Экранопланы в борьбе с загрязнением атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине "Инженерная методология в природоохранной деятельности"

Экранопланы в борьбе с загрязнением атмосферы

Санкт-Петербург

2014



Содержание

Обозначения и сокращения

Введение

1 Что такое экраноплан?

2 История

2.1 Открытие эффекта экрана и начало использования

2.2 Советские разработки

2.2.1 Работы ЦКБ Ростислава Алексеева

2.2.2 Работы Роберта Бартини

2.2.3 «ЭКИП» Льва Щукина

3 Эффект экрана

4 Достоинства экранопланов и экранолетов

5Недостатки

6 Конструкции экранопланов

7 Гидромеханика судна

7.1 Гидроаэромеханика экранопланов

7.2 Моделирование взаимодействия сложных систем с потоками и волнами

7.3 Вихревые структуры в жидкости

7.4 Общая теория механики сплошной среды

7.5 Ветроэнергетика

8 Экранопланы и экранолеты

8.1 США

8.2 Россия

8.3 Южная Корея

8.4 Перспективы

9 Классификация в Международной морской организации

Заключение

Список использованной литературы



Сокращения и обозначения

САХ -- средняя аэродинамической хорды;

ТС -- транспортные средства;

АДХ -- нестационарные аэродинамические характеристики;

ТГМ -- температурный глюк моновпрыска;

КНИИ -- комплексный научно-исследовательский институт;

ЦНИИ -- центральный научно-исследовательский институт;

ЦКБ -- центральное конструкторское бюро;

МГИ НАН -- Морской Гидрофизический институт НАН Украины;

СПК -- сталепромышленная компания;

КБ -- конструкторское бюро;

ИС -- испытательная станция;

ВМФ -- военно-морской флот;

КМ -- корабль-макет;

ЦК -- центральный комитет;

СВВП -- с вертикальным взлетом и посадкой;

ЭКИП -- (сокр. от экология и прогресс) - проект многофункционального безаэродромного; летательного аппарата, построенного по схеме «летающее крыло», с дисковидным фюзеляжем;

ИКА -- международная организация гражданской авиации;

ВЭС -- ветроэлектростанция;



Введение

Актуальность темы.

Экранопланы - это малоизвестный вид транспорта. Долгое время работы по экранопланам носили только либо научно-исследовательский характер, либо представляли собой опытно-конструкторские работы по поиску компоновки экраноплана способной обеспечить требования безопасности движения. Но настоящий момент с возрастанием потребностей в скоростной транспортировке грузов, с необходимостью освоения труднодоступных районов, со снижением запасов энергоресурсов возникает потребность в экономичном, экологичном, высокоскоростном виде транспорта непосредственно каковым является экраноплан.

Цель работы:

Рассказать об истории создания экранопланов.

Описать принцип работы данного судна.

Привести достоинства и недостатки.

Показать перспективы.

Привести примеры существующих экранопланов.



1 Что такое экраноплан?

экраноплан транспортировка высокоскоростной экономичный

Экраноплан (от экран + (аэро)план), официальная советская классификация «Судно на динамической воздушной подушке» -- высокоскоростное транспортное средство, аппарат, летящий в пределах действия аэродинамического экрана, то есть на относительно небольшой (до нескольких метров) высоте от поверхности воды, земли, снега или льда. При равной массе и скорости, площадь крыла экраноплана намного меньше, чем у самолета. По международной классификации (ИМО) относятся к морским судам.(см. рис. 1)

Согласно определению, сформулированному во «Временном руководстве по безопасности экранопланов», принятом ИМО: экраноплан -- это многорежимное судно, которое в своем основном эксплуатационном режиме летит с использованием «экранного эффекта» над водной или иной поверхностью, без постоянного контакта с ней, и поддерживается в воздухе, главным образом, аэродинамической подъемной силой, генерируемой на воздушном крыле (крыльях), корпусе, или их частях, которые предназначены для использования действия «экранного эффекта».

Экранопланы способны эксплуатироваться на самых различных маршрутах, в том числе и тех, которые недоступны для обычных судов. Наряду с более высокими гидроаэродинамическим качеством и мореходностью, чем у других скоростных судов, экранопланы практически всегда обладают амфибийными свойствами. Помимо водной глади они способны передвигаться над твердой поверхностью (земля, снег, лед) и базироваться на ней. Экраноплан, таким образом, объединяет в себе лучшие качества судна и самолета.

Экранопланы, которые способны на длительное время отрываться от экрана и переходить в «самолетный» режим полета, называются экранолетами



Рисунок 1 - Экраноплан



2. История развития

2.1 Открытие эффекта экрана и начало использования

В середине 1920-х годов авиаторы впервые столкнулись с экранным эффектом при взлете и особенно при посадке самолетов-низкопланов. Было замечено некоторое увеличение подъемной силы крыла, когда самолет продолжал лететь над полем, как бы ни желая садиться. Кроме того, экранный эффект иногда приводил к неприятностям. При движении вблизи экрана центр давления крыла перемещается к его задней кромке, что в случае недостаточной эффективности горизонтального оперения становится причиной аварии во время посадки самолета.

Во время экспериментальных полетов в 1932 году на небольшой высоте над Северным морем тяжелого двенадцатимоторного самолета «Дорнье ДО-Х», крыло которого имело значительную хорду, было замечено уменьшение аэродинамического сопротивления и расхода топлива. Известный авиационный инженер, изобретатель и авиаконструктор П.И. Гроховский в 1932 году разработал проект экраноплана-амфибии с двумя двигателями, аэродинамическая компоновка которого характерна для некоторых экранопланов наших дней.

В 1935 году финский инженер Тойво Каарио построил первый экспериментальный буксируемый аппарат с целью использования и изучения экранного эффекта. Сани-экраноплан Каарио имели крыло размером 2х2,6 м, установленное на лыжи. Экраноплан буксировали с помощью аэросаней.

Одной из первых отечественных работ, которая относилась к исследованиям экранного эффекта, является работа Б.Н. Юрьева «Влияние земли на аэродинамические свойства крыла». Затем, уже в 1930-е годы, проводились теоретические исследования экранного эффекта В.В. Голубевым, Я.М. Серебрийским, Ш.Я. Биячуевым и другими.

