О транспортной эффективности экранопланов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.125.8

О ТРАНСПОРТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНОПЛАНОВ

Сатин В.А.

В статье на основании критерия «производительность» рассматривается транспортная эффективность экранопланов в сравнении с самолетами. Показано, что более эффективными, с точки зрения производительности будут экранопланы малой массы.

Ключевые слова: экраноплан, самолет, производительность летательных аппаратов.

Comparison of planes and ekranoplanes by criterion «productivity» is carried out. It is shown, that big transport productivity will have ekranoplans of small weight.

Keywords: ekranoplan, aircraft, productivity flying machine.

В последнее время наблюдается повышенный интерес к экранопланам, как коммерческому транспортному средству и экранопланостроению в целом [1,2].

Стимулом к подобному интересу и продвижению экранопланов в транспортную систему страны служит их важная положительная характеристика - высокое аэродинамическое качество, значительно превышающее аэродинамическое качество самолетов.

Указывается даже [1], что на диаграмме Кармана-Габриелли, показывающей зависимость ходового качества от скорости движения, в диапазоне скоростей 200-500 км/час экранопланы обладают повышенной аэродинамической эффективностью, по сравнению с другими транспортными средствами, оцениваемой произведением аэродинамического качества на скорость полета (KV).

Действительно, параметр KV имеет большое значение, и, прежде всего для оценки дальности и продолжительности полета, что следует из известной формулы Бреге, для определения дальности полета, записанной в форме

, (1)

где С_е - удельный расход топлива; q_т = m₀/m_т; m₀, m_т - стартовая масса летательного аппарата, масса топлива, соответственно.

Вместе с тем, наличие в формуле Бреге других важных членов, таких как удельного расхода топлива и относительной массы топлива, позволяет утверждать, что не всегда максимальное значение KV будет соответст-вовать максимальной дальности полета, уже хотя бы потому, что параметр KV зависит от удельного расхода топлива. Поэтому возникает закономерный вопрос. Будет ли дальность полета экранопланов при большом значении KV и при некоторых сопоставимых условиях больше дальности полета самолета, имеющего отличные значения C_е и q_т?

Кроме тогоСатин Валерий Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: satin_vr@rambler.ru, для оценки эффективности транспортного средства достаточно часто применяют критерий - производительность, определяемый как

П = V·m_пн, (2)

где m_пн - относительная масса полезной нагрузки.

О величине производительности в пропаганде идей развития экранопланов не упоминается, или упоминается вскользь. И таким образом, вопрос о транспортной эффективности экранопланов, на наш взгляд остается открытым.

Рассмотрим вопрос о транспортной эффективности экранопланов подробнее, с учетом их производительности. Отметим, что достаточно часто, если не всегда, говоря об эффективности экранопланов их сравнивают с водоплавающими транспортными средствами (катерами, аппаратами на воздушной подушке, судами и т.п.), как бы забывая при этом, что движение сравниваемых транспортных средств происходит в различных средах, поэтому такое сравнение представляется не совсем корректным. Естественно движение экраноплана в менее плотной среде будет эффективнее, так как сопротивление его движению будет значительно меньше. Поэтому сравнение экранопланов необходимо проводить с самолетами приблизительно того же класса.

Будем рассматривать движение сравниваемых летательных аппаратов (самолета, экрано-плана) на режиме максимального аэродинамического качества, при котором, в случае квадратичной поляры, коэффициент подъёмной силы C_y имеет оптимальное значение.

Как известно, для такого режима движения самолета имеем

, (3)

где С_хо - сопротивление при нулевой подъёмной силе; В = 1/р·л_эфф; л_эфф - эффективное удлинение крыла.

В этом случае для определения дальности полета самолета получим следующее выражение

, (4)

здесь с_с - плотность среды, в которой движется самолет.

Для расчета аэродинамических характеристик экраноплана воспользуемся зависимостями, полученными в рамках теории асимптотического сращивания К.В. Рождественского [3].

Согласно этой теории в первом приближении, для экраноплана с квадратичной полярой имеем

(5)

где л - удлинение крыла экраноплана; b - хорда крыла; h - расстояние между задней кромкой крыла и опорной поверхностью.

Тогда, дальность полета экраноплана в горизонтальном полете с максимальным аэродинамическим качеством определяется выражением

, (6)

где с_Э - плотность среды в которой движется экраноплан.

Для определения производительности воспользуемся уравнением существования летательного аппарата, в форме

m_o = m_к + m_ду + m_т + m_пн = m_т + m_пн + Дm, (7)

здесь Дm = m_к + m_ду; m_к, m_ду - масса конструкции ЛА и масса двигательной установки, соответственно.

В (7) в массу конструкции включена и масса всего оборудования.

Разделив выражение (7) на стартовую массу можно переписать его в форме

1 = q_т + q_пн + Дq.

Откуда для относительной массы полезной нагрузки имеем

q_пн = 1 - q_т - Дq. (8)

Из выражений (4) и (8) можно определить потребную массу топлива самолета (q_тс) и экраноплана (q_тэ) как

q_тс = 1 - exp (-A_c),

q_тэ = 1 - exp (-A_э).

