В советских и зарубежных научно-популярных изданиях много раз оказались сообщения о низколетающих аппаратах-экранолетах, а также о советском экспериментальном спасательном катере-амфибии ЭСКА-1. Эту машину любительской постройки, удачно прошедшую цикл летных опробований, сконструировали столичные инженеры А. Гремяцкий, Е. Грунин, С. Чернявский, Ю. Горбенко и Н. Иванов. Летные опробования проводились инженером А. Гремяцким, а после этого летчиком А. Балуевым.
ЭСКА-1 экспонировался на одной из центральных выставок НТТМ и был отмечен медной медалью ВДНХ СССР, а его создатели — символами лауреатов НТТМ.
О теоретических базах околоэкранного конструкции и полёта ЭСКА-1 говорит один из ее создателей, Е. Грунин.
История экранолетов восходит к середине 30-х годов, в то время, когда обстроили гибрид самолета, аппарата и быстроходного катера на воздушной подушке.
Его создателя, финского инженера Томаса Каарио, и принято вычислять пионером экранолетостроения.
Конструкции первых автомобилей, не обращая внимания на внешнюю экзотичность и разнообразие форм, не отличались утонченностью проработки. В те годы не существовало стройной теории экранного полета.
Проекты создавались на базе громадного количества экспериментальных данных, и аппараты, конечно, получались несовершенными. Яблоком раздора и в это время, и позднее — в конце пятидесятых годов — стала неприятность продольной устойчивости.
Первым ее решил авиаконструктор А. Липпиш. В первой половине 60-ых годов двадцатого века он выстроил экранолет Х-112 и удачно испытал его. После этого в первой половине 70-ых годов двадцатого века заметил свет еще один аппарат — Х-113А.
Изготовленный из стеклопластика, он продемонстрировал хорошие летные особенности и достиг аэродинамического качества, равного 30!
Что же такое экранолет? По сути, это гидросамолет с модифицированным крылом.
Аэродинамическая компоновка разрешает ему летать как далеко, так и вблизи от экрана — земной либо водной. поверхности, На рисунке 3 представлена хорошая кривая возрастания аэродинамического качества аппарата с уменьшением относительной высоты полета. Заметное влияние экрана на чертей крыла проявляется на высотах меньших, чем протяженность его средней аэродинамической хорды (САХ). Тут другая картина обтекания, нежели при перемещении вне экрана.
При весьма малом расстоянии до него, исчисляемом сантиметрами, увеличение давления под крылом близко к значению скоростного подъёмная сила и напора быстро возрастает за счет давления в заторможенном потоке. Двухмерное обтекание профиля продемонстрировано на картинках 5 и 6. Физика явления наглядна: далеко от экрана подъемная сила образуется по большей части за счет разрежения над крылом, а вблизи — благодаря увеличению давления под ним.
Рис. 1. Схема управления экранолетом.
Рис 2. узлы и Компоновка экранолета:
1 — ручка управления, 2 — педали, 3 —-аккумулятор, 4 — приемник воздушного давления, 5 — штырь антенны, 6 — съемная часть фонаря, 7 — отсек оборудования, 8 — огнетушитель, 9 — воздушный винт, 10 — двигатель, 11 — капот двигателя, 12 — моторама, 13 — тяга управления рулем высоты, 14 — съемные люки для подхода к проводке управления, 15 — киль, 16 — стабилизатор, 17 — руль высоты, 18 — руль поворота, 19 — водяной руль, 20 — бензобак, 21 — пассажира и кресла пилота, 22 — приборная доска, 23 — ручка управления двигателем (сектор газа), сечеиня Б — Б, В — В, Г-Г, Д-Д, Е-Е, Ж — Ж и нервюры центроплана увеличены.
Из графика, что в аэродинамике именуют полярой, видно, как близость экрана отражается на подъемной лобовом сопротивлении и силе (рис. 7). С уменьшением относительной высоты полета растет Су и понижается Сх. Происходит крутой сдвиг поляры вверх и влево.