При разработке экранопланов конструкторские фирмы многих государств столкнулись со множеством технических проблем, начиная от проблемы выбора антикоррозийных материалов и заканчивая проблемами устойчивости в полете. Правительства этих стран отказались поддержать проекты, а разрабатывать «на свой страх и риск» фирмы не решились. Если конструкции и были разработаны, то так и остались в виде чертежей.

2.2 Советские разработки

Все советские разработки экранопланов можно разделить на три группы:

* конструкции ЦКБ по СПК под руководством Ростислава Алексеева

* конструкции Роберта Бартини в авиационном КБ имени Г.М. Бериева в Таганроге (1968--1974)

* относительно небольшие экранопланы, в разработке которых принимали участие различные конструкторские бюро

Особняком стоят «любительские» конструкции, причем на этом уровне разработка экранопланов велась не только в СССР, но и в других государствах.

К идее экраноплана Ростислав Алексеев и Роберт Бартини пришли, развивая свои проекты, подступив к ней с разных сторон.

2.2.1 Работы ЦКБ Ростислава Алексеева

Еще 1 октября 1941 года Ростислав Алексеев защитил дипломную работу «Глиссер на подводных крыльях». В 1951 году Алексеев и его помощники за разработку и создание судов на подводных крыльях были удостоены Сталинской премии. Так от идеи судов на подводных крыльях Ростислав Алексеев придвинулся вплотную к разработке аппарата, способного передвигаться по воде на скоростях, намного превышающих скорости обычных судов.

В начале 60-х годов в Центральном конструкторском бюро по судам на подводных крыльях (ЦКБ по СПК) в лабораторных условиях проводились исследования экранного эффекта на малых буксируемых моделях и самоходных пилотируемых аппаратах.

Для работ по экранной тематике требовалась оснащенная научно-экспериментальная база. Поэтому на Горьковском водохранилище была построена специальная испытательная станция (база) ИС-2 с комплексом уникальных сооружений, многие были специально созданы для исследований особенностей экранного эффекта.

Первые самоходные модели экранопланов в ЦКБ по СПК были выполнены по схеме «тандем», когда два крыла на фюзеляже располагались одно за другим с целью обеспечения продольной устойчивости применением двух разнесенных крыльев.

В 1962 году в ЦКБ началась работа по созданию экраноплана КМ для ВМФ, а в 1964 году -- над проектом экраноплана Т-1 для воздушно-десантных войск. Первый должен был летать на высотах в несколько метров, а второй -- до высоты 7500 м. 22 июня 1966 года экраноплан КМ, самый крупноразмерный для своего времени летательный аппарат на земле, был спущен на воду.

22 июля 1961 года на испытательной станции ИС-2 был выполнен первый полет первого отечественного экраноплана. Это был экранолет СМ-1. В первом испытательном полете экраноплан СМ-1 пилотировал Р.Е. Алексеев, который был главным конструктором аппарата и начальником ЦКБ по СПК. К осени 1961 года техника пилотирования экраноплана была освоена до такой степени уверенности в надежности аппарата, что Р.Е. Алексеев стал приглашать гостей из Москвы на демонстрационные полеты.

Полеты СМ-1 демонстрировались секретарю ЦК КПСС Д.Ф. Устинову, Председателю Госкомсудостроения Б.Е. Бутоме и Главкому ВМФ С.Г. Горшкову. Демонстрация оказалась настолько убедительной, что высокие гости выразили желание прокатиться на экраноплане, под личную ответственность Р.Е. Алексеева, и их желание исполнили.

По предложению Д.Ф. Устинова в начале мая 1962 года была организована демонстрация экраноплана СМ-2 Н.С. Хрущеву и другим членам правительства, которая проводилась на Химкинском водохранилище под Москвой, недалеко от дачи Н.С. Хрущева (на берегу Икшинского водохранилища). Из Горького СМ-2 доставили на вертолете Ми-10К («летающий кран»). Хотя во время показательных проходов СМ-2 не вышел на расчетный режим, экраноплан все-таки произвел хорошее впечатление на Н.С. Хрущева. летательный аппарат судно экран

Возможно, благодаря этому вскоре была принята государственная программа, включающая разработку новых экранопланов, создание боевых экранопланов для ВМФ и других родов войск, а также строительство полноразмерного экспериментального экраноплана КМ.

В структуре ЦКБ по СПК была организована летно-испытательная служба (ЛИС). В 1964--1965 годах осуществлялось проектирование и создание уникального, самого большого в мире летательного аппарата -- экраноплана КМ, получившего у зарубежных спецслужб название «каспийский монстр» -- так расшифровали американцы буквы КМ -- корабль-макет -- на борту

экраноплана. Главным конструктором этого экраноплана был Р.Е. Алексеев, ведущим конструктором -- В.П. Ефимов.

Экраноплан имел размах крыла 37,6 м, длину около 100 м. Один раз он взлетел с взлетной массой 544 тонны. Это было рекордом для любого существующего летательного аппарата. Лишь появившийся позднее самолет Ан-225 «Мария» смог перекрыть этот рекорд.

В 1966 г. КМ вышел на испытания, которые проводились на специально созданной испытательно-сдаточной станции на Каспийском море в районе города Каспийск (Дагестан).

В первом испытательном полете экраноплан КМ пилотировали В.Ф. Логинов и Р.Е. Алексеев. Дальнейшие испытания проводили ведущие летчики-испытатели Д.Т. Гарбузов и В.Ф. Трошин. Все эти работы проводились в системе Министерства судостроительной промышленности.

В 1972 году был построен первый реально работающий военный экранолет «Орленок», предназначенный для переброски морских десантов на дальность до 1500 км. Всего было построено пять экранолетов типа «Орленок»: «Дубль» -- для статических испытаний, С-23 -- первый летный прототип из сплава К482Т1 (разработан после аварии, произошедшей 22 ноября 1974), С-21, построенный в 1977 году, С-25, собранный в 1980 году и С-26, введенный в строй в 1983 году. Все они вошли в состав авиации ВМФ, и на их базе была сформирована 11-я отдельная авиагруппа непосредственного подчинения Главному штабу морской авиации («Орлята» могли подниматься в самолетном режиме на высоту до двух километров).

