Над водой парящий корабль - экранолет
6
Над водой парящий корабль - экранолетЕсли вы наблюдали, как взлетает самолет, наверняка заметили: оторвавшись, он не сразу идет ввысь, а некоторое время разгоняется в горизонтальном полете, как бы накапливает силы для набора высоты. В общем, так оно и есть. Пока земля рядом, сказывается замечательное свойство крыла, движущегося в непосредственной близости от любой поверхности, нести машину с меньшими затратами мощности, чем вдали от нее, в свободном полете. Совсем не обязательно, чтобы роль экрана - так аэродинамики называют поверхность - играла земная твердь. Им может быть и вода - ведь и ее плотность намного превышает плотность воздуха. Помогая взлететь, влияние экрана нередко мешает посадке. Летчики-испытатели опытного Ту-144 отмечали: машина "не хотела" приземляться даже при минимальной скорости полета над полосой. Казалось, что машина, двигатели которой работают на холостых оборотах, может пронестись над всей ВПП, не потеряв и сантиметра высоты. Своим "норовом" самолет обязан особой форме крыла - вытянутого вдоль почти всего фюзеляжа, небольшого по размаху. И все-таки, как ни полезен (или вреден) самолетам эффект близости экрана, особого практического значения для авиации он не имеет. Ее стихия - высота. Взлет и посадка - режимы кратковременные, на них не сэкономишь).А всегда ли нужно стремиться к заоблачным высям? Зачем, к примеру, транспортному аппарату небольшой, местной дальности так уж удаляться от земли, коль она помогает лететь? Разве не соблазнительно использовать в качестве экрана идеально ровную водную гладь или равнинную земную поверхность? Кустарник или отдельные деревья не в счет - через них нетрудно перемахнуть по инерции.Обычный самолет, скажем, легкий Як-12, не очень приспособлен для такого режима. Длинное неширокое крыло почти не почувствует поддержки экрана. Тут нужен аппарат особый - что-то среднее между самолетом и катером - экранолет. Именно так называется машина, первые полеты которой состоялись летом 1973 года над Клязьминским водохранилищем.Оснащенный 30-сильным мотоциклетным двигателем, с пилотом, пассажиром и дополнительным грузом на борту аппарат разгонялся до 120 км/ч. Стремительно пробежав по воде 80-100 м, машина взлетала, могла энергично развернуться на высоте 20-30 м и, снова снизившись, вихрем пройти над песчаной косой или отмелью. Немногочисленные зрители с удивлением наблюдали, как на лету аппарат буквально продирался сквозь заросли попавшегося на пути островка. Легкое движение ручки - и машина взмывала над встречными катером или яхтой. После полетов аппарат сам выползал на пологий берег.Экранолет ЭСКА-1 (экранолетный спасательный катер-амфибия) создан а Центральной лаборатории новых видов спасательной техники при ЦС ОСВОД РСФСР группой молодых инженеров, ядром которой были А. Гремяцкий, H. Иванов, С. Чернявский, Ю. Горбенко и автор статьи. Понадобилось два года, чтобы изучить мировой опыт экранолетостроения, а затем построить и испытать пять различных конструкций машин и целую серию маломасштабных моделей Представьте половину воронки, обращенную выпуклостью вверх. Это и есть одна из испытанных нами моделей крыла. Продувки показали высокое аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к сопротивлению) такой несущей поверхности - 35-40 Приближаясь к экрану, "полуворонка" как бы собирает.набегающий воздух под собой, в пазухе. Поток под крылом резко затормаживается, давление растет. В результате увеличивается подъемная сила. Аэродинамическое сопротивление, напротив, падает - из-за уменьшения так называемых индуктивных потерь. Набегая на крыло под некоторым углом атаки, поток изменяет направление и отклоняется вниз. Именно на этот скос потока и расходуется энергия двигателя аппарата - тем больше, чем меньше скорость полета: при постоянной подъемной силе недостаток скорости компенсируется увеличением угла атаки. Экранолету и не нужен большой скос потока - при рабочих углах атаки 2-8°, вблизи земли, его подъемная сила на 40-45% больше, чем на высоте. К тому же экран мешает вихреобразному перетеканию воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю, что также уменьшает индуктивное сопротивление.