Летающий вездеход

DjVu

      ВВЕДЕНИЕ
      В настоящее время имеются разнообразные средства воздушного, сухопутного и водного транспорта, каждое из которых обладает и преимуществами, и недостатками.
      Так, например, самолеты могут перевозить грузы и пассажиров с большой скоростью, однако их грузоподъемность и экономичность значительно меньше, чем у некоторых средств сухопутного и водного транспорта. Кроме того, для самолетов необходимы дорогостоящие аэродромы с взлетно-посадочными полосами больших размеров. Вертолеты могут взлетать и приземляться вертикально без аэродромов, но они обладают меньшей грузоподъемностью и экономичностью, более сложны по конструкции, а скорость их полета значительно меньше, чем у самолетов. Поезда и автомобили обладают хорошей грузоподъемностью и экономичностью, однако могут двигаться только на суше по специально построенным или подготовленным дорогам. Морские суда и речные пароходы обладают наибольшей грузоподъемностью и экономичностью, но могут двигаться только по водоемам с достаточной глубиной.
      Развивая и совершенствуя транспортные средства, конструкторы стремятся прежде всего увеличить скорость их движения и грузоподъемность, повысить экономичность, а также сделать эти средства универсальными, что позволило бы применять их в самых разнообразных условиях. Так, например, создаются автомобили с повышенной проходимостью, позволяющей эксплуатировать их в условиях бездорожья на сравнительно ровной местности; создаются глиссеры, суда на подводных крыльях и суда с водометными двигателями, способные плавать не только по глубоководным, но и по мелководным рекам.
      Наиболее универсальными транспортными средствами могут быть летательные аппараты, совершающие полет на воздушной подушке. Аппараты такого типа в настоящее время привлекают внимание ученых и конструкторов ряда стран. Проводятся теоретические и экспериментальные исследования принципа полета на воздушной подушке, изучаются транспортные возможности и особенности применения таких летательных аппаратов, строятся экспериментальные и опытные аппараты.
      В 1927 г. в Советском Союзе К. Э. Циолковский предложил использовать этот принцип для аппаратов, совершающих полет над сушей. Он впервые четко сформулировал принцип движения на воздушной подушке, получил расчетные формулы и определил энергетические затраты поезда, движущегося на воздушной подушке. Несколько позднее в нашей стране профессор В. Левков проводил эксперименты по применению принципа полета на воздушной подушке для морских судов. По его проектам было создано несколько катеров на воздушной подушке. В 1953 г. московский студент Г. Туркин разработал проект летающего автомобиля на воздушной подушке и через два года построил модель такой машины. Ее первые испытания дали положительные результаты [6].
      Как сообщалось в вашей печати [5], Министерство речного флота РСФСР в содружестве с ученымв Москвы и Ленинграда разработало проект корабля, движущегося на воздушной подушке. Аппарат рассчитан на перевозку 38 пассажиров.
      К сентябрю 1962 г. аппарат был построен и начаты его всесторонние испытания.
      В это же время на заводе «Красное Сормово» был построен и вышел на испытания другой советский аппарат на воздушной подушке — катер «Радуга», рассчитанный на 5 мест [5].
      Аппараты на воздушной подушке совершают полет на небольшой высоте от поверхности земли или воды. Под днище аппарата с помощью вентилятора нагнетается воздух. Между днищем и поверхностью земли или воды создается слой воздуха повышенного давления — воздушная подушка, опираясь на который, аппарат держится в воздухе. Горизонтальное движение аппарата в большинстве случаев осуществляется при помощи воздушного винта или воздушно-реактивного двигателя.
      Аппараты на воздушной подушке по своей грузоподъемности и экономичности п| евосходят самолеты и вертолеты и сравнимы с автомобк !ями и мелкими судами. Важнейшим их преимуществом является возможность двигаться
      как над поверхностью воды, так и над поверхностью суши, которая должна быть сравнительно ровной. Это позволит эффективно использовать их в качестве транспортных средств для перевозок над водоемами, включая мелководные реки, а также в равнинных, степных и пустынных местностях. Особенно выгодно будет применять такие аппараты в тех случаях, когда необходимо передвигаться над поверхностью земли и воды.
