовой. При этом площадь f₅ туннеля 10 уменьшается, происходит перераспределение перепадов давления по тракту проточной части туннеля 10. Кабрирующий момент M_1Э начинает уменьшаться. Одновременно появляется и начинает возрастать пикирующий момент M_2Э. После их уравнивания M_1Э M_2Э вращение экраноплана на опускание кормовой части прекращается. Наступает режим динамического равновесия установившегося экранного полета.

Второй вариант ввода экраноплана в экранный полет из свободного полета осуществляется при снижении аппарата с положительным углом тангажа +α (фиг. 5).

В этом случае площадь f₅ проточного туннеля 10 при входе в зону экранного эффекта меньше площади f₂. Дросселирование потока воздуха в туннеле 10 происходит в сечении f₅. Равнодействующая от сил давления на нижнюю поверхность центроплана в этом случае приложена позади ЦТ, вследствие чего возникает избыток несбалансированного пикирующего момента DM_2Э (фиг.5), который начинает вращать экраноплан относительно ЦТ в сторону опускания носовой части. Площадь f₂ дросселируется. Избыток момента DM_2Э при этом уменьшается.

При убывании D _2Э до 0 моменты M_1Э и M_2Э относительно ЦТ уравниваются. Наступает режим установившегося динамически равновесного экранного полета.

Выполнение разворотов на предложенном экраноплане осуществляют следующим образом: увеличивают тягу двигателей силовой установки 2, перемещают щиток 11 в сторону убранного положения. Корректор формы профиля 12 при этом оставляют выпущенным. Экраноплан переходит, как было описано ранее, в набор высоты с одновременным увеличением скорости.

После того, как набрана высота, безопасная для создания кренов, аппарат разворачивают по-самолетному в наборе высоты или, переведя его предварительно в горизонтальный полет, работая элеронами, рулями направления и высоты.

После выполнения разворота вновь выпускают щиток 11, сбрасывают избыток тяги двигателей, переводят аппарат на снижение с последующим вводом в экранный полет, как было описано ранее, по первому или второму варианту.

Способ продольного управления экранопланом путем дифференциального дросселирования потока воздуха в проточном подкрыльевом туннеле реализуют нижеследующим образом.

Перед началом разбега экраноплана под его днищем выпускают в крайнее отклоненное положение щиток 11 на кормовой оконечности крыла (центроплана) 7. После этого включают силовую установку 2 на взлетный режим и разгоняют экраноплан до скорости отрыва от экранной поверхности. В процессе разгона по мере возрастания скорости под днищем крылового профиля плавно дифференциально высоте задней кромки щитка 11 над экраном в проточный подкрыльевой воздушный туннель 10 выпускают корректор профиля 12.

При этом воздушному туннелю 10 придают форму плоского канала Вентури с присоединенным к его выходу плоским конфузором.

Воздушный поток в туннеле 10 тем самым подвергают дополнительному дросселированию в зоне излома нижней поверхности крылового профиля под центром тяжести экраноплана.

Дифференциальный выпуск корректора 12 выполняют так, чтобы экраноплан при разгоне (от отрыва от экранной поверхности) и в полете после отрыва находился в горизонтальном положении.

Отсутствие колебаний экраноплана на нос или на корму после отрыва от экранной поверхности означает, что дросселирование воздуха в подкрыльевом воздушном туннеле 10 в районе излома профиля крыла в сечении f₂ и дросселирование на срезе щитка 11 в сечении f₅ происходят так, что равнодействующая от сил давления на нижнюю крыловую поверхность крыла (центроплана) 7 приложена в зоне излома корректора формы профиля 12, то есть под центром тяжести экраноплана и экраноплан находится в режиме динамически стабилизированного устойчивого по продольному каналу управления полета над экраном.

Использование: в области летательных аппаратов на динамической воздушной подушке. Сущность изобретения: экраноплан, содержащий фюзеляж, крыло, оперение, проточный, открытый с носа, туннель, сформированный под крылом или его центропланом и имеющий управляемый щиток, установленный на кормовой оконечности туннеля, снабжен корректором профиля днища туннеля, который выполнен в виде шарнирно соединенных передней и задней управляемых створок, соединенных шарнирно соответственно с носовой и кормовой частями днища туннеля. Створки корректора профиля установлены с возможностью уборки заподлицо с днищем туннеля и дифференцированного выпуска в поток с образованием излома аэродинамического профиля, вершина которого размещена под центром тяжести экраноплана. Способ продольного управления экранопланом заключается в дифференцированном дросселировании потока воздуха, протекающего через подкрыльевой туннель как на выходе из последнего, так и в зоне центра тяжести экраноплана. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Экраноплан, содержащий фюзеляж, крыло, оперение, проточный, открытый с носа, сформированный под крылом или его центропланом симметричный относительно продольной оси экраноплана туннель с управляемым щитком на кормовой оконечности, отличающийся тем, что он снабжен корректором профиля днища туннеля, выполненным в виде шарнирно соединенных одними концами между собой, а другими подвижно с носовой и кормовой частями днища соответственно, передней и задней управляемых створок, установленных с возможностью уборки заподлицо с днищем туннеля и дифференцированного выпуска в поток с образованием излома аэродинамического профиля, причем вершина излома размещена под центром тяжести экраноплана. 2. Способ продольного управления экранопланом путем дросселирования потока воздуха, протекающего через подкрыльевой туннель на выходе из последнего, отличающийся тем, что поток дополнительно дифференцированно дросселируют в зоне центра тяжести экраноплана.