Она приобретает менее выраженный максимум, поскольку срыв потока на верхнем контуре профиля меньше воздействует на величину подъемной силы. Это ведет к большому росту аэродинамического качества всего аппарата. У ЭСКА-1 оно, к примеру, достигало 25.
Сложнее обстоит дело с управляемостью и устойчивостью. Для условий полета эти параметры экранолетов изучены все еще слабо, тем более что при смене режима перемещения либо с трансформацией высоты они, в большинстве случаев, быстро изменяются.
Разглядим, как ведет себя экранолет в экранном режиме. Предположим, что он движется в нескольких сантиметрах над водой. Картина обтекания крыла воздухом следующая; давление под крылом возрастает, начинает функционировать экранный эффект, уровень качества возрастает.
Но за это приходится дорого платить: на скорости более 200 км/ч экранолет нежданно теряет устойчивость и переворачивается через корму, Как раз так погибли во второй половине 60-ых годов XX века Дональд Кэмпбелл на «Синей птице» и семь лет спустя — Чезаре Скотти на туннельном катере.
Что же происходило? Разгадка нашлась: изменение обтекания крыла влекло за собой ухудшение продольной устойчивости.
Аэродинамический фокус экранолета, таковой постоянный в полете на высоте, у экрана внезапно раздвоился, и любая из его «половин» начала блуждать по хорде крыла и вести себя по-различному: одна начала отслеживать угол атаки, вторая впала в зависимость от расстояния до воды. Назвали их так: самый «своенравного» — фокусом по высоте, другого — фокусом по углу атаки.
«Своенравного» вот из-за чего.
В случае если простое прямоугольное крыло с удлинением 0,5—2 снабдить концевыми плоскостями-шайбами (дабы из-под него не вытекал воздушное пространство) и приближать к экрану в потоке аэродинамической трубы, то фокус по высоте начнет смещаться по хорде назад. При относительной высоте крыла над экраном, равной 5—6% от САХ, он остановится и начнет возвращаться. Фокус же по углу атаки имеет более постоянный темперамент и с уменьшением высоты движется лишь в одном направлении — назад, от носка профиля к его середине.
Чтобы выяснить закономерность разбега фокусов, экспериментаторы изучили самые разные типы крыльев. Выяснилось: в присутствии экрана степень разбега находится в прямой зависимости от формы крыла в плане. Из них лишь одно (!) владеет минимальным разбегом — это треугольное крыло с задней кромкой обратной стреловидности 45—60° и удлинением 1,7— 2. Кроме того, в силу самой геометрической формы крыла фокус по высоте размещается впереди фокуса по углу атаки.
А это основное условие продольной устойчивости в полете над экраном! На рисунке 4 продемонстрировано положение главных аэродинамических сил, действующих на экранолет.
Параметрами его продольной устойчивости помогают: запас устойчивости по высоте, другими словами расстояние в долях САХ от центра тяжести экранолета до фокуса, в котором приложено приращение подъемной силы, появляющееся при трансформации высоты полета, и запас устойчивости по углу атаки — расстояние от ЦТ до фокуса по углу атаки.
Дабы экранолет летал, а пилот не опасался перевернуться на нем, нужно выбором аэродинамической компоновки добиться положения фокуса по высоте впереди фокуса по углу атаки, что в математическом расчете выражается как неравенство:
ХFН — ХF?0.
В случае если какая-нибудь сила, к примеру порыв ветра, прижмет экранолет к воде, то приращение подъемной силы в фокусе по высоте относительно центра тяжести формирует пикирующий момент. Угол атаки из хорошего превратится в отрицательный.
Тут же в фокусе по углу атаки покажется отрицательное приращение, которое позовёт кабрирующий момент, восстанавливающий равновесие. И ничего ужасного не случится.
КОМПРОМИСС — СОЮЗНИК КОНСТРУКТОРА
Экранолет должен быть легким и одновременно с этим прочным, технологичным в изготовлении, надежным в эксплуатации. Наконец, он должен быть недорогим.
