Результат интеллектуальной деятельности: САМОЛЕТ-АМФИБИЯ С НИЗКОРАСПОЛОЖЕННЫМ КРЫЛОМ

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано в разработке гидросамолетов (ГС) и самолетов-амфибий (СА).

Известен гидросамолет патент РФ №2067063 (1), содержащий лодку, силовую установку, хвостовое оперение и глиссирующее крыло, выполненное с положительным углом поперечного V, и закрепленное выше скуловой линии.

Недостатком этого гидросамолета является расположение крыла выше скуловой линии, приводящее к недостаточному использованию положительных эффектов от влияния близости земли (экрана), выражающемуся в недостаточных несущих свойствах крыла от попадания на нижнюю поверхность брызговых струй лодки, увеличении гидродинамического сопротивления и уменьшении гидродинамического качества.

Известен также гидросамолет патент РФ №2135394 (2), содержащий лодку, силовую установку, оперение и низкорасположенное глиссирующее крыло, задняя кромка центроплана которого расположена на скуловой линии.

Такое положение крыла по сравнению с положением крыла “выше скуловой линии” уменьшает гидродинамическое сопротивление, увеличивает гидродинамическое качество по сравнению с ГС (1), но, как показывают исследования ТАНТК им. Г.С. Бериева и ГОС НИЦ ЦАГИ, также не является оптимальным для получения минимального гидродинамического сопротивления и максимального гидродинамического качества.

На гидросамолетах (1,2) при движении на взволнованной поверхности появляется тенденция зарывания носовой части лодки в воду при встрече с большими волнами на скоростях 0,75-0,9 V_отрыва, V_{посадки}, что приводит к мощному брызгообразованию, попаданию брызговых струй в зону винтов, оперения, увеличению перегрузок, и, как следствие, к необходимости усиления конструкции, уменьшению весовой отдачи и ухудшению летно-технических характеристик (ЛТХ) самолета. Чтобы уменьшить это влияние, необходимо ограничивать мореходность (высоту предельной волны).

Известен также ГС патент США №3599903 (3), содержащий лодку, низкорасположенное крыло, оперение, кабину экипажа и пассажиров, расположенную над крылом и расположенную перед первым реданом гидродинамическую поверхность, несущие свойства которой уже на малых скоростях позволяют поднять корпус лодки над поверхностью воды.

Недостатком такого ГС является большой вес заявленной гидродинамической поверхности. Поскольку она предназначена для поднятия корпуса лодки над поверхностью воды на малых скоростях ( 0,25-0,3 ) V_отрыва, она имеет большие размеры. Гидродинамическая подъемная сила определяется известной формулой

где Сy - коэффициент подъемной силы,

ρ - массовая плотность,

S г.п.- площадь гидродинамической поверхности,

V - скорость.

отсюда следует, что S г.п. тем больше, чем меньше скорость.

Чтобы гидродинамическая поверхность не увеличивала аэродинамическое сопротивление в полете, она должна быть убираемой, что приводит к росту веса пустого самолета. Стационарное положение гидродинамической поверхности относительно центра тяжести самолета очень чувствительно к изменению центровки самолета, режима работы двигателей, что приводит к необходимости продольного управления на режимах взлета и посадки, особенно на взволнованной поверхности. В конечном итоге это приводит к значительному усложнению техники пилотирования. Попытки использования таких гидродинамических поверхностей на гидросамолетах предпринимались неоднократно, но все заканчивалось испытанием на опытных экземплярах, например на СА "LAKE TYRBO RENEGADE 270", на корпусе лодки которого была испытана гидролыжа, гидрокрыло, но дальше испытаний дело не пошло.

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение гидродинамического сопротивления, повышение гидродинамического качества, повышение мореходности ГС, СА с низкорасположенными глиссирующими крыльями.

Технический результат достигается тем, что в самолете-амфибии, содержащем лодку, низкораположенное глиссирующее крыло с положительным углом поперечного V, у которого задняя кромка центроплана установлена ниже скуловой линии, а в носовой части лодки под положительным углом к килевой линии лодки установлена гидродинамическая поверхность, препятствующая зарыванию носовой части лодки в воду при встрече с большими волнами на скоростях 0,75-0,9 V_отрыва. Гидродинамическая поверхность может быть выполнена в виде уступа- редана, гидролыжи или гидрокрыла.

Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана боковая проекция СА;

На фиг.2 показана боковая проекция СА с тремя положениями крыла по высоте: - выше скуловой линии; - ниже скуловой линии; - на скуловой линии;

На фиг.3 показана зависимость гидродинамического сопротивления от скорости разбега и пробега по воде СА при положении крыла выше скуловой линии, на скуловой линии и ниже скуловой линии;

На фиг.4 показана установка гидродинамической поверхности на днище лодки, в носовой ее части (уступ-редан);

На фиг.5 показана установка гидродинамической поверхности на днище лодки, в носовой ее части (гидролыжа, гидрокрыло);

На фиг.6 показаны зависимости угловых и вертикальных колебаний, перегрузок в Ц.Т. с установкой гидродинамической поверхности на носовой части лодки и без нее при движении по волне.

