ЭКРАНОПЛАН "САМОЛЕТНОЙ" СХЕМЫ Российский патент 2009 года по МПК B60V1/08 

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике и касается создания экранопланов.

Из аэродинамики известно, что переход от одного режима полета летательного аппарата к другому или при нарушении условий балансировки, например сброс груза, внезапный порыв воздуха в вертикальном направлении, осуществляется с помощью дополнительных сил и моментов, создаваемых органами управления. Следовательно, управляемость можно рассматривать как способность летательного аппарата осуществлять переход от одного режима движения к другому. Это понятие включает в себя как возможность маневра, так и восстановление балансировки при нарушении равновесия сил и моментов экраноплана.

Из уровня техники (например, Белавин Н.И. Экранопланы. П.: Судостроение, 1968г. и А.Н.Панченков, П.Т.Драчев, В.И.Любимов. Экспертиза экранопланов. Н. Новгород, 2006 г.) известно, что проблема стабилизации (т.е. обеспечение балансировки и устойчивости) летательного аппарата вблизи экрана решается либо выбором компоновки самого экраноплана, либо с помощью систем автоматического управления.

В патенте США №4442986, кл. В64С 21104, 244/12.1, опубликован 17.04.84, представлен экраноплан, выполненный по «самолетной» схеме и имеющий горизонтальное оперение с большой относительной площадью, превышающей 0,35 площади крыла. Использование горизонтального оперения с большой площадью приводит к уменьшению эффективности использования экранного эффекта, увеличению массы экраноплана и оказывает негативное влияние на летно-технические характеристики.

В патенте США №5065833, кл. B60V 1/08, 180/117, опубликован 19.11.91, представлен экраноплан, содержащий крыло, фюзеляж, стабилизатор, силовую установку, включающую двигатель и газовый движитель или воздушный винт, обдувающий стабилизатор и руль высоты. Обдув горизонтального оперения газовой струей от движителя (воздушного винта) действительно несколько повышает устойчивость экраноплана у экрана, поскольку через границу струи не проходят скосы потока, индуцированные присоединенным вихрем крыла, положение которых в значительной степени зависит от высоты и угла тангажа крыла, находящегося в зоне действия экранного эффекта. Однако установка движителя под постоянным углом к горизонтальному оперению ограничивает возможности стабилизации, поскольку с изменением истинного угла атаки крыла истинный угол атаки участка горизонтального оперения, обдуваемого струей газа, будет оставаться практически постоянным, не обеспечивающим необходимое изменение величины подъемной силы горизонтального оперения. Именно для уменьшения неблагоприятного воздействия струи движителя, обтекающей горизонтальное оперение, на устойчивость экраноплана в патенте США №5065833 предлагается устанавливать горизонтальное оперение под большим углом к оси струи движителя.

Известен патент России №2097269, МПК B60V 1/08, приоритет 21.12.95, опубликован 27.11.97 г., в котором экраноплан, реализующий способ стабилизации, содержит крыло, стабилизатор, двигатель с движителем, а также газогенератор и формирователь струи, особенностью данного экраноплана является наличие в нем системы ориентации формирователя струи под постоянным углом к горизонту, выполненной, например, в виде привода наклона движителя силовой установки.

Сущность данного изобретения заключается в следующем. В связи с тем, что при полете экраноплана в зоне действия экранного эффекта изменение угла тангажа ограничено, горизонтальное оперение будет практически все время находиться в струе, ориентированной под постоянным углом к горизонту, и практически не будет подвержено воздействию скосов потока от присоединенного вихря к крылу экраноплана. В результате при изменении угла тангажа экраноплана и, следовательно, угла атаки крыла, будет изменяться и истинный угол атаки стабилизатора и горизонтального оперения, что, по мнению автора, обеспечит создание на горизонтальном оперении стабилизирующего аэродинамического момента, что и обеспечит стабилизацию, т.е. устойчивость экраноплана в продольном движении при полете в зоне действия экранного эффекта.

