CC BY
118
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Кораблестроение
D0l.org/10.5281/zenodo.399048 УДК 629.57+629.12
К.В. Грибов, Г.А. Федореев
ГРИБОВ КОНСТАНТИН ВИКТОРОВИЧ - к.т.н., доцент, заведующий кафедрой кораблестроения и океанотехники Инженерной школы, e-mail: [email protected] Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690950
ФЕДОРЕЕВ ГЕННАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - генеральный директор «Союзмортранс», e-mail: [email protected] Светланская ул., 104, Владивосток, 690001
Скоростные суда на крыльях для Дальневосточного бассейна (обзор)
Аннотация: В России впервые в мире были созданы и получили широкое практическое использование суда с динамическими принципами поддержания, использующими эффект крыла для движения над поверхностью воды, - суда на подводных крыльях и экранопланы. У обоих типов судов реализуется общая идея движения - подъем корпуса над водой с помощью крыльев, чтобы снизить сопротивление воды движению судна и, соответственно, значительно увеличить скорость хода. При этом в морских условиях возникают дополнительные проблемы по обеспечению их мореходности. Опыт эксплуатации скоростных судов имеет важное значение для определения дальнейших путей их развития. Авторы представляют аналитический обзор исторического опыта эксплуатации морских судов на подводных крыльях в Дальневосточном бассейне, описывают современное положение дел и дают перспективный прогноз развития флота крылатых судов в этом регионе. Ключевые слова: подводные крылья, экраноплан, скоростные суда, крыльевое устройство, конструктивные материалы, кавитация, экономические качества, мореходность, транспортные системы, маршрутные линии.
Введение
Эра отечественного скоростного пассажирского флота на подводных крыльях началась в 1957 г., когда под руководством конструктора Р.Е. Алексеева был построен и сдан в эксплуатацию речной пассажирский теплоход на малопогруженных подводных крыльях, названный «Ракета».
Опыт эксплуатации судов на подводных крыльях в прибрежной зоне на юге Дальневосточного бассейна в 1974-2014 гг. включает периоды полного государственного обеспечения отечественного судостроения и жестких условий выживания во времена застоя судостроительной отрасли. Сейчас пришло время определения условий дальнейшего использования скоростных судов в Дальневосточном бассейне и выбора наиболее эффективных транспортных пассажирских и грузовых потоков и создания транспортных средств для их обеспечения.
Впервые после развала СССР Министерство промышленности и торговли РФ формирует программу строительства нового флота судов на подводных крыльях (СПК). Головным исполнителем назначено нижегородское ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева. Здесь полагают [4], что СПК востребованы на Дальнем Востоке, в Северо-Западном и Приволжском федеральных округах, Ханты-Масийском автономном округе и в Приморском крае. По прогнозам специалистов, СПК
© Грибов К.В., Федореев Г.А., 2017
О статье: поступила: 15.09.2016; принята к публикации: 30.12.2016; финансирование: бюджет ДВФУ.
традиционно активно будут использоваться как общественный транспорт, в том числе туристическими компаниями и (возможно) частными компаниями, занимающимися эксплуатацией месторождений углеводородов. Кроме этого значительный спрос, по словам эксперта, возможен и со стороны государства, например для нужд МЧС России и пограничной службы ФСБ России. Есть и экспортный потенциал их использования [4].
Опыт эксплуатации СПК в акваториях морского побережья АТР
Парк скоростного пассажирского флота России в основном выработал нормативный срок службы, технический износ достиг почти 90%. Сегодня на многих внутренних водных путях страны и прибрежных морских маршрутах скоростных пассажирских судов нет вообще, в том числе и в Приморье. Решить проблему позволит строительство судов нового поколения (с учетом опыта эксплуатации первых двух поколений), которые по мореходности и топливной экономичности превосходят существующий водный транспорт,
С 1973 г. вдоль побережья Приморья, на линиях между портами: Владивосток-Славянка-Находка-Большой Камень стали ходить первые пять судов типа «Комета» (рис. 1). «Комета» стала последним теплоходом, спроектированным лично Ростиславом Алексеевым, и первым в серии морских пассажирских теплоходов на подводных крыльях. «Комета» считается самым удачным из всех судов на подводных крыльях: она впервые дала возможность быстро и с комфортом перебираться вдоль морских побережий [10].
В 1974 г. «Комета» начала свое путешествие по странам Юго-Восточной Азии из Сингапура, куда была доставлена на борту теплохода «Зоя Космодемьянская», а далее своим ходом отправилась в Малайзию, Таиланд, Филиппины. Для «Кометы» это было не первое морское путешествие - до этого она прошла морской путь вдоль всего побережья Европы.
Для Филиппин, страны тысячи островов, скоростной морской транспорт был особенно интересен. Популярная здесь «Комета» выполняла четыре рейса за день между филиппинскими островами Илоило и Калапан.
После Филиппин была Япония - девятнадцатая страна, купившая теплоход на подводных крыльях. Газеты называли маршрут в 560 миль открытым океаном слишком смелым: была осень, время штормов и тайфунов. «Комета» выдержала и эту проверку на мореходность и благополучно добралась до Страны восходящего солнца. В Японии уже тогда ценилось все, что помогает экономить время, была развита система монорельсовых дорог и скоростных поездов, но и советские суда на подводных крыльях неожиданно оказались конкурентоспособными. Тогда Япония впервые приобрела судно у России.
Спрос на советские суда на подводных крыльях во всем мире увеличился настолько, что стал превышать возможности советского экспорта. «Кометы» уже ходили в Америке, Англии, Франции, Греции, Марокко и многих других странах. Советский Союз не только поставлял крылатые корабли в разные уголки мира, но и обеспечивал их техническое обслуживание, проводил подготовку специалистов.
Успех «Комет» был предопределен их уникальными технико-экономическими характеристиками (табл. 1): в 1962-1999 гг. было построено 125 судов этого типа.
