Управляемость и устойчивость экранопланов

Как уже отмечалось, сложность обеспечения удовлетворитель­ных характеристик управляемости и особенно устойчивости эк — ранопланов обусловлена как малой их изученностью, так и необычайным разнообразием режимов движения рассматривае­мых аппаратов. Последнее связано с тем, что при переходе от одного режима движения к другому или с изменением высоты полета характеристики управляемости и устойчивости аппара­тов подчас резко меняются. Тем не менее за рубежом опублико­вано всего 2—3 работы, касающиеся этих вопросов.

Управляемость экранопланов. В отличие от обычных водо — измсщающнх надводных судов рассматриваемые аппараты ха­рактеризуются заметно большими возможностями в отношении перемещения и поворотов в различных направлениях. По этим признакам они ближе стоят к самолетам или подводным лод­кам, чем к обычным судам.

Для выполнения различных маневров экранопланы обору­дуют соответствующими рулевыми устройствами. Характер ру­левых устройств зарубежных экранопланов в значительной сте­пени определяется типом их движителя. Многие аппараты, как мы видели, оборудованы воздушным винтом и только несколько экранопланов имеют в качестве движителя гребной винт. На аппаратах с гребным винтом, т. е. экранопланах, постоянно контактирующих с водной поверхностью, вопросы управляе­мости и устойчивости решаются существенно проще. Это объяс­няется, в частности, тем, что диапазон режимов их движения ограничивается плаванием, глиссированием и полетом в непо­средственной близости от поверхности воды.

4 Для управления по курсу экранопланы, как правило, обо­рудуют одним или двумя воздушными рулями. В связи со срав­нительно небольшими скоростями построенных экранопланов установленные на этих аппаратах воздушные рули отличаются значительными площадями. С целью повышения эффективности рули зачастую помещают в струе воздушного винта. Для хо­рошей управляемости на плаву и в режиме глиссирования на некоторых аппаратах с воздушным движителем помимо аэро­динамического руля предусмотрен еще и водяной руль (напри­мер, экраноплан Х-П2).

В случае применения на аппарате гребного винта (аппарат KAG-3, катер фирмы «Локхид») управление по курсу осущест­вляется обычным водяным рулем или соответствующим измене­нием направления тяги винта в результате поворота подвесного двигателя.

Серьезным затруднением в обеспечении хорошей поворотли­вости экранопланов в горизонтальной плоскости (по курсу) яв­ляется сложность создания боковой силы, необходимой для про­тиводействия скольжению (дрейфу), возникающему под дейст — виєм центробежной силы. Как известно, у водоизмещающих судов дрейфу противодействуют значительные силы сопротивле­ния воды. Хорошая маневренность самолетов в горизонтальной плоскости обеспечивается выполнением крутых разворотов (ви­ражей), когда в противодействии скольжению участвуют не только фюзеляж и хвостовое оперение, но и основное несущее крыло. Очевидно, для многих зарубежных аппаратов, не рассчи­танных на полный отрыв от экрана или летящих в непосредст­венной близости от воды, создание значительных кренов мало реально (касание консолью крыла, шайбой или поплавком на большой скорости поверхности воды нли суши может привести к аварии).

Некоторые зарубежные исследователи (например, У. Бер — тсльсон) указывают также на сложность использования рас­сматриваемых аппаратов прн движении над автострадами в ус­ловиях бокового ветра, когда сила, возникающая на воздушных рулях, может оказаться недостаточной для противодействия сносу и сохранения необходимого направления движения.

Приведенные соображения свидетельствуют о сложности обеспечения достаточной управляемости подобных аппаратов. Правда, маневренность экранопланов в горизонтальной плос­кости может быть резко улучшена в результате посадки на воду (или сушу) и осуществления циркуляции уже в новом режиме движения. Однако это связано с необходимостью контакта с во­дой или сушен и потерей скорости.

Поперечная управляемость экранопланов, т. е. возможность парирования возникающих кренов или умышленное создание их при выполнении виража, обеспечивается на зарубежных экра — нопланах специальными управляющими поверхностями. Иногда это небольшие поверхности, установленные на крыле по типу самолетных элеронов (например, Х-112). На ряде аппаратов оии выполнены, по-видимому, в виде элевон, т. е. осуществляют одновременно функции и элеронов и рулей высоты (возможно, KAG-3, «Аэросани № 8» н др.). Площадь указанных поверх­ностей иногда довольно значительна. Так, суммарная площадь V-образного хвостового оперения на KAG-3 составляет 3,2 м2 или около 35% от 5Нр.

