КОНСТРУКЦИЯ И МОРЕХОДНЫЕ КАЧЕСТВА ЗАРУБЕЖНЫХ ЭКРАНОПЛАНОВ. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В настоящее время известно около 25 построенных за рубежом экранопланов, однако подметить какие-лнбо общие особенности и тенденции в их развитии и в решении основных проблем не представляется возможным. Впрочем, естественно, если учесть начальную стадию их развития, когда каждый автор идет своим путем и самостоятельно ищет оптимальные технические решения возникающих проблем. Кроме того, для сопостави­тельного анализа конструктивных решений, примененных на построенных аппаратах, опубликованных материалов недоста­точно. Поэтому приводимый ниже обзор некоторых конструк­тивных и иных особенностей зарубежных экранопланов сле­дует рассматривать как первый шаг в составлении обоснован­ного анализа современного состояния и тенденций развития зарубежного экранопланостроения.

§ 19. Конструктивные особенности экранопланов

Особенности аэрогидродинамической компоновки. Как уже от­мечалось, зарубежные экранопланы по типу аэрогидродннами — ческой компоновки, т. е. взаимному расположению основных аэро — н гидродинамических элементов (корпус, крыло, хвосто­вое оперение, поплавки и пр.), можно разделить на две группы: аппараты, выполненные по схеме «летающее крыло» (см. рис. 2), и аппараты, построенные по самолетной (фюзеляжной) схеме (см. рис. 3).

К первой, наиболее многочисленной группе относятся экра­нопланы Т. Каарио, И. Троенга, фирмы «Кавасаки», У. Бер — тельсона, Н. Дискиисона и VRC-1.

Наиболее характерными представителями второй группы являются экранопланы Х-П2 и X-I13 А. Лилииша. К этой же группе можно отнести аппарат X. Вейланда, а также катера фирмы «Локхид». Во второй группе, как и у гидросамолетов, различают экранопланы поплавкового типа (Х-П2 и Х-ПЗ) н летающие лодки (фирмы «Локхид»).

К преимуществам схемы «летающее крыло», предложенной Т. Каарио, зарубежные специалисты (например, Ш. Эндо) от­носят следующие:

наиболее полное использование несущих свойств крыла ма­лого удлинения, свободного от надстроек;

повышенное благодаря отсутствию развитого фюзеляжа значение аэродинамического качества;

создание системы поддува, обеспечивающей выход ап­парата на расчетный режим (VRC-I);

использование поплавков в качестве концевых шайб, повы­шающих аэродинамическое качество аппарата.

Вместе с тем схема «летающее крыло» по сравнению с са­молетной, по оценке А. Липпиша и Ш. Эндо, имеет ряд недо­статков, основные из которых:

сложность решения проблем устойчивости и мореходности (особенно для небольших экранопланов);

ограниченные возможности для размещения пассажиров и грузов, что обусловило, например, на аппаратах KAG-3 и «Аэ­росани № 8» создание специальных кабин.

В начале 30-х годов по двухкорпусной схеме строились и летающие лодки. Так, в 1932—1934 гг. под руководством А. Н. Туполева па базе гидросамолета АНТ-8 был построен самый крупный в мире шестимоториый двухкорпусный мор­ской крейсер МК.-І (АНТ-22) массой 29 т. Однако в дальней­шем от этой схемы в авиации отказались ввиду того, что ко­рабли, построенные по этой схеме, обладали худшей аэродина­микой, более низкими мореходными качествами и т. д.

Самолетная схема аэродинамической компоновки с соответ­ствующими характеристиками крыла и хвостового оперения, по мнению А. Липпиша, наиболее оправдана с точки зрения ре­шения проблемы устойчивости подобных аппаратов. Это было, в частности, доказано полетами его экранопланов Х-112 и Х-113 вдали от земли. Кроме того, на сравнительно небольших ап­паратах она позволяет выгодно разместить пассажиров и грузы, а также обеспечить повышенную мореходность. Исходя из этих соображений А. Липпиш выбрал для своего довольно крупного пассажирского экраноллана («Омнибуса») фюзеляж­ную схему компоновки. Одни из основных недостатков само­летной схемы, по мнению японских специалистов (Ш. Эндо и др.), —заметное ухудшение аэродинамики крыла вследствие крепления к нему корпуса-фюзеляжа. Крило небольшого удли­нения (Я=1-г-2) особенно чувствительно ко всякого рода надстройкам. Ш. Эидо считает, что в момент старта аппарата при его разбеге отбрасываемые корпусом на крыло брызговые потоки должны резко увеличить гидродинамическое сопротивле­ние аппарата в процессе преодоления им «горба» сопротивле­ния, возникающего в период выхода аппарата на расчетный режим движения.

В большинстве случаев построенные экранопланы имеют, как правило, крылья малого удлинения — от 0,75 (аппарат KAG-3) до 1 (VkC-і). У аппаратов самолетного типа встреча­ется большое удлинение-— 1,7—4,6 (аппараты X I12 и X-I13, ка­тер фирмы «Локхид»), Некоторые дополнительные характери­стики экранопланов приведены в табл. 2.

С увеличением удлинения крыла его аэродинамическое каче­ство заметно растет как вдали от земли, так и в зоне ее влия­ния (см. рис. 21), что, естественно, побуждает конструкторов по возможности увеличивать удлинение крыла. Однако с уве­личением удлинения крыла, т — е. его размаха (при той же пло­щади), существенно ухудшаются мореходные и эксплуатацион­ные качества аппарата, например, вследствие появления опас­ности касания концом крыла гребня волны в момент выполнения взлетно-посадочной операции, трудности обеспечения прочности крыла и др.

При выборе оптимального удлинения крыла, по-вндимому, приходится учитывать и следующие соображения. Аэродина­мическое качество можно повысить, уменьшив относительную высоту движения h. Для этого при постоянной высоте полета требуется увеличить его хорду, т. е. соответственно уменьшить удлинение крыла. Таким образом, в принципе высокое значе­ние аэродинамического качества можно получить и при неболь­шом удлинении крыла за счет снижения относительной высоты полета, в результате увеличения при заданной абсолютной вы­соте хорды крыла. Сравнительно малое удлинение крыльев построенных экраноплаиов, очевидно, и объясняется указан­ными причинами.