Самолет-амфибия содержит лодку 1 (фиг.1) с низкорасположенным глиссирующим крылом 2, выполненным с положительным углом поперечного V. Задняя кромка центроплана 3 крыла 2 расположена по высоте ниже скуловой линии 4. В носовой части лодки 5 на днище под положительным углом к килю установлена гидродинамическая поверхность (ГП), выполненная, например, в виде уступа-редана 6 (фиг.1,4) или в виде гидролыжи 7 (фиг.5), или гидрокрыла 8 (фиг.5).

В СА с низкорасположенным крылом гидродинамическая подъемная сила создается как лодкой 1 (фиг.1), так и нижней поверхностью крыла 2. Доля гидродинамической подъемной силы лодки 1 и крыла 2 зависит от положения крыла 2 по высоте относительно скуловой линии 4. При опускании крыла 2 доля гидродинамической силы крыла 2 растет, а лодки 1 уменьшается. Общее гидродинамическое сопротивление зависит от соотношения гидродинамических подъемных сил, создаваемых крылом 2 и лодкой 1, и с увеличением гидродинамической подъемной силы крыла 2 общее гидродинамическое сопротивление уменьшается.

Величина положения задней кромки 3 крыла 2 по высоте относительно скуловой линии зависит от гидродинамической компоновки, нагрузки на крыло 2 и лодку 1 и других факторов и определяется при экспериментальных исследованиях гидромоделей.

Была испытана гидромодель с тремя положениями задней кромки центроплана крыла по высоте (фиг.3): на скуловой линии [1], выше скуловой линии [2], ниже скуловой линии [3]. Результаты показали, что минимальное гидродинамическое сопротивление у самолета-амфибии с положением задней кромки центроплана крыла ниже скуловой линии [3].

На заявленном СА положение задней кромки крыла 2 (фиг.1) выбрано по высоте ниже скуловой линии 4, что уменьшает гидродинамическое сопротивление и увеличивает гидродинамическое качество самолета -амфибии.

При движении СА по взволнованной поверхности в разные моменты времени носовая часть лодки 5 (фиг.1) и хвостовая часть центроплана 3 крыла 2 попадает то на гребень волны, то во впадину волны. На хвостовой части центроплана 3 при попадании на гребень волны возникает гидродинамическая подъемная сила (y_г) и поскольку равнодействующая от гидродинамической подъемной силы и гидродинамического сопротивления (x_г) расположены позади Ц.Т. СА, возникает пикирующий гидродинамический момент. В этот момент носовая часть 5 лодки 1 может находиться во впадине волны, кабрирующий момент от гидродинамической подъемной силы на носовой части лодки 5 отсутствует, и самолет с большой угловой скоростью начинает уменьшать углы хода и в следующий момент носовая часть лодки 5 врезается всей шириной вплоть до скулы в последующий гребень волны, приводя к мощному брызгообразованию, при этом возможен выброс самолета из воды. Причиной этому является недостаточная несущая способность носовой части лодки 5 в начальный период ее погружения из-за большой поперечной килеватости, и большая гидродинамическая подъемная сила при погружении в воду носовой части лодки 5 до скулы 4.

При попадании носовой части лодки 5 с установленной ГП 6,7 или 8 на гребень волны, создаваемая на ней при погружении подъемная сила приводит к возникновению кабрирующего момента, препятствующему зарыванию носовой части лодки 5 в воду, уменьшению продольных, угловых колебаний и перегрузок.

На фиг.6 показан график продольных угловых колебаний и перегрузок на исходной модели (без установленной на ней гидродинамической поверхности) и на модели с установкой в носовой части лодки под положительным углом гидродинамической поверхности на скоростях 0,7-0,8 от V_отрыва.

Площадь ГП, установленная в носовой части лодки, имеет небольшие размеры, т.к. она рассчитывается для скоростей 0,7-0,9 V_отрыва, V_{посадки}, плечо равнодействующей гидродинамической подъемной силы и гидродинамического сопротивления значительно больше плеча равнодействующей гидродинамической подъемной силы и гидродинамического сопротивления хвостовой части крыла, коэффициент подъемной силы этой ГП тоже больше, так как она устанавливается под большими углами. Оптимальная площадь ГП подбирается с учетом всех этих факторов и уточняется по результатам испытаний моделей в гидроканале. На графике (фиг.6) видно, что с установленной гидродинамической поверхностью амплитуда угловых колебаний значительно меньше и углы хода не уменьшаются менее 2°, при этом зарывание носовой части лодки отсутствует. На исходной модели углы хода уменьшаются до ϕ=-4°, и модель полностью зарывается в воду.

Модель самолета-амфибии с низкорасположенным крылом, снабженная гидродинамической поверхностью 6,7 или 8 прошла комплекс гидродинамических испытаний в гидроканале, которые показали положительные результаты по повышению мореходности СА. Гидродинамическую поверхность планируется установить на одном из СА Бе-103 и провести натуральные испытания.

Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить гидродинамическое сопротивление, повысить гидродинамическое качество, а также и мореходность ГС и СА за счет оптимального положения задней кромки центроплана крыла и установки гидродинамической поверхности малых размеров.

Источники информации

1. Патент РФ №2067063 кл. В 64 С 35/00, 27.09.96. Бюл. №27;

2. Патент РФ №2135394 кл. В 64 С 35/00, 27.08.99. Бюл. №24;

3. Патент США №3599903 кл. В 64 С 35/00.