Задавшись этими, иногда взаимоисключающими требованиями, мы проанализировали последовательность вероятных конструкций и заключили, что самый простым будет древесный аппарат с широким применением авиационной фанеры, и пенопласта, других материалов и стеклоткани.
Для крыла ЭСКА-1 подошел модифицированный профиль ЦАГИ Р-11-КЛАРК-У с плоским нижним обводом. Он прекрасно зарекомендовал себя на изученных моделях.
Крыло имеет аэродинамическую и геометрическую крутку; относительная толщина профиля в корне крыла 10%, на финише 12,5%, а угол отклонения профиля от строительной горизонтали экранолета от корня к концу консоли значительно уменьшается с 4,5 до 2,5°.
Крыло в плане треугольное. Положение центра тяжести на разных углах атаки и при трансформации расстояния до экрана изменяется незначительно.
Для управляемости и поперечной устойчивости на консолях имеются так именуемые отъемные части крыла (ОЧК) — аэродинамические поверхности, оснащенные элеронами.
Интересный факт: многие экранолеты имеют прямоугольное крыло малого удлинения. Оно не смотря на то, что и простое в изготовлении, но владеет двумя значительными недочётами. Во-первых, положение центра давления у него зависит от расстояния и угла атаки до воды и колеблется в пределах 15—65% средней аэродинамической хорды.
Во-вторых, при обтекании для того чтобы крыла с концевыми вертикальными плоскостями-шайбами постоянно образуются воздушные вихри, увеличивающие сопротивление перемещению и ощутимо снижающие аэродинамическое уровень качества. По данной причине мы от прямого крыла отказались.
Горизонтальное оперение.
При его проектировании учитывали следующее: оперение, установленное за крылом малого удлинения, малоэффективно при выходе аппарата из территории влияния экрана — повышение скоса потока за крылом ведет к тому, что экранолет балансируется на громадных углах атаки, и оперение оказывается в невыгодных условиях обтекания. Мы установили его на финише киля — самом отдаленном от крыла месте, где возможно не опасаться скоса потока.
Размеры оперения выбраны такими, дабы запас продольной статической устойчивости разрешал экранолету летать и у экрана и на высоте.
Рис. 3. Зависимость аэродинамического качества от относительной высоты полета.
Рис. 4. Силы, действующие в полете над водой.
Рис. 5. Обтекание крыла над экраном.
Так как ЭСКА-1 стартует с воды, то ему нужны поплавки и глиссирующая поверхность корпуса-лодки. Это наиболее значимые части любого экранолета, с их помощью он развивает скорость, нужную для отрыва от воды.
При разбеге аэродинамическое сопротивление скоро растет, позже подъемная сила крыла делается равной весу аппарата, сопротивление его значительно уменьшается, и он отрывается от воды.
У ЭСКА-1 большое сопротивление — около 70 кгс — отмечалось при скорости 20—25 км/ч (рис. 6).
Еще одна особенность гидродинамической компоновки ЭСКА-1 — на плаву вся задняя кромка крыла неглубоко загружена в воду и на скорости 40— 50 км/ч она действует как реданная поверхность.
Громадного волнового сопротивления не создается, и движение аппарата ровный, поскольку крыло опирается на множество гребешков волн. При скорости отрыва экранолет касается воды лишь реданом корпуса и крыло не испытывает ударных нагрузок…
Вот так, методом конструкторских ухищрений и компромиссов, мы и проектировали отечественную машину. Но таковой подход к проектированию оправдал себя: четыре года эксплуатации подтвердили разумное сочетание идей, заложенных в ее конструкцию.
КОНСТРУКЦИЯ ЭСКА-1
Фюзеляж экранолета — лодка. В ней размещены: кабина экипажа, устройства оборудование, горючее. Снаружи крепятся консоли крыла, двигатель с воздушным винтом и киль с горизонтальным оперением.