Все построенные экранопланы отличаются небольшими удельными нагрузками на крыло, что, по-видимому, вызвано стремлением по возможности ограничиться низкими взлетно — посадочными скоростями, и соответственно энергетическими установками малой мощности. Согласно табл. 2 удельная на­грузка колеблется от 22 до 52 кгс/м2. Столь низкие удельные нагрузки на крыло при высоких значениях коэффициента Су во время движения у земли предопределяют и сравнительно не­большую скорость экранопланов (до 200—250 км/ч).

Некоторые зарубежные конструкторы (А. Липпиш, Ш. Эндо) большое значение придают обеспечению хорошей обтекаемости своих аппаратов. Одиако в целом, по мнению А. Липпиша и Ш. Эндо, аэродинамика построенных экранопланов находится иа очень низком уровне. Все построенные аппараты являются

лишь грубыми макетами и самоходными моделями, предназна­ченными для предварительной оценки нового направления в развитии транспортных средств. Тем не менее в дальнейшем улучшении аэрогидродинамики подобных аппаратов зарубежные конструкторы видят неоспоримые резервы повышения экономи­ческой эффективности экранопланов. Так, по оценке А. Лип — пнша, только лишь улучшением аэрогндродинамической компо­новки и аэродинамики этих аппаратов аэродинамическое ка­чество можно повысить в 1,5—2 раза.

Особенности конструктивного типа. Конструктивная компо­новка экранопланов разнообразна. Даже среди аппаратов, вы­полненных по схеме «летающее крыло», невозможно найти два, на которых одинаково размещались бы двигатели, экипаж и конструкция основных элементов была бы идентичной. И только лишь при рассмотрении аппаратов одного и того же конструк­тора можно подметить общие черты, характерные только для данного семейства аппаратов.

Компоновка указанных аппаратов предусматривает различ­ное размещение одного-двух членов экипажа: в открытой ка­бине корпуса аппарата («Аэросани № 8», японский аппарат KAG-3, катера фирмы «Локхид» и др.); в кабине, оборудован­ной на несущем крыле (аппараты И. Троеига и У. Бертель — соиа); в кабине, расположенной на одном из поплавков (аппа­раты X. Вейланда и Н. Дискинсона).

Конструкции корпуса, крыла, поплавков и других элементов экранопланов обычно напоминают авиационные и состоят из тех же элементов. Преобладающее большинство современных аппаратов выполнено из легких, главным образом алюминие­вых сплавов.

Несколько отличаются от других аппараты У. Бертельсона. Все они имеют ферменную конструкцию из легких авиацион­ных стальных труб и обшивки из легкого сплава.

Характерна конструкция экраноплана Н. Дискиисона — не­сущее крыло и поплавки его аппарата выполнены из сплош­ных брусков пенопласта, подкрепленного тонким авиационным стальным канатом. Значительная часть обшивки японского ап­парата KAG-3 изготовлена из стеклопластика.

Весь планер последней модификации экраноплана А. Лип — пиша Х-113 выполнен из стекловолокна, армированного метал­лическими связями.

Массовая отдача построенных экранопланов (отношение по­лезной нагрузки к общей массе аппарата) не показательна[6]. Значение ее колеблется от 20 до 37% • У современных транс­портных самолетов она составляет, как правило, 45—55%, по­этому несовершенство построенных экранопланов как транс­портного средства очевидно. Впрочем, и первые аэропланы А. Ф. Можайского, братьев Райт, А. Фармана имели столь же низкую массовую отдачу.

Вопросы прочности. Высокая массовая отдача любого тран­спортного средства возможна лишь при максимальном облег­чении его конструкции. Для всех летающих аппаратов, в том числе и экранопланов, проблема массы приобретает особое значение. В то же время обеспечение достаточной прочности рассматриваемых аппаратов при минимальной массе их кон­струкции является сложной технической проблемой, если учесть необычайно широкий диапазон нх эксплуатационных режимов. Экраноплан должен выдержать гидростатические нагрузки, действующие на него при плавании на малом ходу, значитель­ные гидродинамические нагрузки, возникающие при взлете и посадке его на расчетном волнении, аэродинамические на­грузки, действующие на аппарат во время полета и маневриро­вания в воздухе, и, наконец, нагрузки, возникающие при движе­нии экраноплана по грунту.

Прочность созданных за рубежом экранопланов обычно рас­считывалась по авиационным методикам. Это объясняется как очевидной близостью рассматриваемых аппаратов к гидроса­молетам, так и характером деятельности фирм, которые строят подобные аппараты. Известно, например, что прочность экра­нопланов KAG-3 и Х-П2 была рассчитана по нормам, приня­тым для гидросамолетов. Наиболее трудным оказался расчет взлета и посадки экраноплана в условиях предельно допусти­мого волнения. Возникающие при выполнении этих операций удары носовой части корпуса о гребни волн приводят к значи­тельным изгибающим моментам корпуса, а следовательно, и к напряжениям в его связях.

В проектно-исследовательских проработках экраноплана, выполненных в 1973 г. французскими специалистами М. Ебер — сольтом и Л. П. Унгерштеллером, в соответствии с авиацион­ными нормами принимали в качестве расчетных:

вертикальное ускорение при посадке аппарата на поплавки, равное g, при коэффициенте безопасности 3;

ускорение от удара носовой частью одного из поплавков о волну, равное 2g;

перегрузку, возникающую в конструкциях аппарата во время удара поплавками о волны, при скорости 150 км/ч.

Расчеты прочности экранопланов должны существенно от­личаться от подобных расчетов гидросамолетов, поскольку на них действуют различные нагрузки. Так, в отличие от гидроса­молетов, при взлете и посадке экранопланов гидродинамиче­ские силы действуют не только на корпус, но и на крылья, что, безусловно, должно учитываться при расчете прочности пла чера аппарата. Кроме того, некоторые экраиопланы предназна­чены и для передвижения по грунту. Это также должно быть отражено в расчетах прочности соответствующих элементов аппарата.

