Некоторые характеристики ходовых и мореходных качеств экраноплвнов

Данных о ходовых и мореходных качествах экранопланов раз­личных типов накоплено очень мало. Поэтому рассмотрим лишь некоторые аспекты вопроса, нашедшие отражение в зарубежной периодической печати.

Ходовые качества экранопланов. Одной из особенностей рассматриваемых аппаратов является способность их движения в самых различных режимах: в режиме плавания, глиссирова­ния и, наконец, в основном режиме — околоэкранного движения. Кроме того, ряд зарубежных экранопланов рассчитан на движе­ние в режиме «ползания» по суше (аппараты Т. Каарио, У. Бер- тельсона и др.), а экранопланы А. Липпиша X-112 и X-113 мо­гут совершать полеты и вдали от экрана, т. е. в чисто самолет­ном режиме. Как видим, диапазон различных режимов движения рассматриваемых аппаратов велик и практически немыслим ни для одного из транспортных средств.

Кратко охарактеризуем два основных режима движения, присущих экранопланам почти всех типов,— режим глиссиро­вания и основной режим движения вблизи экрана. Важным и напряженным является режим глиссирования аппарата в мо­мент его разбега. Аэрогидродинамическое сопротивление в про­цессе разбега быстро возрастает и при критической дорости (^кр = 0,4-г 0,6 Ротр) достигает максимума («горб» на кривой сопротивления). Преодоление «горба» сопротивления, особенно в условиях волнения, может быть расчетным случаем для опре­деления потребной мощности энергетической установки аппа­рата (см. рис. 114).

После преодоления «горба» сопротивление экраноплана резко падает за счет выхода его корпуса из воды. Аэродинами­ческое качество в процессе разбега с ростом сопротивления па­дает, а после достижения минимального значения в районе «горба» начинает довольно быстро расти.

Характерная особенность экранопланов — сохранение высо­кого значения аэродинамического качества независимо от ско­рости движения на расчетном режиме околоэкранного полета (см. рис. 114). В то же время одним из существенных недостат­ков СПК является резкое падение гидродинамического качества с ростом скорости движения. Так, если значение качества при

скорости движения судов на подводных крыльях 50—60 км/ч достигает 13—14, то при скорости 140—150 км/ч оно падает до 7—8. Даже у лучших зарубежных морских судов «Хай Пойнт» (массой ПО т) и «Плэйнвью» (массой 320 т) с автоматически управляемыми крыльями значение гидродинамического ка­чества при скорости движения 120—150 км/ч составляет всего 6-8.

Интересно привести для сопоставления данные об аэро — и гидродинамическом качестве других, смежных с экранопланами видов транспорта. У самолетов значение аэродинамического качества достигает 15—18 и на дозвуковых скоростях полета, как правило, сохраняется практически неизменным. Аэродина­мическое качество СВП и вертолетов заметно ниже, чем у са­молетов.

Таким образом, у скоростных транспортных средств значе­ние аэродинамического качества не превышает 16—18. В то же время, по оценке зарубежных специалистов (А. Липпнша, X. Вейланда, Ш. Эндо и др.), на крупных экранопланах буду­щего оно может достигать 25—30 и более. Поскольку аэро — нли гидродинамическое качество имеет решающее значение для эко­номической эффективности любого транспортного средства, предсказываемое высокое значение такого качества может вы­двинуть экранопланы в число наиболее выгодных скоростных транспортных средств.

Все основные летные характеристики рассматриваемых ап­паратов в значительной степени зависят от относительной вы­соты полета h. Именно этот параметр движения определяет зна­чения коэффициентов Су и Сх и, как следствие, аэродинами — q

ческос качество аппарата К = Если учесть, что потребная для

песета мощность равна А/п =—— . то становится понятным р 75/Ctj

стремление зарубежных специалистов обеспечить минимальные значения относительной высоты полета экранопланов, при ко­торых достигается высокое качество, а следовательно, и мини­мальные значения потребной мощности (или тягн). Так, повы­шение реализуемого экранопланом аэродинамического качества за счет снижения высоты полета, например с 15 до 20, обеспе­чит при прочих равных условиях или увеличение дальности его полета приблизительно на 30% или, при той же дальности, уве­личение на 15—20% полезной нагрузки аппарата.

