Э. В. Васильев

e-mail : wew@sinn.ru

СКОРОСТНОЙ ФЛОТ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ РЕК И МОРЕЙ РОССИИ

г. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, e-mail : pnr@rectorat.kstu-kai.ru 

 Из доклада на конференции: «Современные технологии создания конкурентоспособной морской и речной техники», 18-20 ноября 2009 г., Казань

 Рождение скоростного пассажирского флота на реках и морях России связано с созданием судов на подводных крыльях (СПК). Наибольшее распространение получили речные СПК: «Ракета», «Метеор» и «Восход и морские суда типа «Комета». Внедрение СПК в транспортную систему России позволило увеличить скорость доставки пассажиров на внутренних водных путях в 2,5 – 3 раза и тем самым составить достойную конкуренцию другим видам транспорта. В период 60-80-х годов на этих судах перевозилось до 25 млн. пассажиров в год. Это была качественно новая отрасль в структурах судостроения и водного транспорта. Создавался флот СПК по проектам выдающегося конструктора Р.Е. Алексеева.

В последние десятилетия в пассажирских перевозках водным транспортом произошли существенные изменения. Анализ объемов перевозок, их экономических результатов, показывает тенденцию постепенного вытеснения водного транспорта из системы транспортного обслуживания населения. В настоящее время существующий парк СПК физически и морально устарел, в сравнении с довольно резко возросшей эффективностью автомобильного и других видов транспорта на параллельных трассах. Новые суда не строятся.

Сегодня, для восстановления динамики роста пассажиропотока, необходимы суда качественно нового типа, более скоростные и экономичные, а на реках способные также эксплуатироваться зимой и летом. Определяющим фактором для экономики судна является его скорость.

 1. Скорость и современная техника флота.

Морские и океанские акватории, покрывающие 2/3 поверхности Земли, в течение многих веков являются естественными транспортными артериями между островными и прибрежными странами. Морской транспорт остается основным видом, способным обеспечить большие грузопотоки между континентами, а освоение минеральных и биологических ресурсов мирового океана еще более повышает роль морского флота. Однако скорость транспортных судов мало изменялась за прошедшие века, остается на уровне 30-100 км/ч, и уже не соответствует темпам развития современной экономики.

Темпы и тенденции развития техники флота в борьбе за скорость на протяжении веков наглядно видны на рис. 1. До середины ХХ века единственным средством водного транспорта оставалось водоизмещающее судно, скорость которого редко превышала 20-40 км/ч из-за резкого роста волнового сопротивления - волновой барьер. Скорость водоизмещающих судов, для которых характерен так называемый «горб сопротивления», ограничена значительным ростом волнового сопротивления с приближением к скорости по Фруду Fr(D) >= 2.5. Уменьшить сопротивление, повысить скорость и мореходность судов возможно, если поднять корпус судна над уровнем воды.

В начале ХХ века были изобретены суда с динамическим принципом поддержания: – глиссеры и суда на подводных крыльях (СПК), когда водоизмещающий корпус, полностью или частично, поддерживается над поверхностью воды за счет гидродинамических сил. Скорость коммерческих судов возросла до 60-90 км/ч, но ее дальнейшее увеличение ограничивалось появлением кавитации у подводных крыльев и чрезмерным ростом сил трения корпуса в плотной водной среде у глиссеров.

Во второй половине ХХ века появились суда на воздушной подушке (СВП), у которых водоизмещающий корпус поддерживается над поверхностью воды за счет постоянных затрат мощности двигателей на образование под ним воздушной подушки. Но ограждение подушки должно всегда находиться на уровне или ниже поверхности воды, иначе, с увеличением зазоров над поверхностью, резко возрастают затраты мощности двигателей на ее поддержание. Скорость СВП на тихой воде достигала 100-170 км/ч, а на волнении значительно ограничивалась «поршневым эффектом» при прохождении судном профиля волны (волна, как поршень вытесняет воздушную подушку из под корпуса). По этим причинам водоизмещение коммерческих СВП не превышало 200-300 т, а дальность экономически рентабельных рейсов не превышала 50–100 км.

Рис. 1. Борьба за скорость.

Типы судов: - гребные суда, парусные суда, пароходы, глиссирующие суда, СПК, СВП, экранопланы.