В авиации, как и в судостроении, прочность той или иной конструкции определяют обычно на основе накопленного опыта, т. е. расчеты носят как бы поверочный характер. В судострое­нии для расчета корпуса находят значения изгибающего мо­мента и перерезывающей силы, действующих на судно при по­падании его на вершину и подошву волны. Затем учитывают динамические составляющие внешних сил, возникающие при движении судна в условиях волнения. После этого, зная сече­ние корпуса судна (миделя), т. е. его момент сопротивления W, находят расчетные напряжения в конструкциях корпуса. Максимальные расчетные напряжения не должны превышать прн определенном запасе прочности опасного напряжения, за которое обычно принимают предел текучести материала ат-

Коэффициент запаса прочности п зависит от характера на­грузки: для нагрузки, имеющей постоянный характер и неиз­менный во времени запас прочности, п =1,65, а для нагрузки, имеющей случайный характер и неизменной во времени, п=1,25. Допускаемые напряжения будут соответственно равны адоп = = 0,6 От И Одоп = 0,8 От.

Кроме указанного расчета часто проверяют предельный из­гибающий момент, выдерживаемый корпусом судна.

В авиации н в зарубежном экранопланостроении расчеты прочности элементов планера выполняют исходя из расчетной разрушающей нагрузки и предела прочности материала (ав), что позволяет наиболее полно использовать все несущие воз­можности конструкций аппарата.

Общий порядок расчета выглядит следующим образом. На основе накопленного опыта (в том числе и прототипа) выби­рают конструкцию планера, включая все ее основные связи, и определяют элементы эквивалентного бруса корпуса. Далее определяют расчетную перегрузку пр. Для этого по нормам прочности, в зависимости от расчетного случая нагрузки (А, В, С и т. д.) и класса самолета, соответствующих назначению и полной массе аппарата, находят так называемый коэффи­циент эксплуатационной перегрузки пэ — отношение подъемной силы У, действующей на самолет, к его массе или к подъем­ной силе в горизонтальном полете. Таким образом, пэ — это наибольшая перегрузка, которая действует на самолет во время его эксплуатации (значение пэ может быть равно двум, трем и более). Далее определяют расчетную перегрузку пр, представляющую собой произведение коэффициента эксплуата­ционной перегрузки пэ на коэффициент запаса прочности f. Ко­эффициент запаса прочности для материалов, применяемых

в авиации, принимают. Этот запас вводят с той целью,

от

чтобы после приложения нагрузки в конструкции не было оста­точных деформаций, т. е. чтобы нагрузка не превышала пре­дела текучести материала.

Внешние (разрушающие) силы, действующие в том или ином случае на рассматриваемый элемент самолета (корпус, крыло и т. д.), определяют умножением массы самолета на расчетную перегрузку. Вычисленные таким образом напряже­ния в конструкции аппарата не должны превышать предела прочности материала.

В авиации, как правило, все основные конструкции само­летов помимо расчетов прочности подвергают еще (в отличие от судостроения) статическим испытаниям до разрушения и тем самым контролируют достоверность расчетов. Эти испы­тания позволяют достаточно надежно определять предельную прочность конструкций, выявляют неточности расчетов и влия­ние технологических факторов.

Энергетическая установка и движители. В соответствии с принятой компоновкой экранопланы оборудуют тем или иным типом энергетической установки и движителя. Экранопланы имеют, как правило, I—2 легких авиационных или подвесных катерных двигателя. В основном преобладают одномоторные аппараты; с двумя двигателями построены экранопланы «Аэро­бот-1» И. Троенга и модель X. Вейланда.

Мощность энергетической установки современных аппара­тов невелика и колеблется от 25 (Х-П2) до 2X100 (модель И. Троенга), 2X300 л. с. на самоходной пилотируемой модели X. Вейланда.

На аппаратах с гребным винтом установлены серийные под­весные двигатели различных марок мощностью 50—80 л. с.

Несмотря на близость назначения построенных экранолла — нов, их энерговооруженность, т. е. мощность энергетической уста­новки, отнесенная к полной массе, колеблется в пределах 80— 380 л. с./т. Наибольшей энерговооруженностью обладала пило­тируемая модель X. Вейланда (380 л. с./т) и GEM-1 У. Бертель — сона 180 л. с./т).

Для сравнения напомним, что у пассажирских теплоходов на подводных крыльях типов «Ракета», «Метеор», «Комета» и др., имеющих скорость около 70—80 км/ч, энерговооружен­ность составляет 35—40 л. с./т; у наиболее конструктивно дове­денных пассажирских судов на воздушной подушке SRN-5 и SRN-6 (Англия), обладающих скоростью ПО—130 км/ч,— 100— 135 л. с./т, у вертолета — 240—270 л. с./т и, наконец, у транс­портных самолетов, скорость которых равна 650—680 км/ч — 240-260 л. с./т.

Только аппараты И. Троенга («Аэробот»), В. Б. Корягина 11 фирмы «Кавасаки» имеют в качестве движителя гребной вннт. Все остальные экранопланы, начиная с первых аппаратов • Каарио, оборудованы воздушными винтами.

По мнению Т. Каарио и У. Бертельсона, воздушный винт для рассматриваемых аппаратов является несравненно более перспективным типом движителя, чем гребной. Он позволяет отказаться от постоянного контакта с водной поверхностью, что необходимо для достижения высоких скоростей, повышен­ной мореходности и хороших амфибийных качеств аппарата.

Водяные движители в свою очередь обладают рядом неос­поримых преимуществ: относительно малыми размерами, не­значительной шумностью в работе, более высоким, чем у воз­душных винтов, к. п. д. при скорости 90—100 км/ч (рис. ИЗ). Однако по мере роста скорости эффективность воздушного

винта по сравнению с греб­ным повышается. По-види­мому, в связи с этим на рассмотренных проектах крупных транспортных эк — раноплаиов с эксплуата­ционной скоростью свыше 150—200 км/ч предусматри­вают воздушные винты.

