«Воздух — союзник скорости»: под таким многозначащим заглавием в 1972 г. (№37) в сборнике была напечатана содержательная статья — глава из книги знаменитого Ренато Леви. Действительно, как только реальные скорости движения на воде достигли определенной величины (скажем, 50—60 км/ч), стало очевидно, что энергию встречного воздушного потока, создающего сопротивление, можно и нужно использовать, что с помощью аэродинамических сил можно не только уменьшить гидродинамическое сопротивление, но и полностью поднять быстроходное судно над водой.
В принципе энерговооруженность современных глиссирующих гоночных судов уже такова, что стало гораздо сложнее добиться устойчивого движения и постоянного контакта с водой, чем обеспечить свободный полет судна над поверхностью воды (не случайно же ставят иногда небольшое воздушное крыло, которое не поднимает, а, наоборот, прижимает глиссер к воде!). Думается, что пришла пора более серьезно обратиться к идее использования аэродинамической подъемной силы не только на чисто скоростных, но и на прогулочных судах.
Энерговооруженность даже обычных прогулочно-туристских мотолодок, испытывающих сопротивление воды (в 800 раз более плотной, чем воздух, несжимаемой — создающей еще и волновое сопротивление), находится на уровне, вполне сравнимом с аналогичными показателями самолетов. Действительно, удельная нагрузка в килограммах веса на 1 л. с. установленной мощности практически одинакова, например, у мотолодки «Крым» (ПМ «Вихрь-30», водоизмещение 320 кг) и у широко известного «ПО-2» (125 л. с., полетный вес 1350 кг).
Как уже не раз отмечалось в сборнике (см. №15, №64, №73), наиболее перспективным путем создания летающих мотолодок представляется использование эффекта экрана. К настоящему времени в нашей стране уже накоплен известный опыт любительской постройки малых аппаратов-экранолетов, в том числе и на базе моторных лодок с воздушным винтом. Основные данные ряда аппаратов сведены в таблицу, в которой для сравнения даны и сведения по некоторым самолетам. Сопоставление дает основание для некоторых довольно интересных выводов.
Энерговооруженность даже этих самодельных экранолетов в 1,5—2 раза меньше, чем самолетов (включая летающие лодки и гидропланы) с близкими скоростями полета. Это подтверждает реальность идеи создания экономичного малого экранолета, способного двигаться по воде, как обычное судно, и летать над водой, используя эффект «динамической воздушной подушки».
Значение аэро- или гидродинамического качества К, которое является наиболее обобщенной характеристикой рассматриваемых видов аппаратов, у экранолетов в 1,5 раза больше, чем у самолетов (и, добавим, в 3—4 раза больше, чем у прогулочно-туристских мотолодок).
Напомним, что чем ближе крыло расположено к экранирующей поверхности, тем больше подтормаживается набегающий поток воздуха, тем больше растет давление, а вместе с ним и подъемная сила; индуктивное сопротивление из-за уменьшения перетекания воздуха падает. При значительном приближении движущегося крыла к экрану значение К повышается в 2—3 раза! Отметим еще, что влияние экрана сказывается лишь при высоте полета меньше хорды (ширины) крыла.
Практическая сложность создания экранолета состоит в том, что с приближением крыла к экрану точка приложения подъемной силы (центр давления — ц. д.) перемещается к задней кромке профиля в результате повышения давления под крылом вдоль хорды и разрежения у передней кромки крыла. Это перемещение приводит к большим трудностям при продольной балансировке и является едва ли не главным препятствием на пути создания экранолета. В 1964 г. немецкому авиаконструктору А. Липпишу путем применения крыла сложной формы, положение ц. д. которого мало менялось при различных расстояниях до экрана и углах атаки, удалось более или менее удовлетворительно решить проблему продольной стабилизации без ухудшения аэродинамического качества.
Испытания моделей, созданных нашими энтузиастами, показали, что устойчивость малого аппарата относительно продольной оси может быть обеспечена и при других формах крыла. Приведем краткие описания некоторых из этих моделей.
«Дископлан-2»
В 1962 г. под руководством М. В. Суханова был разработан и испытан несамоходный — буксируемый экспериментальный аппарат, имеющий крыло круглой в плане формы и потому названный «Дископланом».
На всех режимах полета аппарат показал хорошую устойчивость и управляемость. При движении над экраном было отмечено K=16; при свободном же полете значение К падало вдвое.
Управлялся «Дископлан» при помощи руля поворота и элевонами, совмещающими функции руля высоты и элеронов. Крыло имело отклоненные вниз концевые кромки и тонкий вогнутый профиль, что в сочетании с круглой формой в плане (удлинение — 1,27) способствовало увеличению экранного эффекта. Вообще можно было сделать вывод, что круглое крыло имеет при движении вблизи экрана некоторое преимущество перед крыльями другой формы.