Следующим шагом развития морских СПК стал проект теплохода «Колхида» [7], по которому они строились с 1984 по 1999 г. В Приморье с 1984 по 1997 г. эксплуатировались два судна (рис. 2). После вывода из эксплуатации «Колхида-4» использовалась до 2006 г. в качестве ресторана «Глория» во Владивостоке. Основные характеристики судна приведены в табл. 1. Всего было выпущено 39 единиц судов типа «Колхида» проекта 10391. Суда данной серии имели ряд усовершенствований по сравнению с серией «Комета». Корпус судна, схваченный с помощью ар-гонно-дуговой и контактной сварки, был разделен ниже главной палубы по длине водонепроницаемыми переборками на 9 отсеков, непотопляемость судна обеспечивается при заполнении любых двух смежных отсеков. Носовой салон не имел лобовых окон. Имелось специальное помещение для багажа.
«Колхиды» имели прогрессивную высокооборотную энергетическую установку - 2 главных дизеля 12V396TC82 с реверс-редукторами и вспомогательный комбинированный агрегат фирмы «Носке Кайзер». Суда данного проекта также имели управляемые закрылки крыльевого устройства.
Рис. 2. «Колхида-5» с портом приписки Владивосток.
Современное состояние скоростного флота на Дальнем Востоке
Можно выделить следующие основные проблемы использования скоростных пассажирских судов в Дальневосточном регионе в целом, сложившиеся на данный период:
• катастрофическое старение скоростного флота и отсутствие системы его обновления;
• за последние 10 лет скоростной флот Дальнего Востока стал нерентабельным: суда постепенно выводятся из эксплуатации и продаются, а пассажирские линии закрываются;
• сейчас эксплуатируется только 10-15% скоростных пассажирских судов при снижении объема пассажирских перевозок в 4-5 раз от уровня 1990 г.;
• состояние скоростного пассажирского флота подошло к критическому уровню;
• неблагополучная демографическая ситуация в регионе: с 1991 г. наблюдается неуклонное сокращение численности населения
Таблица 1
Основные характеристики судов на подводных крыльях
Характеристики Суда на подводных крыльях
Комета-М Колхида Комета-120М
Водоизмещение, т 60 70 73
Длина габаритная, м 35,1 34,5 35,2
Ширина габаритная, м 11 10,3 10,3
Осадка габаритная на плаву, м на крыльях, м 3.6 1.7 3,5 1,11 3,5
Скорость хода на тихой воде, эксплуатационная, узлов 31 34 35
Пассажировместимость, пасс. • салон бизнес-класса 106 120 120 22
• салон экономического класса - - 98
• туристический вариант - 140 -
Дальность хода, миль - в полном грузу 245 255 200
- в туристическом варианте - 155 -
Мореходность на волне, м: - при ходе на крыльях - водоизмещающее состояние 1,7 3,6 2 3 2 2,5
Главный двигатель, количество /модель: Дизель 2х ДВС М 401А1 Дизель MTU 2х 12V396TC82 Дизель 2х 16У2000 М72 элек-
Максимальная мощность, л.с. 2200 1700 тронный впрыск топлива 2230
Материал корпуса Цельносварной, алюми-ниево-магниевый сплав АМг61 Коррозионно- стойкий алюминиево-магниевый сплав 1561 Корпус из алюминия, надстройка - композитные материалы
Экипаж, человек 5 5 5
Последним известным реализованным новым проектом СПК можно считать проект 14600 СПК «Олимпия», построенное в Феодосии в 1993 г. Позже предпринимались лишь модернизации. Два построенных судна проекта «Олимпия» принимают на борт до 250 пассажиров. На Хабаровском судостроительном заводе сейчас находятся два корпуса недостроенных судов «Олимпии», идет подготовительная работа по модернизации проекта согласно правилам Российского морского регистра судоходств. По состоянию на 2015 г. Россия является единственной страной в мире, которая возобновила серийное производство СПК, сохранив и усовершенствовав технологию проектирования и строительства судов.
В 2013 г. на судостроительном заводе «Вымпел» в г. Рыбинске состоялась закладка морского судна на подводных крыльях третьего поколения в соответствии с проектом «Комета- 120М» (рис. 3). Этот новый проект объединяет лучшие наработки прошлых лет, а также современные технологии и электронное оборудование.
Рис. 3. Проект СПК нового поколения «Комета-120М».
Основные характеристики судна приведены в табл. 1. При этом можно выделить следующие принципиальные отличия СПК «Комета 120М» [8] от ранее построенных СПК проектов «Комета» и «Колхида».
1. Улучшенный комфорт пассажиров и экипажа за счет:
•S применения автоматической системы успокоения качки и перегрузки «Сердолик 120М»; •S использования кондиционирования воздуха фирмы «Дайкин» (Япония); •S размещения пассажиров в носовом и среднем салонах, с баром в кормовом салоне; •S двойного остекления в помещениях бара и ходовой рубки; •S применения современного вибропоглащающего материала.
2. Уменьшение расхода топлива за счет применения современных двигателей 16V2000 M72 с электронным впрыском топлива производства MTU (Германия) и гребных винтов с увеличенным КПД.
3. Широкое использование в конструкции композиционных материалов и соответственно облегчение судна на несколько тонн. Снижение веса судна уменьшило осадку, что позволило изменить конструкцию подводных крыльев и благотворно сказалось на ходовых качествах.
4. Серьезно доработанная система управления. Все привычные приборы на панели заменены несколькими крупными мониторами, а большая часть органов управления была оснащена кнопочным пультам.
Следующим шагом ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева по возрождению флота СПК станет морское двухпалубное пассажирское судно на подводных крыльях «Торнадо-М» (проект 23170) для перевозки пассажиров в салонах, оборудованных креслами авиационного типа (рис. 4) со следующими основными характеристиками.