Однако далеко не все изменения в аэродинамике крыла, когда оно приближается к экрану, оказались на руку создателям экранолетов. Чем меньше расстояние до поверхности, тем дальше смещается назад центр давления крыла. Это не так страшно, если аппарат все время стелется над землей или водой - его можно отбалансировать. А как восстановить равновесие при подлете, когда влияние экрана резко падает? Вот она, главная проблема наших предшественников - малая продольная устойчивость.Первому с этим досадным и, как казалось, принципиальным пороком экранолета пришлось повозиться финскому инженеру Т. Каарио. Его бесхвостые машины неплохо вели себя вблизи земли, но обнаруживали опасную неустойчивость при удалении от экрана. Как говорят в авиации, не хватало устойчивости по тангажу - без всяких видимых причин аппарат норовил спикировать или, наоборот, задрать нос.Точно так же спустя тридцатилетие, в начале 60-х годов, вели себя экранолеты японской фирмы "Кавасаки". Не очень помогли эксперименты с различными вариантами хвостового оперения. Японцы так и не рискнули эксплуатировать опытные образцы на действительно экранолетном режиме и полностью отделять их от воды. Перестав быть судами, аппараты так и не превратились в летательные машины. Судя посему, наших предшественников подвела схема "летающее крыло", по которой построено большинство зарубежных экранолетов: несущее крыло и две концевые шайбы, играющие роль поплавков. Куда успешнее прошли эксперименты известного аэродинамика и конструктора Александра Липпиша. Его Х-112 и Х-113 Ам (см. "ТМ", 1972, № 8) продемонстрировали отличные летные свойства и сносную устойчивость. Отмечая, что "создание экранолетов типа "летающее крыло" без специального, отдельно расположенного стабилизатора обречено на неудачу", Липпиш выбрал самолетную (фюзеляжную) схему. И в самом деле: естественней приблизить к экрану легкий гидросамолет, чем заставить летать судно-катамаран!Очень пригодился нам и отечественный опыт - еще 1948 году летчик и.изобретатель М. Кузаков разработал проект аппарата, предназначенного для движения в режиме экрана, и построил модель. Материалы по продувке планера МАК-15 конструкции Кузакова, проведенные в 1951 году, в большой степени повлияли на выбор аэродинамической компоновки крыла нашего экранолета. МАК-15 обладал замечательными летными качествами. Интересная аэродинамическая схема и удачный подбор профилей позволили резко улучшить срывные характеристики аппарата. Высокий коэффициент подъемной силы крыла сохранялся до весьма больших углов атаки. Именно поэтому для экранолета мы применили тот же набор аэродинамических профилей, что и в планере МАК-15.Вспомните, как выглядит хвостовое оперение многих современных самолетов - оно Т-образное: стабилизатор расположен на конце киля. Сделано это и для того, чтобы вывести горизонтальное оперение - оно "заведует" продольной устойчивостью машины - из потока, возмущенного при обтекании крыла. Такую схему оперения выбрали и мы. Оказалось совсем непростым делом, как спроектировать стабилизатор, чтобы рулей высоты хватало на всех режимах экранного и свободного полета машины. Горизонтальное оперение пришлось сделать достаточно большой площади, длинным. Не обошлось, конечно, и без гидродинамических расчетов аппарата. Справиться с трудной задачей нам помог известный конструктор и историк авиации В. Шавров. Его советы и рекомендации помогли избежать досадных ошибок.Расчеты, конструирование и изготовление экранолета заняли восемь месяцев напряженной работы. Мало кто верил, что можно подняться в воздух с маломощным 30-сильным двигателем. Слышали мы и "прогнозы" вроде: "Куда там летать, хорошо, если не потонет". Между тем "наводные" испытания шли полным ходом. Определили истинную центровку аппарата, измерили углы дифферента, произвели нивелировку. Винтомоторная установка сдала последний 10-часовой экзамен по надежности.29 августа экранолет ЭСКА-1-0673 совершил свой первый полет. В ходе дальнейших испытаний, которые провел летчик, мастер спорта СССР А. Балуев, удалось выяснить, что весовая отдача (отношение полезной нагрузки к полетному весу) аппарата составляет около 50%, что он обладает достаточным запасом устойчивости и хорошо управляем на различных высотах. Полеты доказали правильность основных идей и концепций, положенных в основу конструкции.