Самолет на воздушной подушке, с возможностью вертикального взлета и посадки

УДК 629.735.33

Самолет на воздушной подушке, с возможностью вертикального взлета и посадки.

ã

Институт авиационных технологий и управления

Ульяновского государственного технического университета

Создание самолета с возможностью взлета и посадки с любой поверхности и перевоза любых грузов – необходимость современного времени. Возможности такой машины чрезвычайно широки. За несколько часов она может доставить тонну груза на расстояние в несколько сот километров не только без взлетных полос, но и с возможностью посадке на болоте, озере, на реке, на море или в океане. В проектировании используется параметрическая модель самолета в CAD-системе. Параметрическая модель самолета позволила проектировать самолет от детской игрушки из бумаги до реалистичной 3D модели самолета с необходимыми инженерными расчетами в первом приближении. Модель планера самолета состоит из фюзеляжа средних частей центроплана, двух бортоотсеков с боковыми отражателями, кессонов центроплана, двух отъемных частей крыла, передних и задних юбок.

Сфера воздушных перевозок давно поделена между самолетами и вертолетами. Самолеты перевозят тяжелые грузы при дальних полетах и грузы средней тяжести. Но в тех случаях, когда требуется взлетать и садиться без взлетной полосы, необходим вертолет. Что же касается грузов малого веса, то эта область целиком относится к вертолетной монополии, хотя и большие веса вертолетчики пытались одолеть тоже.

Между тем вертолет обладает, по сравнению с самолетом, рядом серьезных недостатков. Прежде всего – неэкономичностью. Покупная стоимость вертолета и самолета примерно одинакова, но при эксплуатации вертолет “съедает” вдвое, а то и втрое больше горючего. Вторая серьезная проблема вертолета – его меньшая надежность, определяемая несущим вращающимся винтом. Но надежность для потребителя не столь очевидна, как стоимость расходуемого горючего, которое к тому же постоянно дорожает.

Создание самолета с возможностью взлета и посадки с любой поверхности и перевоза любых грузов – необходимость современного времени.

Возможности такой машины чрезвычайно широки. За несколько часов она может доставить тонну груза на расстояние в несколько сот километров не только без взлетных полос, но и с возможностью посадке на болоте, озере, на реке, на море или в океане.

Преимущества перед аналогичными самолетами вертикального взлета и посадки (СВВП):

1.  большая крейсерская скорость за счет усовершенствования аэродинамических характеристик планера;

2.  большая дальность полета;

3.  большая грузоподъемность.

Ближайшим аналогом проектируемого летательного аппарата является Ан-14Ш. К проектированию которого приступили в 1971 г. в ОКБ на базе самолета Ан-14.

Табл. 1

Тактико-техничесткие характеристики самолета Ан-14Ш

Размах крыла, м	21,99
Длина, м	11.36
Высота, м	4.63
Площадь крыла, м2	39.72
Масса, кг
пустого самолёта	2720
максимальная взлетная	3420
топлива	290
Тип двигателя
ПД Прогресс (Ивченко) АИ-14РФ, л. с	2 по 300
Максимальная скорость, км/ч	209
Крейсерская скорость, км/ч	165
Практическая дальность, км	450
Практический потолок, м	4500
Экипаж, чел	2

На этапе проектирования самолета на воздушной подушке, были выбраны три направления:

1.  детская игрушка из бумаги (рис. 1);

2.  физическая модель прототипа реального самолета (рис. 2);

3.  реалистичная модель самолета.

Рис. 1. Фотография модели игрушки Рис. 2. 3D модель

В проектировании используется параметрическая модель самолета в CAD-системе. Параметрическая модель самолета позволила проектировать самолет от детской игрушки из бумаги до реалистичной 3D модели самолета с необходимыми инженерными расчетами в первом приближении.

Модель планера самолета (рис. 3) состоит из фюзеляжа средних частей центроплана, двух бортоотсеков с боковыми отражателями, кессонов центроплана, двух отъемных частей крыла, передних и задних юбок.

Фюзеляж обтекаемой формы, плавно переходящий в обводы средних частей центроплана, к нему крепятся щитки, маршевые и подъемные двигатели, внутри фюзеляжа планируется размещать груз. Боковые отражатели имеют обтекаемую сигарообразную форму, по концам средних частей центроплана. Боковые отражатели предназначены для создания воздушной подушки, к ним так же крепятся вертикальное и горизонтальное оперение. Отъемная часть крыла имеет трапециевидную форму в плане. На отъемная часть крыла (ОЧК) установлены закрылок, элерон и предкрылки по всему размаху.

Отъемная часть крыла имеет положительный угол поперечного V по линии носков 2° и угол установки 1°, это позволило получить наибольшую поперечную устойчивость. В корневой части ОЧК расположены зализы.

Подъемная сила создается также и на фюзеляже, который имеет общий с крылом профиль. Таким образом, планер имеет схему несущее крыло.

