УДК 629.6(73)

 АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ЭКРАНОПЛАНА

     К настоящему времени можно считать сформированным вариант типового облика экраноплана, в котором решены вопросы устойчивого и безопасного полета вблизи поверхности, вопросы эффективного использования "экранного эффекта" для повышения несущих способностей крыла и снижения у него индуктивного сопротивления. Классическим образцом подобного типового облика может считаться известный экраноплан КМ, созданный ЦКБ по СПК (г. Н. Новгород) в 1966 году [5].

Рис. 1. Экраноплан КМ

   Представляет интерес количественно оценить влияние конструктивных и эксплутационных особенностей экраноплана на его технико-экономические  показатели.

Критерии эффективности экраноплана.

     По конструктивно-технологическому устройству (металл, оборудование, двигатели,...) и условиям эксплуатации ( базирование, взлет-посадка, полет,...) экраноплан практически ничем не отличается от гидросамолета, его специфика заключается лишь в устойчивом режиме крейсерского приэкранного полета  на высотах порядка 0 - 5 м.  Эта специфика и обусловливает отличие экраноплана от самолета, по типовым технико-экономическим показателям которого и стоит его оценивать в первую очередь [1].

    Критериями для оценки этого нового типа транспорта могут служить такие традиционные для транспортной авиации показатели, как - относительная  транспортная производительность ( А"тр ) и техническая дальность полета ( Lтех ) :

-          A"тр =  ( Gгр / (Go * No ) * Lтех,  км  -  произведение относительного веса груза (G’гр - в долях полного веса аппарата - Go) на техническую дальность полета ( при полном расходе топлива );                                                                                            (1)

-          Lтех ,  км -  техническая дальность полета без учета затрат топлива на режим взлета-посадки. Стоит отметить, что - Lтех   и   A”тр  -  не зависят от скорости полета, но зависят только от параметров схемы аппарата..

    Основная составляющая транспортной производительности экраноплана - это его техническая дальность полета при заданном запасе топлива, которая определяется из уравнения для аппаратов с винтовым движителем ( винтом, вентилятором):

                             Kкр * η            d Gi                        Kкр * η                  Go

Lтех  =  270 *   ---------  *   ò --------  =  270  *   -----------   *   Ln  --------- ,   km            (2)

                               Ce                   Go                           Ce                      Gкон

В уравнении принято:

Режим - полет на постоянной высоте над экраном, с постоянным углом тангажа и с постоянным удельным расходом топлива ( т.е. Сe = const );

Ккр     - аэродинамическое качество на  крейсерской  скорости;

η = (η_p * η_ov)  - полный КПД  движителя в полете (η_ov = ~0,92 – механический КПЛ ) ;

Се       - удельный расход топлива  двигателя,  кг топл./ лс*час;

Go, G кон  - начальный  и  конечный (без топлива) вес экраноплана в полете, кг.

    Аналогичным уравнением определяется техническая дальность полета самолета на высоте  9-11 км с постоянной скоростью [2].

    Из уравнения (2) видно, что дальность полета, а следовательно и относительная производительность аппаратов, определяются не абсолютными, а относительными и удельными характеристиками, т.е. такими, которые характеризуют саму схему аппаратов и не связаны с их абсолютными размерениями :

Се и η - определяют уровень совершенства силовой установки (двигатель+ движитель);

Gо / G кон – их отношение определяет уровень  весового совершенства аппарата;

Ккр   -   качество, определяет уровень  аэродинамического  совершенства аппарата.

    Подобные относительные характеристики удобны для оптимизации параметров и характеристик компоновочной схемы экраноплана для достижения максимальных значений соответствующих технико-экономических  показателей.

Максимум транспортной производительности экраноплана.

    Более детально структурные взаимосвязи между относительной транспортной производительностью и параметрами компоновочной схемы экраноплана, с учетом параметров силовой установки, имеют вид  [3] :

                                75 * N’o *  N’др *  η  *   Ккр        

А"тр = G’гр  *  ( ----------------------------------------  )   *

                                                  Vкр                       

             Ккр * 3,6* Vкр                               Go

*   ( ----------------------------- )  *  Ln  ---------  )   ,         km .                                           (3)

            (Се * Vкр)  / (75 * η )                    Gкон

Здесь:

              No

No"  =  ------  ,    лс / кг   -   стартовая энерговооруженность экраноплана,

              Go

               Nдр

Nдр"  = ------- =  ~ 0,67 ,  лс / лс - степень дросселирования двигателя в полете,

                No

                                                    2 * Vкр

η = (η_p * η_ov)  =  ( ---------------------------------------------- ) *  η _ov  ,       

                                            (Vкр + 4*(Ho*(N’др)^3/2 + q кр)^1/2 )

Ho  и  Hкр,  кг / м²   -   стартовая и крейсерская нагрузка на площадь движителя,

( Но=  (0 –750) кг/м2 – винты;   (750-3000) кг/м2 – ТВЛД;   (3000-12000) кг/м2 – ДТРД )

Vкр, (м / сек) и  q кр, (кг/м² )   -   крейсерские скорость и скоростной напор в полете.

