8.4. Расчетная оптимизация базовой модели экраноплана.

   Для оптимизации относительных параметров и характеристик схемы базовой модели разработан комплект расчетных программ на основе решения единой системы уравнений движения экраноплана одновременно на режимах старта и крейсерского полета, раздел 3.3 [5, 6, 12]. В программах использованы экспериментальные аэро-гидродинамические данные модели типа РТ-Х и учтен опыт испытаний экраноплана УТ-1 с аналогичной амортизированной гидролыжей, рис. 4.9.

Характеристики продольной устойчивости.

   Оценка границ статической устойчивости по взаимному расположению фокусов, в диапазонах углов тангажа, относительных высот полета и эксплуатационных центровок по результатам для испытанной модели , приведены на рис. 8.5.(программа на Turbo Basic):

Рис. 8.5. Положения фокусов по высоте Xfh (внизу) и по углу атаки Xfa (сверху) относительно ЦТ аппарата Хт= 0,41 в долях САХ крыла.

   При центровках Хт = 0,35-0,5 САХ, экраноплан статически устойчив в диапазоне углов атаки 2-8 градусов и в диапазоне высот от 0,15 до 0,5 САХ крыла, т.е. когда практически заканчивается эффективное влияние экрана. Для каждого типоразмера экраноплана данному диапазону углов атаки соответствует определенный диапазон скоростей крейсерского полета. 

    Качественная и количественная оценка динамических свойств экраноплана в полете произведена на основе анализа характеристик переходного процесса после воздействия кратковременного внешнего возмущения. Возмущениями могут быть: - импульс руля высоты, порывы встречного и попутного ветра, др.. На рис. 9-10 приведен характерный пример возмущенного движения экраноплана РТ-Х при импульсе рулем высоты. Переходный процесс показан в двух вариантах: без включения автопилота (рис. 8.6) и с включенным автопилотом (рис.8.7, Turbo Basic):

Рис. 8.6  Переходный процесс без включения автопилота.

Шлейфы, сверху вниз: угловая скорость,  угол тангажа и угол атаки, перегрузка, вертикальная скорость, высота над экраном, скорость полета, угол руля высоты.

Рис. 8.7. Переходный процесс с включенным автопилотом (демпфером колебаний).

   При воздействии малых возмущений экраноплан, без вмешательства пилота, восстанавливает первоначальный режим движения, причем автопилот может существенно уменьшить амплитуды и количество колебаний.

    Из анализа характера переходных процессов уточняются границы устойчивого полета в диапазоне центровок аппарата, крейсерских углов тангажа и высот полета, допустимые значения порывов ветра, балансировочные значения руля высоты в крейсерском полете, значения коэффициентов передаточных функций для демпфирования продольных колебаний, уточняются траектории и законы управления при динамическом подлете. Для каждого конкретного типа экраноплана диапазон значений указанных характеристик  отражается в его Руководстве по эксплуатации. По результатам анализа и оценок характеристик экраноплана, разрабатываются рекомендации для доработки аэротрубной модели и далее процесс повторяется до получения делаемых результатов (метод последовательных приближений)

 Стартовые устройства и характеристики базовой модели.

    По способам выполнения старта, особенно в условиях волнения оптимизируются основные параметры общей схемы экраноплана. Параметры и характеристики исследуются на математических моделях свободного продольного движения, одновременно описывающих старт, в условиях тихой воды или регулярного волнения, и режим приэкраноного полета.  

Амортизация гидролыжного устройства конструктивно может выполняться в двух вариантах:

- в виде упругой конструкции самой гидролыжи, или

- за счет газового амортизатора при жесткой геометрии гидролыжи.

В варианте с упругой гидролыжей её силовая продольная балка должна соответствовать следующим условиям (а. с. № 1837506, СССР, от 13.10.1992г) :

      h i = ( σ_i / E ) * Ri ,  где :

 h i  - высота i-го поперечного сечения упругой продольной балки,         

 σ_i - допускаемое напряжение в i-м сечении этой балки,        

 E - модуль упругости материала балки,   

 R - радиус кривизны упругой линии балки в i-м сечении (задается). Радиус кривизны примерно равен R = ~ (5-7)*Lу - длины балки, что соответствует изменению угла по концу гидролыжи на 7-12 градусов. 