По некоторым данным, государственная программа предусматривала строительство 24 экранолетов типа «Орленок». Серийную сборку должны были осуществлять судостроительные заводы в Нижнем Новгороде и Феодосии. Однако этим планам не суждено было воплотиться. После смерти в 1984 году Министра обороны СССР Дмитрия Устинова, курировавшего наукоемкое вооружение, все работы по выпуску и развитию этого перспективного транспорта были свернуты. Четыре изготовленных экземпляра «Орленка» до 2007 находились на базе ВМФ в городе Каспийск. В июне 2007 наиболее уцелевший экземпляр был отбуксирован по Волге в Москву и установлен в музее ВМФ.

В 1987 году первый полет совершил ударный экраноплан-ракетоносец «Лунь». Он был вооружен шестью управляемыми противокорабельными ракетами «3М-80 Москит». После успешного окончания государственных испытаний «Лунь» был в 1990 году передан в опытную эксплуатацию. Однако распад Советского Союза привел к прекращению работ по этому направлению и расформированию 11-й авиагруппы экранопланов Черноморского флота.



2.2.2 Работы Роберта Бартини

На основе своего проекта самолета-летающее крыло с переменной стреловидности (Т-203 -- прототип Ту-144 и французского Конкорда) и исследований по проекту, Р.Л. Бартини, представляет в 1955 году проект сверхзвуковой летающей лодки-бомбардировщика средней дальности А-55. Было продуто свыше 40 моделей, написано до 40 томов отчетов, исследованы режимы взлета с воды и возможности длительного его пребывания на плаву. После различных проектов, развивающих А-55 (это были: А-57 -- стратегический бомбардировщик -- летающая лодка, Е-57 -- гидросамолет-бомбардировщик, носитель крылатой ракеты К-10 и ядерной бомбы

Р-57(Ф-57) -- сверхзвуковой фронтовой бомбардировщик, Р-АЛ (1961) -- дальний разведчик с ядерной силовой установкой) Бартини подошел вплотную к разработке экраноплана.

В течение долгих лет Р.Л. Бартини разработал «Теорию межконтинентального транспорта земли» с оценкой транспортной производительности судов, самолетов и вертолетов. В результате этих исследований он определил, что оптимальным транспортным средством является амфибийный аппарат, с вертикальным взлетом и посадкой (СВВП) или с использованием воздушной подушки, имеющий грузоподъемность больших судов, а скорость и оборудование -- как у самолетов. Он начал исследования экраноплана с подводными крыльями, после чего создал проект экранолет СВВП-2500 с взлетной массой 2500 тонн в виде летающего крыла с квадратным центропланом и консолями и силовой установкой из подъемных и маршевых двигателей.

ВВА-14, Центральный музей Военно-воздушных сил РФ, Монино 1998.

В 1963 он проводил испытания моделей в ЦАГИ, результаты исследований показали возможность создания экраноплана СВВП-2500. Проект противолодочной СВВП-амфибии ВВА-14, стал его реализацией. Разработка началась по постановлению правительства в ноябре 1965 года на Ухтомском вертолетном заводе (УВЗ), а только потом была продолжена в ОКБ Г.М. Бериева в Таганроге. Экспериментальный самолет ВВА-14 совершал испытательные полеты, но не были сделаны двигатели для вертикального взлета. В 1974 году Бартини умирает, его проект еще продолжают развивать в течение двух лет, испытывая в Таганрогском заливе Азовского моря. Вертикальный взлет не был сделан из-за возникших сложностей с разработкой нужных двигателей, поэтому уже после смерти Бартини, по его проекту были установлены два маршевых двигателя для создания экранного эффекта. Летчик-испытатель Ю.М. Куприянов, штурман Л.Ф. Кузнецов производили испытания в режиме самолета, в переходных режимах. Также были выполнены взлет-посадка на воду. Экранный эффект действовал даже на большем расстоянии, которое было рассчитано, но были выявлены сложности маневрирования. Исправить их было возможно, но требовало переделки аппарата, в то время как его создатель уже умер. В 1976 было окончательно решено прекратить работу над проектом.

Для обнаружения подводных лодок проектом предполагалось использовать поисковый аэромагнитометр «Бор-1», а также 144 радиогидроакустических буя РГБ-1У и до ста взрывных источников звука. Вооружение:

* Авиационные торпеды -- 2

* Авиационные мины ИГДМ-500 -- 8

* Авиационные бомбы ПЛАБ-250 -- 16

2.2.3 «ЭКИП» Льва Щукина

Разработки экранопланов Бартини были продолжены в начале 80-х годов Л.Н. Щукиным в объединении «ЭКИП», где проектировалась модель Л4-2 (см. рис. 2). Это был бескрылый дисковидный экранолет, с активным управлением течения пограничного слоя, что давало возможность применять тела с плохим аэродинамическим качеством, но с большими объемом и грузоподъемностью. По расчетам, Л4-2 со своей взлетной массой 600 тонн, мог бы нести полезный груз массой 200 тонн на дальность 8600 км. Предполагалось, что большой пространственный объем и грузоподъемность аппарата позволят перевозить широкий спектр

грузов. За счет шасси на воздушной подушке в качестве взлетной полосы можно использовать неподготовленный грунт, воду, лед, что дает возможность сократить затраты на инфраструктуру.

В его конструкции использовались уникальные двигатели, работающие как на керосине, так и на водороде, или же на специальном экономичном водно-эмульсионном топливе, содержащем от 10% до 58% воды. Кроме воды и запатентованного эмульгатора в этом топливе применялся один из углеводородов (низкосортный бензин, либо продукты природного или попутного газа), октановое число у водно-эмульсионного топлива было 85.

Из-за равномерного распределения нагрузки на корпусе аппарата стало возможным использование композитных материалов, что дает возможность быть аппарату радиолокационно малозаметным. Уменьшалась также акустическая и тепловая заметность. ЭКИП может летать на высоте от 3 метров до 10 000 метров. Все эти уникальные качества отражены в его названии: ЭКИП -- сокращение слов «экология и прогресс».