      К летательным аппаратам на воздушной подушке за рубежом проявляют интерес военные ведомства. Такие аппараты предполагается использовать в военных целях как в качестве транспортных средств, так и в качестве боевых машин. Так, например, военные ведомства США выдвигают тактико-технические требования на создание аппаратов на воздушной подушке следующих назначений [10]:
      — десантный аппарат, или вездеход, для замены десантных катеров и плавающих автомобилей;
      — противолодочный аппарат для поиска и уничтожения подводных лодок;
      — баржа, или грузовой вездеход, для перевозки войск и грузов;
      — разведывательный вездеход, имеющий легкое бронирование и вооруженный управляемыми реактивными снарядами;
      — океанский транспортный аппарат, предназначенный для перевозки грузов через водные пространства на большие расстояния.
      Аппараты на воздушной подушке имеют много общего с летательными аппаратами, поэтому при их описании в данной брошюре автор попользовал различные авиационные термины. Чтобы брошюра была доступной для понимания широкому кругу читателей, автор авиационные термины попенял сразу, при их применении. В отдельных случаях авиационные термины не разъяснялись, так как предполагалось, что они общеизвестны.
      Следует отметить, что терминология аппаратов на воздушной подушке, употребляемая в литературе, пока не установилась. Поскольку брошюра написана на основании материалов, опубликованных в иностранной печати, то автор придерживался терминологии, по возможности более точно передающей перевод терминов, используемых в иностранной литературе.
      Автор с благодарностью учтет все критические замечания.
     
      ГЛАВА I
      ПРИНЦИП ПОЛЕТА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЭТОТ ПРИНЦИП
      При полете летательных аппаратов на воздушной подушке используются следующие явления, давно известные в различных областях техники.
      При испытании и эксплуатации летательных аппаратов таких, как планер, самолет и вертолет, было установлено, что при взлете или посадке, когда эти аппараты находятся в непосредственной близости от земли, их подъемная сила несколько больше, чем при полете на некоторой высоте. Так, например, подъемная сила, создаваемая несущим винтом вертолета, крылом самолета или планера, вблизи земли на 20 — 25% больше, чем на высоте 25 — 30 м. Это явление объясняется следующим. Известно, что при обтекании воздухом крыла или лопасти несущего винта, которую также можно рассматривать как крыло, над верхней выпуклой поверхностью крыла и лопасти винта создается разрежение. Таким образом давление воздуха на нижнюю поверхность становится больше, чем на верхнюю, в результате создается подъемная сила крыла или лопасти винта, равная разности сумм давлений на нижнюю и на верхнюю поверхности. Когда полет происходит на большой высоте от земли, воздух, набегающий «а нижнюю поверхность крыла, отбрасывается им вниз с некоторой скоростью. Если же полет происходит вблизи поверхности земли, то отбрасываемая вниз масса воздуха тормозится землей, в связи с чем давление под крылом увеличивается, а следовательно, увеличивается и его подъемная сила. Крыло как бы опирается на воздушную подушку — слой воздуха с повышенным давлением, находящийся под его нижней поверхностью, и движется, скользя по нему.
      Когда стали испытывать турбореактивные двигатели, установленные таким образом, что их реактивные сопла были расположены около стенки, перпендикулярной к оси двигателя, то оказалось, что сила тяги, развиваемая двигателем, тем больше, чем ближе стенка к срезу реактивного сопла двигателя. Наибольшее увеличение силы тяги наблюдалось у двигателя, имеющего в центре сопла обтекатель. В этом случае часть газов, истекающих из сопла кольцевой струей, под воздействием стенки растекается в стороны от оси сопла, а часть газов течет к оси сопла, где создается своеобразная газовая подушка с повышенным давлением р, большим, чем атмосферное давление р0. При рост силы тяги у такого двигателя равен произведению разности давлений Ар = р — Ро на площадь поперечного сечения обтекателя.
