Особенности проектирования экранопланов

В настоящее время еще не создано законченной методики про­ектирования экранопланов. Ввиду начальной стадии работ в данной области отсутствуют необходимые статистические ма­териалы, результаты систематических параметрических испыта­ний моделей, т. е. все то, что необходимо для разработки подоб­ной методики. В то же время на основе опубликованных статей А. Липпиша, Ш. Эндо, В. Корягина и особенно Д. Мак-Мастерза можно представить в общих чертах схему, которой следуют за­рубежные экранопланостроители, проектируя эти аппараты.

Применяемые методы проектирования экранопланов анало­гичны тем, которые используются авиационными специалистами многих стран мира. Это, по-видимому, можно объяснить очевид­ной близостью экранопланов по своей конструкции и расчетному режиму движения (полета) к самолетам, разработкой их чаще всего авиационными фирмами («Боинг», «Локхид», «Кавасаки» и др.) и большим опытом работы многих авторов проектов экра­нопланов в авиации (А. Лнппиш, В. Корягин, Д. Мак-Мастерз и др.).

Как и в авиации, в судостроении при проектировании экра­нопланов широко применяется метод последовательных прибли­жений. Это обусловлено значительным количеством подлежащих определению неизвестных характеристик аппаратов при ограни­ченном числе математических зависимостей (уравнений), кото­рые можно составить для их вычисления. Иногда после опреде­ления элементов аппарата в первом приближении дальнейшая оптимизация их производится вариантным методом, последова­тельным изменением значений элементов (например, размаха крыла, мощности энергетической установки и т. д.).

Известны случаи применения в зарубежной практике сле­дующей последовательности расчетов, графических прорисовок и экспериментальных исследований в начальных стадиях разра­ботки проекта экраноплана.

На основании технического задания (условий, требований) на проектирование аппарата (если оно имеется), его назначе­ния, имеющегося у автора проекта опыта с помощью метода относительных масс определяется полная масса аппарата. Для этого полную массу экраноплана разбивают на несколько групп. Например:

GnH— масса полезной нагрузки, состоящая из экипажа, пас­сажиров, груза, оборудования н т. д.;

GK— масса корпуса; у — масса двигательной установки;

GT. с — масса топлива и топливной системы.

Тогда уравнение баланса масс, записанное в долях от полной массы, будет иметь вид [7]

Масса Gn. H зависит от назначения аппарата, и, как правило, ее можно определить в самом начале проектирования (все со­ставляющие известны). Относительные массы конструкции, дви­гательной установки и топлива определяют обычно с помощью приближенных формул или по достаточно близким прототипам, т. е. аппаратам с идентичными характеристиками. При этом проверяется правильность принятого решения относительно со­става двигательио-движительного комплекса.

В связи с отсутствием необходимых статистических данных по рассматриваемым аппаратам некоторые зарубежные специали­сты (например, Д. Мак-Мастерз) для расчета этих характери­стик пользуются зависимостями, разработанными в авиации. После определения полной массы аппарата рассчитывают в пер­вом приближении основные размеры и характеристики его эле­ментов (корпуса, крыла, хвостового оперения и т. д.), широко используя опыт создания экраноплаиов аналогичной схемы и близкого назначения. Затем находят нанвыгоднейшее сочетание основных элементов и размеров аппарата, которое обеспечит наибольшую эффективность экраноплаиа при решении им основ­ной задачи. Для этого используют уравнения и зависимости элементов и параметров аппарата, полученные на основе обра­ботки технических материалов построенных экраноплаиов (или самолетов).

Весьма важным моментом в проектировании аппаратов яв­ляется разработка его внешней схемы (схемы общего располо­жения), определяющей аэродинамическую и конструктивную компоновки. Эта схема дает возможность в первом приближении не только выбрать архитектурный облик экраноплаиа, его ос­новные размеры, но и некоторые характеристики основных эле­ментов аппарата (корпуса, крыла, хвостового оперения и т. д.). Конструктивной схемой завершается разработка компоновочных чертежей; на нее наносят основные элементы силовой схемы ап­парата и положение его ЦТ для характерных случаев нагрузки. Расчет центровки экраноплаиа, как и самолета, играет исключи­тельно важную роль, в частности, ои в значительной степени определяет его продольную статическую устойчивость.

На основании внешних схем изготавливают модели аппарата для испытаний их в аэродинамической трубе и в буксировочном бассейне. Как уже было отмечено, в последние годы нередко испытывают также кордовые и радиоуправляемые самоходные модели.

Испытания модели в аэродинамической трубе позволяют найти значения коэффициентов Су, Сх и Ст в зависимости от угла атаки, которые необходимы для аэродинамического расчета аппарата. Этот расчет позволит определить летиые свойства экраноплаиа (скорость, дальность полета, устойчивость и др.). Для его выполнения необходимо иметь поляру крыла и аппа­рата— зависимость коэффициента подъемной силы от коэффи-

циеита сопротивления (рис. 129) и диаграмму располагаемой мощности (или тяги) двигательной установки.

Поляра аппарата отличается от поляры крыла сопротивле­нием конструкций аппарата, не создающих или практически не создающих подъемной силы. К таким конструкциям можно от­нести корпус аппарата (фюзеляж), оперение, поплавки и др. На долю этих конструкций приходится тем ие меиее существен­ная часть лобового сопротивления летательного аппарата.

Поляра может быть получена Иа основании продувок модели крыла или аппарата в целом н последующего пересчета полу­ченных результатов на условия натуры. Построенная иа осно­вании продувок модели поляра эквидистантно сдвигается для

натуры на значение по­лученной расчетом по­правки Д Сх, учитываю­щей уменьшение коэффи­циента Сх по сравнению с моделью вследствие значительного возраста­ния числа Рейнольдса.