Пока наш экранолет - опытная машина. Именно на малых, сравнительно недорогих аппаратах удобно проводить эксперименты. Высокие скорости даются при умеренной мощности силовой установки. И хотя построенный нами экранолет еще далек от совершенства, полученные результаты обнадеживают. Очередь за новыми серьезными экспериментами, которые увенчаются созданием практически пригодных экранолетов. В них нуждаются полярники и геологи, связисты и строители - все, кто сегодня осваивает богатства Сибири и Дальнего Востока, Крайнего Севера и Целинного края.Энранолет ЭСНА-1, созданный группой молодых специалистов в Центральной лаборатории новых видов спасательной техники при ЦС ОСВОД РСФСР. Размеры: Размах крыла - 6,9м Площадь крыла - 13,85м2 Длина - 7,5.5м Высота - 2,5м Площадь горизонтального оперения - 3м2 Весовые данные: Полный полетный вес - 450кг Вес пустой машины - 230 кг Полезная нагрузка - 220кг Весовая отдача - 48,9% Летные данные: Скорость максимальная в режиме экранного полета (с полной нагрузкой) - 122км/ч Крейсерская скорость - 110 км/ч Взлетная скорость - 55км/ч Посадочная скорость - 50-55 км/ч Взлетная дистанция (с воды) - 100-80м Взлетная дистанция (со снега) - 50-60м Длина пробега (на воде) без применения тормозного парашюта - 40м Наиболее эффективная высота полета в режиме экрана - 0,3-1,5м Максимальная высота при преодолении препятствий с 50%. -нагрузкой - до 50м Дальность полета с полным запасом топлива - 300-350км Нагрузка на м2 - 32,5 нг/м2 Нагрузка на л. с. - 15кг/ л. с. Аэродинамическое качество - 25 | На следующем рисунке и фотографии - экспериментальная модель экранолета с гибким крылом. По идее одного из авторов ЭСКД-1 Евгения Грунина, такая несущая поверхность, уже давно и с успехом применяющаяся для полетов горно - и воднолыжниками в качестве буксируемого змея, может стать легким и надёжным крылом экранолета. Нужную форму гибкое крыло (его называют параглайдером, или "крылом Рогалло") принимает под действием напора обтекающего воздуха. Параглайдеру свойственны отличные аэродинамические характеристики, устойчивость, он удобен в транспортировке и хранении. Вместе с С. Чернявским и Н. Ивановым автор идеи оснастил гибким крылом фюзеляж популярного планера "Бланик L-13". Испытали аппарат летчики А. Литвинов и В. Губин. Использовав обнадеживающие результаты летных испытаний, энтузиасты разработали эскизный проект новой машины оригинальной схемы, а также проект переделки распространенного в нашей стране народнохозяйственного самолета Ан-2 в экранолет с гибким крылом |
Схема иллюстрирует причину продольной неустойчивости экранолета. Обтекая крыло вблизи экрана (нижний рисунок), поток отклоняется вниз в меньшей степени, чем при полете на высоте (верхний рисунок). Это вызывает, в свою очередь, уменьшение угла, под которым поток набегает на стабилизатор. Падение величины угла атаки приходится компенсировать бЬльшим отклонением руля высоты или увеличе-нием его площади | Эта кордовая модель энранолета (1948 г.) - прототип ЭСКА-1 |
СКОЛЬЗЯЩИЕ НАД ВОЛНАМИ | ||
Проект "речного автобуса": предпологаемая длина аппарата 76,5 м, ширина 37м |
< - 1 2^ | ||
< - 3 4^ | ||
Одинадцатиметровый экраноплан "Йорг - IV" над боденским озером. Аппарат оснащен 218-сильным двигателем, работающим на толкающий пропеллер, и способна поднять 1.7т груза. Воплавающие птицы при взлете инстинктивно используют эффект воздушной подушки. Создатели экранопланов используют тот же эффект. В полете над Балтийским морем экраноплан Х-114 достиг высоты 70м Г. Йорг готовится к старту |
Надо сказать, что эффект образования воздушной подушки между крылом аэроплана и землей, возникающей от набегающего потока, заметили еще пилоты на заре авиации. Пока летчик "выдерживал" оторвавшийся от земли самолет на небольшой высоте, машина устойчиво "сидела" в воздухе, но стоило подняться выше, как летательный аппарат начинал "проваливаться", и, если не хватало мощности моторов, все нередко завершалось аварией. Этим явлением заинтересовались ученые: в 1923 году появилась работа выдающегося советского аэродинамика, создателя одного из первых в мире вертолетов Б.Н. Юрьева "Влияние земли на аэродинамические свойства крыла". Позже проблемами воздушной подушки, возникающей между крылом и землей на малых высотах, занимались В.В. Голубев, Я.М. Серебрийский, Б.А. Ушаков и другие. Но, как не раз бывало в истории техники, первыми оказались все же экспериментаторы.