где параметры А_с и А_э определяются в следующей форме

,

Массу полезной нагрузки самолета (m_{пн с}) и экраноплана (m_{пн э}) можно определить, воспользовавшись выражениями, как

m_{пн с} = m_o[exp(-A_c)-Дq_с],

m_{пн э} = m_o[exp(-A_э)-Дq_э],

где Дq_с, Дq_э - относительные массы конструкции и двигательной установки для самолета и экраноплана, соответственно.

В частности можно получить интересные выводы, например, определить величину предельной удельной нагрузки на крыло.

Предельной значение удельной нагрузки определяется выражением

>

Следует, что чем больше удельная нагрузка, тем больше масса полезной нагрузки, перевозимой экранопланом.

С учетом вышеизложенного определим производительность самолета и экраноплана как

Тогда отношение производительностей определяется выражением

,

Проведём сравнение производительностей экраноплана и самолета по выражению, при этом с целью упрощения сравнения можно принять Дq_c ? Дq_э, что будет идти в пользу экраноплана, т.к. относительная масса двигательной установки и масса конструкции у экраноплана значительно выше.

Примем в сравнении следующие характеристики: синтезируемый экраноплан имеет двигатель НК-87 - С_еэ = 0,55 кг/кгс·час; = 0,1; л = 3, полет проходит на высоте экрана; самолет типа ИЛ-76 - С_ес = 0,7 кг/кгс·час, л_эфф = 6,55; полет проходит на высоте 10 км. Дальность полета 1500 км, С_хо = 0,023 кг/кгс·час и Дq = 0,4 для обоих сравниваемых аппаратов.

Результаты расчета приведены на рис. 1. Характер протекания кривых на графике зависит от величины сомножителя в формуле

Прямая d = 1 делит представленный график на две области.

Если d >1, то с ростом удельной нагрузки на крыло относительная производительность снижается, при этом для некоторых значений С_еэ и небольшой величине удельной нагрузки на крыло производительность экраноплана будет выше производительности самолета.

Рис.1. Зависимость относительной производительности от удельной нагрузки на крыло для различных расходов топлива (1 - 0,2 кг/кгс·час; 2 - 0,3 кг/кгс·час; 3 - 0,4 кг/кгс·час; 4 - 0,6 кг/кгс·час).

Если же d < 1, то с ростом удельной нагрузки на крыло относительная производи-тельность растет, однако при этом произ-водительность экраноплана всегда ниже производительности самолета.

Для нашего расчетного случая критическим значением С_еэ при котором реализуется d = 1, является величина

,

которая, для приведенных выше данных, численно равна 0,44 кг/кгс·час.

При этом параметр П определяется зависимостью

,

и для нашего расчетного случая равен 0,53.

В принципе инверсия протекания кривых П = f(mg/S) будет наблюдаться и при изменении других значений величин, входящих в зависимости и Дq_э, Дq_с.

Если провести оценку затрат количества топлива на единицу перевозимой массы полезной нагрузки, чем часто оперируют пропагандируя экранопланы, то действительно, сравнение проведенное для наших вышеуказанных данных покажет, что экранопланы затрачивают значительно меньше топлива, приблизительно 10 -30% от затрат топлива самолетом. Это естественно, так как на экранопланах устанавливаются турбовинтовые двигатели, имеющие меньший удельный расход топлива.

Однако при этом, значительно растет доля массы конструкции, а масса полезной нагрузки убывает.

Можно показать, что доля массы конструкции самолета и экраноплана определяются зависимостями

И их отношение будет

Расчет по выражению для различных удлинений экраноплана приведен на рис.2, при расчете принято - относительная высота полета экраноплана = 0,1; относительная полезная нагрузка q_пнс = q_пнэ = 0,2; остальные данные те же, что и при предыдущем расчете.

Рис. 2. Зависимость параметра от удельной нагрузки на крыло (1- л = 1; 2 - л = 2; 3 - л = 3).

Из приведенных на рис. 2 данных видно, что относительная масса конструкции и двигателей у экраноплана всегда будет больше, чем у самолета в ущерб полезной нагрузки, либо запасу топлива (потеря дальности). транспортный экраноплан самолет

Поэтому можно сделать вывод о том, что, несмотря на большие значения параметра KV и малый расход топлива на единицу массы полезной нагрузки, транспортная эффективность, оцениваемая производительностью, будет выше производительности самолета только у экранопланов класса «Иволги» или «Акваглайд», т.е. экранопланов с малой массой (водоизмещением), а не у средних, и тем более больших.

Следует учесть также то, что для экранопланов этого класса практически все проблемы, связанные с проектированием, изготовлением и эксплуатацией решены, и их внедрение в транспортную систему страны не потребует каких-то больших затрат.

Экранопланы же большей стартовой массы, безусловно, имеющие свою нишу, но не определяющуюся коммерческим применением, будут необходимы для поисково-спасательных работ в акваториях морей и океанов, для патрульных полетов береговой охраны, десантирования и других специальных, в том числе и военных применений.

Литература

1. Экранопланы - транспортные суда ХХI века/А.И. Маскалик, Р.А. Нагапетян и др. - СПБ.: Судостроение, 2005. - 576 с.

2. А.Н. Панченков, П.Т. Драчев, В.И. Любимов Экспертиза экранопланов.- Н.Новгород.: ООО «Типография «Поволжье»», 2006. - 656 с.

3. К.В. Рождественский Метод сращиваемых асимптотических разложений в гидродинамике крыла. - Л.: Судостроение, 1979. - 208 с.

Размещено на Allbest.ru