Стартовые устройства. Важным элементом любого экраноплана является его стартовое устройство. Оно предназначается для выхода аппарата на расчетный ре­жим околоэкраиного полета. Экраноплаиу, как и гидро­самолету или СПК, для движения иа основном ре­жиме с помощью крыльев необходимо развить достаточную скорость, и только когда подъемная сила крыльев будет равна массе аппарата и его корпус оторвется от воды, сопротивление аппарата движению существенно уменьшится. Поэтому при раз­беге аппарата его аэрогидродинамическое сопротивление сна­чала быстро увеличивается до некоторого максимального зна­чения, а затем начинает падать (рис. 114).

В результате буксировочных испытаний моделей гидросамо­летов, судов на подводных крыльях и экраиопланов было уста­новлено, что максимальное сопротивление движению, так на­зываемый «горб» или «бугор» на кривой сопротивления (см. рис. 4), возникает при скорости 40—60% от скорости отрыва. Очевидно, в условиях волнения гидродинамическое сопротивле­ние (особенно на «горбе» сопротивления) может значительно возрасти.

Кривая сопротивления позволяет определить важнейшую ха­рактеристику гидросамолета, СПК или экраноплана — мини­мальное значение его гидродинамического качества (см.

рнс. 114), которое весьма определенно характеризует совер­шенство его гидродинамической компоновки.

Нарис. 114 показаны основные режимы движения экрано — плана: плавание, глиссирование, преодоление «горба» сопротив­ления, отрыв от воды, околоэкранный полет. «Горб» сопротивле­ния возникает вследствие гидродинамической составляющей общего сопротивления аппарата. Именно «горбу» сопротивления (при £> = £>Кр) соответствует минимальное значение аэродинами­ческого качества экраноплана.

Максимальная скорость полета аппарата vmax отвечает тя­говым возможностям энергетической установки, т. е. Pp = R

я, Р>{»р) _

(точка б). Еслн тяга энергетической установки будет меньше, например в соответствии с кривой 2, то экраноплан не сможет преодолеть «горб» сопротивления и оторваться от воды. Он будет продолжать глиссировать со скоростью, соответствующей точке а.

Сильное волнение, как показано на рисунке (кривая 3), вследствие роста гидродинамического сопротивления экрано­плана при недостаточной мощности его энергетической уста­новки может внести серьезные коррективы в его характери­стики. Так, на рнс. 114 показан момент, когда аппарат не смо­жет преодолеть «горб» сопротивления (точка в).

Еслн минимальное значение аэрогидродинамического каче­ства при разбеге (на «горбе» кривой сопротивления) для ле­тающей лодки меньше 4—4,5, то ее гидродинамическую компо­новку, как правило, не считают удачной.

Насколько резко изменяется буксировочное сопротивление экраноплана при разбеге, видно на рис. 115, где показана кри­вая сопротивления для экраноплана Х*П2 А. Липпиша. Сог­ласно данной кривой сопротивление при скорости движения 10—45 км/ч (15—55% от Ушах) составляет около 25—35 кгс. При массе аппарата Сп = 231 кг это соответствует аэрогидродн — намическому качеству

ем на «горбе». Аэродинами­ческое качество соответст­венно возрастает до

10

Таким образом, на дан­ном аппарате только с целью преодоления «горба» сопро­тивления при разбеге и вы­хода на расчетный режим потребная тяга энергетиче­ской установки должна быть повышена в 2,5—3,5 раза по сравнению с необходимой для полета вблизи экрана. Это приводит к соответствующему снижению весовой отдачи, повышению стоимости аппарата н ухудшению всех его технико-экономических характеристик.

Рассмотренные примеры показывают, что для построенных экранопланов режим разгона с учетом перегрузки аппарата и движения на волнении может явиться расчетным случаем для определения потребной мощности энергетической установки. Все это свидетельствует о важности обеспечения хорошей аэ — рогидродннамической компоновки экранопланов и достаточно эффективных стартовых устройств.

Применявшиеся до настоящего времени стартовые устрой­ства экранопланов с известным приближением можно, как уже упоминалось, объединить по родственным признакам в не­сколько групп.

Поворотные крылья и предкрылки. Группа стар­товых устройств включает специально устанавливаемые пово­ротные крылья и предкрылки. Т. Каарно уже после первых эк­спериментов убедился в необходимости установки таких уст­
ройств. Однако только в результате длительных, в том числе и неудачных, экспериментов ему удалось разработать достаточно эффективную систему старта, примененную на аппарате по­следней модификации («Аэросани № 8»). Это устройство вклю­чает основное иизкорасположениое несущее крыло с поворот­ным закрылком, неподвижное носовое крыло, образующее с широкими вертикальными стойками воздушный туииель, и поворотное направляющее крыло. Поплавки аппарата пред­ставляют собой боковые шайбы, уменьшающие перетекание воздуха по боковым сторонам крыла экраноплана и тем са­мым повышающие его эффективность как при поддуве, так и без него. Боковые широкие стойки крыльев также предотвра­щают поперечное растекание воздушной струи.

Старт экраноплана выглядит следующим образом. При ма­лой скорости аппарат движется по воде на поплавках без под­дува с неотклоиениыми закрылком и направляющим крылом.

Достигнув достаточной скорости, пилот отклоняет пово­ротное крыло иа заданный угол, и половина воздушной струи винта направляется вниз под несущее крыло. Одновременно закрылок отклоняется до угла, при котором на несущем крыле возникает максимальная подъемная сила.

Применение поддува на малых скоростях плавания, по-ви — димому, нецелесообразно, поскольку буксировочное сопротивле­ние аппарата без поддува сравнительно невелико и может быть меньше аэродинамического сопротивления поддува крыльев и закрылка. Использование поддува оправдано при таких скоростях движения, когда аэрогидродииамическое со­противление аппарата весьма значительно и увеличение подъем­ной силы крыла с помощью поддува может заметно снизить его сопротивление.

С ростом скорости движения аппарата подъемная сила крыла от набегающего потока воздуха становится равной массе экра­ноплана и необходимость в поддуве отпадает. При достижении такой скорости направляющее крыло устанавливается в гори­зонтальное положение, а закрылок — на угол, обеспечивающий оптимальные условия движения аппарата, в частности, его устойчивость.