    Из уравнения (3) следует, что для заданной схемы экраноплана ( т.е. при: Gгр", No",  N"др, К = const ), максимальные значения А’тр достигаются на крейсерской скорости,  соответствующей максимуму выражения:

                            η ²     

                      ( -------- )   =   max.                                                                                       (4)

                           Vкр

    По теории идеального движителя максимальному эначению выражения (4) будет соответствовать нагрузка (тяга) на площадь движителя (винта, вентилятора), отнесенная к скоростному напору,  равная [3] :

                                  Hкр (кг/м²)

                      σ  =  ------------------  =  3   -   относительная нагрузка на движитель,     (5)

                                  q кр (кг/м²)

при этом, значение тягового КПД  будет равно :

                                  2                                                  2 * Vкр

         η_p  =  ---------------------  =  --------------------------------------------  =   2 / 3 ,    (6)

                      1 +  ( 1 + σ  ) ^1/2                  (Vкр + 4*(Ho*(N’др)^3/2 + q кр)^1/2 )

     Таким образом, для заданной схемы экраноплана относительная транспортная  производительность (А’тр) имеет положительный экстремум (максимум) при определенной крейсерской скорости, что полезно знать при выборе натурных параметров экраноплана и движителя, а также при назначении режимов полета.

     В частности, для достижения максимальной дальности полета или максимальной транспортной производительности, в компоновочной схеме аппарата требуется  подбирать различные соотношения площади крыла и движителя. Разница в эксплуатационных характеристиках может составить до 1/3 от максимума.

    В качестве примера,  на рис. 2-3 приведены характерные зависимости относительных  значений Атр и Lтех от крейсерской скорости для схемы экраноплана с типовыми относительными и удельными  характеристиками ( транспортный аналог экраноплана Орленок ) :

No" = 1,0    - стартовая энерговооруженность экраноплана,

Nдр"= 0,67*Nо”- крейсерская энерговооруженность в начале полета,

Gгр"= 0,25    - относительный вес груза,

Gт" = 0,25    - относительный вес топлива,

Ккр = 16      - аэродинамическое качество экраноплана,

Се, кг / лс*час =  0,22 - удельный расход топлива двигателя,

Ho = 375 - 6000 кг/м² - диапазон нагрузок на  движитель (винты - до 750 кг/м²; вентиляторы - более 750 кг/м² ).

    Из анализа графиков видно, насколько значительно изменяются транспортные характеристики экраноплана при  выборе  того  или  иного  значения крейсерской скорости и нагрузки на движитель. Очевидно, что для экраноплана наиболее рационален движитель типа вертолетного винта.

Рис. 2.

Из графиков на рис. 2 следует, что максимальная производительность достигается на крейсерской  скорости, соответствующей тяговому КПД движителя, равному  η_p =  2/3 

   При этом, максимальной дальности и максимальной транспортной производительности экраноплана соответствуют разные значения крейсерской скорости.

рис. 3.

    При определении  взлетного  веса  экраноплана  по его компоновочной схеме важным фактором становится рациональный выбор значения крейсерской скорости и нагрузки на движитель. На рис. 4 приведена зависимость полетного веса экраноплана,  отнесенного к взлетной мощности маршевого двигателя, от крейсерской скорости полета при различных нагрузках на движитель. Диапазон полетных весов экраноплана,  при выборе этих величин, может отличаться в 1.5-2.0  раза. 

    Отношение тяги,  снимаемой движителем с единицы мощности двигателя на разных высотах, но при одинаковом скоростном напоре, пропорционально кубическому корню из отношения плотностей воздуха на этих  высотах. В частности, у земли и на высоте 11 км оно составляет [2]:

Р_Н=0  / Р_{Н=10 км}  =  ( ρ _Н=0  / ρ _{Н=10 км} ) ^{1 / 3}  = 1,42 .                                                             (7)

    Соответственно, при одинаковой мощности силовой установки, во столько же раз может быть увеличен полетный вес экраноплана в  сравнении с самолетом, летающим на типичных высотах 9-11 км. Другими словами во столько же меньше будет энерговооруженность экраноплана при  одинаковом с самолетом взлетном весе. То есть экраноплан - это менее скоростной, но более тяжелый летательный аппарат, чем аналогичный самолет.

