06.01.2010
Что такое экраноплан?
По материалам статей с сайта ООО "Русская экранопланная компания"
Экраноплан – летательный аппарат перемещающийся в основном режиме полета в непосредственной близости от поверхности (вода, ровная месность) используя экранный эффект.
Экранопланы включают три типа судов. Суда типа «А» передвигаются только вблизи поверхности с использованием экранного эффекта. Суда типа «В» могут кратковременно уходить из зоны влияния экранного эффекта например для преодоления препятствий. Экранопланы типа «С» могут двигаться как с использованием экранного эффекта так и в свободном полете как самолеты. Ключевое понятие связанное с экранопланами – экранный эффект.
Экранный эффект на 20-30% увеличивает подъемную силу крыла летательного аппарата и снижает его сопротивления вблизи поверхности. В результате экранного эффекта, аэродинамическое качество экраноплана достигает 25-30 *. Ощутимое действие экранного эффекта наблюдается на высоте меньше средней аэродинамической хорды крыла (средняя аэродинамическая хорда (САХ) крыла – среднее расстояние от носка до задней кромки). Для прямоугольного крыла САХ можно представить как линию соединяющую носок и заднюю кромку на поперечном сечении (профиле) крыла.
*Аэродинамическое качество является показателем эффективности любого летательного аппарата и может быть представлено как тяга необходимая для поддержания горизонтального полета. Так для горизонтального полета самолета Ан-2 при весе 5 тонн необходима тяга воздушного винта около 500 кг. Аэродинамическое качество самолета составляет около 10. Если аэродинамическое качество увеличить до 25 то потребная тяга винта составит 200 кг. Т.е. мощность двигателя уменьшится более чем в два раза.
Высокое аэродинамическое качество экраноплана определено двумя составляющими – повышенным давлением под крылом и малым индуктивным сопротивлением. На рис.1 показано как создается подъемная сила на низко расположенном прямоугольном крыле с удлинением - 2 при взлете. (Удлинение крыла – отношение расстояния между консолями к САХ)
Рис.1. Эпюры подъемной силы
При расстоянии до поверхности около 1% хорды, давление под крылом выше разрежения над ним и подъемная сила создается в основном за счет давления. Центр действия подъемной силы расположен ближе к передней кромке крыла, чем при стандартном полете вне экранного эффекта.
поверхности, давление под крылом уменьшается, а При увеличении расстояния до разрежение над крылом вследствие роста скорости увеличивается. Центр давления сначала смещается в направлении задней кромки, а затем возвращается – наибольшее смещение происходит на высоте 5-6% хорды крыла.
При дальнейшем увеличении высоты и скорости, давление продолжает уменьшаться, а разрежение увеличиваться. На высоте 50% хорды, экранный эффект уже незначителен и подъемная сила создается в основном за счет разрежения воздуха над крылом.
Если бы действие экранного эффекта ограничивалось только некоторым увеличением подъемной силы, то эффективность экраноплана не была бы столь значительной. Вторым критерием эффективности является низкое индуктивное сопротивление. Индуктивное сопротивление появляется в результате перетекания воздуха с области повышенного давления в область повышенного разрежения – с нижней части крыла на верхнюю. Поскольку экраноплан движется низко над поверхностью, то перетекание воздуха оказывается затрудненным тем больше чем ближе поверхность при и чем больше удлинение крыла (Рис.2).
Рис.2. Снижение индуктивного сопротивления экраноплана при приближении к поверхности
Повышение подъемной силы и одновременное снижение сопротивления позволяет уменьшить в 1,5-2 раза мощность силовой установки экраноплана при одинаковом весе с самолетом или увеличить полетную массу при одинаковой мощности двигателей. С учетом того, что экраноплану не требуется большая скороподъемность, мощность силовой установки по сравнению с самолетом может быть уменьшена в три раза. Соответственно возрастает экономичность перевозок.
Аэродинамическое качество экранопланов падает с увеличением высоты полета (рис.3.)