Главное в лодке — каркас, собранный из стрингеров и шпангоутов.
Шпангоутов 15, сделаны они из сосновых реек, соединенных бобышками из липы и кницами из фанеры. Шпангоуты № 4, 7, 9, 12 и 15 — силовые. Самый нагруженный, пожалуй, девятый: к нему пристыкованы консоли крыла, а нижняя его часть является уступом редана.
Стрингеры сосновые: 4 — сечением 20 X 20 мм и 12 — 16 X 10 мм. Снизу фюзеляжа, где борта стыкуются с дном, проходят два скуловых стрингера из бука сечением 20 X 20 мм.
Ответственный элемент силового комплекта — коробчатый кильсон, расположенный ка днище лодки на протяжении оси симметрии. Кильсон образован двумя полками (верхней и нижней), соединенными стенками из фанеры толщиной 2 мм.
Ширина полок: 20 мм, толщина — переменная: в носовой части полки она равна 12 мм, в зоне родана — 20 мм. На всей протяженности кильсона его фанерные стены подкреплены распорками.
Корпус обшит авиационной фанерой разной толщины: в носу — двух-миллиметровой, потом толщина неспешно возрастает и и территории редана достигает 7 мм. В целесообразности для того чтобы усиления мы убедились по окончании столкновения с плавающей корягой. Мене» прочная обшивка не выдержала бы.
Ha бортах — фанера толщиной 2 мм, на гаргроте — 1 мм. Снаружи вся лодка оклеена слоем стеклоткани марки АСТТ(б)С, на эпоксидной смоле. Дабы лодка не’ надирала воду и имела чистую ровную поверхность, что принципиально важно для ее обтекания, обшивка зачищена, обработана эпоксидной шпаклевкой и окрашена синтетической эмалью, а после этого покрыта слоем паркетного лака.
Большея часть приборов и оборудования экранолета размещена а носу лодки: буксирный крюк, ПВД — приемник воздушного давления ТП-156 (для высоты полёта и замера скорости), штырь антенны радиостанции, аккумулятор.
В середине лодки — пилотская кабина. В ней приятель за втором установлены два самолетных кресла с нишами и привязными ремнями для парашютов. Заднее кресло расположено вблизи центра тяжести экранолета, дабы центровка автомобили меньше зависела от пассажира.
Пол в кабине выполнен из листового полиэтилена, под ним размещена проводка управления элеронами, рулями поворота и высоты. Слева от пилотского кресла на панели находится ручка управления двигателем (сектор газа) и блок электротумблеров. В кабине, на шпангоуте № 4, крепится щиток устройств с указателями скорости, высоты, скольжения и поворота, и вариометром, компасом, авиагоризонтом, тахометром, амперметром, вольтметром и индикаторы температуры головок цилиндров двигателя.
Кабина закрыта прозрачным фонарем. Передняя его часть без движений закреплена на фюзеляжа, задняя — съемная. Замки фонаря разрешают легко открыть кабину.
В аварийной ситуации экранолет возможно бистро покинуть, скинув фонарь.
К шпангоуту № 10 на особом ложементе подвешен топливный бак. Он притянут к ложементу железными лентами, обшитыми войлоком. Узлы вспомогательного лонжерона и крепления киля крыла смонтированы не шпангоуте № 15.
Для ремонта и облегчения транспортировки экранолета его крыло сделано в виде двух консолей, пристыкованных к лодке болтами М10.
Передние и задние стыковочные узлы — кронштейны из стали 30ХГСА. Они связаны с полками лонжеронов болтами М5 и вычислены, как и саме крыло, ка четырехкратную перегрузку с коэффициентом безопасности 1,5, другими словами неспециализированный запас прочности равен 6. Для того чтобы запаса вполне достаточно для обычной эксплуатации аппарата.
Консоль представляет собой однолонжеронную конструкцию с задней запасным стенкой, четырьмя стрингерами к девятью нервюрами.