После кризиса перестроечного периода идея серийного производства наконец-то была поддержана на госуровне министерством оборонной промышленности, министерством обороны (головной заказчик) и министерством российского лесного хозяйства. В 1999 разработка аппарата ЭКИП (в г. Королев) была включена отдельной строкой в бюджет страны. Несмотря на это, финансирование было прервано и деньги так и не были получены. Создатель ЭКИПа Лев Щукин сильно переживал за судьбу проекта и после многочисленных попыток продолжить проект на личные средства умер от сердечного приступа в 2001 году.

После того, как оригинальные идеи Л. Щукина получили мировую огласку, был объявлен общеевропейский грант на исследование управления обтекания тел большой относительной толщины, который выиграли несколько европейских университетов. Была создана совместная европейская программа под названием «Вихревая ячейка-2050» (Vortex Cell 2050), с учетом перспективы на дальнейшие десятилетия.

Рисунок 2- «ЭКИП» Льва Щукина



3.Эффект экрана

По сути, экранный эффект -- это та же воздушная подушка, только образуемая путем нагнетания воздуха не специальными устройствами, а набегающим потоком. То есть «крыло» таких аппаратов создает подъемную силу не только за счет разреженного давления над верхней плоскостью (как у «нормальных» самолетов), а дополнительно за счет повышенного давления под нижней плоскостью, создать которое возможно только на очень небольших высотах (от нескольких сантиметров до нескольких метров) Эта высота соизмерима с длиной средней аэродинамической хорды (САХ) крыла. Поэтому крыло у экраноплана стараются выполнить с небольшим удлинением.

Эффект экрана связан с тем, что возмущения (рост давления) от крыла достигают земли (воды), отражаются и успевают дойти до крыла. Таким образом, рост давления под крылом получается большим. Скорость распространения волны давления, конечно, равна скорости звука.

Соответственно, проявление экранного эффекта выражено в формуле:

,

где l -- ширина крыла (хорда крыла),

V -- скорость звука,

h -- высота полета,

v -- скорость полета.

Чем больше САХ крыла, ниже скорость полета и высота -- тем выше экранный эффект.

Например, максимальная дальность полета экранолета «Иволга» на высоте 0,8 м составляет 1150 км, а на высоте 0,3 метра с той же нагрузкой -- уже 1480 км

Традиционно на скоростях полетов у самой земли принято считать высотой действия экрана половину хорды крыла. Это дает высоту порядка метра. Но у достаточно больших экранопланов высота полета «на экране» может достигать 10 и более метров.

Центр давления (общая точка приложения силы) экранного эффекта находится ближе к задней кромке, центр давления «обычной» подъемной силы -- ближе к передней кромке, поэтому, чем больше вклад экрана в общую подъемную силу, тем больше центр давления смещается назад. Это приводит к проблемам балансировки. Изменение высоты меняет балансировку, изменение скорости -- тоже. Крен вызывает диагональное смещение центра давления. Поэтому управление экранопланом требует специфических навыков.



4 Достоинства экранопланов и экранолетов

* Высокая живучесть

* достаточно высокая скорость

* у экранопланов высокая экономичность и более высокая грузоподъемность по сравнению с самолетами, так как подъемная сила складывается с силой, образующейся от экранного эффекта.

* экранопланы по скоростным, боевым и грузоподъемным характеристикам превосходят суда на воздушной подушке и суда на подводных крыльях

* для военных немаловажна малозаметность экраноплана на радарах вследствие полета на высоте нескольких метров, быстроходность, невосприимчивость к противокорабельным минам

* для экранопланов не важен тип поверхности, создающей эффект экрана -- они могут перемещаться над замерзшей водной гладью, снежной равниной, над бездорожьем и т. д.; как следствие, они могут перемещаться по «прямым» маршрутам, им не нужна наземная инфраструктура: мосты, дороги

* современные экранолеты гораздо безопаснее обычных самолетов: в случае обнаружения неисправности в полете амфибия может сесть на воду даже при сильном волнении. Причем это не требует совершения каких-либо предпосадочных маневров и может быть осуществлено просто сбросом газа (например, в случае неисправности двигателей). Также и сама неисправность двигателя зачастую не столь опасна для крупных экранопланов ввиду того, что они имеют несколько двигателей, разделенных на стартовую и маршевую группу, и неисправность двигателя маршевой группы может быть компенсирована запуском одного из двигателей стартовой группы.

* экранолеты относятся к безаэродромной авиации -- для взлета и посадки им нужна не специально подготовленная взлетная полоса, а лишь достаточная по размерам акватория или ровный участок суши



5. Недостатки

* одним из серьезных препятствий регулярной эксплуатации экранопланов является то, что место их предполагаемых полетов (вдоль рек) очень точно совпадает с зонами максимальной концентрации птиц

* управление экранопланом отличается от управления самолетом и требует специфических навыков

* экраноплан «привязан» к поверхности и не может лететь над неровной поверхностью; этого недостатка лишен экранолет

* хоть полет «на экране» и связан с меньшими энергетическими затратами, нежели у самолета, однако процедура старта требует большей тяговооруженности, сравнимой с таковой у транспортного самолета, и соответственно применения дополнительных стартовых двигателей, не задействованных на маршевом режиме (для крупных экранопланов), либо особых стартовых режимов для основных двигателей, что ведет к дополнительному расходу топлива

* низкая маневренность, так как экраноплан, как и самолет, для изменения направления движения должен создавать центростремительную силу, единственным источником которой является крыло. При высоте полета порядка САХ крыла возможные крены очень малы, а радиусы поворотов слишком велики.



6. Конструкции экранопланов

В конструкциях экранопланов можно выделить две школы: советскую (Ростислав Алексеев) с прямым крылом и западную (Александра Липпиша) с треугольным крылом (углом назад, то есть с обратной стреловидностью) с выраженным обратным поперечным V. (см. рис 3). Схема Р.Е. Алексеева требует большей работы по стабилизации, но позволяет двигаться с большими скоростями и в самолетном режиме. Схема Липпиша включает средства снижения избыточной устойчивости (крыло с обратной стреловидностью и обратное поперечное V), что позволяет снизить недостатки балансировки экраноплана в условиях небольших размеров и скоростей.

Третьей предложенной схемой стала тандемная схема Г. Йорга (ФРГ), однако, несмотря на ряд преимуществ (автоматическая стабилизация) последователей пока не имеет.