Приближаясь к земле, пилот ощущал сильное влияние экрана, которое автоматически стабилизировало «Дископлан» в продольном и поперечном направлениях; можно было даже бросить управление.
«ПАИ-67»
Пятью годами позже — в 1967 г.— А. И. Пъецухом был разработан и испытан экранолет «ПАИ-67», представляющий довольно оригинальный чисто водный вариант аппарата.
С установленным в носовой части серийным подвесным мотором «Вихрь» (с полированным гребным винтом; Н=350) экранолет через 12—15 с разгона выходил из воды и легко развивал скорость 60 км/ч. Таким образом эта оригинальная машина в режиме экранного полета легко обгоняла обычные мотолодки с таким же мотором (имевшим тогда, кстати сказать, мощность не 20, а порядка 18 л. с.). Конструктор «ПАИ-67» на деле доказал, что даже небольшие несущие поверхности за счет снижения гидродинамического сопротивления могут заметно повысить скорость глиссирующей мотолодки.
Для быстрого вывода аппарата на расчетный режим использовались стартовые подводные крылья (размах крыла — 0,8 м, хорда — 0,15 м). На крейсерском расчетном режиме они оказывались выше уровня воды на 0,1 м и не мешали движению. Рули поворота размещались на стойках кормового подводного крыла.
Любопытную конструкцию имел стабилизатор: он был сделан несущим, а для повышения эффективности — еще и управляемым. По мере выхода на экранный режим угол установки его увеличивался. Для компенсации перемещения ц. д. стабилизатор отклонялся на положительные углы атаки до 30°. Крен создавался рулем высоты, правая и левая части которого могли отклоняться дифференциально.
Испытания «ПАИ-67» подтвердили целесообразность применения даже на самых легких лодках-экранолетах не водяных гребных винтов, а воздушных винтов. Достоинства воздушного винта очевидны: это возможность достижения больших скоростей, обеспечение амфибийных качеств аппарата, удобство эксплуатации установки. Явление кавитации обычных гребных винтов, резко уменьшающее их КПД, начинает сказываться . уже на скорости 60—80 км/ч; сопротивление подводной части подвесного мотора на таких скоростях составляет более 50% от общего сопротивления (у «ПАИ-67», например, общее сопротивление на крейсерской скорости равнялось 30 кгс, а сопротивление подводной части «Вихря» составляет 16 кгс).
«ЭМА-1»
Одновременно с «ПАИ-67» студентами Московского машиностроительного техникума разрабатывался надземный аппарат «ЭМА-1» с воздушным винтом, который работал от двигателя мощностью 4 л. с. (от бензопилы «Дружба»), Экранолет был выполнен по схеме «утка» и имел двухлонжеронное крыло круглой в плане формы. Перед крылом (на 1 м впереди и на 0,8 м над ним) был расположен несущий стабилизатор с элевонами большой площади. Толкающий винт, расположенный за кабиной пилота, развивал тягу на месте 17 кгс, диаметр его был 0,96 м. Руль поворота, расположенный в струе винта, оказался очень эффективным.
Экранолет показал хорошую устойчивость и управляемость, развивал скорость до 50 км/ч, полностью при этом разгружался и временами подскакивал в воздух, отрываясь от поверхности. Однако, к сожалению, из-за недостаточной мощности двигателя самостоятельно на режим экранного полета ему выходить не удавалось.
Надо сказать, что устойчивость и управляемость по крену для экранолета не является сложной проблемой; при рассмотрении этих вопросов возможны и некоторые новые решения. Например, при полетах «Дископлана-2» было замечено, что аппарат выводился из поперечного крена (или, при желании, накренялся) при помощи руля поворота под влиянием косого обдува круглого в плане крыла. Перемещение ц. д. на обдуваемую половину крыла приводило к образованию кренящего момента относительно оси, проходящей через центр тяжести аппарата. В результате только за счет отклонения руля направления выполнялся нормальный координированный разворот при устойчивом горизонтальном полете. Таким образом вблизи земли можно было летать с «зафиксированными» элевонами.
«ЭС-1»
Для изучения вопросов устойчивости и управляемости крыла круглой формы при движении над экраном в Центральной лаборатории новых видов спасательной техники (ЦЛСТ) ОСВОДа в 1971 г. был разработан и изготовлен экранолетный стенд «ЭС-1», корпус которого представлял собой лодку с плоским днищем и резким подъемом скулы в носу. Такие обводы были выбраны потому, что испытания предполагалось проводить, в основном, при движении по льду и снегу.
