СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВОЗДУШНОЙ РАЗГРУЗКИ И ТЯГИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ЭКРАНОЛЕТ С УСТРОЙСТВОМ СОЗДАНИЯ ВОЗДУШНОЙ РАЗГРУЗКИ И ТЯГИ Российский патент 1999 года по МПК B60V1/08 B64C35/00 B64C25/66 

Изобретения относятся к транспортным средствам на воздушной подушке, в частности, могут быть использованы для кораблей, транспортных платформ, предназначенных для перемещения грузов и т. д. Также изобретения могут быть использованы в авиации в качестве стартово-посадочного устройства, являющегося одновременно движителем горизонтального перемещения, для самолетов и гидросамолетов, а также для экранопланов и экранолетов, использующих эффект динамической воздушной подушки.

Известен летательный аппарат - экранолет, содержащий фюзеляж, крыло, горизонтальное и вертикальное оперение и воздушно-реактивную силовую установку. Под крылом экранолета размещено устройство создания воздушной разгрузки и тяги, выполненное в виде проточной камеры, образованной крылом и боковыми ограждениями, причем боковые ограждения камеры установлены на консолях крыла (см. заявку ФРГ N 3319127, В 60 V 1/08, 1983 г.).

Известен летательный аппарат - экраноплан, содержащий фюзеляж с кабиной для экипажа, крыло, горизонтальное и вертикальное оперение и силовую вентиляторную установку. Под крылом размещено устройство создания воздушной разгрузки и тяги, представляющее собой воздухозаборную камеру, образованную боковыми и задними ограждениями, причем боковые ограждения воздухозаборной камеры установлены на консолях крыла (см. заявку ФРГ N 4010077, В 64 С 35/00, 1991 г.).

Известен экраноплан, содержащий фюзеляж с кабиной для экипажа, крыло с аэродинамическими элементами управления и вентиляторную движительную установку, при этом под крылом размещено устройство создания воздушной разгрузки и тяги в виде воздухозаборной камеры, образованной боковыми и задними ограждениями, при этом вентилятор движительной установки выполнен в виде диаметрального вентилятора и размещен вдоль крыла, боковые ограждения размещены на консолях крыла и выполнены в виде надувных элементов из эластичного материала, а по передней кромке крыла установлена завеса из эластичного материала, свободно свисающая вниз, боковые кромки которой контактируют с боковыми ограждениями с образованием герметичного соединения, а входные и выходные патрубки диаметрального вентилятора размещены соответственно на верхней и нижней поверхностях крыла (см. свидетельство на полезную модель РФ N 3917, В 60 V 1/08, 1997 г.).

Известен скеговый транспортный аппарат на динамической воздушной подушке, содержащий несущее крыло-центроплан и стартовую маршевую установку с размещенными перед крылом на пилоне поддувными двигателями, сопла которых выполнены с отклоняющими насадками, при этом верхняя поверхность крыла выполнена с поперечным уступом, который смещен в сторону носа от плоскости миделевого сечения, а крыло в нижней его части по его ширине выполнено с направляющими каналами, каждый из которых расположен против одного из сопл поддувного двигателя, причем угол наклона каждого из направляющих каналов больше угла наклона соответствующей отклоняющей насадки по отношению к горизонту. В концевой части каналов установлен секционированный закрылок или интерцептор, выполняющий функцию кормовой завесы.

Там же описан способ создания воздушной разгрузки и тяги для этого транспортного аппарата включающий отклонение поворотной воздуходувной силовой установки, расположенной в носовой части транспортного средства, отклонение закрылка (кормовой завесы) и создание с помощью поддувных двигателей воздушного потока в каналах (см. патент РФ N 2057664, В 60 V 1/08, 1996 г.).