Рис. 4. Новый проект морского двухпалубного пассажирского судна на подводных крыльях «Торнадо-М».
• класс судна - КМ [8] СПК - А;
• длина габаритная, м - 42,6; ширина габаритная (с учетом крыльев), м - 8,3 (11,2);
• осадка габаритная (в водоизмещающем режиме), м - 4,5;
• высота от поверхности воды (в крыльевом режиме), м - 14,3;
• эксплуатационная скорость хода не менее, узлов - 55;
• пассажировместимость, пасс. - 320;
• экипаж, чел. - 7;
• водоизмещение полное (порожнее), т - 200,0 (135,0);
• мощность ДУ номинальная (операционная), кВт - 2 х 14 000 (2 х 7 500);
• ГДУ - газовая турбина М70ФРУ, НПО «Сатурн»;
• дальность хода в полном водоизмещении, мор. миль - 600;
• автономность хода, ч - 8;
• удаление от порта-убежища в открытых морях, мор. миль - 50;
• мореходность (высота волны h 3%), м - <3,0 (крыльевой режим),
3,0^3,5 (водоизмещающий режим)
Кроме отмеченного выше СПК «Олимпия» еще одним перспективным проектом морских пассажирских СПК было судно «Циклон», построенное в 1986 г. в Феодосии и оснащенное двумя газотурбинными двигателями (ГТД): скорость 70 км/ч, вместимость до 250 пассажиров. Неслучайно сейчас Нижегородское ЦКБ им. Р.Е. Алексеева разработало проект нового морского пассажирского судна на подводных крыльях «Циклон 250М» (проект 23170). Ожидается, что «Циклон 250М» превзойдет по скорости и пассажировместимости «Комету- 120М», достигнув 101 км/ч за счет газотурбинных двигателей и пассажировместимости до 250 чел.
Основные особенности эксплуатации и проблемы судов на подводных крыльях
Опыт эксплуатации СПК показывает, что круг вопросов, ограничивающих их потенциальные возможности и требующих своего решения, можно разделить на технические и экономические.
Важнейшими эксплуатационными (тактико-техническими) характеристиками СПК являются время и длина пути разгона от начала движения до скорости отрыва корпуса от воды. Они зависят от типа крыльев и совершенства крыльевой системы в целом, от формы корпуса, наличия выступающих частей, мощности и тяги движителей, а также от состояния поверхности воды. При проектировании морских СПК большое значение имеет проработка вопросов их остойчивости.
Обводы корпуса СПК должны выбираться из условия обеспечения минимального «горба» сопротивления при выходе на крылья, минимальной силы удара волн о корпус при его кратковременном погружении, достаточной мореходности в режиме плавания. Ключевым элементом СПК являются подводные крылья. Помимо выполнения своего основного назначения - обеспечения необходимой подъемной силы, подводные крылья должны выполнять еще и другие функции. Все мореходные качества, которые у обычных водоизмещающих судов определяются формой корпуса, у судов на подводных крыльях обеспечиваются схемой подводных крыльев - типом их конструкции и положением по длине судна.
На подавляющем большинстве советских судов на подводных крыльях применяются мало-погруженные подводные крылья, подъемная сила которых регулируется автоматически, уменьшаясь при приближении к поверхности воды (подъемная сила увеличивается при отдалении крыла от поверхности). Наиболее приспособлены для плавания на волне полностью погруженные крылья с изменяемым углом атаки. Изменение угла атаки осуществляется с помощью автоматически действующих исполнительных механизмов по сигналам от механических или акустических датчиков уровня поверхности воды перед крылом. Благодаря этому подъемная сила крыльев автоматически регулируется, сохраняя почти неизменное значение. Корпус судна, оборудованного такой крыльевой системой, движется без всяких толчков на почти постоянном удалении от гребней волн. При этом, однако, необходимо, чтобы подводные крылья при проходе подошвы (впадины) волны не оголялись, а стойки, крепящие подводные крылья к корпусу, были такой длины, чтобы гребни (вершины) волн не касались корпуса судна. Но поскольку высота стоек должна находиться в определенном соотношении с длиной судна, максимальная высота волн, которые может преодолеть судно на подводных крыльях, зависит от размеров судна. Самые большие из современных СПК могут эксплуатироваться при высоте волн не более 3-3,5 м. На более крупных перспективных судах будут устанавливаться только полностью погруженные подводные крылья с изменяемым углом атаки. Чем больше размеры судна, тем длиннее могут быть стойки и тем лучше будет его мореходность. При повышении скорости сверх определенного предела на подводные крылья начинает действовать кавитация. Давление на всасывающей (верхней) поверхности крыла падает до такой степени, что вода там закипает, и образуются пузырьки пара. Затем эти пузырьки сносятся потоком в область более высокого давления, где разрушаются, нанося сильные повреждения верхней части подводного крыла. До сего времени еще не удалось создать подводных крыльев, пригодных для скоростей выше 70 уз. Дальнейшее повышение скорости и связанное с этим увеличение размеров судов на подводных крыльях во многом зависят от того, удастся ли преодолеть вредные воздействия кавитации. Скорость и масса судна на подводных крыльях находятся в непосредственной взаимосвязи: увеличение гидродинамических сил поддержания, создаваемых подводными крыльями, целесообразно осуществлять за счет повышения скорости, а не увеличения площади крыльев, так как подъемная сила крыла пропорциональна квадрату скорости и только первой степени площади подводного крыла. Таким образом, с увеличением размеров судна на подводных крыльях должна повышаться и его скорость. Здесь возникает трудно разрешимая проблема главных двигателей. Мощность энергетической установки судна на подводных крыльях примерно пропорциональна произведению массы судна на его скорость. Поэтому очевидно, что прогнозы дальнейшего технического прогресса судов на подводных крыльях должны основываться на достижениях в области создания крыльевых профилей нового типа и сверхмощных двигателей.