При всех достоинствах известного экраноплана главным его недостатком является сложность системы ориентации формирователя струи под постоянным углом к горизонту.

Известно а.с. СССР №1316170, Самостабилизированный экраноплан схемы «Утка», МПК B60V 1/08, приоритет 17.07.1985 г. с грифом для служебного пользования. Гриф для служебного пользования снят на основании протокола ЭК факультета транспортных средств Иркутского политехнического института №37 от 30.06.1998 г.

Формула изобретения опубликована в официальном бюллетене Роспатента.

Согласно изобретению экраноплан по схеме «Утка» содержит фюзеляж, горизонтальное и вертикальное оперение, крыло малого удлинения, двигатель с движителем. По мнению авторов изобретения, для улучшения характеристик продольной устойчивости экраноплана за счет уменьшения времени колебательного процесса при воздействии внешних возмущений, предложено горизонтальное оперение выполнить в виде двух жестко соединенных между собой последовательно расположенных с перекрытием вдоль продольной оси экраноплана несущих профилированных поверхностей, а установочный угол задней несущей поверхности выполнить больше установочного угла передней несущей поверхности, при расположении задних кромок несущих поверхностей в одной горизонтальной плоскости.

Недостатками данного изобретения являются увеличение веса конструкции за счет снижения несущих свойств горизонтального оперения, увеличение его сопротивления и, как следствие, уменьшение качества всей конструкции. Кроме того, установка «щелевого» горизонтального оперения никоим образом не может влиять на время колебательного процесса возмущенного переходного процесса экраноплана.

В патенте Германии №1234535 А, МПК В60V 1/08, опубликован 16.02.1967 г., в патенте России №2185979, МПК В60V 1/08, приоритет 16.03.1998 г., опубликован 27.07.2002 г., в патенте России №2073343, МПК В60V 1/08, опубликован в 1994 г., в патенте России №2204499, МПК В60V 1/08, 3/08, приоритет 29.10.2002 г., опубликован 20.05.2003 г., в патенте России №2205760, МПК В60V 1/08, 3/08, приоритет 29.10.2002 г., опубликован 20.05.2003 г., приведены конструктивные решения формирования статической воздушной подушки для экранопланов, а создаваемое необходимое давление в ней обеспечивается частичным отбором потока воздуха, создаваемого винтами.

Недостатком всех вышеприведенных конструктивных решений в патентах является увеличение мощности двигателей для обеспечения необходимых расходов воздуха для статической воздушной подушки.

Наиболее близким решением по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является патент России №2224671, МПК B60V 1/08, приоритет 08.01.2003 г., опубликован 27.02.2004 г.

Согласно изобретению экраноплан по схеме «Утка» содержит фюзеляж, в передней части которого установлено горизонтальное оперение, а в кормовой части фюзеляжа - крыло малого удлинения и вертикальное оперение с рулем направления, по крайней мере, два двигателя с движителями установлены на горизонтальном оперении с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, при этом отношение площади горизонтального оперения к площади крыла малого удлинения определено из соотношения:

где S₂ - площадь горизонтального оперения;

S₁ - площадь крыла малого удлинения,

а отношение плеча горизонтального оперения к плечу крыла малого удлинения определено из соотношения:

где L₂ - плечо горизонтального оперения - это расстояние между центром давления горизонтального оперения и центром масс экраноплана;

L₁ - плечо крыла малого удлинения - это расстояние между центром давления крыла малого удлинения и центром масс экраноплана, причем зона его продольной устойчивости определена из верхних пределов значений соотношения:

при этом относительное удлинение горизонтального оперения меньше относительного удлинения крыла малого удлинения.

Соотношение связывает конструктивные параметры экраноплана схемы «Утка» и определяет границу зоны устойчивости данной компоновочной схемы.

Задачей предлагаемого изобретения является определение области устойчивых значений конструктивных параметров «самолетной» схемы и , а также определение минимального значения стабилизатора экраноплана, устойчивого при полете над экраном и вдали от экранирующей поверхности, и, кроме того, улучшение продольной и курсовой управляемости.