 Несмотря на значительные научно-технические достижения, водный транспорт всё же практически утратил свое значение в пассажирских перевозках на дальность более 300-500 км, поскольку скорость пассажирского железнодорожного транспорта достигла 300-500 км/ч (Франция, Германия, Япония), а в авиации до 900 км/ч. Эффективность водного транспорта сохраняется только на грузовых перевозках, за счет большой единичной грузоподъемности судов, и как средство отдыха на воде.

Радикально уменьшить сопротивление судна, повысить его скорость и мореходность, возможно, если полностью поднять корпус судна над гребнями волн,  и при этом использовать полезное влияние поверхности для создания аэродинамической подъемной силы. Подобный способ реализуется новым типом судна – экраноплан.

 2. Экраноплан – новый вид водного транспорта.

Разработка экраноплана - судна с полным отрывом корпуса от воды и самолетными скоростями до 500-700 км/ч, является  логичным продолжением поиска способов повышения скорости на водном транспорте. В России работы по экранопланам начаты в 60-х годах по инициативе и под руководством Р. Е. Алексеева, сразу же после создания им отечественного флота СПК. В период с 1961-го по 75-й годы разработано и испытано около 10 самоходных моделей, созданы тяжелые экранопланы КМ (Корабль-Макет) и Орленок.

Рис. 2. Экраноплан КМ, 1966-1980 г.

На этих аппаратах впервые была разработана аэродинамическая схема экраноплана, обеспечивающая устойчивый и безопасный полет вблизи поверхности, разработаны методики проектирования экранопланов и технология их строительства. Россия имеет несомненный приоритет в разработке экранопланной техники.

За рубежом внимание к экранопланам связано с публикацией в 1964 году результатов испытаний экраноплана Х-112 известного немецкого аэродинамика А. Липпиша. Аэродинамическую схему этого аппарата можно считать классической для экранопланов: – идеальное крыло для полезного использования эффекта экрана, и Т-образное оперение для обеспечения устойчивости в приэкранном полете. До 1972 года им были разработаны аналогичные аппараты Х-113 и Х-114, оформлен ряд патентов.

Рис. 3. Экраноплан Х-114 А. Липпиша, 1964-74 г.г.

 За последующий период в различных странах создано и испытано несколько десятков опытных экранопланов по аэродинамическим схемам Р. Алексеева (КМ)  и  А. Липпиша (Х-112-Х-114). 

Экономическая эффективность экраноплана основывается на его «самолетной» скорости и приросте аэродинамического качества при полете вблизи поверхности. Специалистами транспортной фирмы Бремер-Вулкан (ФРГ) проведен детальный анализ сравнительной экономической эффективности 125-тонного экраноплана типа «Орлёнок» на паромных трассах Балтики и Ла-Манша.

Рис.4 Экраноплан Орленок с лыжно-колесным шасси, 1975-90 г.г.

В сравнении с традиционными паромами, на разных трассах цена перевоза снижается примерно в 1,5 раза, а по критерию скорости, эффективность экраноплана возрастает в разы. Наименьшая себестоимость перевозок реализуется на трассах в 500 – 1500 км, рис. 5, 6 и 7. Аналогичные выводы применимы к Чёрному и Японскому морям.

Сравнительная оценка себестоимости  экраноплана и типового парома

Рис. 5. Себестоимость -  ДМ / км           Рис. 6. Себестоимость – ДМ / км/час

Рис. 7. Доходность эксплуатации экраноплана по дальности полета

В заключительном выводе анализа о тенденциях развития мирового транспорта (ещё от 92-го года) прогнозируется значительный рост пассажирооборота на межконтинентальных трассах, что сегодня уже подтверждается появлением супераэробусов типа А-380, В-777 и В-787 с дальностью в 15 000 – 18 000 км. Экранопланы на этих же трассах тоже могут занять свою нишу.

 Однако, несмотря на значительные научно-технические достижения, за весь период с 1961 года ни один из экранопланов, в России и за рубежом, не был запущен в серийное производство и коммерческую эксплуатацию, как это было, например, при появлении первых СПК в период 1950-70-х годов. Причина – пока ещё не разработана для экраноплана схема стартово-посадочных устройств (СПУ), комплексно обеспечивающая мореходность экранопланов (регулярность рейсов) и амфибийность (способы базирования). Только в этом случае он будет отвечать требованиям регулярной и эффективной эксплуатации в системе водного транспорта.

