Напомним, что он создавался в инициативном порядке молодыми инженерами существовавшей тогда Центральной лаборатории новых видов спасательной техники (ЦЛСТ ОСВОДа). Имелось в виду предложить более экономичное, чем вертолет, быстроходное амфибийное спасательное средство для патрулирования в зоне до 150 км от береговой спасательной станции. По ряду причин дальнейшие работы по доводке экспериментального образца были прекращены; серийной продукцией «ЭСКА-1» не стал. Однако все эти десять лет, вплоть до последнего времени, аппарат находился в эксплуатации (на Волге) в качестве разъездного средства; это позволяет сделать вывод о том, что конструкция его в целом оказалась достаточно работоспособной, а основные технические решения — удачными. Апробированная схема «ЭСКА-1», в свою очередь, положена в основу других аппаратов, создаваемых для народнохозяйственных целей.
По просьбе редакции об опыте создания «ЭСКА-1» — летающей лодки-экранолета с мотоциклетным двигателем рассказывает Евгений Петрович Грунин — начальник студенческого конструкторского бюро МИИГА (Московского института инженеров гражданской авиации). В настоящее время студенты под его руководством разрабатывают несколько проектов спортивных судов с аэродинамической разгрузкой, рассчитанных на скорости порядка 200 км/ч.
Остается добавить, что основы теории и устройства экранолетов в общих чертах были изложены в статьях Н. И. Белав и н а «Летающие суда-экранопланы» (№15), «Катера с аэрокрылом» (№64) и «Новые экранопланы за рубежом» (№73).
Подробное изложение всех вопросов, связанных с проектированием и аэродинамической компоновкой «ЭСКА-1» как летательного аппарата, заняло бы много времени и места. Очевидно и то, что нет смысла приводить рабочие чертежи, углубляться в описание деталей: авторы «ЭСКА-1» далеки от мысли рекомендовать его любителям высоких скоростей для повторения «один к одному». Наверное, будет правильнее сузить задачу. Познакомим читателя не столько с самим аппаратом, сколько с подходом инженеров-авиастроителей к созданию далеко не простого по устройству быстроходного плавсредства, которое, к тому же, должно летать, да еще — летать с использованием экранного эффекта. Это может оказаться полезным всем, кто так или иначе связан с постройкой и эксплуатацией любых скоростных спортивных судов.
Гибель Кемпбэлла и Ли Тейлора, серия катастроф рекордных глиссеров и многочисленные аварии, которыми отмечена борьба за скорость на воде, показывают, что вплоть до последнего времени водномоторники плохо использовали опыт, накопленный авиацией. Лишь недавно конструкторы начали обращать самое серьезное внимание на устойчивость движения сверхскоростных судов, которые перестали быть судами. Ведь практически под рев своих форсированных двигателей спортсмены-водномоторники уже вторглись в смежную с гидродинамикой область аэродинамики.
Авиация оплатила кровью познание основных законов этой молодой науки. Стоит ли испытывать судьбу снова, действуя методом проб и ошибок, когда есть возможность поставить на службу имеющийся опыт?
Если посмотреть на современный гоночный катамаран (допустим, это будет «Куду-2», см. №92) глазами авиаконструктора, то сразу можно сказать, что при движении на максимальных скоростях это — тот же летательный аппарат, движущийся в непосредственной близости от поверхности воды, т. е. экрана. Прикинем нагрузку на единицу мощности. Вес глиссера — 5 т, мощность— более 1000 л. с. Параллель просто напрашивается; такую же нагрузку имеют многие самолеты, например — хорошо известный «АН-2» со взлетным весом 5 т и мощностью двигателя «Аш-62», равной 1000 л. с. Вот уже тридцать лет сотни самолетов «АН-2» взлетают, летают и вновь садятся на землю, поскольку соответствующим образом спроектированы, При любых допустимых вариантах нагрузки самолет не опрокинется ни при взлете, ни в полете, ни при посадке. А есть ли такая уверенность в отношении «взлетов» и «посадок» — приводнений на волне — того же «Куду-2»? Разве случайность, что водители подобных сверхскоростных глиссеров далеко не всегда полностью используют имеющуюся мощность? Поведение взлетевшего в воздух глиссера зачастую непредсказуемо — летать его «не научили», риск велик...