Рис.3. Зависимость аэродинамического качества экраноплана от относительной высоты полета
Из графика видно, что эффективность экраноплана тем выше чем ближе его крыло к поверхности. Экономически выгодной высотой для крыла с удлинением 2 является расстояние до поверхности не превышающее 10% средней аэродинамической хорды крыла. У небольших экранопланов данное расстояние составляет несколько десятков сантиметров.
При увеличении удлинения крыла эффективная высота растет, но увеличивается профильное сопротивление (Рис.4)
Рис.4. Зависимость аэродинамического качества экраноплана от относительной высоты полета при различном удлинении крыла
После экранного эффекта, продольная устойчивость (стабилизация), является самым актуальным понятием для экранопланов. От нее зависит безопасность полета и ее достаточно трудно осуществить.
Под продольной устойчивостью экраноплана понимается способность судна самовосстанавливаться в горизонтальном полете после непреднамеренного поднимания или опускания носа. Поднимание или опускание носа экраноплана возможно в следствие воздействия возмущающих воздушных потоков, при касании воды, а также вследствие ошибок в управлении.
Основная трудность в осуществлении продольной стабилизации экраноплана заключена в том, что фокус подъемной силы крыла смещается в зависимости от высоты и угла атаки.
Если посмотреть старую кинохронику можно заметить, что некоторые попытки приземления аэропланов с низко расположенным крылом заканчивались стойкой на нос (рис.5). В этом и заключается сущность экранного эффекта. Если в обычном полете самолет хорошо управляем, то на посадке, при приближении крыла к земле, центр приложения подъемной силы начинает смещаться к задней кромке крыла, нос перевешивает и получается кульбит. Руля высоты или реакции пилота в таких случаях для выравнивания самолета не хватает.
Рис.5. Влияние экранного эффекта на продольную устойчивость
Вполне вероятен и другой вариант. При подходе к земле, самолет упрямо не хотел приземляться, поскольку подъемная сила на крыле увеличивалась. Пытаясь "прижать" самолет, пилот отдавал ручку от себя и при касании земли колесами машина капотировала. Опять таки виновник кульбита - экранный эффект (и пилот).
Авиаконструкторы решили проблему экрана удалив крыло от земли при помощи шасси или путем поднятия крыла над фюзеляжем (высокопланы).
Конструкторы экранопланов так поступить не могут поскольку должны не избавляться от экранного эффекта, а наоборот его использовать. В простейшем случае проблема решается увеличением площади стабилизатора.
Классический способ продольной стабилизации экраноплана с прямоугольным крылом показан на рис.6. При подъеме экраноплана до высоты 6% САХ и как следствие смещении фокуса подъемной силы А к центру крыла, появляется пикирующий момент который компенсируется отрицательной подъемной силой на стабилизаторе В.
Рис.6. Продольная стабилизация экраноплана
Недостатком схемы является потребность в большом стабилизаторе (или длинном хвосте). Большой стабилизатор сильно ухудшает аэродинамику машины поскольку подъемной силы не создает (в данном случае уменьшает), а сопротивление движению оказывает. Длинный хвост увеличивает вес конструкции.
Такой экраноплан вполне можно использовать при тех обстоятельствах когда не имеет значение экономичность – например возить ракеты. Этим и занимался во времена СССР экраноплан «Лунь» спроектированный в КБ талантливого советского конструктора Ростислава Алексеева.
Однако данная схема также взята за основу на коммерческих экранопланах Амфистар и Волга-2. Видимо "срисовали" неподумавши. В результате ничего хорошего не получилось. Два двигателя по 150 л.с. еле отрывали полупустую Волгу-2 от воды, а Амфистар (Акваглайд) возит всего четырех пассажиров имея 360-сильный двигатель!
Схема имеет еще один существенный недостаток. Если машина случайно взмоет на высоту более 0,6 САХ (например при ударе о волну) может начаться необратимый процесс увеличения угла кабрирования, что приведет к перевороту через корму. (От переворотов через корму часто страдают гонщики водной Формулы-1) Проблему можно решить применив S-образный профиль крыла (Волга-2) или другие методы стабилизации. В результате дополнительно снижается аэродинамическое качество экраноплана. Т.е. "овчинка выделки не стоит".