На рис. 119 показана расчетная зависимость аэродинами­ческого качества экраноплана массой 18,1 т, спроектированного фирмой «Локхид», от высоты полета. Увеличение высоты полета аппарата с 0,6 до 3 м приводит к падению реализуемого ка­чества с 33 до 18, т. е. почти вдвое.

Абсолютная высота полета h зависит от ряда факторов, в частности, от состояния экрана (волнение моря, состояние 1’/а7*

поверхности и пр.). Относительная высота полета, значение которой определяет аэродинамическое ка­

чество экраноплана при одной и той же абсолютной высоте, является функцией размеров несущих крыльев аппарата, точ­нее, размеров хорды Ь. Этими соображениями" и обусловлен вывод зарубежных специалистов (X. Вейланда и др.) о том, что в данном виде транспорт­ного средства будущее, безус­ловно, принадлежит достаточно большим экраиопланам. При оценке приводимых ниже ходо­вых качеств аппаратов непре­менно следует учитывать не только их экспериментальный и далеко не совершенный харак­тер, но и малые размеры.

Интересные материалы, ка­сающиеся влияния размеров экранопланов на его аэродина­мическое качество, опубликованы фирмой «Локхид». На рис. 120 показана зависимость летных характеристик экрано­планов с постоянной нагрузкой на крыло 195 кгс/м2 от их пол-

Рис. 120. Зависимость летных характеристик экраноплана от его
массы и высоты полета: а — абсолютной высоты полета от массы
экраноплана (при /i=const); б — аэродинамического качества экрано-
плана от его массы (при A = const).

ной массы. На графике видно, что, например, увеличение массы аппарата с 10 до 100 т при постоянной удельной нагрузке на крыло (в случае полета на высоте /г = 0,05) дает возможность повысить h с 0,6 до 1,8 м, т. е. в 3 раза (рис. 120,а), с соответ­ствующим улучшением мореходности и безопасности полета. В результате существенного увеличения числа Рейнольдса, при­водящего к уменьшению лобового сопротивления, резко возра­стает аэродинамическое качество аппарата (рис. 120,6), а сле­довательно, и его экономическая эффективность.

Довольно всесторонне основные аэрогидродинамические ха­рактеристики, в том числе и ходовые качества рассматриваемых аппаратов, были исследованы японскими специалистами при создании экраноплана KAG-3 (Ш. Эндо и др.).

Модельные испытания ходовых качеств в опытовом бассейне

проводились до значений числа Фруда, равных Fr = —^=—1,8.

V gL

Установлено, что в районе критической скорости («горб» со-

R, кзс Рис. 121. Кривые сопротивления движению и тяги двига­теля экраноплана KAG-3, полученные в процессе натурных испытаний аппарата.

/ — тяга двигателя во время зимних испытаний с двумя членами экипажа; 2 — тяга двигателя во время летних испытаний; 3 — со­противление аппарата во время зимних испытаний с двумя чле нами экипажа (верхняя кривая — попутный ветер 1,5—2,5 м/с; нижняя кривая — встречный ветер 3.5 м/с); 4 — сопротивление во время летних испытаний с одним человеком на борту (скорость ветра та же); 5 — сопротивление во время летних испытаний с двумя членами экипажа на борту.

противления), соответствующей числу Фруда 1,4, аэрогидроди — намическое качество модели составляло всего около 4,6. В про­цессе проведения натурных испытаний катера KAG-3 были по­лучены несколько лучшие данные, чем при буксировочных испытаниях моделей. В частности, определено, что «горб» со­противления соответствует скорости 0 = 20—30 км/ч. С увеличе­нием скорости сопротивление катера заметно падает из-за вы­хода поплавков из воды вследствие разгрузки их подъемной силой крыла. На рис. 121 показаны кривые сопротивления дви­жению и тяги двигателя экраноплана KAG-3. При критической скорости аэрогндродинамнческое сопротивление составляет 130—150 кгс, что прн массе экраиоплана Gn = 690 кг обусловли­вает значение минимального качества 4—5,3. Напомним: у эк — раноплана X-112 значение качества в районе «горба» сопротив­ления равно 6,7 (см рис. 115).

