Экраноплан – проблемы и перспективы

Начиная с девяностых годов уже прошедшего века на кафедре аэродинамики и динамики полета Харьковского института ВВС Украины сформировалось научное направление, которое занималось и занимается сегодня исследованиями в области аэродинамического проектирования летательных аппаратов, использующих при движении экранный эффект. Формированию этого направления во многом способствовали обращения о помощи и сотрудничестве в создании этого класса аппаратов многих организаций и частных лиц. За это время стали очевидными некоторые закономерности развития и угасания интереса у тех или иных очередных строителей экранопланов. С коммерческой точки зрения крайне выгодно организовать на речных и морских маршрутах рейсы пассажирских транспортных средств, движущихся со скоростью от 100 до 300 и более км/ч и имеющих экономичность на уровне экономичности наземного транспорта. Дальнейшая же, более глубокая, проработка всех сторон подобных проектов в подавляющем большинстве случаев отпугивает кредиторов, и многообещающий проект, как правило, заканчивается ничем. Тем не менее, несмотря на излишний, с точки зрения неспециалистов, финансовый и технический риск, указанный вид транспорта найдет достойное место в общей транспортной системе будущего. Те же проекты, которые нашли сегодня финансовую поддержку и в той или иной степени реализованы на практике, все-таки далеки от совершенства и не демонстрируют всех потенциальных возможностей "летающих судов". Таким образом, представляется целесообразным предложить читателям “АОН” цикл статей, в которых будут рассмотрены вопросы аэродинамики и динамики полета экранопланов, а так же оценить возможный интерес к книге "Основы аэродинамического проектирования экранопланов", над которой сегодня работает автор настоящей статьи…
Особенностью развития транспортных средств сегодня является тенденция к повышению скорости движения и улучшению экономичности, что в целом ведет к росту эффективности пассажирских и грузовых перевозок, дает возможность улучшить качество выполнения ряда специальных задач и операций как в гражданской, так и в военной сфере. Не случайно в настоящее время в таких странах, как Австралия, Новая Зеландия, Китай, США, Россия, Германия, Япония и др., активизировались работы в направлении создания летательных аппаратов (ЛА), движущихся над экраном (экранопланы, экранолеты, катера на воздушной динамической подушке). Это связано с двумя факторами мирового развития транспортных средств. Первый – рост требований к эффективности транспортных операций, выражающихся в основном в увеличении скорости перевозок и снижении затрат, немалую часть которых составляют затраты на топливо. Значительное улучшение показателей эффективности транспортных операций в соответствии с первым фактором становится возможным с использованием летательных аппаратов, движущихся над экраном.
Второй фактор – прогресс в развитии науки и техники, обеспечивающий решение ряда сложных, ранее невыполнимых, технических задач и, таким образом, позволяющий создавать и совершенствовать новые виды транспортных средств.

Катер на динамической воздушной подушке Амфистар, несмотря на восторженные отклики о нем и сертификат экраноплана типа С, до сего дня в серийное производство не пошел по ряду причин

Основной причиной, обусловливающей высокую эффективность рассматриваемого вида транспортных средств, считается благоприятное влияние экрана на аэродинамические характеристики несущей поверхности – крыла, выражающееся в существенном снижении индуктивного сопротивления и как следствие в росте аэродинамического качества и показателей топливной экономичности.
Несмотря на явную выгоду использования летательных аппаратов, движущихся над экраном, они сегодня не нашли широкого применения. Специалисты связывают это с рядом следующих причин.
Катер на динамической воздушной подушке "Амфистар", несмотря на восторженные отклики о нем и сертификат экраноплана типа С, до сего дня в серийное производство не пошел по ряду причин.
Проблемы финансирования и концептуального кризиса говорят сами за себя. Создание, совершенствование до конкурентоспособного уровня и широкое распространение в уже сложившейся мировой транспортной системе нового вида транспорта требуют больших капиталовложений. Настоящий же уровень обоснования эффективности этих капиталовложений оказывается недостаточным.


Основные проблемы, препятствующие прогрессу в экранопланостроении и пути решения задачи обеспечения продольной устойчивости

Основные проблемы, препятствующие прогрессу в экранопланостроении и пути решения задачи обеспечения продольной устойчивости