В любом случае, если Вас заботит экономичность транспортного средства, жертвовать его аэродинамическим качеством Вы явно не захотите. Не захотел и немецкий авиаконструктор Липпиш (один из создателей реактивного Месссершмидта). После второй мировой войны он создал серию экранопланов от Х-111 до Х-114 с небольшими стабилизаторами. Чтобы машины не кувыркались, Липпиш применил специальное крыло, которое не хотят использовать конструкторы самолетов. Их данное крыло не удовлетворяет из-за плохой аэродинамики.
Липпиша это нисколько не смутило, поскольку он проэктировал экраноплан, а не самолет. Положительное свойство крыла заключается в том, что фокус подъемной силы на нем, по сравнению с крылом прямоугольным, смещается незначительно. Машины построенные Липпишом имели аэродинамическое качество более 25, что значительно лучше чем у большинства самолетов. В Настоящее время схема Липпиша получила наибольшее распространение. Впервые в СССР она была использована на экранолете ЭСКА (по сведениям автора). В России в 2001 году такое крыло применил А.В. Колганов на экранолете Иволга. (Рис.7.)
Рис.7. Схема Липпиша
Казалось бы с продольной устойчивостью экранопланов все стало на свои места. Но исследования по поиску оптимальной схемы продолжаются. Дело в том, что теоретически экраноплан может иметь аэродинамическое качество в пределах 50. Достичь такого качества можно только максимально уменьшив затраты мощности силовой установки на стабилизацию.
Одниим из направлений разрабатываемых в экранопланостроении является схема тандем – два крыла расположенных друг за другом. В авиации данная схема не прижилась потому, что в классическом тандеме переднее крыло затеняет заднее, вследствие чего последнее ведет себя на определенных режимах полета крайне неустойчиво. Экранопланы типа "А" тандемной схемы вполне реальны. Продольная стабилизация такого экраноплана осуществляется очень просто – по мере удаления от поверхности одного из крыльев подъемная сила на нем падает и крыло возвращается на исходную позицию. Экранопланы по данной схеме в СССР строил Панченков.
Экраноплан – летательный аппарат перемещающийся в основном режиме полета в непосредственной близости от поверхности (вода, ровная месность) используя экранный эффект.
Экранопланы включают три типа судов. Суда типа «А» передвигаются только вблизи поверхности с использованием экранного эффекта. Суда типа «В» могут кратковременно уходить из зоны влияния экранного эффекта например для преодоления препятствий. Экранопланы типа «С» могут двигаться как с использованием экранного эффекта так и в свободном полете как самолеты. Ключевое понятие связанное с экранопланами – экранный эффект.
Экранный эффект
Экранный эффект на 20-30% увеличивает подъемную силу крыла летательного аппарата и снижает его сопротивления вблизи поверхности. В результате экранного эффекта, аэродинамическое качество экраноплана достигает 25-30 *. Ощутимое действие экранного эффекта наблюдается на высоте меньше средней аэродинамической хорды крыла (средняя аэродинамическая хорда (САХ) крыла – среднее расстояние от носка до задней кромки). Для прямоугольного крыла САХ можно представить как линию соединяющую носок и заднюю кромку на поперечном сечении (профиле) крыла.
*Аэродинамическое качество является показателем эффективности любого летательного аппарата и может быть представлено как тяга необходимая для поддержания горизонтального полета. Так для горизонтального полета самолета Ан-2 при весе 5 тонн необходима тяга воздушного винта около 500 кг. Аэродинамическое качество самолета составляет около 10. Если аэродинамическое качество увеличить до 25 то потребная тяга винта составит 200 кг. Т.е. мощность двигателя уменьшится более чем в два раза.
Высокое аэродинамическое качество экраноплана определено двумя составляющими – повышенным давлением под крылом и малым индуктивным сопротивлением. На рис.1 показано как создается подъемная сила на низко расположенном прямоугольном крыле с удлинением - 2 при взлете. (Удлинение крыла – отношение расстояния между консолями к САХ)
Рис.1. Эпюры подъемной силы
При расстоянии до поверхности около 1% хорды, давление под крылом выше разрежения над ним и подъемная сила создается в основном за счет давления. Центр действия подъемной силы расположен ближе к передней кромке крыла, чем при стандартном полете вне экранного эффекта.