Известен экраноплан, способ создания воздушной разгрузки и тяги и устройство создания воздушной разгрузки и тяги для него, являющиеся ближайшими аналогами заявленных изобретений (см. патент РФ N 2097229, В 60 V 1/08, 1997 г.). Известный экраноплан содержит фюзеляж, крыло, оперение, устройство создания воздушной разгрузки и тяги, включающее симметричный относительно продольной оси экраноплана проточный, открытый с носа туннель, сформированный под крылом или его центропланом посредством экранных шайб и снабженный управляемым щитком на кормовой оконечности. Способ создания воздушной разгрузки и тяги в известном экраноплане реализуется следующим образом. Управляемый щиток выпускают в крайнее отклоненное положение и включают силовую установку, создавая в проточном туннеле воздушный поток, который регулируется с помощью изменения угла отклонения щитка, а также с помощью специального корректора профиля туннеля, при этом кроме воздушной подушки, обеспечивающей разгрузку экраноплана, создается сила тяги.

Описанные выше конструкции и способы создания воздушной разгрузки и тяги недостаточно эффективны при нулевой или незначительной поступательной скорости транспортного средства, так как возможности движительной установки реализуются не полностью. То есть известные технические решения с поддувом под крыло не обеспечивают полной воздушной разгрузки транспортных аппаратов. При этом расположение боковых ограждений (скегов) на консолях крыла ухудшает его силовую схему.

Кроме того, описанные транспортные аппараты обладают невысокой амфибийностью и мореходностью.

Задачей заявленных изобретений является устранение этих недостатков.

Технический результат от использования заявленных изобретений заключается в том, что заявленный способ создания воздушной разгрузки и тяги позволяет наиболее эффективно использовать воздушный поток от воздуходувной силовой установки, позволяя создать полную разгрузку транспортного средства при нулевой поступательной скорости, то есть еще до начала возникновения "экранного эффекта" в случае экранопланов или экранолетов, при этом создается также сила тяги, позволяющая транспортному средству осуществлять поступательное перемещение, которое регулируется с помощью изменения угла отклонения шарнирного щитка, выполняющего функцию кормовой завесы.

При этом заявленные изобретения могут использоваться кроме морских летательных аппаратов (гидросамолетов) также для аппаратов с динамической воздушной подушкой (экранопланов, экранолетов) и для транспортных средств других типов (включая корабли).

Технический результат для способа достигается за счет того, что в способе создания воздушной разгрузки и тяги для транспортного средства, включающем отклонение воздушного потока от воздуходувной силовой установки, расположенной в носовой части транспортного средства, и регулирование угла отклонения щитка, выполняющего функцию кормовой завесы и шарнирно установленного в концевой части симметричного относительно продольной оси транспортного средства поддувного канала, расход воздуха от воздуходувной силовой установки направляется в поддувной канал, который образован в нижней части водоизмещающей части корпуса транспортного средства и имеет в поперечном сечении П-образную форму, при этом водоизмещающая часть корпуса в зоне боковых стенок П-образного поддувного канала выполняет функцию скегов.

Технический результат для устройства создания воздушной разгрузки и тяги для транспортного средства достигается за счет того, что в устройстве, включающем поворотную воздуходувную силовую установку, расположенную в носовой части транспортного средства, открытый с носовой части продольно расположенный поддувной канал и шарнирно установленный в концевой части канала щиток, выполняющий функцию кормовой завесы, поддувной канал образован в водоизмещающей части корпуса транспортного средства и выполнен П-образной в поперечном сечении формы.

Кроме того, устройство отличается тем, что поворотная воздуходувная силовая установка может быть выполнена в виде поворотных тянущих вентиляторов с лопастями постоянного или изменяемого шага.

При этом в носовой части поддувного канала устройства для улучшения характеристик воздушного потока и расширения диапазона его регулирования возможна установка секционированного дефлектора переменного сечения, разгоняющего воздушный поток и поворачивающего его в поддувной канал. Конструктивно дефлектор состоит из неподвижных и подвижных частей, управляемых из кабины летчиком и предназначенных для регулирования входного сечения поддувного канала на режимах старта - посадки и полета, а также для работы струйных систем управления, системы обдува фюзеляжа и крыла и др.