      В различных областях техники с давних пор используется смазка трущихся деталей машин: валов, вращающихся в подшипниках; колес, шкивов и т. д., вращающихся на осях; зубьев шестерен; деталей, совершающих относительно друг друга поступательное движение, как, например, суппорт строгального станка относительно станины, и т. д. В любом случае смазывающее вещество находится между трущимися поверхностями, образуя тонкий слой — пленку, которая препятствует соприкосновению трущихся поверхностей, и вместо сухого трения, когда трущиеся поверхности соприкасаются выступающими неровностями и стирают их, возникает жидкостное трение. При этом частицы жидкости в пленке, прилегающие к трущимся поверхностям, движутся вместе с ними, образуя слои смазывающей жидкости, перемещающиеся относительно друг друга. Вследствие небольшой вязкости смазывающей жидкости силы трения между слоями жидкости значительно меньше, чем при соприкосновении трущихся поверхностей.
      Три приведенных выше явления — увеличение подъемной силы крыла вблизи земли, увеличение тяги турбореактивного двигателя и применение смазки для уменьшения трения — используются в следующих схемах летательных аппаратов нового типа, совершающих полет в непосредственной близости от земли или воды, опираясь на воздушную подушку.
      Крыло с воздушной к а м е р о й. Летательный аппарат такой схемы за рубежом был предложен раньше других проектов аппаратов на воздушной подушке. Известно, что финский инженер Каарио предложил в середине 30-х годов нашего столетия такую схему для уменьшения трения аэросаней о снег.
      Схема летательного аппарата, имеющего крыло с воздушной камерой, приведена на рис. 1. Крыло аппарата имеет выемку на нижней поверхности, которая ограничена с боков вертикальными стенками по концам крыла, а сзади — задней кромкой крыла. Спереди выемка остается открытой. Аппарат может приводиться в горизонтальное движение поршневым или турбовинтовым двигателем с воздушными винтами или реактивным двигателем.
      Когда аппарат движется на небольшой высоте (равной нескольким процентам хорды крыла — размера а на рис. 1) над поверхностью земли с горизонтальной скоростью Уо, встречный поток воздуха поступает в камеру под нижней
      поверхностью крыла и тормозится до скорости, пренебрежимо малой по сравнению со скоростью движения аппарата. Воздух из камеры истекает через зазоры под задней кромкой крыла и боковыми стенками. За счет торможения потока воздуха под крылом и в камере образуется воздушная подушка с повышенным давлением воздуха. Опираясь на эту подушку, аппарат совершает полет. Подъемная сила аппарата создается за счет разрежения воздуха над верхней выпуклой поверхностью крыла, обтекаемой потоком со скоростью Vo, и повышенного давления в воздушной подушке под крылом.
      Недостатком данной схемы летательного аппарата по сравнению с другими аппаратами на воздушной подушке является то, что он не может неподвижно висеть в воздухе или, как говорят, совершать полет на режиме висения. Воздушная подушка под крылом образуется только тогда, когда аппарат будет разогнан до скорости, достаточной для того, чтобы давление в воздушной подушке могло удерживать аппарат на некоторой высоте над уровнем земли. В связи с этим такая схема летательных аппаратов в чистом виде не применяется. Однако некоторые иностранные специалисты [22] полагают, что этот способ образования воздушной подушки целесообразно использовать в комбинации с другими способами, обеспечивающими полет на малых скоростях.
      Аппарат с воздушной камерой под днищем. Летательный аппарат этой схемы (рис. 2) имеет камеру, ограниченную днищем и вертикальными стенками по периметру аппарата. В эту камеру вентилятором нагнетается воздух, и в ней создается повышенное давление р, большее, чем атмосферное давление ро. Подъемная сила аппарата равна произведению разности давлений Ар = = р — ро на площадь днища. Под действием этой силы аппарат поднимается над землей. Воздух из камеры под днищем истекает через зазоры между поверхностью земли и кромками вертикальных стенок. Чем больше высота полета, тем больше зазоры и тем больше истекает воздуха, а следовательно, быстрее падает давление р. На высоте, называемой равновесной, мощность вентилятора будет достаточной для того, чтобы поддерживать это давление постоянным. При подъеме на большую высоту давление р упадет, подъемная сила уменьшится и аппарат вновь снизится на равновесную высоту полетав
      В горизонтальном направлении аппарат перемещается при помощи воздушного винта. Вентилятор и воздушный винт приводятся во вращение поршневым или газотурбинным двигателем.