Авиастроителями накоплен огромный опыт создания гидросамолетов и летающих лодок, включая огромные катамараны (с размахом крыльев 50 и более метров); при движении по воде и у поверхности воды аналогия их со скоростными глиссерами очевидна. Однако подавляющее большинство спортивных судов, рассчитываемых на скорости, скажем, 120—150 км/ч, не имеют никаких средств аэродинамической стабилизации, присущих любому летательному аппарату. Побывайте на соревнованиях в «старших» классах судов — и убедитесь в этом. Многих гонщиков до сих пор спасали высокие удельные нагрузки на площадь корпуса («крыла»), но ведь это до поры до времени.
Думаю, пора не просто «обозначить проблему», но и как-то решать ее общими усилиями авиаторов и судостроителей. И тут не кто иной, как журнал «КиЯ», должен сыграть свою организующую роль!
А пока закончим затянувшееся вступление и обратимся к опыту создания «ЭСКА-1», при конструировании которого соблюдались все классические правила самолетостроения, поскольку строили его выпускники московских авиационных вузов.
Гидродинамическая компоновка
По внешнему виду наш двухместный «ЭСКА-1» больше напоминает легкий гидросамолет — летающую лодку, чем катер. Аэродинамическая компоновка его во многом сходна с аппаратами доктора А. Липпиша (ФРГ), но принцип обеспечения продольной балансировки и схема гидродинамики старта отличны от известных конструкций его аппаратов «Х-112», «Х-133Am» и «Х-114». Применена оптимальная для движения с использованием эффекта близости экрана куполообразная (упрощенная — спрямленная) форма несущей плоскости. Для треугольного в плане крыла выбран профиль с плоской нижней поверхностью, обеспечивающий высокую продольную статическую остойчивость и хорошо зарекомендовавший себя на нескольких исследованных нами свободнолетающих моделях. Положение центра давления при различных расстояниях от экрана и различных углах атаки изменяется на таком крыле незначительно. Образование боковых вихрей имеет слабо выраженный характер.
Для обеспечения поперечной устойчивости и управляемости крылья на концах имеют небольшие аэродинамические поверхности, расположенные под углом к основному крылу и оснащенные элеронами (эти части несущей плоскости сделаны съемными).
Горизонтальное хвостовое оперение установлено насколько это оказалось возможным выше и дальше за крылом. Хвостовое оперение состоит из стабилизатора с рулем высоты и киля с рулем направления.
Особую сложность представила задача обеспечения необходимой для взлета с воды высокой скорости при ограниченной мощности примененного двигателя «М-63» (32 л. с.). Представим, хотя бы в сжатом виде, ход наших рассуждений.
Аппарат оторвется от воды (и его сопротивление сразу резко уменьшится) при таком значении скорости, при котором подъемная сила крыла станет равна весу аппарата. Оценив полетный вес аппарата цифрой 450 кг и зная элементы крыла, мы легко установили, что необходима скорость около 65 км/ч. Однако, как хорошо известно из опыта постройки глиссирующих судов и гидропланов, наибольшее сопротивление воды движению («горб» на его кривой) приходится преодолевать на значительно меньшей скорости — в данном случае на скорости 20—22 км/ч, т. е. на 30% значения скорости отрыва. На таких скоростях аэродинамическая подъемная сила крыла еще незначительна, а сопротивление воды движению экранолета достигает 70 кгс. Чтобы добиться выхода его на глиссирование, надо было чисто «судостроительными» средствами обеспечить повышение суммарного аэрогидродинамического качества К (отношения подъемной силы, равной весу аппарата, к его сопротивлению) до значений порядка 450:70=6,43. Такое значение К вполне соответствует принятому в мировом гидросамолетостроение (при К<4÷5 гидродинамическая компоновка гидросамолета считается неудовлетворительной).