Крыло было выполнено комбинированным. Центральной жесткой части крыла диаметром 2,7 м задан плоско-выпуклый профиль с относительной толщиной 6%. К жесткому крылу пристыкована гибкая кольцевая поверхность из листового полиэтилена, увеличивающая диаметр крыла до 3,6 м. Угол установки жесткого крыла равнялся 10°, а эластичной передней кромки—0°. Таким образом, жесткое крыло с эластичной периферийной поверхностью имело вогнутый профиль. По концам крыла эластичная поверхность отгибалась вниз под углом 30° для создания эффекта концевых шайб.
Аппарат имел Т-образное хвостовое оперение и полностью поворачиваемый стабилизатор; элероны отсутствовали. Управлять по крену можно было рулем поворота.
За фонарем кабины пилота располагался двигатель М-107 с толкающим воздушным винтом.
В шестидесятые годы за рубежом были проведены исследования по определению оптимальной формы крыла, использующего эффект близости экрана. В частности, в 1964 г. в журнале «Luftfahrttechnik» сообщалось о несущей поверхности, образованной телом вращения, причем для удобства расчета и анализа его горизонтальная плоскость симметрии была заменена экраном. Двигаясь поступательно, такая несущая поверхность, которая напоминает перевернутую половину воронки, создает подъемную силу, равную произведению скоростного напора на площадь основания поверхности полутела. Многочисленные зарубежные патенты, неоднократные эксперименты А. Липпиша и его патентные разработки, надо полагать, выполнены с учетом результатов указанной работы.
Данные материалы и приобретенный опыт постройки ряда экспериментальных экранолетов использовались при разработке в ЦЛСТ спасательного катера — экранолета «ЭСКА-1», который был изготовлен и испытан в 1973 г. (подробнее — см. сборник №73 и журн. «Техника — молодежи» 1974 г., № 12).
«ЭСКА-1»
Этот катер-экранолет с куполообразной несущей плоскостью упрощенной (спрямленной) формы показал себя как устойчивая и хорошо управляемая машина, при испытании которой были получены высокие скоростные и маневренные характеристики и солидная грузоподъемность, а также подтверждена возможность использования аппаратов такого типа для спасательных целей. Ожидаемые расчетные и эксплуатационные данные подтвердились.
Подчеркнем, что фюзеляж «ЭСКА-1» имеет обводы, близкие к обводам обычных глиссирующих мотолодок: это остроскулый корпус с незначительной килеватостью днища, продольными реданами на носовой его части и поперечным реданом высотой 90 мм за центром тяжести аппарата-
В последнее время значительно повысился интерес к гибкому крылу. За рубежом появились разнообразные конструкции легких самолетов, планеров и дельтапланов с таким крылом, образуемым при помощи жесткого или надувного каркаса и гибкой оболочки из армированной ткани. Уступая жесткому крылу по величине К, гибкое крыло намного легче, проще в эксплуатации и позволяет создавать сборно-разборные конструкции. Такие качества и привлекли к нему внимание в первую очередь энтузиастов.
Если, например, металлическое крыло планера с жесткой обшивкой имеет удельный вес 10—15 кг/м2, а деревянное — 3—6 кг/м2, то удельный вес гибкого крыла дельтаплана намного меньше — всего 0,7— 1,5 кг/м2.
По данным зарубежной печати, в NACA проводилась обширная программа исследований аэродинамических характеристик гибкого крыла. Были разработаны конструкции, позволяющие применять гибкое крыло, например, для сохранения космических кораблей при посадке. Применяют гибкое крыло для буксировки за самолетом и сбрасывания грузов. С его помощью тысячи дельтапланистов во всем мире поднимают в воздух свои летательные аппараты.
Еще в 196В г. сборник (см. №15) сообщал об удачных полетах воднолыжников с гибким крылом. Может ли оно помочь водномоторникам в борьбе за скорость? Уже первые опыты убеждают в перспективности именно этого направления.
В полете под действием аэродинамической нагрузки купол гибкого крыла наиболее распространенного типа разделяется на два сектора, поверхность купола образует как бы два конуса, пересекающихся у вершины. Не будем вдаваться в теорию, но отметим, что подъемная сила у концов такого гибкого крыла резко уменьшается. Один из методов повышения К — уменьшение выпуклости крыла: купол делается почти плоским, однако это требует применения более жесткого каркаса. Другим методом является использование крыла, купол которого образован двумя цилиндрами.
За рубежом испытывались модели крыла с конической и цилиндрической формами купола при двух значениях удлинения: при λ=2,57 (с равной длиной киля и носка) и λ=5,45. Максимальное значение К≈16 было получено у крыла с цилиндрическим куполом и большим удлинением.