Поддув струями воздуха, отбрасываемого винтом. Принцип действия стартового устройства, разрабо­танного У. Бертельсоиом и примененного им иа всех его аппа­ратах, состоит в следующем. Большая часть отбрасываемой воздушным винтом струи воздуха благодаря иаклоииому рас­положению винта в носовой части несущего крыла и специаль­ных предкрылков (GEM-2) направляется под основное несущее крыло, имеющее с боков высокие стенки (шайбы). С целью снижения утечки воздуха из области повышенного давления на первом аппарате (GEM-1) были предусмотрены специальные диафрагмы, частично перекрывающие носовое отверстие под

несущим крылом в районе винта. Успешная демонстрация У. Бертельсоном в различных странах высоких амфибийных ка­честв своих аппаратов свидетельствует о достаточной эффек­тивности разработанного им стартового устройства.

Идея поддува воздуха под несущее крыло использована также А. Липпишем при постройке аппарата Х-112. Благодаря очень низкому расположению корпуса аппарата и двигателя над водой удалось направить отбрасываемую винтом воздуш­ную струю под несущее крыло с концевыми поплавками — шайбами. Вполне вероятно, что успешному отрыву от воды способствуют и несущие способности развитого стабилизатора, расположенного в струе винта. Сравнительно высокое аэрогид- родинамическое качество аппарата Х-112 в процессе разбега, в том числе на «горбе» сопротивления, достигающее примерно восьми, свидетельствует о хорошей аэрогидродинамическон компоновке аппарата, учитывающей особенности стартового ре­жима движения.

Эффективность системы поддува на аппарате Х-112 помимо удачно выбранной конфигурации крыла можно объяснить и до­статочно большим расстоянием от винта до несущего крыла по сравнению со всеми остальными зарубежными экранопланами. Из теории винтов известно, что скорость отбрасываемой вин­том струи воздуха увеличивается приблизительно вдвое на рас­стоянии, равном двум диаметрам винта. Очевидно, используя для поддува струю воздуха с вдвое большей скоростью потока и трансформируя ее динамический напор в давление, можно почти вдвое повысить эффективность поддува, а следовательно, и подъемную силу крыла на малых скоростях движения.

Несмотря на высокую эффективность системы поддува, примененной на аппарате Х-112, автор проекта на последнем своем экраноплане отказался от нее. С целью повышения мо­реходных качеств аппарата А, Лилпиш на экраноплане Х-113, построенном в 1972 г., перенес двигательно-движительный ком­плекс на верхнюю часть корпуса (см. рис. 72). Подобное ре­шение повторяется и в проектах более крупных его экранопла — нов (см. рис. 90).

Подводные крылья. К группе стартовых устройств от­носятся подводные крылья и водяные лыжи (гидролыжи) как их разновидность. Попытки использовать водяные лыжи, а также подводные крылья в качестве стартовых устройств известны еще из истории авиации. Так, гидросамолет, совершавший полеты в 1911 г., имел подводные крылья этажерочного типа, спе­циально разработанные итальянским конструктором Н. Гви — дони. Внимание авиаконструкторов к подводным крыльям при­влекли тогда такие их преимущества, как сравнительно высокое гидродинамическое качество, достигающее 8—10, относительно малый вес, способность существенно снизить перегрузки, воз­никающие при взлетно-посадочных операциях в условиях вол — !Г, 8

нения, и др. Гидролыжи уже после второй мировой войны были применены на опытных реактивных самолетах «Си Дарт» и «Мартин Маринер». В последнее время обширные работы по использованию гидролыж для повышения мореходных качеств десантных катеров проводит в США фирма «Локхид». Испыта­ния построенного ею небольшого опытного катера на гидролы­жах показали, что гидродинамическое качество их составляет около шести, т. е. примерно такое же, как у глиссирующих су­дов; в то же время перегрузки при ходе на волнении у катера с гидролыжами снижаются в 3—3,5 раза. Поскольку именно чрезмерные перегрузки часто являются фактором, ограничива­ющим мореходные качества быстроходных катеров, специали­сты фирмы «Локхид» считают гидролыжи перспективным уст­ройством для этих судов.

Из построенных аппаратов-экранопланов только один — са­моходная модель X. Вейланда — был оборудован стартовым устройством в виде водяных лыж. Не исключено, что решаю­щую роль в этом сыграла явно выраженная двухкорпусная компоновка, затрудняющая использование стартовых устройств иного типа. Однако гибель этого аппарата не позволила про­извести всестороннюю оценку эффективности гидролыж в каче­стве стартового устройства экраиоплана. Помимо него гидро­лыжи или подводные крылья в качестве стартового устройства были применены в зарубежных проектах экранопланов, правда, ие осуществленных (В. Корягина, фирмы «Дженерал Дайнэ — микс», У. Харксона и др.).

Рассмотренные выше проекты катеров с воздушной разгруз­кой (М.. Тенаклиа, Д. Велли и др.), как правило, были оборудо­ваны подводными крыльями. Поэтому остановимся иа характе­ристиках подводных крыльев более подробно.

По принципиальной схеме и способу обеспечения устойчи­вости движения подводные крылья принято подразделять на три основные группы:

1) пересекающие свободную поверхность воды;

2) глубокопогружениые автоматически управляемые;

3) малопогруженные.

Иногда применяют крыльевые комплексы, включающие эле­менты крыльев, относящихся к разным группам.

Основным преимуществом подводных крыльев перед режи­мом глиссирования с близкими скоростями является более вы­сокое значение гидродинамического качества и повышенная мо­реходность (рис. 116 и 117).

Так, если для глиссирующих катеров со скоростью 75— 90 км/ч значение гидродинамического качества редко превышает К = 6-г7, то для судов на подводных крыльях оно достигает зна­чений X=10-i-12 и более; правда, на «горбе» кривой сопротив­ления, в момент выхода катера на крылья, значение его каче­ства обычно бывает Х = 5ч-8.

Применение подводных крыльев выгодно, начиная с доста­точно высокой скорости судна, соответствующей Frv>3. До этой скорости сопротивление движению глиссирующих катеров н даже водоизмещающих судов может быть меньше (см. рис. 4).

к

Рис 116. Характер изменения гидродинамического
качества для глиссирующих судов и СПК и эквива-
лентного качества для СВП в зависимости от скоро-
сти судна.

/ — СПК; 2 — СВП; Ь — глиссирующие суда.