Для достижения больших скоростей перспективно применение суперкавитирующих крыльев, которые устойчивы против начальных стадий кавитации (благодаря острому тонкому носу профиля), а при дальнейшем ее развитии обеспечивают быстрое образование паровоздушной устойчивой каверны. Дальнейший рост подъемной силы с увеличением скорости движения обеспечивается одной нижней нагнетательной стороной, поскольку давление на засасывающей (верхней) стороне не понижается, а остается постоянным, равным давлению насыщенных паров.
Принципиально применение крыльев с суперкавитирующими профилями позволит получить любые большие значения скоростей СПК, какие только может обеспечить энергетическая
установка. Однако практическое внедрение суперкавитирующих профилей обусловлено целым рядом трудностей:
• во-первых, трудно создать профиль, обеспечивающий устойчивую каверну в широком диапазоне скоростей; на малых скоростях такие профили неэффективны, и требуются дополнительные крылья больших площадей для выхода судна на крыльевой режим;
• во-вторых, при высоких скоростях малые размеры крыльев, достаточные для создания необходимой подъемной силы, не обеспечивают нужную прочность крыльев.
Сегодня для СПК экономически целесообразная скорость движения ограничена величиной около 100 км/ч (для СПК военного назначения - 180 км/ч). Такое ограничение вызвано прежде всего проблемой кавитации подводного крыла, которая резко снижает его гидродинамические характеристики. Хотя на созданных под руководством Р.Е. Алексеева судах на малопогруженных подводных крыльях удалось достичь скоростей до 140 км/ч при бескавитационном обтекании крыла, СПК оказались малоперспективными для дальнейшего повышения скорости. Это стало одной из основных причин активизации работ Р.Е. Алексеева по поиску нового принципа движения судов, свободного от отмеченных основных недостатков (волновой и кавитационный барьеры). Исключить влияние этих факторов оказалось возможным только при уходе от контакта с водой - с созданием экранопланов.
Конструктивные особенности экранопланов
Выдающийся конструктор советского скоростного флота Ростислав Алексеев говорил, что скоростной предел судов СВП и СПК достигнут. Преодолеть его в борьбе за скорость можно только при полном отрыве от водной поверхности - судно должно полететь.
Идея использования эффекта динамического поддержания транспортного средства (тем более летательного аппарата) вблизи ровной или взволнованной поверхности с очевидной энергетической выгодой в эпоху развития логистики и роста цен на углеводородное топливо актуальна для исследователей всего мира.
Экранопланы - скоростные водные транспортные средства, использующие так называемый эффект экрана, рожденные на стыке развития авиации и скоростного судостроения, считаются высочайшим достижением этих отраслей в ХХ и XXI вв.
На Западе экранопланы известны как GEM (Ground Effect Machine), SES (Surface Effekt Ship), есть также термины WIG (Wing-In-Ground Effect), hover wing и т.д.
Российский термин «экраноплан», впервые предложенный главным конструктором этих аппаратов Р.Е. Алексеевым, в 1992 г. был рекомендован Ассамблеей IMCO и английским Ллойдом для общемировой практики [5].
По предложению России Международной морской организацией (IMO) принята классификация летательных аппаратов - экранопланов, использующих экранный эффект:
Тип «А»: судно, сертифицированное для эксплуатации только в зоне действия экранного эффекта.
Тип «В»: судно, сертифицированное для эксплуатации в зоне действия экранного эффекта, способное кратковременно увеличивать высоту полета за пределы действия экранного эффекта до 150 м от опорной поверхности.
Тип «С»: судно, сертифицированное для эксплуатации в зоне действия экранного эффекта и на высотах, превышающих 150 м над опорной поверхностью [3, 9].
Экранопланостроение пока еще только формируется как самостоятельная отрасль промышленности и рынка, занимая промежуточное место между авиастроением и судостроением. При этом, согласно существующим правоустанавливающим нормативным документам в Российском морском регистре судоходства (РМРС), а также правилам Международной морской организации (IMO), экранопланы позиционируются как скоростные амфибийные суда с перспективой использования незанятой скоростной ниши от 120 до 700 км/ч между водным, автомобильным транспортом и авиацией.
Определяющими характеристиками экранопланов, так же как и самолетов, являются аэродинамическое качество (соотношение подъемной силы и лобового аэродинамического сопротивления) и продольная устойчивость (способность восстанавливать горизонтальное положение в полете вследствие естественных возмущений воздушного потока и ошибок управления). Продольная устойчивость самолета вдали от земной поверхности обеспечивается выбором центровки в двух-компонентной линейной динамической системе «воздушный поток-крыло» и поэтому достаточно стабильна. Взаимодействия крыла с опорной поверхностью посредством динамической воздушной подушки при полете на экране делает систему трехкомпонентной: «воздушный поток-крыло-опорная поверхность». При маневрировании в приэкранной зоне происходит изменение подъемной силы с существенным градиентом и смещением центра давления (действия подъемной силы) от центра масс до задней кромки крыла, создающим пикирующий либо кабрирующий моменты. С учетом малости зоны действия экранного эффекта, соизмеримой с габаритами летательного аппарата, маневры в приэкранной зоне и вблизи нее с изменением углов тангажа являются менее стабильными, чем маневры в небе. Они могут быть оправданы только высокой энергетической эффективностью, стабильностью и комфортом установившегося полета на экране в отсутствие набора высоты, снижения, воздушных ям, качки, ударов при волнении и других издержек авиации и водного транспорта.
Поэтому аэрогидродинамическая (АГД) схема экраноплана должна иметь специфические конструктивные отличительные особенности, обеспечивающие:
- эффективное использование экранного эффекта с высоким потенциалом аэродинамического качества;
- высокую самовосстанавливающуюся продольную устойчивость;
- достаточную мореходность и амфибийность для обеспечения регулярной всесезонной эксплуатации в регионах, не имеющих транспортной инфраструктуры.