    При равной мощности двигателей, максимальная транспортная  производительность у самолета достигается за счет большей скорости на высотах с меньшей плотностью воздуха, а  у  экраноплана  –  за счет меньших  затрат  мощности  на единицу полетного веса при меньшей скорости вблизи экрана, то есть за счет большего полетного веса.

   Зависимость полетного веса летательного аппарата, отнесенного к взлетной мощности маршевых двигателей, определяется известным выражением [2, 3] :

                       G”i  =   Go / No  = ( 75 * Nдр * η * Kкр ) / V кр ,  кг / лс                           ( 8)

Рис. 4.

    Следует отметить, что оценка характеристик экраноплана производилось по показателям только крейсерского режима полета, без учета влияния на них стартово-посадочных устройств и особенностей выполнения режимов старта и посадки. Это требует отдельного анализа.

Проект экраноплана-самолета  «Пеликан», США, Go = 2400 т. Диаметр винтов – 15 м

Сравнительные  показатели эффективности экраноплана и гидросамолета

    Основным отличием экраноплана от самолета является его способность к устойчивому режиму приэкранного полета. Эксплуатационные характеристики экраноплана изменяются не столько от аэродинамического влияния экрана, сколько из-за плотности воздуха, в 3 раза большей у экрана,  чем  на  "самолетных" высотах порядка 9-11 км. В этом случае подъемная сила крыла реализуется уже на  меньших  скоростях  полета и возрастает тяга при той же потребляемой движителем мощности.

    Для сравнительного анализа в таблице 1 приведены данные на :

- современный гидросамолет Бе-200 с двумя  ДТРД типа Д-436, рис. 5 ;

- самолет Ил-18;

- проект экраноплана Р2-7500 по схеме Орленка, но с двигателями 2 х Д-436, рис. 6.

 - известный экраноплан Орленок, тяга маршевого двигателя которого (НК-12) равна тяге 2-х двигателей Д-436, но дополнительно используются стартовые ускорители для преодоления горба сопротивления при старте; 

Аэродинамическое качество и взлетная тяга маршевых двигателей у сравниваемых аппаратов примерно равные.

Рис. 5. Гидросамолет Бе-200.

Рис. 6. Экраноплан Р2-7500, проект.

Таблица 1

    Экраноплан превосходит гидросамолет примерно в 2-3 раза по грузоподъемности, при равной взлетной тяге маршевых двигателей. Транспортная эффективность  экраноплана (провозная способность) соответствует самолетной эффективности, при условии использования ускорителей для старта с воды, и выбора типа маршевого движителя, оптимального по режиму крейсерского полета (экраноплан Орленок). В сравнении с самолетом экраноплан может рассматриваться как супераэробус, менее скоростной, но более тяжелый и вместительный [4]. 

     Выводы

    1. В силу схожести конструктивного устройства и режимов эксплуатации типового  самолета и экраноплана, их транспортная производительность и дальность полета,  при равной мощности маршевой силовой установки, будут примерно одинаковыми, и могут быть повышены у экраноплана, за счет прироста аэродинамического качества при полете на сверхмалых высотах ( производительность от качества зависит в квадрате ).

    2. Для достижения той же дальности и той же транспортной производительности экраноплану, в сравнении с аналогичным самолетом, требуется примерно в 1,5-2 раза меньшая энерговооруженность для полета. Это позволяет создавать более тяжелые экранопланы при тех же маршевых двигателях.

    3. Компоновочной схеме экраноплана с наибольшим диаметром движителя (наименьшей нагрузкой на движитель) соответствует наибольшая транспортная производительность и дальность полета. Максимальное значение транспортной производительности экраноплана достигается на такой крейсерской скорости, когда тяговый КПД движителя равен  η _p = 2 / 3 .

 Э.В. Васильев, сентябрь 1996 г, конференция в КАИ.

Экраноплан Орленок

Литература:

1. Шейнин В.М. Весовая и транспортная эффективность пассажирских самолетов. М. Оборонгиз. 1962.

2. Остославский И.В., Стражева И.В. Динамика полета. М. "Машиност­роение",1969.

3. Курочкин Ф.П.  Проектирование и конструирование самолетов с вертикальным взлетом и посадкой. М. Машиностроение.1977.

4. Lange R.H.  and Moor J.W. Large wing-in-ground effect transport aircraft. Journal of Aircraft, 1980, v 17,IV, N 4, p 260-266.

5. Соколов В.В. Новое поколение крылатых судов. Л. Судостроение N1, 1991.

Наш адрес: Россия, Нижний Новгород, E-mail: wew@sinn.ru 

 Васильев Э.В. и Васильев А.Э. 

___________________________________________________________________________