Также идею экранного эффекта используют суда с динамической воздушной подушкой. В отличие от экранопланов высота их полета еще ниже, но по сравнению с судами на подводных крыльях и на воздушной подушке они могут иметь большую скорость при меньших затратах энергии.

Рисунок 3 - схема экраноплана А. Липпиша «X-112»



7. Гидромеханика Судна

7.1 Гидроаэромеханика экранопланов

Характерной особенностью развития транспортных средств (ТС) является тенденция к повышению скоростей движения, в большой степени определяющая их эффективность. Эта тенденция характерна для наземных и воздушных транспортных средств (автомобилей, железнодорожных поездов, самолетов). Рост скоростей морских видов транспорта существенно сдерживается вследствие того, что сопротивление воды их движению и соответствующая потребная мощность зависят от скорости в степени, существенно большей единицы. Для обычных судов в определенном диапазоне скоростей возникает так называемый волновой барьер, характеризующийся сильным ростом волнового сопротивления. Для судов на подводных крыльях при определенных скоростях возникает кавитационный барьер, при котором резко снижаются гидродинамические характеристики подводных крыльев и движителей, что заставляет искать принципиально новые решения.

Одним из путей значительного увеличения скорости при приемлемых затратах мощности является выход из воды -- создание транспортных средств (экранопланов), использующих благоприятное воздействие экрана (водной поверхности) на аэродинамические характеристики несущих элементов (воздушных крыльев). При движении воздушного крыла вблизи экрана значительно возрастает его подъемная сила, снижается сопротивление движению, в частности, индуктивная составляющая, увеличивается аэродинамическое качество, по сравнению с движением в безграничном потоке.

Это обстоятельство стимулировало исследования по аэродинамике экранопланов в бывшем отделе больших скоростей под руководством докт. техн. наук А. Н. Панченкова, который со своими учениками разработал теорию воздушного крыла вблизи экрана, проводил эксперименты с моделями, буксируемыми быстроходным катером. В результате было достигнуто глубокое понимание закономерностей движения экраноплана и созданы предпосылки для решения сложных инженерных задач.

Первые работы в этом направлении (испытания 6% крыла авиационного профиля с удлинением 0,5) оказались неудачными - модель была неустойчива, вела себя совершенно непредсказуемо, поднималась вверх, ударялась о воду, никаких измерений проводить было нельзя. Поэтому был поставлен вопрос о разработке критериев устойчивости для аэродинамической схемы экраноплана с двумя крыльями. Под руководством А. Н. Панченкова был разработан приближенный метод оценки продольной устойчивости экраноплана. Расчеты по этому методу определили облик и компоновку устойчивой схемы экраноплана. Модели, выполненные по этой же схеме, сразу показали хорошую устойчивость - проблема была решена. На основе полученных результатов создан самоходный пилотируемый аппарат. Его строили своими руками сотрудники отдела, в основном выпускники Харьковского авиационного института: Б. Н. Белоусов, М. Н. Борисюк, И. И. Галич, А. И. Зверев, П. И. Зинчук, В. И. Кошевой, А. Г. Костин, В. А. Оришичев, В. И. Рудоманов, В. В. Суржик, В. Я. Уризченко, В. Б. Черепенников. Большой вклад внесли механики-модельщики - Ю. В. Меламед и Д. Н. Тупчий. Созданный аппарат имел много сугубо технических недостатков. Несмотря на многочисленные попытки, он не взлетел: не хватило мощности для преодоления горба сопротивления на выходе из воды. Постигшая неудача заставила пересмотреть стратегические позиции. Стало ясно, что примитивная техника эксперимента в речных условиях без надлежащей базы успеха не принесет.

Идея построить большой испытательный полигон ограничилась постройкой «гидростенда» -- скоростного гидробассейна длиной 140 м специально для испытания моделей экранопланов и отдельных их фрагментов. Предполагалось с помощью этого бассейна получить стационарные и нестационарные аэродинамические характеристики (АДХ) экранопланов и их фрагментов, отрабатывать вопросы взлета, посадки на тихой воде и на волнении, полета над волнами, полета в резонансных условиях, определение демпфирования и присоединенных масс воздуха и многое другое.

Гидростенд строился по инициативе и при участии стар. науч. сотруд. В. И. Королева, главного инженера Н. В. Шайбо, старш. научн. сотруд. П. Г.Авраменко. К сожалению, строительство этого объекта было закончено, когда экранопланная тематика уже была свернута. Работы по созданию экранопланов, начатые в нашем институте, продолжались в Энергетическом институте Сибирского отделения АН СССР.

Экраноплан схемы «утка» с полуэллиптическим несущим крылом, снабженный мотоциклетным двигателем, в конце 60-х -- начале 70-х годов летал надо льдом озера Байкал в беспилотном режиме, при этом в качестве взлетно-посадочного устройства использовались специальные коньки.

Научный задел, накопленный А.Н. Панченковым ранее в нашем институте, получил дальнейшее существенное развитие в решении проблем: околоэкранной аэродинамики; теории оптимальных гидроаэродинамических форм; теории и методов оптимального проектирования новых типов транспортных средств; разработки новых компоновочных схем экранопланов; динамики и стабилизации экранопланов; создания и экспериментального исследования моделей и опытных образцов экранопланов; разработки прикладного программного обеспечения для оптимального проектирования гидроаэродинамических комплексов транспортных аппаратов.

Теоретические исследования А.Н. Панченкова по теории потенциала ускорений, разработанный им формализм и создание эффективных методов позволили получить решение ряда задач, имеющих большое значение в проблеме создания транспортных средств на воде. В частности, разработана квадрупольная теория крыла -- новый раздел теории потенциала ускорений, специально приспособленный для задач околоэкранной аэродинамики.

Под руководством А.Н. Панченкова разработан ряд новых компоновочных схем экранопланов, создан и успешно испытан на озере Байкал самостабилизированный одноместный экраноплан; спроектирован, построен и испытан в начале 80-х годов многоместный пассажирский экраноплан.