Зная характеристики энергетической установ­ки, можно построить гра фик, показывающий зави симость между распола­гаемой и потребной мощ­ностью (или тягой) и скоростью движения, т. е. диаграмму располагае­мой и потребной мощности или тяги (рис. 130). При расчете потребной тяги и мощности используют поляру аппарата. Для этого, задаваясь рядом последовательных значений коэффици­ента Су, с помощью поляры определяют соответствующие им

значения коэффициентов Сх и К= —■

Далее, используя формулу

У = О = C„S р —,

ц 2

подсчитывают скорость аппарата v и, наконец, по выражению

N — Si — 1 С S риї — Gv П 75t] 75n * 2 75Кц

вычисляют потребную мощность для данного режима полета (Суу о), к п. д. воздушного виита т|.

Наивыгодиейшая скорость полета (см. рис. 130) —это такая, при которой потребная тяга оказывается наименьшей; она соот­ветствует полету аппарата, имеющего наибольшее аэродииа-
мическое качество, экономическая скорость соответствует наи­меньшей потребной мощности, а крейсерская скорость — минимальному отношению Pnlv.

Диаграмма потребной и располагаемой мощности или тяги является наиболее полной характеристикой важнейших качеств аппарата. Пользуясь такими диаграммами, построенными с уче­том различной массы аппарата и вариантов его энергетической установки, при движении на разной относительной высоте от земли, можно рассчитать все основ­ные летные характеристики экраио — плана.

Ходовые характеристики экрано — планов в режиме плавания и глис­сирования, стартовые характери­стики, а также его мореходность оп­ределяют испытаниями моделей в опытовом бассейне. Иногда для этого используют катера-буксиров­щики.

Достаточно точное определение сопротивления движения модели, а следовательно, и потребной мощ­ности в режиме плавания, глиссиро­вания и особенно старта имеет важное значение. Это объясняется тем, что, например, потребная мощ­ность в районе «горба» на кривой сопротивления, т. е. при минималь­ном значении гидроаэродинамиче­ского качества аппарата, как пра­вило, характеризует суммарную мощность его энергетической уста­новки.

Сопротивление движению мо­дели в режиме плавания и глисси­рования, т. е. когда аэродинамическими силами можно прене­бречь, обычно определяют методами, широко применяемыми су­достроителями во всех странах, т. е. по Фруду. Для этого из общего сопротивления движению выделяют силы трения о воду (вычисленные по формулам), которые зависят главным образом от числа Рейнольдса. Оставшуюся часть сопротивления пере­считывают на натуру пропорционально кубу линейного мас­штаба модели. Затем это сопротивление (остаточиое) сумми­руют с сопротивлением трения судна, рассчитанным по форму — лам, и таким образом определяют приближенное значение его полного сопротивления. Далее уже нетрудно найти потребную мощность энергетической установки с учетом пропульсивного к — п. д. движителя и к. п. д. передачи мощности на винт.

Как уже отмечалось, сопротивление экраноплана, движуще­гося в режиме глиссирования, может быть в первом приближе­нии определено простым пересчетом с модели пропорционально кубу масштаба. Однако, чтобы вычислить это сопротивление, при большой скорости движения экраиоплаиа, приходится сум­мировать аэродинамическое сопротивление, рассчитанное по ре­зультатам трубиых испытаний модели, и гидродинамическое сопротивление, найденное по данным буксировочных испытаний модели в бассейне (за вычетом его аэродинамической состав­ляющей) .

График зависимости полного гидроаэродинамического сопро­тивления экраиоплаиа от скорости движения в процессе разбега аппарата позволяет построить аналогичную зависимость и для потребной мощности его энергетической установки, необходи­мую для выбора энергетической установки экраиоплаиа (см. рис. 114).

Помимо исследований характеристик устойчивости модели, в процессе которых обычно определяется значение коэффициента продольного момента С„и за рубежом практикуется проведение испытаний кордовых и, особенно часто, радиоуправляемых моде­лей. Эти испытания позволяют выбрать размеры хвостового опе­рения и его расположение так, чтобы была обеспечена необхо­димая степень продольной устойчивости аппарата.

Мореходные испытания модели дают возможность оцепить в первом приближении поведение аппарата на волнении, т. е. найти параметры его качки, степень заливаемости и забрызги — ваемость, а при необходимости и действующие ускорения в ин­тересующих точках корпуса.

В результате проведения модельных испытаний и выполне­ния аэродинамического расчета не только определяют основные летные и мореходные качества аппарата, ио окончательно выби­рают внешнюю схему, размеры и характеристики его основных элементов (несущего крыла, хвостового оперения), мощность энергетической установки и т. д. Кроме того, эти испытания мо­делей дают возможность окончательно отработать аэродинами­ческую схему и глиссирующие элементы корпуса аппарата.

Откорректированные по результатам модельных испытаний конструктивная и силовая схемы аппарата позволяют присту­пить к расчетам прочности основных элементов его конструкции (корпуса, крыла и т. д.).

Окончательно значения основных технико-эксплуатационных характеристик экраиоплаиа могут быть определены лишь по ре­зультатам испытаний его полуиатурной модели и самого аппа­рата. Этот вывод обусловлен ие только ограниченностью стати­стических данных по построенным аппаратам, ио и тем, что ряд важнейших характеристик экраиоплаиа в принципе невозможно достаточно точно найти с помощью маломасштабных моделей, поскольку они зависят от немоделируемых явлений. К таким

характеристикам можно отнести: мореходные качества, старто­вые характеристики, характеристики амфпбийности и др. По­этому зарубежные экранопланостроители нередко строят аппа­раты без проведения достаточно глубоких исследований их ха­рактеристик иа моделях и создают модификации экраиопланов, выполненных по одной схеме.