Большое значение для эксплуатации экранопланов имеет обеспечение управляемости в вертикальной плоскости, т. е. по углу тангажа, что особенно важно для аппаратов, которые мо­гут летать вдали от экрана (например, Х-112). Впрочем, и для экранопланов, не предназначенных для этого, органы управле­ния по тангажу необходимы для выполнения взлетно-посадоч­ных операций, изменения высоты околоэкранного полета, пари­рования порывов ветра и пр.

Как известно, самолет с целью обеспечения управляемости в вертикальной плоскости оборудуется рулем высоты. На экра — нопланах Х-112 и Х-113, построенных по самолетной схеме,

также установлено обычное горизонтальное оперение, состоя­щее из стабилизатора и руля высоты. Руль высоты имеется и на некоторых аппаратах У. Бертельсона. На других экранопланах руль высоты в подобном виде не встречается, а выполнен в виде элевон (KAG-3) или закрылков (аппараты Т. Каарио, Н. Дис — кинсона и др.). Руль высоты в таком исполнении служит не только для управления аппаратом по тангажу, но и для облег­чения старта и сохранения заданной высоты полета. Широкое применение закрылков на зарубежных экранопланах обуслов­лено, по-видимому, их высокой эффективностью в этом отно­шении.

Проблема устойчивости экранопланов. Это одна из важньк проблем. О сложности обеспечения необходимой устойчивости свидетельствуют и гибель самоходной модели X. Вейланда. и неудачи экраиоплана KAG-3, а также ряд высказываний зару­бежных специалистов.

Некоторые авторы считают, что данная проблема вообще не может быть решена только лишь рациональной аэродинамиче­ской компоновкой экранопланов. В результате исследований ряда ученых было доказано, что продольную статическую ус­тойчивость этих аппаратов, в отличие от самолетов, можно обе­спечить лишь правильным выбором его аэродинамической ком­поновки (наряду с центровкой). Для этого положение фокуса по высоте над экраном должно быть впереди фокуса по углу атаки. Довольно обширные теоретико-экспериментальные иссле­дования этой проблемы в 1971 —1973 гг. были выполнены за рубежом Р. Галлиигтоном, М. Миллером и др. (см. гл. II).

При рассмотрении различных путей обеспечения продольной устойчивости у самолетов, выполненных по схеме «бесхвостка», выше были указаны решения этой проблемы, предложенные в 30-х годах советским конструктором Б. Н. Черановским. При­мерно с такими же трудностями встретились и конструкторы за­рубежных экранопланов, остановившие свой выбор на схеме «летающее крыло». Впрочем, и некоторым авторам аппаратов, выполненных по самолетной схеме, преодолеть эти трудности также оказалось не под силу (X. Вейлапд). Сложность про­блемы заключается в зависимости аэродинамического фокуса крыла вблизи земли от двух параметров: расстояния до экрана h и угла атаки а. Уместно напомнить, что вдали от земли поло­жение фокуса самолетов практически не зависит от угла атаки н наряду с положением его ЦТ довольио-таки однозначно опре­деляет продольную статическую устойчивость самолета.

Выполненные Ш. Эндо исследования показали, что прн рас­смотрении продольной устойчивости экранопланов приходится встречаться с особенностями, ранее подмеченными при исследо­вании устойчивости самолетов. Так, с увеличением угла атаки « и приближением его к величине, соответствующей С„ , на­клон кривых коэффициента продольного момента С, н = /(а) на­рушается и образуется так называемая «ложка». Причина ее появления в данном случае — попадание хвостового оперения, при достаточно больших углах атаки, в зону интенсивного тор­можения потока за крылом, имеющего к тому же значительные углы скоса. Эту причину удалось обнаружить посредством ви­зуализации спектра потока в районе хвостового оперения при продувке модели аппарата. В результате пикирующий момент, являющийся в данном случае стабилизирующим, резко падает и происходит потеря продольной устойчивости аппарата, графиче­ски выражающаяся в виде кривых с положительным наклоном.

Важность проблемы устойчивости для безопасной эксплуатации экранопланов определяется тем, что рассматриваемые аппараты движутся с большой скоростью в непосредственной близости от воды или земли. В авиации маневр взлета и посадки, когда самолет находится вблизи земной поверхности, считается одним из самых ответственных (около 40% всех аварий происходит именно при выполнении этого маневра).

При полете экранопланов над взволнованной поверхностью моря, где на аппарат действует периодически изменяющаяся во времени подъемная сила, положение еще более осложняется. Изменение подъемной силы и точки ее приложения, естественно, вызывает появление дополнительных моментов и разбаланси­ровку аппарата. Однако в отличие от самолета на экраноплане в распоряжении пилота отсутствует спасительный запас высоты, необходимый для выполнения соответствующего маневра с по­терей высоты.