В последующие годы в отделе ТГМ проводились исследования по таким разделам:

* оценка существующих аэродинамических схем экранопланов и выбор оптимальной схемы;

* разработка методов расчета динамики экраноплана при полете над волнами с учетом переменности аэродинамических коэффициентов;

* разработка рекомендаций по определению безопасных режимов эксплуатации экранопланов и выбору их оптимальных параметров;

* разработка экспериментальных методик по определению оптимальных характеристик схем экранопланов (аэродинамическое качество, устойчивость, снижение мощности, необходимой для выхода в режим полета).

При этом было проведено сравнение аэродинамических характеристик построенных экранопланов и различных проектов, получены рекомендации по выбору элементов аэродинамической схемы, обеспечивающих высокое аэродинамическое качество и устойчивость движения экранопланов. Разработана схема расчета перемещений экраноплана при полете над волнами с учетом переменности аэродинамических характеристик. Сформулированы рекомендации по определению безопасных параметров эксплуатации экранопланов (курсовых углов по отношению к волнам и скоростей полета) при движении над волнами. Предложена экспериментальная методика и схема экспериментальной установки для определения нестационарных аэродинамических характеристик, определяющих аэродинамическое качество, устойчивость, снижение мощности, необходимой для выхода в режим полета.

7.2 Моделирование взаимодействия сложных систем с потоками и волнами

Исследования проводились в рамках создания гидроакустических систем различных типов, систем изучения морской среды и систем освоения моря в смысле разведки и добычи полезных ископаемых. Они выполнялись по заказу ведущих организаций бывшего Советского Союза и Украины, таких как КНИИ Гидроприборов, ЦНИИ «Морфизприбор» (Санкт-Петербург), НИИ «Гидроприбор» (Санкт-Петербург), НИИ «Атолл» (Москва), ВНИИСТ (Москва), ЦКБ «Коралл» (Севастополь), МГИ НАН Украины (Севастополь) и других. Эти исследования были направлены на изучение:

* статики и динамики многоэлементных и многосвязных дрейфующих и заякоренных систем в потоке и на волнении;

* статики многоякорных систем удержания плавучих сооружений;

* динамики якорных линий постоянной и переменной длины;

* надежности многоякорных систем удержания плавучих сооружений;

* динамики морских трубоукладочных комплексов типа «судноукладчик со стингером-система заякорения-трубопровод» на волнении;

* динамики морских стояков в условиях воздействия волн и течений;

* статики и динамики буксируемых систем типа «трос-тело» (включая режимы подъема и заглубления буксируемого тела при изменении длины троса);

* динамики и статики протяженных гибких связей в потоках с переменной эпюрой скоростей;

* вибрации и гашения вибрации тросов и проводов в потоке;

* динамики опускаемых в воду тел и систем зондирования с движущегося носителя;

* сопротивления плетей буксируемых трубопроводов и их элементов в условиях спокойной воды и на волнении;

Разработка конструкций гидроакустических систем и систем морской техники для изучения и освоения Мирового океана ставят ряд новых задач оптимизации обтекания тел. Необходимость учета деформаций конструкций, их взаимодействия с потоком, анализа процессов вихреобразования потребовали развития новых теоретических и экспериментальных методов, создания соответствующих испытательных стендов, вычислительных технологий и пакетов прикладных программ. В частности, был разработан метод расчета и определены параметры системы удержания плавучих объектов. Проведено экспериментальное исследование динамики якорных канатов, получены данные, позволяющие уточнить динамические расчеты. В результате экспериментальных исследований получены данные, которые позволяют оценить динамику, усилия в канатах и элементах конструкций судна-укладчика со стингером, а также изгибающие моменты в трубопроводе при его укладке. Получены экспериментальные данные по динамике (вибрации) гибких линий в потоках с переменной эпюрой скорости, позволившие разработать уточненный метод расчета. Развиты методы стабилизации и оптимизации технических средств изучения и освоения Мирового океана и на их основе предложены конструктивные решения стабилизированных буев, буровых платформ, заякоренных, дрейфующих и буксируемых гидроакустических систем, буксируемых систем морской геофизической разведки и трубоукладочных комплексов. Разработана общая математическая модель динамики и статики многоэлементных и многосвязных систем в потоках и на ее основе развиты аналитические, и численные методы решения прикладных задач Экспериментально определены гидродинамические характеристики элементов сложных систем, необходимых для расчетов их поведения в потоках и на волнении. В связи с проблемой создания автоматизированной системы экологического контроля вод Украины построена математическая модель полного цикла зондирования с движущегося носителя и разработаны рекомендации по оптимальному проектированию соответствующей системы зондирования.

Полученные результаты передавались заказчику для практического использования в процессе проектирования той или иной системы. По одной из перспективных тем, которая выполнялась по заказу КНИИ Гидроприборов, работа была построена по принципу текущего процесса проектирования, экспериментальной и расчетной (теоретической) проверки с дальнейшей разработкой рекомендаций по улучшению эксплуатационных характеристик изделия.

7.3 Вихревые структуры в жидкости

Зависимость интегральных характеристик (осредненных гидродинамических полей, сопротивление формы и трения, уровень излучаемого гидроакустического шума, характеристики тепло - и массообмена) от свойств мелкомасштабных движений жидкости (так называемой тонкой структуры течения) и вихревой структуры потока в последние десятилетия стала предметом активного внимания исследователей. Это обусловлено, в первую очередь, широкими возможностями управления интегральными характеристиками течения путем изменения интенсивности и масштабов вихревых образований, характера их движения, взаимодействия между собой и границами потока. Исследования в этом направлении носят фундаментальный характер. Они позволяют ответить на вопросы о природе турбулизации течения, возникновения случайных движений жидкости, исходя из концепции детерминированного хаоса. В отделе ТГМ по данному направлению выполнялись теоретические и экспериментальные исследования по следующим разделам:

* резонансные свойства вихрей в пристенных потоках и в следах за телами;

* образование вихревых структур различных масштабов на криволинейных границах и в следах за телами;

* теоретический анализ возможностей управления вихревыми структурами в пристенных потоках;

* вихревые структуры вокруг сферы и цилиндра и их связь с известными вихрями Хилла, Ламба-Чаплыгина и Чаплыгина;

* получение аналогов традиционных винтовых течений Громеки в гидродинамике при наличии источников и гидродинамическом приближении многокомпонентной проводящей жидкости;

* снижение сопротивления движению тела сложной формы в жидкости; способы управления обтеканием тела;

* снижение шумов обтекания.

