Экранопланы серии КАСАТКА
Главная
Касатка-5
Касатка-1
Контакт
English language
FAQ




Об экранопланах
Ссылка при копировании обязательна

Экранопланы включают три типа судов. Суда типа «А» передвигаются только вблизи поверхности с использованием экранного эффекта. Суда типа «В»  могут кратковременно уходить из зоны влияния экранного эффекта например для преодоления препятствий. Экранопланы типа «С» могут двигаться как с использованием экранного эффекта так и в свободном полете как самолеты. Ключевое понятие связанное с экранопланами – экранный эффект. 

Экранный эффект (эффект динамической воздушной подушки) на 20-30% увеличивает подъемную силу крыла экраноплана и снижает его индуктивное сопротивление. В результате экранного эффекта, аэродинамическое качество практически достигает 25-30*. Ощутимое действие экранного эффекта наблюдается на высоте меньше средней аэродинамической хорды крыла (САХ). Средняя аэродинамическая хорда крыла – среднее расстояние от носка до задней кромки. Для прямоугольного крыла САХ можно представить как линию соединяющую носок и заднюю кромку на поперечном сечении (профиле) крыла.

*Аэродинамическое качество является показателем эффективности любого летательного аппарата и может быть представлено как тяга необходимая для поддержания горизонтального полета. Так для горизонтального полета самолета Ан-2 при весе 5 тонн необходима тяга воздушного винта около 500 кг. Аэродинамическое качество самолета составляет около 10. Если аэродинамическое качество увеличить до 25 то потребная тяга винта составит 200 кг. Т.е. мощность двигателя уменьшится более чем в два раза.

Увеличение подъемной силы в режиме полета на экране происходит из за повышения давления под крылом, а индуктивное сопротивление снижается из-за уменьшения перетекания воздуха через край консолей с нижней части крыла на верхнюю.
В авиации индуктивное сопротивление снижают путем увеличения длины крыла, а также, в небольших пределах, за счет крутки крыла и преданию ему трапециевидной или эллипсовидной формы.
Экранопланы имеют крыло относительно небольшого удлинения по краям которого как правило устанавливают шайбы.
Снижение индуктивного сопротивления начинается с высоты равной половине размаха крыла, но ощутимый эффект проявляется на высоте менее 10% размаха.

Экранный эффект сильно влияет на положение центра приложения подъемной силы.
При высоте полета менее 1% САХ, подъемная сила создается в основном за счет воздушной подушки. Центр действия подъемной силы расположен ближе к передней кромке крыла, чем при стандартном полете вне экрана.
При уведичении высоты центр действия подъемной силы сначала смещается в направлении задней кромки, а затем возвращается. Наибольшее смещение происходит на высоте 5-6% САХ. Давление под крылом продолжает уменьшаться, а разрежение над крылом увеличиваться. На высоте 50% САХ, экранный эффект у крыльев малого удлинения уже незначителен и подъемная сила создается в основном за счет разрежения воздуха над крылом.

Таким образом экранный эффект может быть достигнут и на коротком и на длинном крыле, но при коротком крыле на высоте менее 50% САХ увеличивается подъемная сила, а на длинном - при высоте менее 10% размаха, уменьшается индуктивное сопротивление. Поэтому экранный эффект наблюдается например у планеров и выражается в нежелании планера приземляться. Для экраноплана выбор удлинения крыла очень важен поскольку позволяет достигнуть компромисса между соотношением подъемной силы, сопротивления, и крейсерской высоты полета.