Проблема повышения аэродинамического качества. Данная проблема имеет два аспекта:
– На сегодняшний день результаты исследований, проведенных в области околоэкранной аэродинамики, не дают возможности в полной мере использовать экранный эффект для достижения значений аэродинамического качества, близких к максимально возможным значениям при данных параметрах движения. Конструкторы аппаратов рассматриваемого типа не располагают объемом знаний, необходимым для выбора рациональных профиля и формы крыла, аэродинамической схемы и компоновки и пр.
В китайском 14-местном катере на динамической воздушной подушке TY-1 PAR-эффект использован для решения проблемы старта
– Имеет место противоречие, заключающееся в том, что для летательного аппарата, движущегося над экраном, повышение реализуемого значения аэродинамического качества предполагает не только уменьшение высоты полета, но и снижение его скорости, что не согласуется с требованием увеличения транспортной эффективности. Повышение же скорости движения существенно снижает благоприятный эффект взаимодействия с экраном. Разрешение данного противоречия лежит в снижении аэродинамического сопротивления ЛА, в частности профильного сопротивления.
Проблема старта. Переход аппарата из режима глиссирования в режим полета над экраном (выход на экран), во-первых, требует существенно большей тяги силовой установки (в 5–6 раз), во-вторых, применения специальных конструктивных устройств и довольно сложной процедуры управления силовыми установками и органами управления в процессе разгона и отрыва от поверхности. Частично проблема старта решается за счет использования так называемого PAR-эффекта – эффекта увеличения подъемной силы за счет поддува подкрыльевого пространства струями от силовой установки. Однако полная картина взаимодействия струй от воздушных движителей (воздушных винтов или сопел ГТД) и крыла над экраном сегодня также исследована недостаточно глубоко. К тому же применение системы поддува, улучшая условия старта, становится неэффективным при наличии волнистости экрана и приводит к ухудшению экономичности при движении на крейсерских режимах.
Проблема обеспечения устойчивости и безопасности движения над экраном сегодня признана основным фактором, сдерживающим развитие рассматриваемого вида транспортных средств. Данная проблема имеет место при движении в штилевых условиях, но особенно обостряется при полете в условиях периодических (волнение водной поверхности) и апериодических возмущений (порывы и сдвиги ветра).
Решение проблемы обеспечения продольной устойчивости ЛА над экраном сегодня ведется по трем основным направлениям:
– Разработка аэродинамических компоновок, обладающих такими собственными свойствами в короткопериодическом продольном движении над экраном, которые обеспечивают восстановление исходных параметров без чрезмерных забросов и высокий уровень демпфирования колебаний, то есть обладающие свойством самостабилизации над экраном.
– Использование систем автоматического управления (систем стабилизации и демпфирования), обеспечивающих постоянное измерение контролируемых параметров движения ЛА над экраном и отклонение органов управления согласно заложенным законам и программам управления.
– Использование систем силовой гироскопической стабилизации.
"Орленок" – первый в мире серийный экраноплан. Проблема устойчивости его движения над экраном решена путем установки четырехканальной САУ "Смена-4"
Использование быстродействующих систем автоматического управления (САУ) в сочетании с эффективными органами управления по высоте и тангажу позволяет практически полностью решить проблему продольной устойчивости ЛА над экраном при всевозможных возмущающих воздействиях. Однако разработка, создание, доводка, производство и установка такой системы на ЛА требует больших материальных и временных затрат и существенно повышает стоимость самого аппарата. Отказ САУ на ЛА с аэродинамической компоновкой, являющейся неустойчивой над экраном, может привести к невозможности его эксплуатации или к более тяжелым последствиям. Поэтому такие системы должны иметь многократное резервирование, что ведет к еще большему их удорожанию. Таким образом, решение о применении САУ на ЛА требует серьезного экономического и технического обоснования.
Использование систем с силовой стабилизацией за счет применения массивных гироскопических устройств для эффективной стабилизации ЛА по тангажу теоретически возможно, но на практике не используется, так как для их размещения требуются сравнительно большие объемы. Их установка при прочих равных условиях снижает полезную нагрузку, а раскрутка и поддержание необходимой частоты вращения ведет к дополнительным затратам мощности и топлива.
Разработка и создание ЛА с аэродинамической компоновкой, обладающей свойством самостабилизации над экраном, сегодня считается основным путем в направлении создания массовых транспортных средств, использующих при движении экранный эффект. Несмотря на сложность обеспечения устойчивости движения над экраном в условиях возмущений, что накладывает ограничения на эксплуатацию таких аппаратов по метеоусловиям, это направление перспективно, поскольку ведет к упрощению и снижению стоимости ЛА без существенного ухудшения других характеристик.
Также специалистами признается, что направления с применением САУ и собственными свойствами самостабилизации не исключают, а напротив, дополняют друг друга.
В настоящее время предложен ряд мероприятий по обеспечению необходимых характеристик устойчивости за счет собственных свойств аэродинамических компоновок:
– Разработка и создание специальных профилей и конфигураций крыла;
Экранопланы с аэродинамической схемой Липпиша обладают устойчивостью над экраном благодаря особой форме крыла
– Разработка и создание концевых устройств крыла (шайб, поплавков, скегов), имеющих специальную форму, которая приводит к такому перераспределению давления между крылом и экраном при изменении параметров движения, которое обеспечивает восстановление исходных заданных значений этих параметров.
– Использование дополнительных несущих поверхностей, расположенных вне зоны влияния экрана и демпфирующих возможные колебания ЛА по высоте.
– Использование поддува под крыло, расположенного над экраном (реализация PAR-эффекта).
– Использование отклонения закрылка для обеспечения возможности движения с фиксированным углом атаки во всем диапазоне скоростей и высот над экраном.
Таким образом, к задачам аэродинамического проектирования можно отнести:
– Анализ возможных аэродинамических компоновок (самолетная схема, схема Липпиша, тандем, биплан, утка и др.).
– Оценку влияния основных геометрических параметров (площадей, удлинений, сужений, углов стреловидности, установки, поперечного V, взаимного расположения и др.) крыла и оперения на характеристики устойчивости и другие аэродинамические характеристики.
– Выбор рациональных параметров и оценку эффективности аэродинамических средств обеспечения устойчивости.
– Выбор состава и параметров органов управления, обоснование способов и алгоритмов управления, оценку эффективности и работоспособности системы управления на этапе ее разработки.
Сложность формирования облика экраноплана при его разработке в основном и заключается в отсутствии сегодня достоверных данных и методик выполнения вышеперечисленных задач. Вместе с тем, анализируя многие новые проекты, можно сделать вывод о том, что в них не используются уже имеющиеся и опубликованные в специальных изданиях результаты исследований в области околоэкранной аэродинамики и динамики полета. Систематизировать эти знания и представить разработчику и является целью цикла будущих статей и анонсированной книги.

Александр Шувалов (Харьков)