 Созданные в СССР экранопланы также не были до конца доработаны для реальной эксплуатации. Принятая в проектах ЦКБ по СПК схема СПУ, на основе системы поддува струй газов под крыло, ожиданий не оправдала, ни по мореходности, ни по амфибийности (по тем же причинам, что и у аналогичных типов скеговых СВП). Дальнейшее развитие схемы «поддува» свелось к проектам по типу скеговых судов на воздушной подушке проточной схемы – аппараты Волга-2, Амфистар, Акваглайд, то есть с режимами движения без отрыва от поверхности.

 3. Технический облик транспортного экраноплана.

По своему конструктивному устройству и условиям эксплуатации экраноплан одновременно относится к двум видам транспорта: - авиации и флоту, системы технического обслуживания которых никак не связаны между собой. В последние десятилетия, на основе обширного проектного и экспериментального опыта, накопленного при создании экранопланов первого поколения, определились два самостоятельных направления развития экранопланов, соответственно для авиации и флота:

– по схеме «экраноплан-самолет» и

– по схеме «экраноплан-корабль».

У каждого из них свой технический облик, своя эксплуатационная ниша и собственная инфраструктура обслуживания. Типовыми представителями таких схем могут служить экраноплан-корабль КМ (рис.2) и проект экраноплана-самолета Пеликан (рис. 15).

 Экраноплан-корабль, для эксплуатации в системе водного транспорта, должен обладать достаточной мореходностью и автономностью плавания, должен быть оборудован необходимыми судовыми устройствами, только в этом случае он будет обладать потребительскими свойствами и судна и самолета. При регулярной эксплуатации парка экранопланов, им необходима собственная эксплуатационная инфраструктура: - специальный гидропорт, для постоянного базирования, и система причалов, для остановок в промежуточных пунктах по трассе маршрутов.

Структура элементов общей компоновочной схемы типа экраноплан-корабль должна учитывать особые условия его эксплуатации:

– самостоятельный сход и выход на береговую площадку;

– выполнение характерных режимов движения: - плавания, глиссирования, рикошетирования по гребням волн с плавным (без подлетов) переходом к устойчивому приэкранному полету;

– швартовные и палубные устройства, грузовые люки корпуса должны предусматривать выполнение швартовных и перевалочных операций у причалов и непосредственно на воде;

– для режимов автономного плавания и маневрирования на плаву, должна быть предусмотрена установка малого хода. 

В основу разработки новой схемы типа «экраноплан-корабль» положен опыт испытаний экранопланов с вариантами гидролыжных и колесных устройств: УТ-1, СМ-6 и Орлёнок  (ЦКБ по СПК, 1967-76 г.г.), рис. 4, 8, 9.

Экспериментальные аналоги новой схемы экраноплана

Рис. 8. Учебный экраноплан УТ-1 с гидролыжей, зима-лето 1967-76 г.г.

--------------------------------------------------------------------------------------------

Рис. 9. СМ-6 с лыжно-колесным шасси (модель Орленка), 1972-85 г.г.

-*-

 С учётом опыта испытаний данных экранопланов разработана базовая модель типа «экраноплан-корабль», максимально приближенная к условиям эксплуатации в системе водного транспорта. В схеме полностью отказались от аэродинамической механизации крыла, как неэффективной вблизи экрана, заменив её гидродинамической механизацией корпуса в виде амортизированной гидролыжи в сочетании с колесным шасси самолетного типа, ряд других инноваций. Разработаны математические модели режимов управляемого старта, посадки и полета на различном регулярном волнении, проведена оптимизация параметров и характеристик элементов схемы по различным критериям эффективности, включая себестоимость эксплуатации. По результатам оптимизации схемы показатели относительной мореходности старта (отношение высоты волны к корню кубическому от водоизмещения) составили:  h’w = hw / ( D ) ^{1 / 3} = 0,5 - 0,7 , при перегрузке  n_y <= 1,0. Для сравнения, мореходность экранопланов КМ и Орленок: h’w <= 0,4. Подробное обоснование базовой схемы приведено на сайте: www.ekranoplan-ru.narod.ru . Схема и типовые характеристики базовой модели на рис. 10-11.

 Базовая модель типа «экраноплан-корабль»

Катер-экраноплан  МT1-БМВ 

(прототип для опытной эксплуатации)

Лыжно-колесное шасси катера-экраноплана

Катер-экраноплан - «маршрутное такси» на 12-18 мест

Рис. 10

Основные отличия экраноплана от СПК при одинаковой провозной способности:

- в 3-4 раза меньшая металлоемкость судна;

- в 1,5 раза меньшие затраты топлива на пассажирокилометр;

- в 3-3,5 раза большая скорость на линии и, соответственно, большая дальность;

- повышенный комфорт при движении над волнением (мореходность).