В развитие данного направления в отделе ТГМ разработаны численно-аналитические аппроксимации в теории отрывного обтекания, основанные на совместном использовании дискретно-вихревой модели и методов конформных отображений. Выявлены и исследованы резонансные свойства вихрей в пристенных потоках вблизи неровностей границы. Разработаны алгоритмы и программы моделирования пристенных течений и на их основе предложены способы управления вихревыми структурами, основанные на искусственной генерации устойчивых локальных отрывных зон. Развита теория винтовых течений Громеки-Жуковского и получено обобщение ряда широко известных вихревых структур (в том числе вихрей Хилла, Ламба-Чаплыгина и Чаплыгина). Построены аналоги традиционных течений Громеки-Жуковского в гидродинамике при наличии источников массы, импульса и энергии и гидродинамическом приближении многокомпонентной проводящей жидкости. Установлено, в частности, что в классе винтовых течений находятся установившиеся волны конечной амплитуды, обобщающие на нелинейный случай хорошо известные в линеаризованном гидродинамическом приближении плазмы обыкновенную и необыкновенную волны.

Следует отметить , что развитие техники требует новых подходов к решению проблем управления потоками жидкости и газа. Одна из принципиальных возможностей на этом пути заключается в трансформации вихревой структуры течений. Проведенные исследования, в частности, развивают концепцию формирования локальных вихревых зон в пристенной области. Используя численные вихревые методы, в рамках модели идеальной несжимаемой жидкости проведен анализ возможных схем управления течением с помощью одного, двух или ряда интерцепторов и системы отбора жидкости из отрывных зон. Полученные зависимости позволяют оценить необходимую интенсивность отбора жидкости, которая обеспечивает локализацию отрыва и устойчивость соответствующих циркуляционных зон.

Проведенный анализ углубляет понимание физических закономерностей генерации и движения вихревых структур в пристенных потоках. Полученные результаты могут быть полезными для дальнейшего развития алгоритмов управления пристенными течениями.

7.4 Общая теория механики сплошной среды

Модели и методы механики сплошной среды получают все большее развитие применительно к описанию различных процессов и явлений. Их роль особенно возрастает в связи с расширением круга технических задач, с которыми сталкивается практика человечества. В частности, развитие магнитной гидродинамики и гидродинамических и кинетических моделей плазмы в последние десятилетия было существенно ускорено в связи с необходимостью создания магнитогидродинамических генераторов электрической энергии и установок управляемого термоядерного синтеза, основанных на удержании высокотемпературной плазмы сильными магнитными полями. В отделе выполнен ряд методологических разработок в гидродинамике, магнитной гидродинамике, гидродинамическом приближении многокомпонентной проводящей среды (в том числе на основе обобщенных потенциалов и вариационных подходов):

* разработана теория нелинейных симметричных задач гидродинамики, магнитной гидродинамики и динамики многокомпонентных проводящих сред;

* в теории нестационарных газодинамических и магнитогазодинамических течений установлены классы неизентропических состояний, которые допускают использование метода спидографа и аппарата теории волн Римана, и получен аналог уравнения Седова теории плоских газодинамических течений;

* на основе принципа Гамильтона-Остроградского построены и изучены математические модели гидродинамики, механики гибких нитей, механики гетерогенных и гомогенных смесей, магнитной гидродинамики и электромагнитной гидромеханики поляризующихся и намагничивающихся сред при наличии источников массы как неподвижных, так и движущихся в выбранной системе отсчета;

* для систем уравнений Стокса, Ламе, Максвелла, магнитной гидродинамики, динамики неоднородной вращающейся жидкости предложены новые существенные при решении начально-краевых задач потенциальные представления общих решений и установлена их связь с представлениями Гельмгольца-Стокса-Грина-Ламе, Дебая-Морса-Фешбаха, Папковича-Нейбера, Галеркина и другими известными представлениями.

В связи с изложенными по данному направлению результатами следует отметить особую важность, которую представляют интегральные вариационные принципы Гамильтона-Остроградского среди других экстремальных математических моделей. Действительно, в этом случае вся информация заложена в единственный скаляр - функционал (интеграл). Применяя к этому интегралу обычную операцию экстремизации, в едином подходе получаем систему дифференциальных уравнений, соответствующие ей краевые условия, условия на разрывах (сильных и слабых), уравнения состояния. При построении таких моделей фактически подготавливаются условия для получения законов сохранения, соответствующих той или иной группе симметрии, а также интегралов симметрии. Эти модели удобны для решения задач приближенными и численными методами. Использование в качестве функций сравнения обобщенных потенциалов Клебша часто предоставляют значительные удобства при введении эффективного гамильтоновского формализма для изучения нелинейных волн в системах гидродинамического типа.

7.5 Ветроэнергетика

В последние десятилетия существенно вырос интерес к использованию такого экологически чистого и практически неиссякаемого источника энергии, как кинетическая энергия ветра в воздушных течениях. В отделе работы по ветроэнергетике ведутся с 1997 года. За это время выполнены исследования эффективности аэродинамических схем ортогональных и аксиальных ветротурбин для наземных и высотных ветроэнергетических установок. В результате анализа имеющейся информации о характеристиках существующих наземных ветроэлектростанций (ВЭС) сделан вывод о возможности значительного повышения их эффективности путем использования энергии струйных течений в тропопаузе с помощью ВЭС, располагаемых на высотных аэростатах.

Перспективные научные исследования отдела связаны с развитием судостроения в Украине, созданием аппаратов, использующих экранные эффекты, разработкой технических средств освоения Мирового океана и контроля окружающей среды, изучением фундаментальных проблем образования и развития вихревых структур в потоках жидкости и модельными и методическими разработками в механике сплошных сред.