Шарнирно установленный в концевой части поддувного канала устройства щиток выполнен амортизированным с возможностью отклонения на угол ϕ = 0-90^°.
Технический результат для экранолета с устройством создания воздушной разгрузки и тяги достигается за счет того, что в экранолете, содержащем фюзеляж, крыло, вертикальное и горизонтальное оперение и поворотную воздуходувную силовую установку, продольно расположенный симметричный поддувной канал с шарнирно установленным в его концевой части щитком, выполняющим функцию кормовой завесы, поддувной канал образован в виде продольного П-образного в поперечном сечении выреза в водоизмещающей части фюзеляжа таким образом, что боковые стенки канала совместно с соответствующей водоизмещающей частью фюзеляжа выполняют функцию скегов.

Кроме того, для экранолета площадь горизонтального оперения и плечо его отстояния от центра тяжести выбраны так, чтобы запас его продольной статической устойчивости по углу тангажа MCyZ

При этом поворотная воздуходувная силовая установка экранолета может быть выполнена в виде поворотных тянущих вентиляторов с лопастями постоянного или изменяемого шага.

Причем в носовой части поддувного канала экранолета может быть установлен секционированный дефлектор переменного сечения, разгоняющий воздушный поток и поворачивающий его в поддувной канал. Дефлектор состоит из неподвижных и подвижных частей, управляемых из кабины летчиком для регулирования входного сечения поддувного канала на режимах старта - посадки и полета, для регулирования расхода воздуха при работе струйных систем управления, систем обдува фюзеляжа и крыла и других систем, включая системы охлаждения, кондиционирования и т.д.

При этом шарнирно установленный в концевой части поддувного канала экранолета щиток амортизирован и имеет угол отклонения ϕ = 0-90^°.
Для перемещения по твердой поверхности экранолет может быть снабжен колесным шасси.

Изобретения поясняются чертежами, где:
на фиг. 1 изображен главный вид экранолета с устройством создания воздушной разгрузки и тяги;
на фиг. 2 изображен экранолет, вид сверху;
на фиг. 3 изображен экранолет, вид спереди;
на фиг. 4 изображено устройство создания воздушной разгрузки и тяги.

Способ создания воздушной разгрузки и тяги для транспортного средства реализуется с помощью устройства создания воздушной разгрузки и тяги (фиг. 1).

Устройство создания воздушной разгрузки и тяги для транспортного средства будет рассмотрено на примере экранолета.

Экранолет включает в себя устройство создания воздушной разгрузки и тяги в виде поворотной воздуходувной силовой установки 1, расположенной в носовой части фюзеляжа 2, открытого с носовой части продольно расположенного поддувного канала 3 и шарнирно установленного в концевой части канала амортизированного щитка 4, выполняющего функцию кормовой завесы. Поддувной канал 3 образован в водоизмещающей части фюзеляжа экранолета 5 и выполнен П-образной в поперечном сечении формы.

Боковые стенки 6 канала совместно с соответствующей водоизмещающей частью фюзеляжа выполняют функцию скегов.

Поворотная воздуходувная силовая установка 1 может быть выполнена в виде двигателей, приводящих во вращение поворотные тянущие вентиляторы 7 с лопастями постоянного или изменяемого шага.

В носовой части поддувного канала 3 экранолета для улучшения характеристик воздушного потока и расширения диапазона его регулирования возможна установка дефлектора 8 переменного сечения, разгоняющего воздушный поток и поворачивающего его в поддувной канал. Дефлектор состоит из неподвижной 8а и подвижных 8б, 8в, 8г частей, управляемых из кабины летчиком для регулирования входного сечения поддувного канала на режимах старта - посадки и полета 8б, управления потоком, отправляемым на тягу и обдув фюзеляжа и крыла 8в, регулирования расхода воздуха 8г для работы струйной системы управления 8д в полете или на малых скоростях движения по воде или над сушей, когда аэродинамические силы и моменты малы, а также для работы систем запуска, охлаждения, кондиционирования и т.д.