Те же сравнения относятся к СВП и скоростным катамаранам.

В сравнении с самолетом экраноплан более безопасен (высота полета 0-5 м).

Основные летные и мореходные характеристики базовой модели

Диаграмма тяг и скоростей на режимах старта и полета 

Осциллограмма старта и полета при регулярной волне = 1,0 м

Шлейфы, сверху вниз: угол отклонения гидролыжи; перегрузка; тяга двигателя, сопротивление и вертикальная скорость;  угловая скорость; угол тангажа;  профиль волны; высота  днища корпуса и конца лыжи над уровнем воды;  угол просадки лыжи.

Рис. 11

-*-

 По результатам оптимизации параметров и характеристик базовой схемы проработан масштабный ряд экранопланов на базе современных авиадвигателей. Он может служить основой для оценки потребностей водного транспорта на магистральных реках и морях России.

 Проекты  катеров-экранопланов  экранофлота-2:

(на базе современных автомобильных и газотурбинных двигателей)

Районы эксплуатации – магистральные реки, Балтийское, Черное, Японское море

*)  Провозная способность СПК «Метеор» за навигацию составляет = 9,3 млн. пасс*км  

-*-

Рис. 12  -Морской катер-экраноплан  МТ1-1500

 По своей производительности (4,0 - 22,0 млн. пасс*км в год) даже небольшие катера-экранопланы могут заменить на тех же линиях устаревающий парк речных и морских пассажирских СПК (типа Восход, Метеор, Комета), а также обеспечить круглогодичную навигацию на трассах магистральных рек Севера и Сибири.

Представляет интерес сравнить параметры и характеристики смежных типов транспорта :

 Сравнительные характеристики прототипов:

гидросамолета CL-435,  СПК «Метеор»  и  экраноплана МТ1 2500

примерно равной провозной способности

Рис. 13   Катер-экраноплан  МТ1-2500

-*-

Морские и океанские транспортные экранопланы

Учитывая резко возрастающую эффективность экраноплана с увеличением его взлётного веса, специально проработаны варианты сверх тяжелых экранопланов на базе существующих серийных газотурбинных двигателей. Подробности на сайте: www.sinn.ru/~wew/ .

  Современные  газотурбинные  установки 

Мощность:   10 000 квт                                20 200 квт                                   110 000 квт

 «Морской транспортный экраноплан – МТ1-М90Ф».

-*-  Двигатели типа – М-90Ф (1х, НК-37, НК-36СТ, 2х Д-27)  -*-

Пример района эксплуатации экраноплана МТ1-М90Ф

Рис. 14  

 Проекты сверхтяжелых экранопланов

 Экраноплан-корабль  МТ1-ГТД110

Go = 1050 т, ГТД = 1х  ГТД-110 + 2х НК-32,  N= 150 000 лс +2х 25 т, Дв=  13,0 м 

Мореходность старта – до 6,0 м волны. Высота полета = 0 – 150 м.   

----------------------*--------------------          

 Экраноплан-самолет Пеликан-Ультра, фирма Боинг (США),

 взлетный вес = 2400 т, двигатели = 320 000 лс, Дв= 15,0 м

Высота полета= 6 – 6000 м

Проект замечателен, но он бесполезен для транспортных операций на акваториях

--------------- Рис. 15 -------------

 Итог. В новом варианте технического облика экраноплана учтены судовые требования для реальной эксплуатации в системе водного транспорта, причем в самых различных назначениях. Схема экраноплана в достаточной степени использует положительное влияние эффекта экрана для полета, а  стартовые устройства, типа лыжно-колесного шасси, обеспечивают амфибийный выход на береговую площадку базирования и мореходность старта на волнении до уровня  h’w = hw / ( D ) ^{1 / 3} = 0,5 - 0,7, что превышает мореходность однотипных СПК, СВП и скоростных катамаранов. 

 Технология изготовления и существующие ГТД позволяют создавать экранопланы до 1000 т, что позволит им успешно конкурировать с традиционными паромами и грузопассажирскими судами. Скорость доставки грузов и пассажиров на флоте сможет исчисляться часами, а не днями.

 Следующая проблема – формирование рынка скоростных перевозок на водном транспорте. Примерные трассы для России приведены на странице – СоюзМорТранс . -*-  

___________________________________________________________________________