Увеличение подъемной силы и одновременное снижение сопротивления позволяет уменьшить в 1,5-2 раза мощность силовой установки экраноплана при одинаковом весе с самолетом или увеличить полетную массу при одинаковой мощности двигателей. С учетом того, что экраноплану не требуется большая скороподъемность, мощность силовой установки по сравнению с самолетом может быть уменьшена в три раза. Соответственно возрастает экономичность перевозок.
Однако столь очевидное преимущество экранопланов над самолетами, на практике труднореализуемо. Причин тому несколько:
1. Экраноплан должен быть прочнее самолета поскольку испытывает значительные ударные нагрузки. Соответственно требуется утяжеление конструкции
2. Для отрыва экраноплана от воды необходима значительная мощность, что требует установки более мощной силовой установки по сравнению с потребной для полета.
3. Из-за смещения фокусов подъемной силы усложняется система продольной устойчивости полета.

До настоящего времени, конструкторы экранопланов в основном занимались решением третьей проблемы. Под продольной устойчивостью экраноплана понимается способность судна самовосстанавливаться в горизонтальном полете после непреднамеренного поднимания или опускания носа. Поднимание или опускание носа экраноплана возможно в следствие воздействия возмущающих воздушных потоков, при касании воды, а также вследствие ошибок в управлении.

Если посмотреть старую кинохронику, можно заметить, что некоторые попытки приземления аэропланов с низко расположенным крылом заканчивались стойкой на нос. В этом и заключается сущность экранного эффекта. Если в обычном полете самолет хорошо управляем, то на посадке, при приближении крыла к земле, центр приложения подъемной силы начинает смещаться к задней кромке крыла, нос перевешивает и получается кульбит. Руля высоты или реакции пилота в таких случаях для выравнивания самолета не хватает. Вполне вероятен и другой вариант - при подходе к земле, самолет упрямо не хотел приземляться. Пытаясь прижать самолет, пилот отдавал ручку от себя и при касании земли колесами машина капотировала. Опять таки виновник кульбита - экранный эффект (и пилот).

Авиаконструкторы решили проблему экрана подняв крыло, но конструкторы экранопланов так поступить не могут поскольку должны не избавляться от экранного эффекта, а наоборот - его использовать. В простейшем случае проблема решается увеличением площади стабилизатора.

Классический способ продольной стабилизации экраноплана с прямоугольным крылом показан на рис.1. При подъеме экраноплана до высоты 6% САХ и как следствие смещении фокуса подъемной силы А к центру САХ крыла, появляется пикирующий момент который компенсируется отрицательной подъемной силой на стабилизаторе В.

Продольная стабилизация экраноплана

Рис.1. Продольная стабилизация экраноплана

Недостатком схемы является потребность в большом стабилизаторе (или длинном хвосте). Большой стабилизатор ухудшает  аэродинамику поскольку подъемной силы не создает, а сопротивление движению оказывает. Такой экраноплан вполне можно использовать при тех обстоятельствах когда не имеет значение экономичность – например возить ракеты. Однако данная схема также взята за основу на коммерческих экранопланах Амфистар и Волга-2. В результате ничего хорошего не получилось. Два двигателя по 150 л.с. еле отрывали полупустую Волгу-2 от воды, а Амфистар (Акваглайд) возит всего четырех пассажиров имея 360-сильный двигатель.

Схема имеет еще один существенный недостаток. Если машина случайно взмоет на высоту более 0,6 САХ (например при ударе о волну) может начаться необратимый процесс увеличения угла кабрирования, что приведет к перевороту через корму. (От переворотов через корму часто страдают гонщики водной Формулы-1) Проблему можно решить применив S-образный профиль крыла (Волга-2, Акваглайд). Крыло с таким профилем резко теряет подъемную силу при уходе с экрана, но в результате дополнительно снижается аэродинамическое качество экраноплана.