В окончательном виде кроме глиссирующего малокилеватого остроскулого корпуса фюзеляж? с поперечным и предельными реданами аппарат получил и глиссирующкэ плоскодонные nonлавки на крыльях.
Высокая скула в носовой части корпуса лодки обеспечивает хорошую всхожесть на волну (в то же время при полете, как выяснилось, остроскулые обводы вызывают ранний срыв потока, а длинный нос и высокие борта лодки ухудшают обзор). Поперечный редан, имеющийся на шп. 9 лодки, вынесен вперед от центра тяжести аппарата, в отличие от принятого правила располагать «передний» редан1 гидросамолетов строго под ЦТ или, еще чаще, за ЦТ. Такое положение поперечного редана позволяет облегчить выход на глиссирование на скоростях 30— 40 км/ч. Высота редана — 90 мм (опыт показал, что ее можно уменьшить до 30—45 мм; этого достаточно для выхода на глиссирование, в то же время уменьшится аэродинамическое сопротивление).
Специфика гидродинамической компоновки «ЭСКА-1» заключается в том, что в режиме глиссирования вся задняя кромка крыла находится в воде; при скоростях 40—50 км/ч она действует как хорошо известный катеростроителям поперечный редан, способствующий подъему аппарата из воды. Теперь можно сказать, что такое не совсем обычное решение оказалось удачным. При начале набора скорости волновое сопротивление увеличивается лишь незначительно; ход аппарата получается сравнительно спокойным, так как крыло «опирается» на гребешки волн (соответственно конструкция задней кромки должна быть усиленной).
При скоростях, близких к скорости отрыва, экранолет касается воды уже только одним поперечным реданом корпуса.
После отрыва аппарата от воды и выхода на режим околоэкранного полета сопротивление уменьшается в несколько раз, по сравнению с сопротивлением на «горбе» кривой, и составляет около 1В кгс. При этом аэродинамическое качество соответственно равно 450:18=25.
Конструкция экранолета
При проектировании «ЭСКА-1», как и любого летательного аппарата, к его конструкции предъявлялись жесткие, сугубо авиационные требования максимальной надежности при минимальном весе. Так, прочность корпуса — лодки, выполняющей роль стартово-посадочного устройства и одновременно — фюзеляжа, к которому крепятся консоли крыльев, винтомоторная группа (ВМГ) и хвостовое оперение с рулями, рассчитывалась на глиссирование (гидропланирование) со скоростью 70 км/ч при волне высотой до 0,7 м и посадку как на воду, так и на снег. При всем том общий вес глиссирующей лодки со всем оборудованием, вполне сравнимый с весом запалубленного двухместного прогулочно-спортивного катера, не должен был превышать ВО кг.
Чтобы упростить хранение и транспортировку аппарата было решено сделать его разборным; в частности, для уменьшения поперечного габаритного размера (размаха крыла) предусмотрели разъемы в районе поплавков. Это, естественно, еще больше осложнило задачу.
При всем том мы старались, чтобы конструкция получилась простой и технологичной. В качестве основных материалов применялись дерево (сосна высшего сорта), авиафанера БП-1, пенопласт, стеклоткани и другие материалы, широко используемые при самостоятельной постройке планеров и спортивных судов. Полный вес аппарата (без экипажа и топлива) составил 230 кг.
О том, что у нас получилось, дают представление приводимые эскизы и краткие текстовые пояснения.
Узлы соединения крыльев с корпусом лодки и сами крылья рассчитывались с 6-кратным запасом прочности. Набор крыльев, район задней кромки (редана) и носок профиля сделаны из авиафанеры; снаружи крылья и элероны, как и узлы хвостового оперения, обтянуты полотном АСТ-1002, которое затем было окрашено четырьмя слоями лака НЦ-551, натягивающего ткань при высыхании, и белой алкидной эмалью. Изнутри все конструкции были прокрашены двумя слоями горячей олифы. Общий вес крыльев, включая элероны, поплавки, детали управления, получился равным 59 кг.