За рубежом проведены специальные исследования устойчи­вости аппаратов. В их числе экспериментальные исследования, выполненные в 1963 г. X. Вейлаидом посредством катапульти­рования модели на треке с имитацией взволнованной поверх­ности моря, работы специалистов фирмы «Кавасаки» и др. В ре­зультате установлено, что модель не обнаруживает стремления следовать профилю волн даже при значительной их длине, а со­вершает устойчивый полет.

Одним из важных видов устойчивости самолета или экрано — плаиа является так называемая продольная статическая устой­чивость, которая для самолета обычно характеризуется запасом (или степенью) продольной статической устойчивости Х3 у = = Хе—хцт. Эта устойчивость обеспечивается выбором соответст­вующей аэродинамической компоновки самолета и взаимным расположением его ЦТ и аэродинамического фокуса.

Если в авиации существуют обоснованные критерии и нормы устойчивости, то в экранопланостроенин, судя по зарубежным публикациям, эта проблема является одной из самых неизучен­ных. Более того, после ряда неудач (X. Вейланд, фирма «Кава­саки» и др.) высказывались сомнения в принципиальной воз­можности ее решения для экраноплаиов, против чего энергично возражал в печати А. Липпвш.

Одиночное крыло или аппарат, выполненный без хвостового оперения, как правило, не обладают необходимой продольной статической устойчивостью (эксперименты Ш. Эндо и др.). В связи с этим на всех самолетах и экранопланах предусмо­трены специальные устройства. Так, на последней и наиболее совершенной модификации «Аэросаней» Т. Каарио установлены две весьма развитые хвостовые балки с небольшими стабилизи­рующими поверхностями, по-видимому, постоянно контактирую­щие с поверхностью воды или снега (см. рис. 62). На катере И. Троенга предусмотрено небольшое хвостовое подводное крыло (см. рис. 61) Для обеспечения продольной устойчивости первый же катер фирмы «Локхид» был оборудован двумя носовыми ги­дролыжами.

Проблема устойчивости аппарата была тщательно исследо­вана специалистами фирмы «Кавасаки» при создании экрано — плана KAG-3. Правда, эксперименты касались лишь аппарата, выполненного по схеме «летающее крыло». Однако были рас­смотрены различные типы хвостового оперения, шайб, поплав­ков, кабины экипажа и пр. В результате установлено: с прибли­жением модели к экрану аэродинамический фокус смещается назад, что приводит к повышению продольной статической ус­тойчивости. Замена тонких концевых шайб поплавками, приня­тыми в окончательном варианте проекта KAG-3, обусловливает заметное смещение фокуса вперед и соответствующее снижение продольной устойчивости. Это дестабилизирующее влияние по­плавков объясняется подсасывающей силой, действующей на их днище. Одиако в отчете об испытаниях аппарата KAG-3 от­мечается, что установка иа днище поплавков специальных про­дольных ребер, препятствующих вытеканию воздуха из-под крыла и, следовательно, уменьшающих подсасывающую силу, способствовала резкому снижению дестабилизирующего влия­ния поплавков. Подсасывающего эффекта на поплавках, имею­щих обратную (внутреннюю) килсватость, не наблюдалось.

Оборудование экраиоплаиа надстройкой (кабиной экипажа) вызвало увеличение кабрирующсго момента и, как следствие, падение продольной устойчивости. Возникновению кабрирую — щего момента способствовала также установка гребного винта.

В процессе исследований оценивалась также эффективность различного типа хвостового оперения. Было установлено, что наиболее эффективным в аэродинамическом отношении явля­ется V образное оперение (рис. 125).

Продувки моделей с замером давлений иа хвостовом опере­нии и визуализацией спектра потока в районе хвостового опере­ния позволили установить: пониженная эффективность оперения типа «чайка» ( || — образное) объясняется лишь тем, что оио

попадало в зону нисходящего потока вихрей, стекающих с поплав­ков модели. Это приводило к появлению кабрирующего момента и, как следствие, к снижению продольной устойчивости. В то же время несколько смещенное в иос V-образное оперение ока­залось расположенным в районе восходящей части вихря, сбе­гающего с крыла (и поплавка) аппарата, что и вызвало повы­шение его эффективности.

Интересно отметить, что, несмотря на довольно обширные исследования вопросов устойчивости, продольная статическая

Рис 125 Зависимость коэффициентов ДСу и ДСх мо­дели экраноплана KAG-3 от типа его хвостового опе­рения ДСу = С— модель с хвостовым оперением; С— модель без хвостового оперения; для ДСх — анало­гично). I — V-образное оперение с <р=35в; 2—V-образное опере­ние с ф=7,5’’; 3 —“I I—образное оперение

устойчивость аппарата KAG-3 оказалась необеспеченной [на рис. 126 видно: наклон касательных к кривым Cm=f(Cy) при всех значениях относительной высоты h и углах атаки а положи­телен].