Экранопланы строятся по аэрогидродинамическим схемам, схожим с летательными аппаратами, гидросамолетами и скоростными судами одновременно, общей особенностью которых является развитой несущий центроплан и крыло малого удлинения. Многообразие схем экранопланов условно можно свести к следующим видам.
• Нормальная самолетная схема с Т-образным оперением (базовая схема экранопланов Р.Е. Алексеева, характеризуется низкорасположенным крылом малого удлинения (рисунки 5, 6), оборудованным концевыми шайбами, и высокорасположенным Т-образным оперением, максимально вынесенным из зоны скосов потока за крылом. Продольная устойчивость схемы обеспечивается применением упомянутого развитого стабилизатора, иногда крыла с «Б»-образным аэродинамическим профилем, ухудшающим несущие свойства, и точным позиционированием центра масс с ограниченным диапазоном настроек. Компенсация внешних возмущений производится ручным отклонением рулей высоты или системой автоматического управления (САУ-автопилотом). Доказав свои преимущества и право на жизнь практической реализацией в изделиях ВПК - КМ, СМ-6, «Орленок» и «Лунь», схема наиболее применима в экранопланах типа «А».
• Схема Липпиша. Фактически самолетная схема, отличается формой крыла (или развитого центроплана) - треугольника в плане, так называемого шатрового крыла (рис. 5), более эффективно удерживающего давление воздуха между крылом и экраном и обладающего наименьшим индуктивным сопротивлением. Шатровое крыло имеет собственную устойчивость в широком диапазоне углов тангажа и высот на экране. Продольная устойчивость, так же как и у схемы Алексеева, обеспечивается горизонтальным оперением [1]. При эффективности на экране схема недостаточно устойчива на переходных режимах и в свободном полете, непригодна для больших скоростей, реализуется при малых значениях удельной нагрузки на крыло. Требует точной настройки режима экранного полета и внимательного пилотирования. Имеет ограниченную мореходность и амфибийность.
Рис. 5. Схемы построения крыла экранопланов: слева - прямоугольное крыло с шайбами,
справа - шатрообразное крыло.
Рис. 6. Экранопланы КМ Алексеева и Х-112 Липпиша с шатровым крылом.
• Схема «составное крыло». Обладает наилучшими показателями по большинству параметров, что подтверждено летными испытаниями экранолета ВВА-14 Роберто Бартини и экрано-плана ЭК-12 Вячеслава Колганова (рис. 7), доведенного до практического использования. Экранный эффект схемы четко проявляется на высотах, соизмеримых со средней аэродинамической хордой (САХ). По сути это развитие схемы Липпиша добавлением дополнительных консолей большого удлинения к центроплану. Компоновка пригодна для различных вариантов применения и для любых скоростей полета с широкой вариативностью.
Рис. 7. Экранопланы ВВА-14 и ЭК-12 по схеме «составное крыло».
Схема «летающее крыло» (рис. 8). Во всех вариантах попыток реализации схемы, в том числе проектов «Колумбия» (США), КАО-3 (Япония) и некоторых других, устойчивость не была обеспечена. Для реализации устойчивого полета экранопланов данной схемы на экране необходимо использовать системы автоматического управления и контроля и ограничивать летные возможности - либо применять значительные стабилизирующие или дополнительные несущие плоскости. Тогда «летающее крыло» может стать симбиозом «составного крыла» либо других схем, с перспективой получения радикально новых отличительных качеств и возможностей.
Рис. 8. Проекты экранопланов «летающее крыло»: схема «Манта» - Э.В. Васильева, ЭК-150 - В.В. Колганова, ЭНБС «Секунда» - ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева.
Некоторые специалисты [9] считают, что общим недостатком вышеуказанных схем с одним несущим крылом является малый диапазон границ равновесного положения центра масс при смещениях точки опоры (приложения подъемной силы) от взаимодействия с экраном. И сравнивают однокрылые схемы по аналогии с наземным транспортом - с одноосной тележкой, которую нужно толкать и удерживать равновесие одновременно, что требует принудительного контроля и поддержания равновесной устойчивости, в то время как двухосный (на двух опорных осях) транспорт (по аналогии к нему можно отнести компоновочные схемы экранопланов «тандем» и «утка») обладает естественной устойчивостью на экране, независимой от приложения тяги и ее величины (рис. 9).
Рис. 9. Схема «тандем» Гюнтера Йорга «Йорг-11» и АДП-01 «утка» Анатолия Панченкова.
Схемы «утка» и «тандем» [1, 9]. Характеризуются крылом с ПГО либо двумя крыльями, расположенными друг за другом. При определенных условиях взаимодействия с экраном схемы соответствуют условиям, близким к устойчивости двухосной тележки с положением центра масс между точками опоры и обладают естественными предпосылками для обеспечения самостабилизации. По мере удаления от поверхности одного из крыльев подъемная сила на нем падает и крыло возвращается на исходную позицию. Однако эти схемы имеют существенные недостатки: очень малая реальная (относительно габаритной длины аппаратов) высота экранного полета, что обусловливает их низкую мореходность. Из-за конструктивных особенностей амфибийность и весовая разгрузка с помощью статической ВП невозможна либо значительно ограничена. Также невозможны полеты вне зоны экранного эффекта от возникновения апериодической неустойчивости с увеличением углов тангажа вблизи экрана, особенно для схемы «Утка», когда оперение выходит из зоны экрана.
Мореходность обеспечивает преодоление волнения при плавании и взлете-посадке, являясь ключевым эксплуатационным качеством экранопланов.
Для повышения мореходности экраноплана существуют способы:
• увеличение габаритных размеров;
• применение реданов и увеличение килеватости водоизмещающей части корпуса;
• применение амортизируемых отклоняемых гидролыж как откидных реданов;
• использование однокорпусной конструкции водоизмещающей части фюзеляжа;
• применение укороченного взлета, взлета с береговой ВПП, вертикального взлета.
