Классификация судов с динамическими принципами поддержания и место экраноппанов среди этих судов

Классификация судов с динамическими принципами поддержа­ния. Установившаяся классификация судов с динамическими принципами поддержания и общепринятая терминология в этой области судостроения пока отсутствуют. Общей характерной особенностью таких судов и аппаратов является то, что они, в отличие от обычных водоизмещающих судов, при своем движе­нии на основном расчетном режиме используют не гидростати­ческие, а гидро — и аэродинамические силы поддержания.

С целью более системного изложения последующего мате­риала целесообразно подразделить все суда, использующие ди­намические принципы поддержания, на несколько групп (илн классов). В основу классификации могут быть положены, напри­мер, гидроаэродииамические особенности самого расчетного режима и рабочих (несущих) поверхностей.

Исходя из этого различают следующие основные группы судов с динамическими принципами поддержания: глиссирующие; суда на подводных крыльях;

_суда на подводных крыльях с воздушным крылом (с воздуш­ной разгрузкой);

суда с «воздушной смазкой» («морские сани»);

суда с искусственной каверной;

суда на воздушной подушке со скегами;

суда иа воздушной подушке с полным отрывом от воды, амфибийного типа;

экранопланы >.

Не останавливаясь подробно иа характеристике судов всех указанных групп, отметим, что эта классификация достаточно условная и практически довольно трудно четко разграничить суда некоторых соседних групп. В качестве примера приведем «морские сани» и скеговые суда на воздушной подушке.

Кроме того, суда некоторых групп настолько существенно различаются, что в свою очередь могут быть подразделены на несколько подгрупп (СВП с сопловой и камерной схемами обра­зования воздушной подушки).

Но вернемся к экранопланам. Под экранопланами в дальней­шем понимаются снабженные двигателем (двигателями) аппа­раты, которые тяжелее воздуха и предназначены для полета вблизи поверхности воды или ровных участков суши (на высоте 0,1—0,2 хорды крыла). На расчетном режиме полета эти аппа­раты, как и самолеты, поддерживаются в воздухе за счет аэро­динамической подъемной силы, образующейся на несущем крыле в результате скоростного напора набегающего воздуха.

Основной особенностью экраноплана, отличающей его от самолета, является то, что его аэродинамическая^ конструктив­ная компоновки обеспечивают возможность полета аппарата на небольшой высоте от экрана, чем достигается существенное по­вышение аэродинамического качества. Для этих компоновок характерны: весьма малое удлинение крыла, редко превосходя­щее значения A.= l,5-f-2, концевые шайбы крыльев, специальные стартовые устройства, обеспечивающие взлет аппарата, и др.

Еще более значительно отличается экраноплан от СВП. По­следние для поддержания над опорной поверхностью (вода, грунт и т. д.) оборудуются специальными вентиляторами, нагне­тающими воздух под днище аппарата.

Из приведенного видно, что экранопланы могут быть названы судами лишь условно и, по-видимому, они ближе к самолетам. Поэтому далее мы будем часто пользоваться более широким термином — аппарат, тем более что некоторые из построенных экранопланов вообще не приспособлены для плавания по воде.

Экранопланы могут быть подразделены на подгруппы в за­висимости от:

особенностей аэрогидродинамической компоновки;

типа движителя;

особенностей стартового устройства.

В зависимости от принципов аэрогидродинамической компо­новки экранопланы выполняют по схемам «летающее крыло» и самолетной. В схеме «летающее крыло» корпус аппарата обычно

1 Экранопланы, способные летать за пределами влияния земли, в печати иногда называют экранолетами.

представляет собой крыло малого удлинения, по бортам кото­рого установлены концевые шайбы — поплавки (рис. 2). Корпус и весь планер, включая хвостовое оперение экраноплана, выпол­ненного по самолетной схеме, как правило, напоминает собой

обычный одно — или двухкорпусный гидросамолет (летающую лодку — рис. 3).