Форма и параметры секций 8а и 8б дефлектора 8 оптимизируются и выбираются таким образом, чтобы уменьшить потери и разогнать струи воздуха от вентиляторов 7, что в свою очередь, снижая давление в зоне дефлектора, способствует дополнительной эжекции воздуха в поддувной канал 3 экранолета. Форма и параметры секций 8в и 8г выбираются расчетно-экспериментальным путем.

Кроме того, экранолет содержит крыло 9, вертикальное 10 и горизонтальное 11 оперение.

Параметры поддувного канала 3 (общая площадь, удлинение), а также взаимное расположение дефлектора 8, центра тяжести экранолета, амортизированного щитка 4 по длине канала 3 определяются расчетным и экспериментальным путем.

Шарнирно установленный в концевой части поддувного канала 3 амортизированный щиток 4 может иметь возможность отклонения на угол ϕ = 0-90^°.
Площадь горизонтального оперения 11 и плечо его отстояния от центра тяжести экранолета выбрано так, чтобы запас его продольной статической устойчивости по углу тангажа MCyZ

Для перемещения по твердой поверхности экранолет может быть снабжен колесным шасси. 12.

Экранолет с устройством создания воздушной разгрузки и тяги работает следующим образом, реализуя при этом заявленный способ создания воздушной разгрузки и тяги.

В начале движения (при взлете) вентиляторы 7 поворачиваются с помощью рулевых агрегатов управления - РАУ на угол до 30^o относительно продольной оси экранолета (положение "на поддув"), что обеспечивает, с одной стороны, уменьшение потерь на дефлекторе 8 при повороте и разгоне струй воздуха от вентиляторов, а с другой стороны, позволяет пилоту получить управляющий момент по углу тангажа, что особенно важно на начальных этапах разбега по воде для компенсации возрастающих моментов на пикирование при глиссировании, когда аэродинамические силы и моменты еще малы. Щиток 4 в поддувном канале 3 на этом режиме находится в положении "выпущено вниз" и управляется пилотом в диапазоне от 50^o до 90^o.

На этапах взлета и посадки, а также на режимах выхода на твердую поверхность, когда экранолету требуется обеспечить амфибийность, воздушный поток от вентиляторов 7 через дефлектор 8 практически весь поступает в замкнутый поддувной канал 3, образованный играющей функцию скегов областью водоизмещающей части 5 фюзеляжа 2, днищем фюзеляжа, опущенным вниз шарнирным амортизированным щитком 4 и подстилающей поверхностью (вода, суша).

Летчик, регулируя обороты вентиляторов, а также углы положения подвижной части дефлектора 8а и амортизированного щитка 4, регулирует давление внутри поддувного канала 3 до величины, обеспечивающей полную разгрузку аппарата на практически нулевых скоростях движения. При этом, в силу практического отсутствия аэродинамических сил и моментов, управление осуществляется струйной системой управления 8д.

Для обеспечения поступательного движения и разбега аппарата до взлетных скоростей летчик, регулируя щель между амортизированным щитком 4 и подстилающей поверхностью в кормовой части поддувного канала заправляет истечением воздуха создавая, таким образом, горизонтальный вектор реактивной тяги за счет снижения давления внутри поддувного канала.

По мере разгона аппарата и возрастания аэродинамической поддерживающей силы летчик переводит щиток 4 из положения "выпущено вниз" в горизонтальное положение, постепенно перераспределяя давление поддува в тягу. После отрыва аппарата от поверхности вся энергия потока от вентиляторов преобразуется в тягу либо через поддувной канал, либо, при наличии соответствующих секций у дефлектора 8, поток частично или полностью выдувается напрямую вдоль поверхностей фюзеляжа и крыла. Это играет особенно благоприятную роль при движении аппарата на больших углах атаки 9 - 12^o, т.к. уменьшает интерференцию системы крыло - фюзеляж и затягивает срыв потока на крыльях.