При этом важной конструктивной особенностью экранопланов, характеризующей и определяющей их амфибийность, эффективность и безопасность эксплуатации, являются стартово-посадочные устройства (СПУ), обеспечивающие взлет и посадку с водной поверхности, со льда или с земли в любом месте на маршруте движения.
Различают следующие типы стартово-посадочных устройств:
• подводные крылья (ПК);
• статическая воздушная подушка (ВП);
• поддув (воздушная подушка проточной схемы);
• гидролыжные устройства в сочетании с поддувом и колесно-лыжным шасси.
Подводные крылья при старте достаточно быстро поднимают корпус из воды, но при этом
появляются аварийные колебания аппарата, обусловленные значительным ростом сил и моментов при пересечении крыльями профиля волны на предотрывных режимах.
Статическая воздушная подушка энергозатратна, конструктивно неудобна для уборки в полете и не обеспечивает устойчивость и управляемость при разбеге-торможении.
Системы проточного поддува энергетически малоэффективны, так как предполагают использование дополнительной чрезмерной мощности поддувных двигателей. Они не в состоянии поддерживать водоизмещающий корпус над гребнями волн и обеспечивать приемлемый уровень мореходности экраноплана при взлете/посадке.
Наиболее эффективными являются амортизированные гидролыжные устройства. Они способствует быстрому подъему корпуса из воды при старте за счет увеличения угла глиссирования с высотой подъема, пропорциональной углу наклона и длине гидролыжи. Гидролыжа добавляет также продольную килеватость корпусу и обладает самостабилизацией по углу тангажа и высоте движения. Амортизация позволяет гидролыже отслеживать профиль волны и сглаживать перегрузки на режиме глиссирования и рикошетирования. Амортизированные гидролыжи успешно применялись в ЦКБ по СПК имени Р.Е. Алексеева на экранопланах УТ-1, СМ-6, «Орленок», «Лунь» с заметным улучшением их амфибийных и мореходных качеств [1].
Преимущества и возможности экранопланов
К главным конкурентным преимуществам экранопланов относятся:
- высокая топливно-энергетическая эффективность, обусловленная эффектом динамического поддержания, с перспективой дальнейшего увеличения аэродинамического качества до значений 25-30 и выше, недоступных для современной авиации (16-18);
- уникальная, незаполненная скоростная ниша (от 120 до 700 км/ч), между судами СВП, СПК и современной авиацией;
- амфибийность, обусловленная свойствами летательного аппарата и статусом водоизме-щающего судна.
Также имеют место их отличительные особенности и возможности:
• применение нормативно-правовой базы и транспортной инфраструктуры морского транспорта без необходимости использования инфраструктуры и разрешительно-правовой системы авиатранспорта;
• отсутствие ограничений по габаритам с возможностью значительного увеличения вместимости вплоть до пределов конструктивной прочности корпуса и мощности маршевых двигателей;
• низкие эксплуатационные затраты, высокая прибыльность, быстрая окупаемость;
• высокая провозная способность, возможность круглогодичной эксплуатации;
• комфортные и безопасные условия полета на экране;
• минимальный уровень экологического воздействия на окружающую среду.
В России за последние 25 лет, несмотря на прекращение госфинансирования исследований и перспективных разработок, реализованы и испытаны отдельные образцы экранопланов конструкторов-одиночек и малых коллективов. Под Минпромторгом в 2010 г. разработана, но до сих пор не утверждена концепция развития экранопланов военного и гражданского назначения в Российской Федерации.
Сейчас в России и в мире реально летают только экранопланы семейства «Иволга» главного конструктора В.В. Колганова из ЗАО НПК ТРЭК, г. Жуковский. Существуют также другие заметные российские разработки и проекты экранопланов (табл. 2), [6]:
- «Амфистар» и семейство «Акваглайд», ЗАО «АТТК»;
- НВА-06-10Д наземно-воздушная амфибия В.В. Назарова, недостроенная на авиазаводе в Улан-Удэ, и разработка НВА-07-055 «Сибирь» в ее развитие;
- АСВП проекта «Тунгус» компании «Аэроход», г. Нижний Новгород;
- «Орион-20», он же «Стерх», и его модификации - новодел «Иволги» группы ИПФГ - ассоциации «Экраноплан» в Петрозаводске;
- «Буревестник-24» с шестью прототипами группы «Небо+Море», Мытищи;
- модельный ряд экранопланов «Навигатор» базовой схемы МТ1-БМВ Э. Васильева (рис. 10), компании «Союзмортранс», г. Владивосток и др.
Экранопланы Эдуарда Васильева
Последовательный сторонник «самолетной схемы» Алексеева, квалифицированный аэродинамик Эдуард Владимирович Васильев совершенствовал, модернизировал и испытывал самоходные макеты УТ-1, СМ-2П7, СМ-6, СМ-8 - предшественников знаменитого «Каспийского монстра» и принятых на вооружение экранопланов «Орленка» и «Луня». Он также исследовал перспективные компоновки экранопланов и конструировал экспериментальные СВП. Ему принадлежит разработка концепции мореходного экраноплана короткого старта-посадки (ЭКСПО) с новой АГД-схемой, использующей гидродинамическую механизацию корпуса ЭП (СПУ с амортизированной гидролыжей) для обеспечения мореходности, прочности, продольной устойчивости на старте и в полете с расчетными программами и математическими моделями. Э.В. Васильев создал базовую научно-техническую платформу будущего развития экранопланостроения, подтвержденную рядом патентов. Он мечтал о создании базовой школы экранопланостроения на Дальнем Востоке, в частности в Приморье, считая, что экранопланы обязательно будут востребованы и станут повседневностью на транспортном рынке в России. Для этого они должны быть конструктивно
просты, надежны и недороги, с управлением, доступным любому автомобилисту и судоводителю. Последние аэротрубные испытания базовой модели Васильева МТ1-БМВ позволили ему довести АДГ-схему до совершенства, с управлением только рулями и тягой, как у простого катера.