Техническим результатом решения является снижение веса конструкции, увеличение качества, а также улучшение продольной балансировки и курсовой управляемости.

Технический результат достигается тем, что площадь стабилизатора выбирается в соответствии с рекомендациями графика Фиг.3, построенного в области существования значений конструктивных параметров экраноплана «самолетной» схемы и ,

0,37 0,36 0,32 0,29 0,26 0,25 0,23 0,2 0,15 0,14 0,11 0,1 16,5 14 9,5 8 7 6,8 6,7 6,7 7,3 8 13 16,5

где

- отношение площадей стабилизатора и крыла; - отношение расстояния от центра давления стабилизатора до центра масс к расстоянию от центра давления крыла до центра масс экраноплана.

Соотношение делит область существования конструктивных параметров экраноплана «самолетной» схемы на две части: справа от кривой - зона устойчивых для экраноплана значений и , а слева от кривой - зона неустойчивых для экраноплана значений этих параметров.

Улучшение продольной балансировки и курсовой управляемости достигается тем, что турбовинтовые двигатели, установленные над фюзеляжем в месте стыковки килей и стабилизатора, омывают винтами стабилизатор с рулем высоты и кили с рулями направления, увеличивая их эффективность. Кроме того, поток от винтов защищает стабилизатор от воздействия скоса потока, индуцированного крылом экраноплана.

На нижней поверхности фюзеляжа установлена статическая воздушная подушка, воздух для которой дает дополнительная силовая установка, и эта же силовая установка приводит в действие водометную установку.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от него:

- формой кривой, построенной по значениям таблицы для и , определяющих границу зоны устойчивости значений геометрических параметров экраноплана «самолетной» схемы и и отличающихся от прототипа другими зонами их значения;

- установкой двигателей с движителями в месте стыковки вертикальных оперений со стабилизатором, что благоприятно сказывается на условии их обтекания и на условиях работы;

- применением дополнительной водометной установки, улучшающей маневренные характеристики экраноплана, на акватории порта и у причальной стенки.

В известном техническом решении подобных признаков нет, следовательно, предлагаемое решение отвечает критерию изобретения «новизна».

Для сравнения предложения с другими известными решениями проведен поиск по патентной и научно-технической литературе.

В процессе поиска выявлено:

- известна установка двигателей с движителями в носовой части экраноплана (см. патент России №2097269, кл. B60V 1/08) и на горизонтальном оперении (см. патент России №2224671, кл. B60V 1/08), но не известна установка их в местах стыковки вертикальных оперений и стабилизатора;

- из патента России №2224671 известно определение зоны значений параметров и , но только для экраноплана схемы «Утка» при полете в экранном режиме.

Однако из уровня техники не известна совокупность существенных признаков, а именно: определение значений геометрических параметров и для устойчивого экраноплана «самолетной» схемы, откуда определяется минимальное значение площади стабилизатора; установка двигателя с движителями в местах стыковки килей и стабилизатора, что в совокупности увеличивает их эффективность и улучшает продольную и курсовую управляемость; а применение дополнительной водометной установки улучшает маневренные характеристики экраноплана на акватории порта и у причальной стенки.

Таким образом, новая совокупность известных ранее признаков и вновь выявленных существенных отличительных признаков в заявленном техническом решении позволяет достичь поставленную выше задачу и технический результат.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен экраноплан, вид в плане, на фиг.2 - то же, вид спереди, на фиг.3 - график зоны устойчивости экраноплана.

Экраноплан состоит из фюзеляжа 1 с крылом малого удлинения 2 с центром давления 7 и стабилизатором 11, вертикальных оперений 4 с рулями направления 5. Вертикальные оперения 4 крепятся в хвостовой части фюзеляжа, расходятся в форме буквы V и стыкуются со стабилизатором, а в местах их стыковки со стабилизатором установлены двигатели 9 с движителями. Крыло снабжено закрылками 3.