Рис. 117. Ориентировочная зависимость допустимой скоро­сти судна от балльности моря для судов различных типов. / — СВП; 2—суда с глубокопогруженнымн автоматически управ­ляемыми крыльями; 3 — суда с крыльями, пересекающими свобод ную поверхность воды, 4 — глиссирующие суда

Для грубой оценки значения гидродинамического качества судов на подводных крыльях применяется следующая простая экспериментальная зависимость:

где v8 — скорость катера, уз.

170

Замечено, что на сопротивление СПК, а следовательно, и на его скорость, влияет взаимное расположение носового и кормо­вого крыльев. Волновая система носового крыла может оказать влияние на гидродинамическое сопротивление кормового крыла и снизить его по сравнению с сопротивлением в невозмущенном потоке. Впрочем, это наблюдается лишь при сравнительно уме­ренной скорости судна, характеризуемой Fb = 4—6. Очевидно, более высокое значение К у СПК по сравнению с глиссирую­щими судами обеспечивает возможность достижения соответст­венно и более высоких скоростей при данной энергетической установке. Особенно хорошо зарекомендовали себя в отношении ходовых и мореходных качеств появившиеся в последние годы глубокопогруженные автоматически управляемые крылья. Так, было установлено, что значение гидродинамического качества судна с подобными крыльями иа больших скоростях (Fr„ = = 5-г6) в 2—2,5 раза выше, чем у судов с крыльями, пересекаю­щими свободную поверхность воды.

Отмеченное свойство подводных крыльев, по мнению зару­бежных специалистов (X. Вейланд и др.), весьма важно при использовании их в качестве стартового устройства для рас­сматриваемых здесь экранопланов. Например, повышение ги­дродинамического качества аппарата в момент старта при обо­рудовании его подводными крыльями в 1,5 раза позволяет соответственно снизить и его энерговооруженность. Это справед­ливо лишь в том случае, когда мощность энергетической уста­новки выбирается из расчета старта в предписанных условиях, а не из расчета достижения заданной скорости полета на основ­ном режиме.

Как известно, одним из недостатков подводных крыльев яв­ляется заметное падение значения К с увеличением скорости (см. рис. 116). Так, из приведенной выше формулы видно, что при увеличении скорости в 1,5 раза, например с 75 до 110 км/ч, в такой же пропорции снизится и значение гидродинамического качества. Однако значение К у СПК падает несколько меньше, чем у глиссирующих судов (в рассматриваемом диапазоне ско­ростей, см. рис. 116).

Скорость СПК ограничена кавитацией, которая появляется обычно уже при скорости 130—150 км/ч. С возникновением ка витации резко снижается гидродинамическое качество и появ­ляются эрозионные разрушения. Кавитация нарушает самоста — билизацию малопогруженных крыльев, а срывное обтекание с прорывом воздуха у крыльев, пересекающих свободную по­верхность воды, обусловливает неустойчивость движения. Для борьбы с кавитацией предложены суперкавитирующие или вен­тилируемые крылья, однако до сих пор ие нашедшие широкого применения из-за своих существенных недостатков, в частно­сти, низкого значения гидродинамического качества (порядка 4—6).

Как уже было отмечено, одним из важных достоинств СПК являются их повышенные мореходные качества, т. е. более низ­кие перегрузки, возникающие при ходе иа волнении, а также меньшие по сравнению с глиссирующими судами качка, зали — ваемость и забрызгиваемость.

Многочисленные модельные и натурные испытания позво­лили установить, что, например, перегрузки в районе миделя у катера с крыльями, пересекающими свободною поверхность воды, при ходе на развитом волнении в 3—4 раза, а у катера с автоматически управляемыми крыльями в 6—7 раз меньше, чем у глиссирующего. Снижение перегрузок позволяет не только соответственно уменьшить сечения конструкций корпуса (а сле­довательно, и их массу), но и улучшить условия обитаемости для личного состава и пассажиров.

Отмеченная особенность подводных крыльев весьма ценна и при использовании их в качестве стартового устройства экра — ноплаиов, поскольку дает возможность осуществлять взлет и посадку в более сложных гидрометеорологических условиях.

Подводные крылья должны обеспечивать судну при движе­нии на расчетном режиме поперечную и продольную устойчи­вость, т. е. способность самостоятельно возвращаться в гори­зонтальное положение после прекращения действия внешней силы, которая вывела его из этого положения (удар волны, по­рыв ветра и т. д.). Это качество СПК достигается соответствую­щим выбором элементов крыльевой системы, их расположения и характеристик.

У СПК, пересекающих свободную поверхность воды, попе­речная устойчивость обеспечивается в результате того, что при креие судна увеличивается площадь крыла, погруженная в воду иа иакреиеином борту. Это и вызывает появление восстанавли­вающего момента. При автоматически управляемых крыльях поперечная устойчивость достигается соответствующим измене­нием, с помощью специальных приводов, углов атаки крыла или отклонения его закрылка.

Суда с малопогруженными крыльями обладают поперечной устойчивостью вследствие того, что при крене судна подъемная сила иа поднявшейся части крыла резко падает, вызывая появ­ление восстанавливающего момента.

Продольная устойчивость СПК основана приблизительно на тех же принципах, что и поперечная (применяют два или три крыла, расположенные по длине судна в нос и корму от ЦТ; иногда в крыльевую систему включают дополнительные крылья).

Довольно сложной оказалась проблема обеспечения устой­чивости судов с крыльями, пересекающими свободную поверх­ность и особенно с малопогруженными на переходных режимах, т. е. в момент выхода судна на крылья. Это объясняется тем, что при выходе на крылья судно утрачивает стабилизирующее воздействие глиссирующего днища, в то же время гидродинами­ческие силы, действующие на крылья и обеспечивающие устой­чивость, еще малы. В случае ^пользования крыльев в качестве стартового устройства экрано^ана указанная особенность все­сторонне учитывается, поскольку эффектИвность стабилизирую­щих н управляющих поверхи^те^ аппаратов (стабилизаторы, рули и др.) на малых скорости движения также недостаточна,

В качестве стартовых устройств гидролыжи применены не только на упомянутых выше аппаратах X. Вейлаида, У. Хар — соиа, но и на катере В. КоряГ*1на (см. рИС. 67) и в проектах Л. Клаудэ, Д. Томпсона и др-, где онИ играют роль своеобраз­ного амортизатора. По замьісдам авторов этих разработок, гидролыжи, установленные в Усовой или днищевой частях эк — раноплапа, должны существен^ повышать его возможность совершать взлет и посадку в Уровнях волнения.