Рис. 6. Зависимость располагаемой аэродинамического сопротивления и тяги от скорости полета:
А — аэродинамическое сопротивление, Г — гидродинамическое сопротивление, С — суммарное, Т — располагаемая тяга, И — избыток тяги; а — режим плавания, б — глиссирование, в — преодоление «горба» сопротивления, г — отрыв от воды, д — полет.
Рис.
7. Поляра ЭСКА-1 на различных высотах.
Рис. 8. Распределение давления на профиле крыла.
Главный лонжерон складывается из двух полок, диафрагмы и стенок. Верхняя полка имеет толщину 34 мм у корня и 18 мм у финиша лонжерона, нижняя — соответственно 25 и 18 мм. Ширина полок 38 мм по всему размаху.
Склеены полки из комплекта сосновых реек эпоксидной смолой в особом зажимном стапеле. Стены лонжерона — на фанеры ВС-1 толщиной 1,5 мм. Причем для равной прочности волокна наружных слоев фанеры сориентированы под углом 45° к оси лонжерона.
Диафрагма сделала из сосновых планок сечением 34X8 мм, приклеенных к полкам посредством уголков из липы. Строительная высота лонжерона по размаху определяется толщиной профиля крыла.
Нервюры № 1, 2, 3, 4 и 5 — ферменной и ферменно-балочной конструкции из раскосов и сосновых полок, связанных между собой фанерными косынками.
Нервюра № 1 — силовая, целая, на ней расположены узлы крепления консоли крыла. Нервюры № 6, 7, 8 и 9 — балочной конструкции, с полками из сосны и стенками из фанеры толщиной 1.5 мм.
Вспомагательный задний лонжерон подобен’ главному. Полки его — постоянной ширины 32 мм. Толщина верхней полки у корня лонжерона 20 мм, на финише — 12 мм; толщина нижней — соответственно 15 и 10 мм. С обеих сторон лонжерон обшит миллиметровой авиационной фанерой.
ОЧК расположена на финише консоли под углом к ней.
Под фанерной обшивкой скрыты два лонжерона, носовой стрингер и шесть нервюр. Передний лонжерон коробчатого сечения с полками 25 X 12 мм и стенками из фанеры толщиной 1 мм. Задний лонжерон-швеллер с этими же стенкой и полками.
Элерон щелевого типа складывается из лонжерона, переднего, заднего стрингеров и пяти балочных нервюр. Лонжерон-швеллер с полками 15X10 мм и фанерной стенкой толщиной 1 мм. К лонжерону приклеены сосновые бобышки для установки на них узлов подвески элерона.
Внутренние полости крыла два раза покрыты олифой. Крыло ОЧК и элероны снаружи обтянуты полотном АСТ-100, покрыты четырьмя слоями лака НЦ-551 и окрашены белой алкидной краской.
Устойчивость на воде экранолету придают поплавки из пенопласте ПХВ-1.
Оми оклеены слоем стеклоткани АСТГ(б)С, и прикреплены болтами М5 к консоли крыла не четырех ушках из стали 30ХГСА.
Хвостовое оперение — киль с водяным рулём и рулём поворота и стабилизатор с рулем высот. Киль обшит миллиметровой фанерой и представляет собой простую конструкцию из двух лонжеронов, восьми нервюр и носка. Задний лонжерон-швеллер с сосновыми полками 28X14 мм и стенкой ка фанеры толщиной 1,5 мм. Передний лонжерон того же типа, что и задний, лишь полки у него мельче — 14X34 мм.
Для уменьшения малковки носки килевых нервюр изломаны и образуют с передней кромкой киля практически прямой угол.
Руль поворота складывается из обшитого фанерой носка, лонжерона, хвостового стрингера и тринадцати нервюр. Руль обшит тканью АСТ-100 и подвешен к килю в двух точках.
Стабилизатор в плане — трапециевидной формы, профиль его симметричный НАСА-0009, угод установки плюс 5° от строительной горизонтали экранолета.