Рис. 10. Экраноплан МТ1-БМВ
Предпосылки создания перспективных транспортных систем
с использованием экранопланов
Перспектива транспортной доступности и экономического развития Арктики, Дальнего Востока и других регионов России определяется созданием современных морских и речных скоростных транспортных систем (СМТС и СРТС), предусматривающих использование экранопланов как инновационного вида водного транспорта, экономически более эффективного по сравнению с морскими паромами, СВП, СПК и малой авиацией [2]. К предпосылкам их создания можно отнести:
• мелеющие русла сибирских и дальневосточных судоходных рек;
• потребности населения и экономики регионов в скоростных перевозках;
• возможность использования транспортной инфраструктуры речных, морских портов без необходимости строительства аэродромных ВПП;
• использование конкурентно низкой стоимости перевозок за счет высокой топливной и эксплуатационной эффективности экранопланов (в дополнение существующему скоростному водному транспорту и авиаперевозкам), обеспечивающей доступность услуг и быструю окупаемость экранопланов и транспортной системы в целом;
• правоустанавливающие особенности эксплуатации, предполагающие статус экранопла-нов как водного транспорта при его авиационной скорости и качестве услуг.
Компанией «Союзмортранс» разработаны проекты СМТС в прибрежных акваториях Приморского края, рассмотренные и одобренные Экспертным советом при ЗС ПК с использованием экранопланов семейств «Иволга» и «Навигатор». Экономические расчеты показывают высокую эксплуатационную эффективность транспортных систем и быструю их окупаемость при небольших затратах (табл. 3; рис. 11). Проекты предполагают строительство транспортной инфраструктуры, включая береговые комплексы базирования, техобслуживания и ремонта экранопланов, а также их агрегатную сборку и морские сертификационные испытания. В развитие проектов представляется целесообразным создание единого сборочно-испытательного комплекса во Владивостоке по сертификации, пробной коммерческой эксплуатации и целевой адаптации экранопланов для всего Дальневосточного региона РФ.
Таблица 2
Сравнительный анализ современных российских пассажирских экранопланов - аналогов малой вместимости
Модификации экранопланов
ЭК-12М, «Иволга»,
НПК «ТРЭК»
ЭК-17, «Иволга-2»,
НПК «ТРЭК»
«Орион-15»
Ассоциация «Экраноплан»
МПЭ-3,8 «Навигатор»,
« Союзмортранс »
ЭП-15
RDC Aqualines
НВА-07-55 «Сибирь»,
Назаров Д.В.
«Буревестник-24»
«Небо+Море»
Тактико-технические характеристики: габариты, (Ь х В х Н), м
вес взлетный, тонн вместимость: груз, тонн /(экипаж + пасс.) двигатели маршевые: - тип, - мощность, л.с. топливо: скорость крейс, км/ч: топлив. эф-ть, г/пасс. •км мореходность: - при старте-посадке, hw, м - полет на экране, баллы - полет над экраном, м
дальность, км провозная спос-ть/год (2200 ч), млн пасс км
15,6 х 13,0 х 3,7
4.1
1.2 /(2+12)
Chevrolet LS-3
2х430 Бензин АИ-95 175 15
1,25 III 4
1500 4,62
16,7 х 15,0 х 3,47 4,75 1,6 /(2+15)
Chevrolet LS-3
2х450 Бензин АИ-95 180 15
1, 5 III-IV Не ограничена 1380
5,94
13,1 х 12,3 х 4,4 4,2
/(2+15)
Chevrolet LS-3
2х450 Бензин АИ-95 Нет данных
Нет данных Ш-1У
1100
15,0 х 8,6 х 3,4 3,8 - 4,0
1,25 /(1+16)
Toyota 3UR
1х650* Бензин АИ-95 180 14-18
1,0 - 1,5 III-IV
3 - 5 1400
6,34
16,2 х 10,1 х 4,4 4,0
1,3 /(2+15)
Chevrolet V8 LT4
1х620 Бензин АИ-95 186
22,9
1, 0 III-IV
5
1200 6,14
18,0 х 16,0х 4,75 6,3 2,0 /(1+20)
М-14
2х350 Авиабензин Б-91 220
Нет данных III-IV
3,5 2000
9,68
15,0 х 16,0 7,0 3,0 /(2+1+24)
AviaSmart Б-У12К
2х 412 Бензин АИ-95 210 15 -18
1, 5 Ш-1У Не ограничена 1200
11,09
Состояние проекта
Образец
Разработка
Проект
Разработка
Разработка
Разработка
Образец
Сертификация
РМРС
Срок поставки, мес.
18
Нет данных
24
Нет данных
Нет данных
Не указан
Цена, млн УН)
2,0
2,5
1,0
3,0
Модернизированный серийный двигатель.
9
Рис. 11. Скоростная морская транспортная система «Экранофлот-Приморье». Проект «Агломерация Владивосток»
1 - маршрутные линии экранопланов: класса «А» - (|МО);
класса «Э+Р 1,0/3,0 экраноплан» - (РМРС)
Количество маршрутных линий: 8
Экранопланы на линиях: 2х МПЭ-3,8
Общий пассажиропоток: 258 048 пасс/год
Объем финансирования проекта: 5 500 тыс. USD Прибыль до налогообложения/год; 2 066 тыс. USD Дисконтируемая окупаемость (г =12): 5 лет
Таблица 3
Маршрутные линии СМТС «Экранофлот-Приморье» с экранопланами в акватории залива Петра Великого
Маршруты Длина Время Рейсы в день Цена проезда, руб./пасс Показ атели конкурентов Пассажиропо- Экранопланы на линии
маршрута, км в пути, мин Транспортные тарифы, руб. Время пути ток, пасс/мес.