Дело в том, что еще в 1890 году инженер-мостостроитель, француз К. Адер попробовал построить катер-экранолет "Эол", однако его опыты оказались неудачными.
Зато в начале 30-х годов изобретатели подошли к решению той же проблемы уже вооруженные практикой самолетостроения и теоретическими исследованиями. Одним из первых разработал проект экраноплана начальник Особого конструкторско-производственного бюро ВВС РККА П.И. Гроховский (см. "ТМ" № 10 за 1983 год). "Мне пришла мысль использовать "воздушную подушку", то есть образующийся под крыльями сжатый воздух от скорости полета, - писал Павел Игнатьевич. - Корабль-амфибия может лететь-скользить не только над землей, над морем и рекой. Полеты над рекой еще целесообразнее, чем над землей: ведь река - это длинная, гладкая дорога, без бугров, холмов и кочек. Вспомни Волгу. Грузы лежат зимой и ждут открытия навигации. Корабль-амфибия позволяет круглый год перебрасывать грузы и людей со скоростью 200-300 км/ч летом на поплавках, зимой на лыжах".
Проект "речного автобуса": предполагаемая длина аппарата 76,5 м, ширина 37 м.
Почти одновременно с Гроховским, в 1935 году, финский инженер Т. Каарио построил экспериментальный экраноплан с крылом малого удлинения, буксируемый аэросанями. За ним последовал аппарат, оснащенный двигателем в 16 л. с.
Спустя три года шведский инженер И. Троенг создает катер-экранолет класса "летающее крыло". Этот аппарат массой 3 т, оснащенный стосильным двигателем, должен был развивать скорость до 100 км/ч. Дальнейшие работы над экранолетами прервала вторая мировая война. И лишь с 60-х годов инженеры США, Японии и ряда других стран вновь занялись все еще экзотическими летательными аппаратами. К этому же времени определились и основные типы экранопланов. Они строились по схеме "летающее крыло" или были двухфюзеляжными - в последнем случае крыло располагалось между корпусами. Воздушная подушка, удерживавшая аппарат над водой или землей, образовывалась либо за счет изменения угла атаки крыла, или при наддуве под него воздуха.
Чем же привлекает экранолет изобретателей, ученых, эксплуатационников? Ведь, если на то пошло, давным-давно успешно применяются пассажирские и грузовые суда на воздушной подушке (правда, создаваемой особыми вентиляторами, вследствие чего оно зависает над водой или сущей), скоростные теплоходы на подводных крыльях, в воздухе царят самолеты и вертолеты. Все это верно, но. суда на воздушной подушке значительную долю мощности силовой установки тратят на удержание себя в воздухе. Это же в полной мере относится к винтокрылым летательным аппаратам.
Проанализировав плюсы и минусы скоростных транспортных средств подобного рода, специалисты в свое время установили, что остается неиспользованным диапазон скоростей от 150 до 500 км/ч. Первый рубеж пока не удается преодолеть судам на воздушной подушке и на подводных крыльях, а наиболее распространенные ныне реактивные самолеты совершают рейсы на скоростях более 500 км/ч.
Так вот, упомянутый диапазон словно нарочно оставлен для экранопланов. Видимо, именно эта причина побудила Иорга взяться за экранопланы. Его точку зрения разделяют и инженеры Рейнской самолетостроительной компании, которые предполагают заняться "речным автобусом" - 76-метровой летающей лодкой, предназначенной для перевозки пассажиров и грузов по рекам Южной Америки и Африки. Уже завершена разработка проекта "летающего парома" - экраноплана, рассчитанного на транспортировку 400 человек или 40 т грузов. Длина этого аппарата должна составить 60 м, ширина - 25 м.
"Летающий паром" можно построить примерно за три года, - заявил Иорг корреспонденту западногерманского журнала "Хобби". - За восемь часов, включая время на погрузочно-разгрузочные операции в портах, он проделает рейс на расстояние до 1000 км. При этом он окажется быстроходнее современных судов на воздушной подушке, а горючего станет потреблять втрое меньше.
Судя по результатам испытаний последних моделей экранопланов, у Иорга были все основания так высказываться. Действительно, стартовав как обычное судно, экраноплан выходит на режим глиссирования, а затем, оторвавшись от воды, продолжает рейс на высоте 1-1,6 м. Перекаты и отмели ему не страшны, в крайнем случае капитан сможет "срезать" маршрут, пройдя над сушей, снежной целиной. При этом аппарат не испытывает качки, весьма устойчив на курсе, а управляется лишь с помощью вертикального руля, связанного со штурвалом и педалью газа.