Каркас стабилизатора собран из лонжерона запасном стены нервюр и переднего 13 стрингера. Стабилизатор крепится болтами на четырех ушках киля. Носик стабилизатора зашит фанерой БС-1 толщиной 1 мм.
Лонжерон стабилизатора коробчатого сечения о сосновыми волками 20X12 мм и стенками из миллиметровой фанеры.
На лонжероне имеется два ушка для крепления подкосов из алюминиевых труб каплевидного сечения. Трубы придают жесткость комбинации «киль — стабилизатор».
Руль высоты подобен рулю поворотов; подвешивается к стабилизатору в трех точках. стабилизатор и Руль обтянуты тканью АСТ-100, покрыты аэролаком и краской.
Винтомоторная установка включает четырехтактный карбюраторный двухцилиндровый мотоциклетный двигатель М-63 мощностью 32 л. с., особый понижающий зубчатый редуктор с передаточным отношением 1 : 2,3, древесный воздушный винт СДВ-2 фиксированного шага O1,6 м и моторную раму из металлических труб O 26 мм.
Двигатель крепится к мотораме болтами М8 через резиновые амортизаторы и установлен за кабиной экипажа на узлах силовых шпангоутов № 9 и 12.
В режиме большой мощности двигатель развивает 4700 об/мин. От редуктора воздушный винт приобретает 1900—2100 об/мин. Это соответствует 95—100 кгс тяги.
Запуск винтомоторной установки осуществляется электростартером СТ-4.
Он установлен на двигателе и через шестерни вращает его распределительный вал. Источником питания электростартера помогает аккумулятор САМ-28 с напряжением 12 В. Дабы совокупность зажигания трудилась надежно, двигатель оборудован магнето «Катэк» с приводом от распределительного вала через промежуточный вал-удлинитель.
Стандартные карбюраторы не удовлетворяли нас собственной несогласованной работой, в особенности при резких трансформациях режимов работы двигателя.
Мы заменили их на один карбюратор «Вебер-32 ДСР».
Как видите, конструкция ЭСКА-1 в принципе несложна. Преобладают дерево, фанера, ткань. Железные подробности сведены к минимуму, и на их изготовление идут недефицитные марки сплавов и сталей.
Снаружи экранолет также достаточно несложен, сложных криволинейных поверхностей мало. Исходя из этого, как мы вычисляем, ЭСКА-1 легко воспроизвести тем, кто собирается строить экранолет, забрав за базу как раз такую древесную конструкцию.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ЭКРАНОЛЕТА ЭСКА-1
Размах, м……………6,9
Протяженность, м……………7,8
Высота, …………….2,2
Корневая хорда крыла, м……..4,11
Концевая хорда, м………..1,0
Сужение крыла …………4,11
Удлинение …………..1,996
Средняя аэродинамическая хорде (САХ), м . 2,873
Площадь крыла, м2……….13,15
Неспециализированная несущая площадь, м2……13,39
Площадь горизонтального оперения, м?. . . 3,0
Площадь вертикального оперения, м; . . . . 3,6
Месса конструкции, кг …….234
Полная полетная масса, кг……..450
Нагрузка на крыло, кг/м2………39,5
Мощность двигателя, л. с……….32
Рандомные статьи:
Полёт на высоте 10000 м.
Похожие статьи, которые вам понравятся:
-
«Настойчивый» просится в полёт
Так именуют собственный самолёт кружковцы-их руководитель и авиамоделисты — Вадим Борисович Румянцев из города Приволжск Ивановской области, чьими руками…
-
В третьем номере отечественного издания за 1968 год было опубликовано описание конструкции змея-гибколета для воднолыжников, созданного пионером этого…
-
Понимаете ли вы, что много летательных аппаратов любительской постройки имеют в собственной базе БРО-11М — планёр начального обучения известного…
-
Кто в детстве не мечтал стать летчиком, покорителем пятого — воздушного океана! Многие романтические натуры не отказываются от этой своей…