После преодоления «горба» сопротивления аэрогидродина — мическое сопротивление аппарата заметно снижается вследст­вие выхода поплавков из воды. На расчетной скорости около — экраниого полета (v = 80-^85 км/ч) сопротивление движению составляет всего 50—55 кгс, а качество повышается до 12,5— 14. Таким образом, подъемная сила крыла, разгружая аппарат, обеспечивает повышение качества почти в 3 раза Коэффициент подъемной силы крыла на расчетном режиме Су=1,24.

При скорости около 85 км/ч, когда аппарат движется почти полностью в воздухе, гидродинамическое сопротивление поплав­ков незначительно н замеренное полное сопротивление собст­венно аппарата довольно близко к аэродинамическому На рас­четной скорости движения сопротивление стойки гребного винта достигает 50—60 кгс, что составляет около половины распола­гаемой тяги винта Авторы проекта отмечали, что в данном слу­чае движитель в виде воздушного винта был бы безусловно це­лесообразнее.

В процессе испытаний установлена недостаточная эффектив­ность поплавков в качестве концевых шайб при движении на крейсерских режимах. Это обстоятельство, а также сравни­тельно малое удлинение крыла (А = 0,72) и обусловили отно­сительно невысокое аэрогидродинамическое качество аппарата

На основании полученных результатов японские специа­листы делают вывод о том, что для крупных экраиопланов с су­щественно лучшей аэрогидродинамикой, чем у KAG-3, вполне реально ожидать получения на расчетном режиме движения коэффициента Су=1,2 и аэрогидродинамнческого качества по рядка 20 н более. При этом удлинение крыла может быть даже сохранено в прежних пределах (А = 0,7ч-0,8).

Определенный интерес представляют также некоторые дан­ные о результатах натурных буксировочных испытаний экрано плана А. Липпиша Х-112, частично уже рассмотренные выше. В процессе буксировки этого аппарата специальный катером была получена кривая буксировочного сопротивления до ско­рости 56—62 км/ч (см. рис. 115). Прн критической скорости движения равной аьр = 15 км/ч (т. е. в районе «горба» сопро­тивления), аэрогидродинамическое качество экраиоплана со­ставляет 6,7, т. е. приблизительно равно его значению у глнс серов. Лишь в случае скорости свыше 50 км/ч аэродинамическая подъемная сила крыла становится достаточно ощутимой, проис­ходит разгрузка аппарата и, как следствие, резкое снижение сопротивления с соответствующим повышением аэрогидродица — мического качества экраиоплана.

А. Липшиц отмечает, что в режиме околоэкранного полета аэродинамическое сопротивление составляет всего 10 кге, т. е. 4—5% от общей массы аппарата. Таким образом, аэродинами­ческое качество данного экраноплана на расчетном режиме было уже сравнительно высоким (20—25). Наибольшее значе­ние аэрогидродинамического качества, замеренное в процессе летных испытаний аппарата Х-112, достигало 30. Однако, по утверждению А. Липпиша, и это далеко не предел. В процессе дальнейшего развития экранопланов и создания крупных аппа­ратов с отработанной аэродинамикой вполне реально получение аэрогидродинамического качества на расчетном режиме около 40—50.

Результаты ходовых испытаний экранопланов Х-112, KAG-3 и «Клипера», сопоставленные В. Б. Корягиным (рис. 122), по­казывают, что максимальным ходовым качеством обладает аппарат Х-112, а наименьшим — экраноплан KAG-3.