      Недостатками аппарата с воздушной камерой под днищем, как это будет показано ниже, являются меньшая экономичность и меньшие скорости полета по сравнению с другими аппаратами на воздушной подушке.
      Рис. 2. Схема летательного аппарата на воздушной подушке с воздушной камерой под днищем
      Несмотря на эти недостатки, схема аппарата с воздушной камерой под днищем применяется в ряде экспериментальных конструкций.
      Свойства аппаратов с воздушной камерой под днищем исследованы еще очень мало.
      Аппарат на воздушной смазке. В аппаратах такого типа используется принцип смазки трущихся поверхностей. Воздух, как показано на рис. 3, под большим давлением подается под днище аппарата и образует между ним и поверхностью земли тонкий слой. Летательный аппарат движется, опираясь на этот слой. Горизонтальное перемещение может осуществляться при помощи воздушного винта или реактивного двигателя.
      Недостатком аппарата такого типа является то, что он может двигаться лишь над очень гладкой поверхностью, которая позволяет создавать тонкий слой воздушной смазки с большим давлением воздуха. Такими поверхностями могут быть гладкие автострады, рельсы или специальные направляющие.
      Принцип воздушной смазки может найти применение в транспортных машинах, движущихся по рельсам или гладким дорогам; он позволит, по мнению иностранных специалистов [22], увеличить скорость движения до 300 — 350 км/час.
      Аппарат с кольцевым соплом по периметру днища. Схема такого аппарата (рис. 4) в настоящее время наиболее изучена и широко применяется в реальных конструкциях и проектах аппаратов на воздушной подушке. По периметру днища этого аппарата имеется кольцевое сопло шириной t. Каждый элементарный участок сопла образует некоторый угол 0 с вертикалью и направлен к центру аппарата. В сопло вентилятором нагнетается воздух, который истекает из него кольцевой струей, первоначально сужающейся к центру аппарата, под днищем которого образуется область повышенного давления — воздушная подушка с давлением р, большим, чем атмо-
      сферное давление /?0. Под действием разности давлений Ар = р — Ро струя искривляется, поворачивается и растекается от центра аппарата параллельно поверхности земли. В данном случае струя высотой h является своеобразной стенкой (или уплотнением) — границей воздушной подушки, препятствующей воздуху, находящемуся под днищем, истекать наружу.
      Подъемная сила аппарата будет обусловливаться двумя факторами: разностью давлений в воздушной подушке Ар = р — ро и силой тяги, создаваемой кольцевой струей.
      Вентилятор приводится во вращение поршневым или газотурбинным двигателем. Для горизонтального перемещения на аппарате устанавливается воздушный винт, приводимый во вращение от того же или отдельного двигателя. Для этой цели могут быть установлены воздушные реактивные сопла, в которые подается часть воздуха, нагнетаемого вентилятором.
      Горизонтальная тяга может создаваться также отклонением направления скорости воздуха Vj в кольцевой реактивной струе назад. В этом случае на создание горизонтальной скорости в струе будет затрачиваться дополнительно мощность двигателя.
      В кольцевое сопло аппарата такой схемы вместо воздуха может нагнетаться вода. Воздух в этом случае нагнетается под днище аппарата до установления равновесного давления р, после чего подается лишь в небольших количествах для компенсации его случайных утечек из воздушной подушки. Вода обладает большей массовой плотностью, чем воздух, и поэтому требует для искривления кольцевой струи большего давления в воздушной подушке. Следовательно, она позволяет создавать воздушную подушку с большим давлением и обеспечивает большую подъемную силу. Однако для забора и подъема воды к вентилятору требуется затрачивать дополнительную мощность. Большая мощность затрачивается также на разгон воды для получения необходимой скорости в кольцевой струе. Кроме того, заборники воды обладают большим сопротивлением.