8. Экранопланы и экранолеты сегодня

В 1990-е годы история с экранопланами получила совершенно неожиданный поворот. Проанализировав перспективность этого вида техники, и придя к выводу о значительном отставании работ (за фактическим отсутствием таковых) в области экранопланостроения, конгресс США создал специальную комиссию, призванную разработать план разработок экранопланов. Члены комиссии предложили обратиться за помощью к специалистам из РФ и вышли напрямую в ЦКБ по СПК. Руководство последнего поставило в известность Москву и получило разрешение от Госкомоборонпрома и Министерства Обороны на проведение переговоров с американцами под патронажем Комиссии по экспортному контролю вооружения, военной техники и технологий МО РФ. Российская сторона согласилась организовать посещение американскими исследователями базы в Каспийске, всего за 200 тысяч долларов, где они смогли без ограничений детально отснять на фото- и видеопленку подготовленный к вылету специально для этого визита «Орленок». После этого визита, американцы начали разработку собственных экранолетов.

В Китай разработки ЦКБ Ростислава Алексеева попали следующим образом: Дмитрий Синицын, ведущий аэродинамик ЦКБ, уволившись вместе с группой конструкторов в 1992 году, перешел на работу в фирму «Амфистар», учрежденную тайваньским предпринимателем (ему принадлежит в ней 99,9% капитала). Этому предпринимателю принадлежат все патенты и разработки «Амфистара».

В экранопланостроении помимо развития аэродинамической конфигурации, развиваются также специальные автоматические системы навигации и управления движением. Они включают в себя высокоточные приборы для измерения малых высотных параметров и имеют малую зависимость от различных погодных условий. Согласно проведенным экспериментам можно сделать вывод о том, что фазовый радиовысотомер является самым подходящим для малой высоты (от частей метра до нескольких метров) по сравнению с импульсными и частотными радиовысотомерами.

8.1 США

Компания «Боинг» в настоящее время разрабатывает экранолет для переброски воинских контингентов и военной техники к местам конфликтов (проект Pelican). Он будет иметь длину 152 м и размах крыльев 106 м. Двигаясь на высоте 6 м над поверхностью океана (имея возможность подниматься на высоту 6000 м), Pelican сможет перевозить до 1400 тонн груза на расстояние 16 000 км. Ожидается, что экранолет сможет брать на борт около 17 танков M1 Abrams.

8.2 Россия

В России проектированием, серийным производством и продвижением экранопланов на мировой рынок занимаются конструкторские бюро и предприятия, входящие в финансово-промышленную группу «Скоростной флот». Я знаю, что руководители «Скоростного флота» Геннадий Данилов, Владимир Первушин, Владимир Куликов -- активные сторонники закрепления российского приоритета на экранопланы и постановки их в боевой строй наших Вооруженных сил. Главнокомандующий ВМФ адмирал флота Владимир Масорин -- без его поддержки эту проблему тоже не решить. Наконец, активным сторонником программы дальнейшего строительства экранопланов является первый вице-премьер правительства страны Сергей Иванов. Вместе мы -- серьезная сила, и можем дать вторую жизнь военным экранопланам.

Это необходимо сделать еще и потому, что в мире сейчас, похоже, назревает бум экранопланостроения. Весьма вероятно, что эти машины станут важной частью мировой транспортной системы, а в вооруженных силах некоторых стран мира появятся оснащенные экранопланами группировки.

В этой связи вопрос, сможет ли Россия строить эти летательные аппараты, звучит далеко не праздно. Разработки, которые сегодня ведутся по экранопланной тематике, вселяют оптимизм. Но чтобы быть в равных условиях с западными конкурентами, нужно в необходимой мере финансировать эти работы. Думаю, что необходима специальная федеральная программа, госзаказ. Иначе приоритет на эти уникальные машины Россия утратит.

На третьем международном гидроавиасалоне «Геленджик-2000», который проходил на Черном море с 6 по 10 сентября 2000, Авиационный военно-промышленный комплекс «Сухой» впервые продемонстрировал свою новую разработку -- экранолет С-90. Главный конструктор экранолета Александр Поляков. Новый летательный аппарат предназначен для пассажирских и грузовых перевозок в интересах различных ведомств, в том числе силовых. Он может использоваться в трех режимах -- как самолет, экраноплан и судно на воздушной подушке. Максимальный вес экранолета в первом варианте 7900 кг, во втором -- 9500 кг и в третьем -- 10500 кг. Коммерческая нагрузка -- 2500, 3100 и 4500 килограммов соответственно. Диапазон высот полета -- от 0,5 метра до 4000 метров. Дальность -- свыше 3000 километров.

ЗАО «Арктическая торгово-транспортная компания» является научно-производственной компанией, специализирующейся в области разработок и создания экранопланов. Что немаловажно, компания занимается и эксплуатацией созданных машин: для транспортировки грузов в северные регионы России разработана Арктическая комплексная производственно-транспортная система, которая призвана обеспечить круглогодичную транспортировку экранопланами грузов в северные регионы России.

По словам гендиректора «Амфибийных транспортных технологий» Александра Бутлицкого, сейчас строятся малые пассажирские экранопланы Aquaglide, способные развивать скорость до 170 км/ч и вмещать пять человек. В «Амфибийных транспортных технологиях», всем желающим можно пройти обучение водителям для управления экранопланами, с выдачей аттестата, но для этого уже нужно иметь документы на право управления обычными судами, в соответствии с требованиями Морского регистра судоходства и ИMO.

Военный инженерно-космический университет им. А. Ф. Можайского разработал проект тяжелого экраноплана для возвращаемых воздушно-космических самолетов.

В фирме Георгия Бериева делают грузопассажирский Бе-2500. Малые и средние экранопланы собираются строить и строят в Комсомольске-на-Амуре, Иркутске, Москве, Нижнем Новгороде, Чкаловске.

В России экранопланостроение идет очень медленными темпами, ограничиваясь выпуском небольшого количества машин малых размеров. Так ЗАО «АТТК» продает экраноплан «Акваглайд-5», рассчитанный на пять-шесть человек. Их выпущено уже 20. Хотя уже идет разработка машин грузоподъемностью 20 т, компания также планирует разработать более скоростной экраноплан Aquaglide-50 вместимостью до 44-48 человек, а затем -- грузопассажирский Aquaglide-60.Центральное конструкторское бюро имени Алексеева, известное как разработчик «Каспийского монстра», намерено в ближайшее время возобновить проектные и опытно-конструкторские работы по созданию экранопланов.

...