По типу примененного движителя различают экранопланы с воздушным и водяным винтом, а также с воздушно-реактив­ным движителем, в котором для полета используется тяга струи воздуха, отбрасываемого вентилятором; имеются про­екты с турбореактивными двигателями. Тип движителя обычно определяет и такое весьма важное качество эк­раноплана, как амфибий — ность, т. е. способность пе­редвигаться помимо воды по грунту, льду и т. д. Оче­видно, при гребном винте это свойство аппарата ут­рачивается.

Весьма важное, зача­стую определяющее значе­ние для общей КОМПОНОВКИ экраноплана, имеют особен­ности его стартового ус­тройства, т. е. технических средств, обеспечивающих выход ап­парата на расчетный режим околоэкранного полета. В зависи­мости от принципа действия и конструктивного выполнения этого устройства экранопланы можно подразделить на следую­щие подгруппы:

аппараты без специальных стартовых устройств;

аппараты с поворотными крыльями н заслонками, направ­ляющими воздушную струю воздушного винта под несущее крыло;

аппараты со специальной системой поддува в виде поддув — ных двигателей, нагнетающих воздух под корпус или несущее крыло;

аппараты с водяными лыжамн.

Некоторые из этих подгрупп в свою очередь можно было бы подразделить в зависимости от особенностей конструктивных решений стартового устройства, напрнмер системы поддува. Предложены также аппараты, на которых для облегчения вы­хода на расчетный режим применено сразу несколько устройств, напрнмер система поддува и гидролыжн.

Экранопланы, как и другие транспортные средства (суда, самолеты), могут иметь гражданское и военное назначение.

Место экранопланов среди судов с динамическими принци­пами поддержания. В настоящее время многие конструкторы в разных странах работают над решением проблемы увеличения скорости транспортных средств — радикального пути повышения эффективности, важнейшего показателя их технического совер­шенства.

Известно, что водный транспорт является одним из самых тихоходных. За последние 20—25 лет скорость транспортной авнацни увеличилась в 3—4 раза, железнодорожного транспорта в 1,5—2 раза, а водного транспорта всего на 20—25%. Поэтому водный транспорт заметно потерял свое значение как средство пассажирских перевозок. Так, на долю отечественной граждан­ской авиации в 1974 г. приходилось 20% всех пассажирских перевозок, а 25 лет назад — примерно 1,2%. В то же время уча­стке в этих перевозках водного транспорта снизилось за послед­ние 25 лет более чем в 5 раз н составляет всего около 0,8%.

Еще более разительная картина наблюдается в трансконти­нентальных сообщениях, где около 95% всех пассажиров поль­зуются авиацией, между тем как 20—25 лет назад на ее долю приходилось всего лишь несколько процентов.

Почему же водный транспорт отстает в скорости движения? Основная причина заключается в том, что у обычных (водоизме — щающих) судов мощность, потребная для достижения заданной скорости, быстро возрастает по мере увеличения скорости (мощ­ность может оказаться пропорциональной скорости в 3, 4-й и даже большей степени). В этом отношении наземные виды транспорта и самолеты находятся в более благоприятном поло­жении.

Каковы же пути повышения скорости судов?

Наиболее радикален подъем корпуса судна из воды в воз­дух— в среду почти в 800 раз менее плотную, чем вода, а следо­вательно, и более податливую. Этот путь, как уже показано выше, был подмечен и обоснован давно. Известен ряд способов

подушкз И ^ЦЛ^СГЧ U,1IIJU>.I“ — ipunu.

Степень аэрогндродинамнческого совершенства судов с раз­личными принципами поддержания достаточно определенно мо­жет характеризовать гидроаэродннамнческое качество несущих поверхностей, при этом под ним понимается отношение полной подъемной силы несущих элементов Y к их суммарному сопро­тивлению X, т. с. К — — .

Рассмотрим, как изменяется эта характеристика в зависи­мости от изменения относительной скорости движения судов и чем вызван переход от водонзмещающих судов к судам с дина­мическими принципами поддержания. Обычно под относитель­ной скоростью понимают число Фруда по водоизмещению, т. е.