Водяные лыжи, в отличие, QT подводных крыльев, не могут обеспечить достаточную устоИЧИВОСтЬ движения в момент от­рыва корпуса катера или экрз1(оплана от поверхности воды (до выхода на лыжи), и поэтому н^обходимо предусмотреть специ­альные конструктивные меропрЦятия_

К недостаткам подводных крыльев как средства улучшения стартовых характеристик экрзньпланов, по мнению зарубежных специалистов, кроме резкого Падения значения гидродинами­ческого качества с ростом ск°Ь0сти следует отнести непропор­ционально быстрый рост масСЦ крыльевой системы при увели­чении водоизмещения аппарата геоМетрической прогрессии), что ограничивает возможности *tx применения.

Воздушная подушка — g качестве стартового устрой­ства воздушная подушка прнМ®цена всего на двух построенных за рубежом аппаратах: катера д_ к_0ксиджа и пилотируемой модели VRC-1. В разработаИЦЬ1Х Пр0сктах экраиопланов это средство улучшения стартовых характеристик также было не­однократно использовано: просты В. Корягина, X. Вейланда, Д. Уорнера, Н. Чаплина и др.

Воздушная подушка, естеСЦеннс^ применяется не только на экраноплаиах, ио и на всех Апаратах, представляющих собой комбинацию экраиоплана и Счп (Проект п. Маитля и др.).

Как известно, по способу Образования воздушной подушки различают суда с полным отРі1ІВОМ от ВОды (с периферийным гибким ограждением — ГО, М^дель VRC-1) и снегового типа, Т. е. с бортовыми КИЛЯМИ, П0СТОЯино погруженными в воду и поэтому, в отличие от первый, не обладающие амфибийностью (аппарат Д. Коксиджа). На ^уДах первого типа в настоящее время применяют ПОЧТИ ИСКЛ1°^ИТельно ро двухъярусного сег­ментного типа, имеющее наи^цшие технико-эксплуатационные

характеристики.

Основными преимуществам^ СВП перед глиссирующими су­дами с близкими по значену скоростями, как и СПК. яв­ляются лучшие ходовые и особенно мореходные качества. Суда с полным отрывом от воды, обладающие амфибийностью, имеют и ряд других эксплуатационных достоинств.

В отличие от глиссирующих судов, СПК и экранопланов, гидродинамическое или аэродинамическое совершенство кото­рых оценивается гндро- или аэродинамическим качеством, для СВП аналогичной характеристикой является эквивалентное аэрогидродииамическое качество судна (или коэффициент эф­фективности). Оно учитывает как сопротивление судна, так и затраты мощности на образование воздушной подушки. Это ка­чество может быть выражено следующей зависимостью:

где D — водоизмещение судна; v — скорость; N — полная мощ­ность энергетической установки (включая мощность привода вентиляторов); т)э — эквивалентный пропульсивиый к. п. д., т. е. к. п. д. движителей и вентиляторов.

В качестве примера можно указать, что эквивалентное ка­чество зарубежных СВП со скоростью НО—120 км/ч достигает довольно высоких значений 7(3 = 94-10, т. е. на 20—30% выше, чем гидродинамическое качество СПК с близкими значениями скорости.

Одним из существенных преимуществ СВП по сравнению с СПК является значительно более медленное падение качества с ростом скорости (см. рис. 116). Физически это объясняется отсутствием контакта судна с водой (у СВП по сопловой схеме). Более того, по данным зарубежной печати, значение эквива­лентного качества у СВП с ростом скорости может даже увели­читься. Объяснение этому парадоксальному явлению следует, по-видимому, искать, с одной стороны, в повышении пропуль — сивиого к. п. д. воздушных винтов с увеличением скорости, а с другой стороны, в резком падении гидродинамического со­противления судна. В связи с отмеченным некоторые зарубеж­ные специалисты при выборе типа стартового устройства для экраноплаиа отдают предпочтение воздушной подушке, а не подводным крыльям.

Эквивалентное гидродинамическое качество у СВП скего — вого типа на малой скорости выше, чем у судов с полным отры­вом от воды, вследствие того, что расход воздуха на образова­ние воздушной подушки у них существенно меньше. Однако считается, что ввиду резкого увеличения сопротивления этих судов с ростом скорости данная схема образования воздушной подушки неперспективна в качестве стартового устройства для рассматриваемых аппаратов.

Мореходность СВП с полным отрывом от воды заметно выше, чем глиссирующих судов. Это объясняется амортизирую­щим действием гибкого ограждения (см. рис. 117). СВП с пол­ным отрывом от воды по мореходности несколько уступают судам с глубокопогруженпыми автоматически управляемыми крыльями. У СВП снегового типа мореходность значительно Х’ЖЄ, чем у судов с полным отрывом от воды, имеющих близкие размерения.

Весьма сложной оказалась проблема обеспечения остойчи­вости СВП с полным отрывом от воды при парении и особенно иа ходу. Это, в частности, подтверждается неоднократными слу­чаями опрокидывания таких судов.

На современных СВП остойчивость обычно достигается сек­ционированием зоны воздушной подушки с помощью продоль­ных и поперечных надувных килей или сопл. Благодаря сек­ционированию необходимый восстанавливающий момент при крене илн дифференте судна появляется в результате естествен­ного перераспределения давления по днищу судна.

На скеговых судах остойчивость чаще всего достигается за счет водоизмещающнх скегов или секционированием воздушной подушки (либо комбинацией этих способов).

Как уже отмечено, воздушная подушка, в отличие от подвод­ных крыльев, обеспечивает судну амфибийность (суда с полным отрывом от воды). Это качество, по мнению авторов упомяну­тых выше проектов, особенно ценно при использовании ее в ка­честве стартового устройства экранопланов, поскольку позво­ляет им самостоятельно выходить на берег или лед.