Набор лодки-фюзеляжа состоит из 15 шпангоутов, килевой фермы, 6 стрингеров и 12 ребер жесткости по днищу и бортам. Шпангоутные рамки собраны из сосновых реек с установкой двусторонних фанерных скуловых книц и бобышек-сухарей между ними. Шпангоуты 4, 7, 9, 12 и 15 — усиленные; они имеют вид фанерных коробчатых балок высотой до 180 мм, подкрепленных сосновыми рейками по краям и коротышами-стойками. Наиболее мощным сделан шп. 9: в этом районе присоединяются консоли крыльев, а нижняя его часть служит поперечным реданом.
Корпус обшит авиационной фанерой. Толщина днищевой обшивки в зоне редана — 7 мм; к носу толщина фанеры уменьшается до 2 мм. Борта имеют толщину 2 мм. Снаружи фанера оклеена слоем стеклоткани ACTT(6)-C1 на эпоксидной смоле ЭД-6, покрыта алкидной белой эмалью и синтетическим лаком. Изнутри корпус пропитан горячей олифой и покрыт шаровой масляной краской.
По опыту эксплуатации можно добавить, что указанные варианты покрытия несущих поверхностей, хвостового оперения и обшивки днищевой части лодки оказались гигроскопичными; экранолет потяжелел на 40 кг, что в конце концов привело к некоторому снижению его летно-технических характеристик.
Кроме того, со временем тонкая фанера начала прогибаться под ударами волн, а это отрицательно сказалось на аэродинамике аппарата. По-видимому, более совершенной была бы стеклопластиковая конструкция.
Общее расположение и ВМГ
В носовой части лодки-фюзеляжа установлены буксировочный рым, приемник воздушного давления (для замера скорости и высоты полета), штырь антенны и отсек аккумулятора.
На шп. 4 закреплен приборный щиток, на котором установлены; указатели скорости и высоты; указатель поворота и скольжения; вариометр; компас; авиагоризонт; тахометр; амперметр; вольтметр; индикатор температуры головок цилиндров двигателя; здесь же находится портативная радиостанция «Кактус» (дальность связи 2,5—3 км).
В миделевой части лодки одно за другим установлены два кресла самолетного типа с системой привязных ремней и специальными местами для размещения парашютов. Второе кресло закреплено в районе общего ЦТ экранолета; благодаря этому при полетах без пассажира (оператора) не требуется дополнительная балансировка аппарата. Кабина закрыта прозрачным фонарем; в верхней его части имеется специальный быстросъемный аварийный люк. Пол (пайол) в кабине сделан из листового полиэтилена; под ним размещаются проводка педального управления рулем направления и вал управления элеронами и рулем высоты. Слева под рулем пилота смонтирована панель с рукояткой управления двигателем и другим оборудованием.
Винтомоторная группа крепится за кабиной при помощи накладной моторамы, опирающейся на бимсы шп. 9 и 12 корпуса лодки. Моторама фиксируется тремя болтами М8 из стали 30ХГСА. На шп. 10 смонтирован топливный бак емкостью 20 л. Он подвешен на специальном ложементе и крепится металлическими лентами, обшитыми войлоком.
В нижней зоне хвостовой части лодки-фюзеляжа проходит проводка управления. На шп. 15 смонтированы узлы крепления киля и вспомогательного лонжерона крыла.
ВМГ включает четырехтактный двухцилиндровый мотоциклетный двигатель типа «М-63» мощностью 32 л. с. при 4700 об/мин; понижающий двухступенчатый шестеренчатый редуктор; деревянный воздушный винт фиксированного шага серии СДВ-2 диаметром 1,5 м; раму арочного типа, сваренную из стальных труб 0 26X24 из стали 30ХГСА.
Двигатель установлен на амортизаторах. Выбранная степень редукции (1:2,3) позволила получить частоту вращения винта 1900—2100 об/мин; при этом обеспечивается статическая тяга винта 95—100 кгс.