В любом случае, если Вас заботит экономичность транспортного средства, жертвовать его аэродинамическим качеством Вы явно не захотите. Не захотел и немецкий авиаконструктор Липпиш (один из создателей реактивного Месссершмидта). После второй мировой войны он создал серию экранопланов от Х-111 до Х-114 с небольшими стабилизаторами. Чтобы машины не кувыркались, Липпиш применил специальное треугольное крыло, которое не хотят использовать конструкторы самолетов из-за плохой аэродинамики. (Рис.2.) Липпиша это нисколько не смутило, поскольку он проэктировал экраноплан, а не самолет. Положительное свойство крыла заключается в том, что фокус подъемной силы на нем, по сравнению с крылом прямоугольным, смещается незначительно. Машины построенные Липпишом имели аэродинамическое качество более  25, что значительно лучше чем у большинства самолетов. В Настоящее время схема Липпиша получила наибольшее распространение. В СССР она была использована на экранолете ЭСКА-1.

Схема Липпиша

Рис.2. Схема Липпиша

К сожалению и схема Липпиша не лишена недостатков. Потому поиски оптимальной конструкции экраноплана продолжаются.
Так В. Колганов использовал на экранолете Иволга составное крыло по идее Р. Бартини, А. Панченков экспериментировал со схемой "утка", Г. Йорг построил экраноплан по тандемной схеме.
В целом же положение дел в экранопланостроении таково, что экраноплан продолжает оставаться экзотической машиной.

Как было сказано выше, экраноплан должен быть прочнее самолета поскольку испытывает значительные ударные нагрузки. Соответственно требуется утяжеление конструкции.
Но для экраноплана лишний вес критичен, ведь ему, как и самолету, нужно летать. А тут еще проблема лишней мощности, необходимой для выхода на глиссирование и отрыва от воды. Лишняя мощность - это дополнительный вес и расход топлива когда она уже не нужна (в полете). Получается замкнутый круг.
Ниже сведены весовые характеристики некоторых экранопланов:

Название экраноплана

Максимальный вес (т)

Пассажиров (чел.)

Вес за вычетом пассажиров

Полезная нагрузка (%)

Aquaglide-5

2,4

4

2,04

15,00

FS-8

3,6

8

2,88

20,00

X-114

1,75

5

1,35

22,86

Волга-2

2,8

8

2,08

25,71

Иволга-2

3,43

10

2,43

29,15

Касатка-5

0,8

3

0,53

33,75

Наиболее распространенный экраноплан Акваглайд-5 имеет самый скромный показатель полезной нагрузки и соответственно экономичности. Этот экраноплан реально работает, но не на коммерческих маршрутах, а в качестве дорогого развлечения для имущих. На коммерческих маршрутах используется несколько экранопланов FS-8, но билеты на них дороже билетов на самолет.
Волга-2 имела полезную нагрузку повыше первых двух судов, но эксплуатация Волг закончилась тем, что при столкновении с речным судном одна из них затонула. Т.е. здесь явно не обеспечены нормы по прочности и плавучести.
Иволгу-2 еще никто не видел в полете с заявленными десятью пассажирами на борту. Т.е. приведенный показатель чисто теоретический.
Таким образом, экранопланы сегодня или тяжелые, или не прочные, или и то и другое вместе.
Сказанное не относится к экраноплану Касатка-5. Данный ЛА имеет самый высокий показатель по полезной нагрузке (лучше чем у большинства самолетов и легковых автомобилей) и при этом отличается повышенной прочностью и абсолютной непотопляемостью. Достигнуто это за счет применения новой аэродинамической схемы, позволившей значительно уменьшить размеры машины без ущерба летным качествам.

Немалое значение для распространения экранопланов имеет их цена. Здесь рекорд принадлежит FS-8 - более 800 тыс. долларов США, на втором месте Иволга - около 500 тыс. долларов. Акваглайд продается за 200-300 тыс. долларов.
Наверное дороговато для нерентабельных транспортных средств.

Быть ли экранопланному транспорту?
При существующем подходе к проектированию - однозначно нет. Ведь даже военные постоянно испытывают нужду в топливе и стеснены в средствах. Нужна новая концепция: экономичность - надежность - всепогодность. На пороге этой концепции - аэродинамическая схема полутандем.