Для осуществления посадки управление реализуется в обратном порядке.

Комплекс экспериментальных исследований, проведенных в гидроканале ЦАГИ, с моделями экранолетов, выполненными в масштабе 1:5 от натурных, на которых с помощью соответствующих вентиляторов моделировался поддув в П-образный канал, подтвердил теоретические расчеты и показал, что струи воздуха при затормаживании внутри поддувного канала, а также интенсивное брызгообразование, "убранное" внутрь канала, создают давление внутри П-образного канала P = 110-120 кг/м². Для полноразмерных ("натурных") экранолетов с пересчетом на масштаб на практике будет реализовываться давление в диапазоне P = 550 - 600 кг/м².

Такие величины давлений у экранолетов обеспечат их практически полную воздушную разгрузку, то есть высокую амфибийность, существенно большую мореходность (бальность моря при старте и посадке) по сравнению с экранолетами, у которых осуществляется поддув под крыло, а тем более по сравнению с гидросамолетами и судами на подводных крыльях того же веса.

В частности, для примера можно показать, что для экранолета с взлетным весом G_взл = 3000 кг (по статистике длиной 11 - 12 метров) может быть реализован П-образный поддувной канал длиной 4 метра и шириной входа 1,3 - 1,5 метра (горизонтальная площадь покрытия канала S = 5,2 - 6,0 м²). Это в соответствии с данными, полученными в гидроканале ЦАГИ, позволит получить для такого экранолета разгружающую силу F_разгр = 3000-3500 кг над водной поверхностью, что даже в случае непредвиденных потерь более чем достаточно для амфибийности и позволит обеспечить мореходность такого экранолета до высоты волн 1,2 - 1,5 метра (3 - 4 балла по шкале 3% обеспеченности). Известные из эксперимента и практики данные для известных экранолетов с поддувом под крыло (взлетный вес G_взл = 2500 - 3000 кг) предельная мореходность составляет на практике 0,5 - 0,7 метра (два балла), а для гидросамолетов такого же веса - менее 0,4 метра.

Силовая схема предложенного устройства для создания воздушной разгрузки и тяги одинаково применима как для летательных аппаратов, так и для кораблей, а также для грузовых платформ для транспортировки бурового оборудования в труднодоступных районах Севера и Сибири и т. п.