У обоих катеров (KAG-3 и «Клипер»), имеющих в качестве движителя греб­ной винт, значения аэрогидродинами­ческого качества низкие. По-видимому, это можно объяснить особенностями их двигательно-движительного компле­кса. Правда, у «Клипера» на макси­мальной скорости около ПО км/ч аэ- рогидродинамичсское качество дости­гает 19, т. е. выше, чем у глиссирую­щих судов и даже у СПК-

Приведенные краткие данные о хо­довых качествах некоторых экранопла­нов показывают, что все характеристи­ки изменяются в широком диапазоне Так, скорость построенных аппаратов колеблется от 50 до 250 км/ч, а такая важная характеристика технического уровня экраноплана, как его аэрогидродинамиче — ское качество, на расчетном режиме движения — от 12 до 30.

Мореходные качества экранопланов. Под мореходными ка­чествами экранопланов по аналогии с гидросамолетами можно понимать совокупность свойств, обеспечивающих безопасность нх эксплуатации при заданных гидрометеорологических усло­виях (плавучесть, непотопляемость, остойчивость, управляе­мость и поведение в условиях волнения).

Нет необходимости подробно говорить о важности обеспече­ния высоких мореходных качеств. Именно эти качества, а точ нее, поведение в условиях волнения, и определяют предельно допустимые для эксплуатации гидросамолетов и подобных им аппаратов значения балльности моря.

Данных о запасе плавучести зарубежных экранопланов, н
остойчивости и непотопляемости опубликовано не было. По­скольку при создании этих аппаратов широко используется опыт гидросамолетостроеиия, то укажем, что на летающих лодках запас плавучести обычно составляет 300—350%. В последнее время наблюдается тенденция к уменьшению этого запаса, что благоприятно сказывается иа летиых качествах гидросамоле­тов Поперечную остойчивость гидросамолетов, как правило, обеспечивают поддерживающими поплавками. Непотопляемость их рассчитывают для случая затопления двух любых смежных отсеков.

В процессе многочисленных мореходных испытаний гидроса­молетов было установлено, что наибольшие перегрузки и напря­жения в элементах корпуса возникают обычно в процессе разбега иа волнении при ско­рости В='(0,5-і-0,6) Овзл.

Важное значение для экра — иопланов, как и для гидроса­молетов, имеет обеспечение не — заливаемости, защита от брызг двигательио-движитель — иого комплекса, снижение пе­регрузок аппарата в момент взлета и посадки. В отличие же от гидросамолета доста­точно полное использование эффекта близости экрана рас­сматриваемыми аппаратами ВОЗМОЖНО Лишь в условиях низкого околоэкранного по­лета. В противном случае, с ростом относительной высоты по­

лета теряется выигрыш в аэродинамическом качестве и создание подобных аппаратов становится нецелесообразным. Таким об­разом, к мореходности экраиоплаиов предъявляются весьма жесткие требования. Правда, используемая экраиопланами ди­намическая воздушная подушка и особенно такие стартовые устройства, как система дополнительного поддува («Колум­бия»), значительно снижают взлетно-посадочную скорость,

а следовательно, и возникающие в процессе взлета и посадки перегрузки.

С ростом балльности волнения, Т. е. ВЫСОТЫ волн, в целях безопасности должна быть увеличена и высота полета экраио — плана. Это, естественно, вызывает соответствующее падение аэродинамического качества аппарата, рост потребной мощно­сти 41, как следствие, снижение дальности его полета (рис. 123).

Оценивая гидродинамическую компоновку зарубежны* экра — нопланов с точки зреиия их мореходности, прежде всего сле­дует отметить, что за редким исключением эти небольшие эк­
спериментальные аппараты со сравнительно малой высотой полета не могут обладать хорошей мореходностью. Такую оценку дают и зарубежные специалисты — авторы проектов эк — ранопланов (Ш. Эндо и др.).

Для примера приведем следующие данные. Аппарат KAG-3 во время мореходных испытаний выходил на расчетный режим движения при высоте волн, равной 6% (н несколько больше) от длины по ватерлинии, т. е. около 35 см. Перегрузки от ударов волн хотя н были несколько меньше, чем у соответствующего глиссирующего катера, однако превышали допустимые для оби­таемости экипажа аппарата. Одним из путей снижения пере­грузок, по мнению авторов проекта KAG-3, могло быть придание большей кнлеватости поплавкам аппарата. Правда, это связано со снижением гидродинамического качества экраноплана при разбеге, что может потребовать оборудования его специаль­ными стартовыми устройствами, например, в виде поддувиых двигателей (по типу «Колумбия»).