      Горизонтальное перемещение этого аппарата обеспечивается так же, как и обычного аппарата с кольцевым соплом по периметру днища.
      Недостатком аппарата такого типа является то, что его можно эксплуатировать только над водными поверхностями.
      Другой разновидностью аппарата с кольцевым соплом по периметру днища является аппарат, у которого воздушная подушка частично (вместо струи) ограничивается боковыми продольными стенками или килями. Этот аппарат так же, как и предыдущий, может применяться только над поверхностью воды. В настоящее время построены отдельные экспериментальные аппараты с продольными килями.
      Аппарат с лабиринтным уплотнением воздушной подушки. Схема такого аппарата была предложена швейцарским инженером Вейландом в 1958 г. [22], после чего было разработано много проектов аппаратов аналогичных схем. В настоящее время аппараты такого типа подвергаются экспериментальным последованиям в лабораториях [22]. Несколько таких аппаратов проходят испытания.
      Схема лабиринтного уплотнения воздушной подушки летательного аппарата приведена на рис. 5. Воздух нагнетается под днище аппарата с помощью вентиляторов. Часть воздуха от этих вентиляторов течет к центру днища, создавая воздушную подушку, а часть — от центра и поступает на вентилятор первой ступени лабиринта. Этот вентилятор подает воздух в сопло, направленное к центру аппарата. Основная масса воздуха из сопла течет к центру аппарата, затем под действием встречного потока поворачивает от центра аппарата и вновь подсасывается вентилятором первой ступени лабиринта. Другая, небольшая часть воздуха течет к периферии аппарата и поступает на вентилятор второй ступени лабиринта, где цикл повторяется. На рис. 5 показано лабиринтное уплотнение с тремя ступенями, но их может быть и больше. В каждой ступени лабиринта образуется своеобразный вихрь, препятствующий истечению воздуха из воздушной подушки.
      В отличие от аппарата с кольцевой струей в аппарате с лабиринтным уплотнением основная масса воздуха, поступающего в уплотнение, не истекает наружу, а используется повторно. Поэтому аппарат такого типа называют аппаратом с повторной циркуляцией [22]
      Сила тяги для горизонтального перемещения аппарата создается аналогично силе тяги других аппаратов на воздушной подушке.
      В результате лабораторных исследований лабиринтного принципа создания уплотнения воздушной подушки были сделаны следующие выводы [22].
      Рис. 5. Схема лабиринтного уплотнения воздушной подушки летательного аппарата
      Целесообразным является комбинированное уплотнение воздушной подушки, создаваемое с помощью лабиринта и кольцевой струи. Мощность, потребная для полета на режиме висения такого аппарата, на 25% меньше, чем для аппарата с кольцевым соплом по периметру днища. В идеальном случае мощность, необходимая для полета на режиме висения над поверхностью земли на высоте, ранной примерно 2% диаметра днища, составляет 20 л. с. на 1 т веса аппарата. Избыточное давление в воздушной подушке в этом случае составит 0,005 кг/см2.
      Аппарат с дифф узорным уплотнением. Схема диффузорного уплотнения воздушной подушки летательного аппарата приведена на рис. б. Создание аппаратов с таким уплотнением является следствием дальнейшего развития аппаратов с лабиринтным уплотнением. В днище аппарата по его периметру расположено кольцевое сопло, через которое истекает воздух, нагнетаемый вентилятором. Сопло направляет кольцевую струю воздуха в зазор с высотой h под днищем аппарата. Давление воздуха в струе на этом участке равно атмосферному. Днище аппарата профилировано таким образом, что после прохождения через зазор струя расширяется, скорость потока в ней уменьшается, а давление воздуха повышается и становится больше атмосферного. Это давление и создает
      подъемную силу аппарата. Дальше струя воздуха вновь подается основным вентилятором в кольцевое сопло. Для компенсации потерь воздуха из воздушной подушки устанавливается дополнительный вентилятор.