поверхности, давление под крылом уменьшается, а При увеличении расстояния до разрежение над крылом вследствие роста скорости увеличивается. Центр давления сначала смещается в направлении задней кромки, а затем возвращается – наибольшее смещение происходит на высоте 5-6% хорды крыла.
При дальнейшем увеличении высоты и скорости, давление продолжает уменьшаться, а разрежение увеличиваться. На высоте 50% хорды, экранный эффект уже незначителен и подъемная сила создается в основном за счет разрежения воздуха над крылом.
Если бы действие экранного эффекта ограничивалось только некоторым увеличением подъемной силы, то эффективность экраноплана не была бы столь значительной. Вторым критерием эффективности является низкое индуктивное сопротивление. Индуктивное сопротивление появляется в результате перетекания воздуха с области повышенного давления в область повышенного разрежения – с нижней части крыла на верхнюю. Поскольку экраноплан движется низко над поверхностью, то перетекание воздуха оказывается затрудненным тем больше чем ближе поверхность при и чем больше удлинение крыла (Рис.2).
Рис.2. Снижение индуктивного сопротивления экраноплана при приближении к поверхности
Повышение подъемной силы и одновременное снижение сопротивления позволяет уменьшить в 1,5-2 раза мощность силовой установки экраноплана при одинаковом весе с самолетом или увеличить полетную массу при одинаковой мощности двигателей. С учетом того, что экраноплану не требуется большая скороподъемность, мощность силовой установки по сравнению с самолетом может быть уменьшена в три раза. Соответственно возрастает экономичность перевозок.
Аэродинамическое качество экранопланов падает с увеличением высоты полета (рис.3.)
Рис.3. Зависимость аэродинамического качества экраноплана от относительной высоты полета
Из графика видно, что эффективность экраноплана тем выше чем ближе его крыло к поверхности. Экономически выгодной высотой для крыла с удлинением 2 является расстояние до поверхности не превышающее 10% средней аэродинамической хорды крыла. У небольших экранопланов данное расстояние составляет несколько десятков сантиметров.
При увеличении удлинения крыла эффективная высота растет, но увеличивается профильное сопротивление (Рис.4)
Рис.4. Зависимость аэродинамического качества экраноплана от относительной высоты полета при различном удлинении крыла
Продольная устойчивость экраноплана
После экранного эффекта, продольная устойчивость (стабилизация), является самым актуальным понятием для экранопланов. От нее зависит безопасность полета и ее достаточно трудно осуществить.
Под продольной устойчивостью экраноплана понимается способность судна самовосстанавливаться в горизонтальном полете после непреднамеренного поднимания или опускания носа. Поднимание или опускание носа экраноплана возможно в следствие воздействия возмущающих воздушных потоков, при касании воды, а также вследствие ошибок в управлении.
Основная трудность в осуществлении продольной стабилизации экраноплана заключена в том, что фокус подъемной силы крыла смещается в зависимости от высоты и угла атаки.
Если посмотреть старую кинохронику можно заметить, что некоторые попытки приземления аэропланов с низко расположенным крылом заканчивались стойкой на нос (рис.5). В этом и заключается сущность экранного эффекта. Если в обычном полете самолет хорошо управляем, то на посадке, при приближении крыла к земле, центр приложения подъемной силы начинает смещаться к задней кромке крыла, нос перевешивает и получается кульбит. Руля высоты или реакции пилота в таких случаях для выравнивания самолета не хватает.
Рис.5. Влияние экранного эффекта на продольную устойчивость
Вполне вероятен и другой вариант. При подходе к земле, самолет упрямо не хотел приземляться, поскольку подъемная сила на крыле увеличивалась. Пытаясь "прижать" самолет, пилот отдавал ручку от себя и при касании земли колесами машина капотировала. Опять таки виновник кульбита - экранный эффект (и пилот).
Авиаконструкторы решили проблему экрана удалив крыло от земли при помощи шасси или путем поднятия крыла над фюзеляжем (высокопланы).