Интересно по своим показателям гибкое крыло с комбинированным куполом, образованным двумя цилиндрами и двумя конусами, которые совмещены основаниями. Форма такого крыла приближается к оптимальной для движения над экраном форме несущей поверхности. Передняя кромка, образованная цилиндрами, может быть выполнена в виде жесткой профилированной пластины. Гибкое крыло комбинированной схемы для обеспечения устойчивости и управляемости снабжается хвостовым оперением, состоящим из киля и стабилизатора.
«ЭС-2» («Шмель»)
Именно по такой схеме в 1974 г. в ЦЛСТ был разработан экранолетный стенд «ЭС-2» («Шмель»), предназначенный для исследования аэродинамических характеристик гибкого крыла и изучения его устойчивости и управляемости при движении над экраном.
За основу конструкции был взят популярный чехословацкий двухместный планер L-13 «Бланик»; управление, хвостовое оперение, шасси и оборудование планера было сохранено. Над фюзеляжем установили мотоциклетный двигатель «М-63». К узлам крепления снятого крыла планера закрепили новое крыло, образованное жесткой профилированной передней кромкой и гибкой несущей поверхностью, состоящей из двух слоев прорезиненной ткани.
Испытания «ЭС-2» показали удовлетворительную устойчивость и управляемость. Полученные аэродинамические характеристики также можно считать достаточно высокими, так как у планера в комбинации с гибким крылом получились большие «пазухи» между крылом и фюзеляжем, а лонжероны и подкосы находились в потоке. Максимальное значение К этого экранолета достигает 14, что хорошо согласуется с опубликованными данными зарубежных исследователей.
«ЭС-2М»
Для изучения возможности использования стандартной техники при разработке самодельных экранолетов, а также для сравнения аэродинамических характеристик гибкого и жесткого крыльев малого удлинения в 1975 г. в ЦЛСТ совместно с МВТУ имени Баумана был спроектирован и изготовлен экранолет «ЭС52М» на базе того же планера L-13.
Благодаря тонкому, с незначительной кривизной профилю, а также чистому крылу и узкому фюзеляжу этот экранолет имел более высокие, чем «Шмель», аэродинамические характеристики.
При хороших летно-технических данных «ЭС-2М» имел большую устойчивость, чем его предшественник, но несколько «вялую», по сравнению с ним, управляемость, что позволяло допускать даже грубые ошибки в управлении и упростило технику посадки.
Проект мотолодки
Попробуем представить себе спроектированную с учетом имеющегося опыта двухместную мотолодку, способную отрываться от воды, сохраняя устойчивость и управляемость, и летать на высоте 0,1 м со скоростью 80 км/ч.
Мотолодка будет иметь полный вес порядка 250 кг (вес двух человек — 150 кг, двигателя с воздушным винтом — 20 кг, конструкции — 80 кг). Тогда крыло должно иметь площадь 12,5 м2, чтобы удельная нагрузка на 1 м2 не превышала 20 кг/м2. При такой нагрузке для снижения веса конструкции можно применить гибкое крыло.
Естественно, лодка должна иметь глиссирующий плоскодонный корпус; это позволит эксплуатировать ее и зимой.
Если принять нагрузку на единицу мощности равной 25 кг/л. с., что вполне допустимо, потребуется двигатель мощностью 10 л. с. Двигатель «МП-5» развивает мощность 5,5 л. с. и весит 6,5 кг. Если два таких двигателя связать редуктором для работы на один воздушный винт диаметром 2 м, вся винтомоторная группа будет весить около 20 кг.
Таким образом, в принципе можно получить легкую скоростную мотолодку с большой нагрузкой на единицу мощности. Такая крылатая лодка будет экономичной, ее легко сделать амфибией.
Скутер с воздушными крыльями
Так представляет себе проект гоночного судна с полной аэродинамической разгрузкой — скутера-экранолета один из конструкторов и создателей экранолета «ЭСКА-1», автор известной статьи «Над водой парящий» («Техника — молодежи», 1974, № 12) Е. П. Грунин.
Мысль использовать для околоэкранного полета гибкое крыло пришла к нему еще в ходе экспериментов с «ЭСКА-1». Эта идея была проверена на базе серийного чехословацкого планера «Бланик» L-13, оборудованного гибким крылом. Предварительные испытания «Шмеля» — так конструкторы Е. Груннн, Н. Иванов и С. Чернявский назвали экранолет, подтвердили возможность практического применения этой идеи.
Отметим, что предлагаемый Е. П. Груниным вариант повышения скорости скутеров и глиссеров за счет аэродинамической разгрузки в принципе не противоречит международным правилам УИМ, так что дело за конкретным воплощением идеи, которая давно привлекает водномоторников.