Кривая на фиг.3 связывает конструктивные параметры отношения площадей , стабилизатора и крыла малого удлинения, и их «плечей» относительно центра масс 8 таким образом, что экраноплан «самолетной» схемы с конструктивными параметрами, лежащими на кривой и справа от нее, всегда устойчив на всех отстояниях и вдали от экрана.

На нижней поверхности фюзеляжа установлена статическая воздушная подушка с боковыми ограждениями в виде надувных баллонетов 10, воздух для которой подается от конструкции, приводимой в действие дополнительным двигателем, этот же двигатель приводит в действие водометную установку (на чертежах эти конструкции не показаны).

Работает экраноплан «самолетной» схемы следующим образом.

После завершения загрузки и получения разрешения на старт включается дополнительный двигатель и приводится в действие водометная установка, с помощью которой экраноплан отходит от причальной стенки, маневрирует по акватории порта и выходит на стартовую позицию. Затем включается механизм статической воздушной подушки, выпускаются и надуваются баллонеты 10, запускаются турбовинтовые двигатели 9, отключается водомет и происходит разгон экраноплана. После того как экраноплан достигнет скорости отрыва, статическая воздушная подушка отключается, выпускается воздух из баллонетов 10, последние прячутся в ниши и происходит дальнейший разгон экраноплана до крейсерской скорости. Управление экрапланом в период движения на статической воздушной подушке, в период разгона его до крейсерской скорости и при полете вдали от экрана производится как обычным летательным аппаратом рулем высоты 6, рулями направления 5 и элеронами 3. На всех режимах полета над любой экранирующей поверхностью и вдали от экрана экраноплан «самолетной» схемы не теряет устойчивость.

Изобретение относится к транспортным средствам на динамической воздушной подушке и касается создания экранопланов. Экраноплан «самолетной» схемы имеет фюзеляж, на котором установлено крыло малого удлинения прямоугольной формы в плане. В хвостовой части установлены два вертикальных оперения со стабилизатором и двигателями, состыкованные на торцах вертикальных оперений. Центр масс экраноплана, находящийся впереди центра давления крыла малого удлинения, расположен в зоне значения параметров и , обеспечивающих экраноплану устойчивость на всех высотах полета над экраном и вдали от экрана. Внутри фюзеляжа может быть установлен дополнительный двигатель для создания под фюзеляжем статической воздушной подушки и привода механизма водометной установки. Изобретение позволяет снизить вес конструкции, увеличить аэродинамическое качество, а также улучшить продольную балансировку и курсовую управляемость. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Экраноплан «самолетной» схемы, содержащий фюзеляж, на котором установлено крыло малого удлинения, прямоугольной формы в плане, а в хвостовой части установлены два вертикальных оперения со стабилизатором и двигателями, состыкованные на торцах вертикальных оперений, отличающийся тем, что центр масс экраноплана, находящийся впереди центра давления крыла малого удлинения, расположен в зоне значения параметров и , обеспечивающих экраноплану устойчивость на всех высотах полета над экраном и вдали от экрана, а кривая, построенная по таблице:
0,37 0,36 0,32 0,29 0,26 0,25 0,23 0,2 0,15 0,14 0,11 0,1 16,5 14 9,5 8 7 6,8 6,7 6,7 7,3 8 13 16,5

делит зону значений параметров и на две части: зону устойчивых значений и (справа от вышеуказанной кривой) и зону неустойчивых значений (слева от вышеуказанной кривой),
где

S_{стабилизатора} - площадь горизонтального оперения;
S_крыла - площадь крыла малого удлинения;
L_{стабилизатора} - плечо горизонтального оперения, равное расстоянию между центром давления горизонтального оперения и центром масс экраноплана;
L_крыла - плечо крыла малого удлинения - это расстояние между центром давления крыла малого удлинения и центром масс экраноплана.

2. Экраноплан по п.1, отличающийся тем, что внутри фюзеляжа установлен дополнительный двигатель для создания под фюзеляжем статической воздушной подушки и привода механизма водометной установки.