Fry—

где v — скорость движения судна, м/с; g— ускорение силы тя­жести, м/с2; D — водоизмещение4, судна, т; у— удельный вес воды, тс/м3.

При малых относительных скоростях движения в режиме плавания поддержание судна осуществляется за счет гидроста­тических сил, практически ие зависящих от скорости его пере­мещения. Зависимость сопротивления такого судна от относи­тельной скорости движения показана на рис. 4. Из графика видно, что гидродинамическое качество водоизмещающегосудна при малых скоростях движения может быть сколь угодно боль­шим и при

Fr„ + 0, Х->0, /С->оо.

С ростом относительной скорости гидродинамическое каче­ство водоизмещающих судов заметно падает и особенно резко при Frv>2-b2,5. Объясняется это тем, что с ростом Fr„ все боль­шую роль в поддержании судна играют гидродинамические силы н при Fr„>3 судно из режима плавания переходит в режим глиссирования, в котором его поддержание на 90% и более осу­ществляется гидродинамическими силами. Однако для этого режима обводы водоизмещающих судов являются неоптималь­ними, в результате чего и происходит падение гидродинамиче­ского качества судна. Для улучшения гидродинамического каче­ства применяют остроскулые и комбинированные обводы, умень — Щающие сопротивление, однако оно остается сравнительно низ­ким и редко превышает /С = 6-у7.

В целях дальнейшего повышения гидродинамического каче — ТВа скоростных судов еще в 1897 г. русским инженером

щие К= І2-І-І4.

Важным преимущест­вом СПК по сравнению с глиссерами является их лучшая мореходность, ко­торая достигается за счет снижения перегрузок на волнении.

При достаточно боль­шой скорости движения, когда аэродинамические силы начинают играть заметную роль, в ряде случаев целесообразна передача части нагрузки с подводных крыльев на воздушные. Это может в определенных условиях обеспечить получение бо­лее высоких значений аэрогидродинамического качества подобных судов. Как отме­чают зарубежные авторы проектов СПК с воздушной разгруз­кой, важным их достоинством по сравнению с экранопланами являются также простота решения проблемы устойчивости и более высокое аэрогидродинамическое качество на «горбе» кри-

пенно превышающим К = 8+9. Вот какой дорогой ценой поку­пается амфибнйность — принципиально повое качество СВП, от — личаюшее их от всех типов ранее рассмотренных судов,

С увеличением относительной скорости СПК и СВП все боль­шее влияние на них оказывают аэродинамические силы, разви — ‘ Вающиеся на корпусе и несущих поверхностях, обтекаемых по­током воздуха. При достаточно больших скоростях движения ; эти силы соизмеримы с гидродинамическими, но могут и пре — 1 взойти их; становится целесообразной передача всей весовой на — I грузки судна на воздушное крыло.

Рис 5. Возможные режимы движения судна в зависимости от отно­сительной скорости.

Выполненные за рубежом исследования позволили устано­вить, что минимальные скорости движения, при которых оправ­дано применение воздушного крыла, т. е. околоэкранный полет, составляют Frv= 10-^12. Использование благоприятного влия­ния экрана на заметное увеличение подъемной силы крыла и еще более резкое снижение его аэродинамического сопротивле­ния обеспечивает существенное повышение аэродинамического качества аппарата на расчетном режиме полета. Результаты на­турных испытаний зарубежных экранопланов (А. Липпиша и Др.) показали, что это качество может достигать К = 20-4-25 и более, т. е. быть значительно выше, чем у всех известных ви­дов транспортных средств с близкими скоростями движения.

этой связи напомним, что у современных самолетов оно редко превышает 16—17.

На рис, 5 приведена ориентировочная схема возможных ре — нмов движения в зависимости от относительной скорости. Гра- 1Q

ницы использования различных режимов движения так же условны, как и само применение критерия относительной ско­рости движения Frtt к экранопланам (по существу, к само­летам).