Изобретения относятся к авиации и транспортным средствам на статической и динамической воздушной подушке. Сущность способа состоит в том, что воздух от воздуходувной силовой установки направляют в поддувной канал, который образуют в нижней части водоизмещающей части корпуса транспортного средства, при этом упомянутый канал имеет в поперечном сечении П-образную форму, а водоизмещающая часть корпуса в зоне боковых стенок этого канала выполняет функцию скегов. Устройство для реализации такого способа имеет упомянутую поворотную установку в носовой части транспортного средства. Поддувной канал открыт с носовой части, расположен продольно и имеет в своей концевой части шарнирно смонтированный щиток. Экранолет с таким устройством имеет фюзеляж, крыло и вертикальное и горизонтальное оперения. Вышеупомянутый поддувной канал у такого экранолета образован вырезом в водоизмещающей части фюзеляжа таким образом, что функцию скегов выполняют боковые стенки этого канала, а щиток выполняет функцию ограждения. Упомянутая силовая установка может быть выполнена в виде поворотных тянущих вентиляторов с лопастями переменного или постоянного шага. Технический результат реализации группы изобретений состоит в повышении эффективности использования воздушного потока от силовой установки, что позволяет создавать полную разгрузку транспортного средства при нулевой поступательной скорости. Одновременно создается регулируемая отклонением щитка сила тяги. 3 с. и 14 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания воздушной разгрузки и тяги для транспортного средства, включающий отклонение воздушного потока от воздуходувной силовой установки, расположенной в носовой части транспортного средства, и регулирование угла отклонения щитка, выполняющего функцию кормовой завесы и шарнирно установленного в концевой части симметричного относительно продольной оси транспортного средства поддувного канала, отличающийся тем, что расход воздуха от воздуходувной силовой установки направляется в поддувной канал, который образован в нижней части водоизмещающей части корпуса транспортного средства и имеет в поперечном сечении П-образную форму, при этом водоизмещающая часть корпуса в зоне боковых стенок П-образного поддувного канала выполняет функцию скегов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть воздуха отводится на обдув крыла и фюзеляжа. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что часть воздуха отводится на работу систем запуска, охлаждения, вентиляции и кондиционирования, а также для работы струйных систем управления. 4. Устройство создания воздушной разгрузки и тяги для транспортного средства, включающее поворотную воздуходувную силовую установку, расположенную в носовой части транспортного средства, открытый с носовой части продольно расположенный поддувной канал и шарнирно установленный в концевой части канала щиток, отличающееся тем, что поддувной канал образован в водоизменяющей части корпуса транспортного средства и выполнен П-образной в поперечном сечении формы. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поворотная воздуходувная силовая установка выполнена в виде поворотных тянущих вентиляторов с лопастями постоянного или изменяемого шага. 6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что в носовой части поддувного канала установлен секционированный дефлектор переменного сечения, разгоняющий и поворачивающий весь воздушный поток в поддувной канал. 7. Устройство по п. 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что установлен дефлектор с секциями, отводящими частично или полностью воздушный поток на тягу и обдув фюзеляжа и крыла. 8. Устройство по п.4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что установлен дефлектор с секциями, отводящими часть воздуха для работы систем запуска, охлаждения и кондиционирования, а также для работы системы струйного управления. 9. Устройство по любому из пп.4 - 8, отличающееся тем, что шарнирно установленный в концевой части поддувного канала щиток амортизирован и имеет угол отклонения ϕ = 0-90^°.
10. Экранолет с устройством создания воздушной разгрузки и тяги, содержащий фюзеляж, крыло, вертикальное и горизонтальное оперения и поворотную воздуходувную силовую установку, поддувной канал с шарнирно установленным в его концевой части щитком, отличающийся тем, что поддувной канал образован в виде продольного П-образного в поперечном сечении выреза в водоизмещающей части фюзеляжа таким образом, что боковые стенки канала выполняют функцию скегов, а щиток выполняет функцию ограждения. 11. Экранолет по п.10, отличающийся тем, что площадь горизонтального оперения и плечо его отстояния от центра тяжести экранолета выбрано так, чтобы запас его продольной устойчивости по углу тангажа M^Cy(ν) составлял величину менее 0,15. 12. Экранолет по п.10 или 11, отличающийся тем, что поворотная воздуходувная силовая установка выполнена в виде поворотных тянущих вентиляторов с лопастями постоянного или изменяющего шага. 13. Экранолет по п.10, или 11, или 12, отличающийся тем, что в носовой части поддувного канала установлен секционированный дефлектор переменного сечения, разгоняющий и поворачивающий весь воздушный поток в поддувной канал. 14. Экранолет по любому из пп.10 - 13, отличающийся тем, что установлен дефлектор с секциями, отводящими частично или полностью воздушный поток на тягу и обдув фюзеляжа и крыла. 15. Экранолет по любому из пп.10 - 14, отличающийся тем, что установлен дефлектор с секциями, отводящими часть воздуха для работы систем запуска, охлаждения и кондиционирования, а также для работы системы струйного управления. 16. Экранолет по любому из пп.10 - 15, отличающийся тем, что шарнирно установленный в концевой части поддувного канала щиток амортизирован и имеет угол отклонения ϕ = 0-90^°.
17. Экранолет по любому из пп.10 - 16, отличающийся тем, что он снабжен колесным шасси.