      Рис. 6. Схема диффузорного уплотнения воздушной подушки летательного аппарата
      Преимуществом такой схемы является то, что воздух, истекающий из сопла, не расходуется на создание уплотнения, а вновь поступает в вентилятор и течет по замкнутому контуру.
      Вентилятор служит для первоначального разгона воздуха, а затем для компенсации потерь, обусловленных сопротивлением трения, и некоторой утечки воздуха из замкнутого контура.
      Тяга для горизонтального движения аппарата создается теми же способами, что и на аппаратах других схем.
      Существенным недостатком аппарата с диффузорным уплотнением воздушной подушки является то, что он может совершать полет только на той высоте h над поверхностью земли, на которую он рассчитан. Кроме того, полет на этой высоте неустойчив, так как при ее случайном уменьшении изменяется расчетный профиль струи воздуха в сопле, зазоре под днищем и диффузоре. В результате возникают большие утечки воздуха из замкнутого контура, подъемная сила аппарата падает, становится меньше его веса и аппарат начинает опускаться на землю. В связи с этим недостатком данная схема не применяется в конструкциях аппаратов.
      Рис. 7. Классификация летательных аппаратов на воздушной подушке
      Схемы летательных аппаратов, использующих принцип полета на воздушной подушке, можно подразделить на группы по общим признакам, т. е. классифицировать. Одна из таких классификаций, опубликованных в иностранной литературе [22], приведена на рис. 7.
     
      ГЛАВА II
      ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
      В настоящей главе упрощенно излагается теория летательных аппаратов на воздушной подушке. Эта теория не дает точных расчетных формул, которые можно было бы безоговорочно применить для расчетов характеристик таких аппаратов, однако она позволяет более полно осветить физическую картину явлений, связанных с полетом, и выявить основные факторы, влияющие на характеристики аппаратов на воздушной подушке.
      Основные упрощения сводятся к принятию гипотез о несжимаемости и невязкости воздуха. В соответствии с первой гипотезой считается, что в процессе движения первоначально выделенные частицы воздуха под действием сил давления не изменяют своих объемов и массовой плотности. По второй гипотезе воздух считается идеальной жидкостью, т. е. в нем отсутствуют силы вязкости, или, иначе говоря, силы трения частиц воздуха друг о друга или о стенки аппарата. Эти предположения позволяют пренебрегать силами лобового сопротивления аппарата при его горизонтальном движении в воздухе. Кроме того, будем пренебрегать аэродинамической подъемной силой, которая создается вследствие разрежения воздуха над верхней выпуклой поверхностью аппарата при обтекании ее потоком воздуха, так как она мала по величине по сравнению с подъемной силой, создаваемой воздушной подушкой.
      Некоторые теоремы аэрогидромеханики
      При изложении элементарной теории аппарата на воздушной подушке используются некоторые основные понятия, теоремы и уравнения аэрогидромеханики. К этим теоремам и уравнениям относятся уравнение Бернулли, теорема о количестве движения и теорема об энергии.
      Рассмотрим течение несжимаемой жидкости в некотором пространстве. Течение называется установившимся, если все параметры, характеризующие движение частиц жидкости, т. е. величина и направление скорости, ускорение и т. д., в каждой фиксированной точке пространства с течением времени не изменяются. При установившемся течении частицы жидкости, которые одна за другой проходят через определенную точку, движутся совершенно одинаково по одной и той же траектории, не меняющей своей формы с изменением времени. В каждой точке такой кривой касательная к ней совпадает с направлением скорости движения частицы жидкости, находящейся в данной точке. Эти кривые называются линиями тока.
      Возьмем некоторую замкнутую кривую и изобразим, как это показано на рис. 8, линии тока, проходящие через ее точки. Линии тока образуют поверхность, имеющую форму изогнутой трубки с переменным поперечным сечением, называемую трубкой тока. Так как линии тока являются траекториями движения частиц жидкости, то, следовательно, частицы жидкости, находящиеся внутри трубки, не могут выйти из нее, а находящиеся вне трубки — войти в нее. Поэтому масса жидкости, протекающей через поперечное сечение трубки тока за единицу времени, должна оставаться неизменной.