Выше уже было обращено внимание на то, что в целях по­вышения мореходности своего экраноплана Х-113 А. Липпиш перенес двигатель из носовой части его корпуса на ферму, уста­новленную за кабиной пилота (см. рис. 72). Забрызгиваемость двигательно-движительного комплекса в данном случае сни­жена явно в ущерб эффективности системы поддува, основан­ной на использовании потока воздуха, отбрасываемого винтом под несущее крыло. В процессе испытаний экраноплана Х-113 конструктор заменил тянущий винт на толкающий. Это было обусловлено стремлением еще более снизить забрызгиваемость винта.

Последний вариант компоновки двигательно-движительного комплекса, вероятно, вполне удовлетворил А. Липпиша, по­скольку именно он, как известно, был им применен для шести­местного экраноплана Х-114.

Выше были приведены основные результаты летных испыта­ний аппарата Х-113, осуществленные в 1970—1972 гг. Они по­зволили установить и мореходность экраноплана, который со­вершал взлетно-посадочные операции при высоте волн до 0,75 м (2 балла) и ветре до 12,5 м/с.

Интересные данные о мореходности экранопланов (рис. 124) приводит В. Б. Корягин. По его расчетам, чтобы обеспечить по­лет экраноплана без единого касания гребней волн на большом расстоянии не требуется резкого увеличения высоты полета. Так, в случае увеличения протяженности рейса с 2 до 1850 км при волнении 5 баллов необходимо повысить высоту полета ап­парата примерно на 0,5 м.

Согласно прогнозам специалистов фирмы «Винкл Рисерч Корпорейшн» высокими мореходными качествами должен обла­дать спроектированый экраноплан «Колумбия». Высота полета его на эксплуатационном режиме предполагается равной 3,7 м,

считая до основного корпуса (несущего крыла). Однако в пе­чати не сообщалось о предельно допустимой балльности моря, при которой будут достаточно падежными взлет и посадка этого аппарата.

Интересные исследования возможности эксплуатации экра — нопланов па океанских линиях проведены недавно фирмой «Локхид». Они позволили установить, в частности, что средне­годовая высота полета аппаратов в этих рейсах может быть довольно низкой. Так, для сообщения между Америкой и Гавай­скими островами допустима средняя высота полета всего 1,25 м, хотя в данном районе бывают волны высотой до 18,3 м. В неко­торой степени этот вывод подтверждается и графиком на

рис. 124. Суда ла воздуш­ной подушке для таких маршрутов оказались бы непригодными.

Зарубежные исследо­ватели утверждают, что наиболее перспективны­ми являются крупные ап­параты, на которых мо­жно получать высокие значения аэродинамиче­ского качества за счет малости относительной высоты полета при доста­точно больших для мор­ской эксплуатации абсо­лютных значениях этой высоты.

Одной из важных и ценных особенностей эк — ранопланов, отличаю­щей их от ряда других быстроходных транспорт — иых средств (исключая СВП), являются высокие амфибийные качества. Многие из по­строенных аппаратов предназначены для движения по воде, льду, снегу, болоту и суше. Аппараты У. Бертельсонз последней модификации могут, кроме того, преодолевать склоны крутиз­ной до 20° и глубокие каиавы. Шестиместный экраноплан Х-114 А. Липпиша, построенный в 1976 г., в целях повышения амфи­бийных качеств оборудован убирающимися шасси.

Роль амфибийных качеств и проходимости для эксплуата­ции экранопланов (сокращения протяженности рейса и удоб­ства пассажиров) велика. Это подтверждает опыт эксплуатации английских судов на воздушной подушке типа SRN-5 и SRN-6 иа каботажных линиях, зачастую с мелководными участками#