Штатное зажигание было заменено системой зажигания от магнето с приводом его от распределительного вала двигателя через промежуточный вал-удлинитель.
Штатные карбюраторы уже во время испытаний были заменены одним карбюратором типа «Вебер-32ДСР», что обеспечило более равномерную работу цилиндров и облегчило необходимый уровень дросселирования двигателя при различных режимах движения «ЭСКА-1».
На блоке двигателя был установлен электростартер СТ-4, передающий вращение на распределительный вал двигателя через шестерню, закрепленную на вале-удлинителе.
Общий вес ВМГ составил 70 кг.
При эксплуатации были выявлены: низкая надежность соединения распределительного вала с промежуточным валом-удлинителем; неустойчивая работа системы зажигания, обусловленная несоответствием типа магнето оборотам двигателя и сложностью регулировки; тенденция двигателя к перегреву на оборотах, близких к максимальным. Эти дефекты ВМГ потребовали длительного времени на их устранение и затрудняли ход испытаний.
Летные особенности «ЭСКА-1»
Аппарат может двигаться в четырех режимах: плавания со скоростью до 30—40 км/ч; глиссирования со скоростью до 50—60 км/ч; околоэкранного полета на высоте от 0,3 до 3 м со скоростью 100—140 км/ч и свободного полета вдали от экрана на высоте 100—300 м со скоростью 120—130 км/ч.
Экранолет имеет достаточно высокие характеристики управляемости и Маневренности при штилевых условиях и ветре не сильнее 5—10 м/с. Управляемость и маневренность при скорости ветра 10—14 м/с при движении в режиме плавания недостаточны из-за малой эффективности воздушного руля и отсутствия гидродинамического руля (установлен позднее).
Наиболее экономичным является режим околоэкранного полета; при этом зафиксирована и наибольшая достижимая скорость.
Фактически скорость отрыва от воды при взлете колеблется от 60 до 70 км/ч в зависимости от загрузки аппарата, состояния водной поверхности и направления ветра. После отрыва от воды заметна тенденция к некоторому (до 1,0—1,5 м) набору высоты за счет избытка мощности при резком уменьшении сопротивления движению. Аппарат отрывается от воды мягко, выходит на «режим экрана» плавно; при этом не требуется каких-либо усилий для удержания равновесия и направления.
Момент выхода на высоту околоэкранного полета характеризуется как бы «зависанием» аппарата в воздухе, т. е. таким положением, при котором отклонение руля высоты на кабрирование ведет лишь к некоторому увеличению угла атаки аппарата, но не вызывает существенного увеличения высоты движения. Рыскания по курсу, отмечаемые на режиме глиссирования, исчезают; аппарат послушно реагирует на отклонения элеронов увеличением крена и плавным разворотом в сторону крена. Эффективность маневрирования достаточно высока, что позволяет выполнять полеты на высотах до 3 м над извилистой рекой шириной 120—150 м.
Для приводнения достаточно уменьшить обороты двигателя до минимальных (или выключить двигатель на высоте околоэкранного полета) и уменьшить высоту движения до касания поверхности воды реданной частью корпуса лодки. Небольшая волна сказывается на мягкости приводнения и может привести к серии легких «подскоков».
Как взлет — «выход на экран», так и приводнение проще всего выполнять при встречном ветре; это значительно сокращает время и дистанцию пробега.
Установлено, что положение ЦТ не имеет столь важного значения, как на самолете; наиболее устойчиво аппарат ведет себя при центровке в районе 38—40% САХ (средняя аэродинамическая хорда), т. е. недопустимо «задней» для обычного самолета.
Примечания
1. Имеется в виду, что «задний» редан — это транец, кормовой обрез корпуса лодки.
2. Ткань на основе льна; обычно покрытие из нее сшивают в виде чехла, который натягивается на заранее собранный каркас. Применяется обычно для простейших летательных аппаратов (планеров), рассчитываемых на скорости до 200 км/ч.