К недостаткам воздушной подушки в случае ее применения иа экраноплане для повышения взлетно-посадочных характе­ристик относят сложность и ненадежность гибкого ограждения, а также проблему его уборки на расчетном режиме околоэкраи — ного полета аппарата.

Познакомимся более подробно с одним из многочисленных вариантов конструктивного выполнения системы поддува в про­ектах Д. Уорнера, а также с особенностями воздушной подушки у аппарата «Колумбия».

В первых проектах экраноплаиа Д. Уорнера предусмотрена возможность использования для поддува струи двух стартовых Двигателей, вентиляторы которых для повышения эффектив­ности закрыты специальными поворотными козырьками (см. Рис. 59). При старте козырек поворачивается так, чтобы весь отбрасываемый винтами поток воздуха направлялся под основ­ное несущее крыло. После выхода аппарата на основной режим околоэкранного полета козырек устанавливается в горизонталь­ное положение.

Важное нововведение Д. Уорнера — использование в системе поддува мощных малогабаритных вентиляторов, предназначен­ных только для старта аппарата. Эффективность подобных вен­тиляторов должна быть значительно выше эффективности воз­душных винтов, поскольку скорость отбрасываемого имн ВозДуха существенно больше, а следовательно, ощутимее и при — Рэщенне подъемной силы крыла при поддуве.

Продолжая работать над совершенствованием системы под­дува экранопланов, Д. Уорнер в одном из последних своих про­ектов разработал ее вариант с применением в качестве нагне­тателей воздуха под несущее крыло батареи малогабаритных жидкостных ракетных двигателей, установленных в носовой части крыла (см. рис. 78). Отбрасываемая этимр двигателями газовоздушиая смесь приподнимает аппарат из воды, снижая тем самым его сопротивление в момент старта. В целях повы­шения эффективности системы поддува в хвостовой части не­сущего крыла аппарата предусмотрена управляемая заслонка. После выхода экраноплаиа на расчетный режим она устанав­ливается в оптимальное положение из условий обеспечения

Рис. 118. Схема стартового устройства (образования воздушной по­душки) экраноплаиа «Колумбия». 1 — сопло носовой завесы; 2 — носовой вентилятор; 3 — кормовой вентилятор; 4 — маршевый двигатель; 5—сопло кормовой завесы; 6 — ресивер; 7 — сопло боковой завесы.

устойчивости полета аппарата. Повышению стартовых характе­ристик экраноплаиа способствуют и его подводные крылья.

Однако расположение стартовых ракетных двигателей не­посредственно в носовой части несущего крыла нельзя отнести к лучшим решениям. Дело в том, что из теории газовой дина­мики хорошо известен факт интенсивного расширения струи выходящего из сопла газа по мере удаления от него. Расход воздуха также значительно возрастает. Поэтому удаление воз­духодувных стартовых двигателей от крыла на расстояние 10— 12 диаметров сопла могло бы в несколько раз повысить эффек­тивность системы поддува.

Большое внимание обеспечению старта было уделено при проектировании аппарата «Колумбия». В результате исследова­ний, в процессе которых, как уже упоминалось, был построен и испытан ряд моделей, включая н пилотируемую модель, на натурном аппарате приняли довольно сложный вариант стар­тового устройства, предусматривающий создание под дншдем ашзардто воздушной подушки (рис. 118)

Принцип работы этого устройства заключается в следующем. Нагнетаемый вентиляторами сжатый воздух поступает в ре­сивер (расположенный под палубой кольцеобразный замкнутый канал) и затем в сложную сопловую систему, установленную по периметру днища. С целью увеличения высоты парения аппа­рата в режиме разгона и на расчетной скорости и, следова­тельно, повышения мореходности вдоль поплавков установлены гибкие ограждения («юбки»). В носовой н кормовой частях несущего крыла — корпуса (между поплавками) предусмотрены сопловые устройства для образования воздушной завесы. Соп­ловая система в поплавках содержит устройства с поворот­ными лопатками. Эти лопатки помимо регулирования интенсив­ности боковых воздушных завес позволяют изменять направ­ление струи для поворота аппарата н создания дополнительной тяги.

По мере разбега аппарата и роста подъемной силы несущего крыла предусмотрено соответствующее снижение интенсивности носовой и кормовой воздушных завес системы поддува. Когда подъемная сила крыла в результате повышения скорости аппа­рата окажется равной его массе, носовая и кормовая завесы полностью отключаются, и экраноплан продолжает полет, ис­пользуя благоприятный эффект близости земли.

Для облегчения старта используется % мощности всей энер­гетической установки аппарата «Колумбия», что свидетельст­вует о серьезности рассматриваемого вопроса.

Помимо своего основного назначения — обеспечения старта и повышения аэрогидродинамнческого качества в момент раз­бега аппарата — все стартовые устройства применяют также с целью снижения посадочных перегрузок, особенно в условиях волнения.

Из всех известных экранопланов с воздушными движите­лями, пожалуй, только аппарат Н. Дискинсона не оборудован специальным стартовым устройством. Ни один из аппаратов с водяными движителями, насколько нам известно, также не оборудован подобными устройствами. Примененное на «Аэро­боте» И. Троенга подводное крыло и носовые гидролыжи на катере фирмы «Локхид» предназначены в основном для про­дольной устойчивости этих аппаратов.

Кроме кратко рассмотренных конструктивных решений проб­лемы старта в зарубежных проектах встречаются и другие. На­пример, X. Вейландом была предложена система старта для одного из аппаратов, выполненного по схеме катамарана (см. рис. 81), основанной на подкорпусных надувных емкостях. В момент старта эти емкости надувают для некоторого подъема корпуса экраноплана из воды с целью предохранения его от Ударов волн и снижения сопротивления движению. После взлета воздух из емкостей стравливается, и они прижимаются к днищам корпусов катамарана.

>l/z7

В некоторых проектах экранопланов предложены сложные комбинированные системы старта, включающие одновременно несколько типов этой системы. В качестве примера напомним проект Д. Уорнера, где предусмотрены поддув и подводные крылья, и экраноплан фирмы «Дженерал Дайнэмикс» с подду­вом и гидролыжами.