Вертикальное оперение трапециевидное, при виде с боку со стреловидностью по передней кромке 54°, установлено на боковых отражателях под углом 5° к вертикали.

Горизонтальное оперение трапециевидной формы в плане имеет стреловидность по передней кромки 40° установлено под углом -3° к строительной горизонтали самолета.

Маршевый двигатель

Грузовой отсек

Рис.3. Модель планера самолета на воздушной подушке.

В конструкции самолета планируется применить композиционные материалы.

Нос самолета, гондолы двигателей, рули направления и высоты будут изготовлены из органо - и стеклопластика, элероны предкрылки и зализы крыла изготовлены из углеорганопластика. Обшивка горизонтального и вертикального оперения, пол грузового отсека, обшивка крыла изготовлены из композита на основе углеродистого высокомодульного волокна.

Рис. 4. Применение ПКМ в конструкции самолета

Благодаря применению композиционных материалов удается значительно уменьшить массу самолета, что приведет к уменьшению расхода топлива и соответственно к увеличению дальности полета. Сравнительный анализ материалов приведен в таблице 2.

Табл. 2

Сравнительный анализ материалов

материал	модуль упругости, 10-3	Прочность, МПа
Композит на основе углеродистого высокомодульного волокна УВ ВМУ	230	2400
Органо - и стеклопластик	100	2400
углеорганопластик	390	1800
Алюминиевый сплав	450	73
Титан	950	110

Соединение элементов из композиционных материалов между собой планируется производить методом прошивочно-формованного соединения. Схема соединения приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Прошивочно-формованное соединение обшивки с лонжероном: 1 – обшивка;

2 – лонжерон; 3 – препрег для приформовки; 4 –стекложгут; 5 – технологический вкладыш

Возможность взлета и посадки с любой поверхности обеспечивает воздушная подушка. Для этого на самолете имеются боковые отражатели и юбки, создающие контур воздушной подушки. Для создания подъемной силы имеются 6 подъемных двигателей, расположенных по краям фюзеляжа.

Подъёмная сила в подушке образуется за счёт истечения воздуха из сопел, расположенных по периметру подъемных двигателей (рис. 6). Подъёмная сила складывается из силы статического давления и реактивных сил истечения воздуха через сопла. От действия подъёмной силы камера поднимается и через образовавшийся между кромками камеры и опорной поверхностью зазор происходит истечение воздуха.

Рис. 6. Схема воздушной подушки: 1 – боковой отражатель;

2 – струи истекающие из двигателя.

Воздушные потоки, индуцируемые струями подъемных двигателей, создают избыточное давление внутри подушки. Струи от двигателей, перемешиваясь с окружающим воздухом, нагревают его, в результате чего температура на входе двигателя увеличивается и тяга двигателя падает, это явление называется рециркуляцией. Для уменьшения этого явления планируется применение перегородок, препятствующих попаданию газов на вход двигателей, кроме того планируется отклонить струю от двигателей на 10º от вертикали, что должно благоприятно сказаться на величине эрозии аэродрома.

Для снижения величины шума и степени эрозии взлетно-посадочной полосы планируется применение низконапорных эжекторов.

Применение воздушно-реактивных двигателей с эжекторными усилителями обеспечит усиление тяги, снизит скорость и температуру струи, истекающей из эжектора, понизит уровень шума.

Эжекторный усилитель тяги снабжен полым обтекателем, который крепится пилонами к кожуху двигателя. Схема компоновки воздушно-реактивного двигателя с эжекторными усилителем показана на рисунке 7

Рис.7. Схема эжекторного усилителя тяги

Эжектируемый газ поступает из окружающей среды в направлении движения летательного аппарата, смешивается с эжектирующим газом и полученная смесь выбрасывается в окружающую среду через диффузор.

Отношение площади входного сечения эжектора к выходному сечению диффузора F1/F2=1.8. Соответствующий этому отношению коэффициент усиления тяги Ф=2.

Возможные области применения самолета на воздушной подушки:

1. Экологический мониторинг

2. Обнаружение очагов лесных пожаров

3. Мониторинг протяженных объектов

4. Разведка

5. Возможно применение для ВВС

6. Перевозка грузов в места, не оборудованные аэродрома

Список литературы

1. , Егер самолетов. М.: Машиностроение, 1972

2. Плисов судов с динамическими принципами поддержания. Л.:судостроение, 1991

3. етательные аппараты нетрадиционных схем. М.:МИР, 1991

4 http://www. brazd. ru/av/an-14.html

5. Ружицкий самолеты вертикального взлета. М.: Астрель /АСТ, 2000

6. Лисейцев проектирования реактивных самолетов вертикального взлета и посадки. М.:Машиностроение, 1985

7. и др. Справочная литература книга по расчету самолета на прочность

8. Болховитинов развития летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1962

9. Голубев по аэродинамике, М-Л., ГИТЛ, 1957.

10. Мартынов аэродинамика. М., Оборонгиз, 1958