Момент сопротивления Wi упругой продольной балки (при заданной hi) определяется пропорционально масштабу проектируемого экраноплана и действующим на лыжу гидродинамическим моментам Мгi :

      Wi = ( Мгi / σ_i ) .    где:       

Mгi - изгибающий момент в i-м поперечном сечении балки (определяется расчетом)..

Ниже приведен в безразмерном виде пример расчета старта типового  экраноплана по схеме Манта (два скега, две гидролыжи, рис. 3.8, раздел 3 ).

Коэффициенты гидродинамической подъемной силы и сопротивления гидролыжи, в уравнениях движения на режимах глиссирования, рассчитаны по формулам [12]:

Cygi = ( cos²(bi)*( p/2*bi / (1+li)*(1-sin(gi)) + 4/3*sin²(bi)*cos(gi) ) - коэффициент  подъемной силы, отнесенной к водному скоростному напору и смоченной поверхности,

Cxgi= Cygi / Kgi= Cygi *( tan(bi) + xtr / Cygi / cos²(bi) / cos(gi) ) - коэффициент сопротивления, отнесенный к смоченной поверхности и водному скоростному напору.

Здесь: bI и gi – угол глиссирования и угол килеватости гидролыжи, li – удлинение смоченной поверхности,  xtr – коэффициент трения, Kgi = Cy / Cx  -  качество.

   Характерные зависимости относительных значений сопротивления экраноплана и подъема корпуса упругой гидролыжей над поверхностью воды по скорости старта приведены на рис. 8.8.(программа на Фортран 4):

Рис. 8.8. Подъем корпуса над водой и сопротивление экраноплана по скорости старта ( тихая вода).

   На графиках видно, что режим глиссирования (окончание всплытия корпуса) начинается примерно с 20% от скорости отрыва, далее корпус быстро поднимается над уровнем воды, вплоть до высоты полного выпуска гидролыжи на скорости отрыва. Качество на горбе сопротивления - 4.7, угол прогиба - от 11 до 4 градусов.

В варианте с газовым амортизатором (а. с. № 1837507, СССР, от 13.07.1992г)   гидролыжа конструктивно сохраняется жесткой, а просадка по углу выпуска обеспечивается за счет обжатия амортизатора. Ниже приведен пример расчета старта экраноплана весом 5.2 т с жесткой амортизированной гидролыжей на тихой воде и регулярном волнении. Управляющими воздействиями в процессе старта являются – тяга двигателя, - угол отклонения гидролыжи, - угол руля высоты стабилизатора. Волнение задается длиной и высотой волны синусоидального профиля.

   Динамические характеристики экраноплана с жесткой гидролыжей и газовым амортизатором при старте на тихой воде и регулярном волнении с высотой волны h = 1,0 м даны на рис. 8.9 и 8.10. (Turbo Basic). Время старта составляет примерно 60-70 секунд .

Рис. 8.9. Старт РТ-Х с гидролыжей. Тихая вода.

Рис. 8.10. Старт РТ-Х с гидролыжей. Высота волны – 1,0 м.

Взлетный вес- 5,2 т, Nдв= 800 лс, длина лыжи- 3,2 м, угол отклонения - 10 градусов.

   По результатам расчетной оптимизации параметров гидролыжи и ее амортизатора максимальная высота регулярной волны, при которой возможен старт экраноплана типа РТ-Х с амортизированной гидролыжей и двигателем мощностью N = 800 лс, составила h w = 1.0 м при перегрузках ny <= 1,0. Это соответствует относительному уровню мореходности h’ = 0,58 .

  Данные математические модели могут использоваться в качестве электронного тренажера для подготовки пилотов экранопланов.

___________________________________________________________________________