По мнению зарубежных специалистов, с целью повышения эффективности горизонтального стабилизатора-его необходимо поднимать выше и выводить из зоны скоса потока за несущим крылом. В связи с этим ряд зарубежных экранопланов был обо­рудован высоко расположенными стабилизаторами. Одним из первых применил такой стабилизатор на своей пилотируемой модели с крыльями, расположенными тандем, X. Вейланд. По — добиый довольно развитый стабилизатор предусматривался и па спроектированном экраноплаие «Колумбия».

Поскольку в печати ие появлялось сведений о каких-либо трудностях с обеспечением устойчивости экраноплана Х-112 А. Липпиша, можно предположить, что иа этом аппарате во­прос устойчивости полета решен. Продольная устойчивость экраиоплаиа обеспечивается главным образом высоко установ­ленным на вертикальном оперении развитым стабилизатором. Испытания аппарата Х-112, по оценке его конструктора, пока­зали вполне удовлетворительные характеристики устойчивости

Рис. І26. Зависимость коэффициента продольного мо­мента модели экраноплана KAG-3 от угла атаки и от­носительной высоты полета, — ———— модель С центровкой *ц’г[=45% Ь ————————- модель с центровкой хц-р =40% Ь;—————— модель с продольными реб­ рами на днище поплавков.

при движении на всех режимах, включая и полет на значитель­ном удалении от экрана. А. Липпиш считает, что для экрано — плаиов с воздушным движителем, т. е. предназначенным для движения без постоянного контакта с водной поверхностью, в целях безопасной эксплуатации аппарата в сложных гидро­метеорологических условиях (ветер, волнение и пр.) и при ава­рийных ситуациях устойчивость необходима и в случае полета вие пределов влияния экрана.

С помощью высоко расположенного стабилизатора предла­гают обеспечивать устойчивость и другие зарубежные специа­листы, разрабатывающие проекты экранопланов по самолетной схеме (см. рис. 81).

Поперечная устойчивость экранопланов обеспечивается го­раздо проще. За счет эффекта самого экрана при крене аппа­рата происходит резкое возрастание подъемной силы на части крыла, приближающейся к экранирующей поверхности, что и

приводит к появлению восстанавливающего момента. На рис. 127 показаны характеристики аппарата KAG-3 при различных углах крена. Восстанавливающий момент возрастает с увеличе­нием углов крена примерно до 5—6°. На этом же рисунке приве­дены зависимости аэродинамических коэффициентов Су. Сх и Ст, а также боковой силы Z от угла крена у. Коэффициент продоль­ного момента Ст заметно падает с ростом угла крена.

Путевая устойчивость рассматриваемых аппаратов обеспечи­вается способами, принятыми в авиации,— соответствующим вы­бором площади вертикального оперення и его размещением относительно ЦТ экраноплана. Однако на аппарате KAG-3 (рис. 128) не удалось добиться удовлетворительных характеристик этой устойчивости, что, возможно, следует объяснить некоторой поспешностью, с которой был создан экраноплап.

Кроме моментиых характеристик аппарата на рис. 128 пока­заны зависимости аэродинамических коэффициентов С’х, Су, Ст, а также боковой силы Z и поперечного восстанавливающего
момента Мх от угла скольжения р (при а = 0). С увеличением угла скольжения коэффициент Су повышается весьма незначи­тельно, в то же время С’х, Z и Мх растут довольно интенсивно до больших значений. Следовательно, увеличение угла скольже­ния в общем благоприятно влияет на продольную устойчивость аппарата Ст, особенно при малой относительной высоте полета

(7Г=о, оі).

Z — боковая аэродинамическая сила: С’х — коэффициент сопротив­ления н направлении воэдушного потока; Мд.—поперечный восставав

Решение проблемы устойчивости н управляемости экрано — планов на переходных режимах (взлет, посадка) нередко свя­зано со значительными трудностями. Это, как известно, свой­ственно и многим другим видам транспортных средств: самоле­там, СПК н СВП. Сложность проблемы обусловлена главным образом тем, что действующие на аппарат на этих режимах внеш­ние силы и моменты резко меняются во времени. В то же время эффективность устройств (рулен, элеронов, стабилизаторов, ПОД­ВОДНЫХ крыльев и др.), регулирующих эти изменения, зачастую бывает недостаточной.