Конструкторы экранопланов так поступить не могут поскольку должны не избавляться от экранного эффекта, а наоборот его использовать. В простейшем случае проблема решается увеличением площади стабилизатора.
Классический способ продольной стабилизации экраноплана с прямоугольным крылом показан на рис.6. При подъеме экраноплана до высоты 6% САХ и как следствие смещении фокуса подъемной силы А к центру крыла, появляется пикирующий момент который компенсируется отрицательной подъемной силой на стабилизаторе В.
Рис.6. Продольная стабилизация экраноплана
Недостатком схемы является потребность в большом стабилизаторе (или длинном хвосте). Большой стабилизатор сильно ухудшает аэродинамику машины поскольку подъемной силы не создает (в данном случае уменьшает), а сопротивление движению оказывает. Длинный хвост увеличивает вес конструкции.
Такой экраноплан вполне можно использовать при тех обстоятельствах когда не имеет значение экономичность – например возить ракеты. Этим и занимался во времена СССР экраноплан «Лунь» спроектированный в КБ талантливого советского конструктора Ростислава Алексеева.
Однако данная схема также взята за основу на коммерческих экранопланах Амфистар и Волга-2. Видимо "срисовали" неподумавши. В результате ничего хорошего не получилось. Два двигателя по 150 л.с. еле отрывали полупустую Волгу-2 от воды, а Амфистар (Акваглайд) возит всего четырех пассажиров имея 360-сильный двигатель!
Схема имеет еще один существенный недостаток. Если машина случайно взмоет на высоту более 0,6 САХ (например при ударе о волну) может начаться необратимый процесс увеличения угла кабрирования, что приведет к перевороту через корму. (От переворотов через корму часто страдают гонщики водной Формулы-1) Проблему можно решить применив S-образный профиль крыла (Волга-2) или другие методы стабилизации. В результате дополнительно снижается аэродинамическое качество экраноплана. Т.е. "овчинка выделки не стоит".
В любом случае, если Вас заботит экономичность транспортного средства, жертвовать его аэродинамическим качеством Вы явно не захотите. Не захотел и немецкий авиаконструктор Липпиш (один из создателей реактивного Месссершмидта). После второй мировой войны он создал серию экранопланов от Х-111 до Х-114 с небольшими стабилизаторами. Чтобы машины не кувыркались, Липпиш применил специальное крыло, которое не хотят использовать конструкторы самолетов. Их данное крыло не удовлетворяет из-за плохой аэродинамики.
Липпиша это нисколько не смутило, поскольку он проэктировал экраноплан, а не самолет. Положительное свойство крыла заключается в том, что фокус подъемной силы на нем, по сравнению с крылом прямоугольным, смещается незначительно. Машины построенные Липпишом имели аэродинамическое качество более 25, что значительно лучше чем у большинства самолетов. В Настоящее время схема Липпиша получила наибольшее распространение. Впервые в СССР она была использована на экранолете ЭСКА (по сведениям автора). В России в 2001 году такое крыло применил А.В. Колганов на экранолете Иволга. (Рис.7.)
Рис.7. Схема Липпиша
Казалось бы с продольной устойчивостью экранопланов все стало на свои места. Но исследования по поиску оптимальной схемы продолжаются. Дело в том, что теоретически экраноплан может иметь аэродинамическое качество в пределах 50. Достичь такого качества можно только максимально уменьшив затраты мощности силовой установки на стабилизацию.
Одниим из направлений разрабатываемых в экранопланостроении является схема тандем – два крыла расположенных друг за другом. В авиации данная схема не прижилась потому, что в классическом тандеме переднее крыло затеняет заднее, вследствие чего последнее ведет себя на определенных режимах полета крайне неустойчиво. Экранопланы типа "А" тандемной схемы вполне реальны. Продольная стабилизация такого экраноплана осуществляется очень просто – по мере удаления от поверхности одного из крыльев подъемная сила на нем падает и крыло возвращается на исходную позицию. Экранопланы по данной схеме в СССР строил Панченков.
Права на данный материал принадлежат Малая верфь
Материал был размещен правообладателем в открытом доступе.
Материал был размещен правообладателем в открытом доступе.