1. Владивосток-Славянка 47 16 5 600 650 (СПК Комета) 1ч 20 мин 3 840
2. Владивосток-Безверхово 36 12 4 550 500-600 (теплоход) 1ч 30 мин 3 072 МПЭ-3,8
3. Владивосток-Песчаный 11 4 3 500 Нет рейсов - 2 304 «Навигатор»
4. Владивосток-Тавричанка 21 8 2 550 1100-1500 (такси) 1ч 30 мин 1 536
5. Владивосток-Большой Камень 35 12 4 550 210 (Автобус) 2 часа 3 072
6. Владивосток-Подъяпольский 32 11 2 550 Нет рейсов - 1 536 МПЭ-3,8
7. Владивосток-Лазурная 18 7 2 550 650-800 (такси) 40 мин 1 536 «Навигатор»
8. Владивосток-Муравьиная (Casino) 37 13 6 1000 1500-1600(Только такси) 1ч 4 608
Заключение
Проведенный анализ показывает, что для создания перспективных скоростных судов на крыльях потребуются новые технические решения, обеспечивающие высокий уровень экономических показателей и эксплуатационных качеств:
• внедрение материалов на основе углепластика, позволяющих снизить стоимость судна при серийном строительстве, увеличить экономические показатели, повысить комфорт - снизить шумы и вибрацию, а также обеспечить современный внешний вид судна;
• способность подхода к необорудованному берегу и эксплуатации в тумане, в ночное и в зимнее время;
• пониженное воздействие судовых волн на окружающую среду;
• простоту эксплуатации, ремонтопригодность, низкую строительную стоимость.
Кроме того, особенности перевозок пассажиров по побережью Дальневосточного бассейна, с малонаселенностью территорий и удаленностью портпунктов требуют решения сложной комплексной задачи обеспечения экономичности, скорости и дальности хода судна при сравнительно малой пассажировместимости.
Для этой задачи есть хорошее решение. С учетом своих подтвержденных ТТХ экранопланы обладают провозной способностью, в 5-6 раз превышающей лучшие СПК, при равном водоизмещении и большей мореходности. Экранопланостроение вполне может стать высокотехнологичной и прибыльной производственно-транспортной отраслью экономики страны с хорошим экспортным потенциалом и ВПК - наравне с авиапромом и судостроением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев Э.В., Васильев А.Э. Транспортные суда - экранопланы: концепции транспортных систем на базе экранопланов // Экраноплан - приглашение к сотрудничеству. URL: http://ekranoplan-ru.narod.ru/C_ANOT.htm (дата обращения: 12.08.2016).
2. В краевом парламенте обсудили перспективу использования в Приморье экранопланов // Законодательное собрание Приморского края: официальный сайт. URL: http://www.zspk.gov.ru/press-service/press-relizy/85065/ (дата обращения: 12.08.2016).
3. Временные правила классификации и постройки экранопланов // Российский речной регистр. 2001. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293827/4293827266.htm (дата обращения: 12.08.2016).
4. В России возобновили разработку судов на подводных крыльях // Правдинформ. URL: http://trueinform.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=11712 (дата обращения: 12.08.2016.).
5. Клементьев А.Н., Любимов В.И., Васильев Э.В. Экранопланы. Н. Новгород: ВГАВТ, 2004. 20 с.
6. Любимов В.И., Васильев Э.В. Современное состояние и перспективы использования экранопланов для перевозки грузов и пассажиров в бассейнах рек Сибири и Дальнего Востока // Современные тенденции развития транспорта Сибири: сб. науч. тр. Новосибирск: НГАВТ, 1999.
7. Малеханов И.Е. Морской пассажирский теплоход на подводных крыльях // Судостроение. 1983. № 4. С. 3-5.
8. Морские пассажирские суда на подводных крыльях нового поколения. Презентация / ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева». Рыбинск, 26 февр. 2016. URL: http://www.vympel-rybinsk.ru/wp-content/uploads/160315-SPK-morskogo-klassa-K0META-120M-T0RNAD0-M.pdf (дата обращения: 10.09.2016).
9. Новиков-Копп И. Способ комплексного повышения аэродинамических и транспортных характеристик, управление системой автоматической стабилизации и высоты, в которых подушка создается за счет скоростного напора во время движения транспортного средства: пат. РФ № 2539443, заявл. 2010.01.05, опубл. 20.01.2015.
10. Панченков А.Н., Драчев П.Т., Любимов В.И. Экспертиза экранопланов: монография. Н. Новгород: Поволжье, 2006. 656 с.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Shipbuilding
D0l.org/10.5281/zenodo.399048
Gribov K., Fedoreev G.
KONSTANTIN GRIBOV, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Head,
Department of Shipbuilding and Ocean Technology, School of Engineering,
e-mail: [email protected]
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
GENNADIY FEDOREEV, Director General, Soyuzmortrans, e-mail: [email protected] 104, Svetlanskaya St., Vladivostok, Russia, 690001
High-speed hydrofoils for the Russian Far East basin (review)
Abstract: In Russia, first in the world, there were made and came into wide practical use boats using hydrofoil technology, that is equipped with the wing that enables them to raise their hull out of the water: those are hydrofoils and ekranoplans. The boats of both types share the same principle of movement: the hull being raised out of the water greatly reduces hull dag, which correspondingly provides a considerable increase in speed. Sea conditions, however, add problems with ensuring their seaworthiness. The experience in operating hydrofoils is important to open avenues for their further development. The authors present the analytical overview of the historical experience in operating hydrofoils in the Russian Far East basin and describe the current situation. They provide forecast of the development of the hydrofoil fleet in the region as well.
Key words: underwater wings, ekranoplan (WIG), high-speed boats, wing unit, structural materials, cavi-tation, economic quality, seaworthiness.
REFERENCES
1. Vasiliev E.V., Vasiliev A.E. Transportation vessels - WIG: the concept of transport systems based on WIG WIG. URL: http://ekranoplan-ru.narod.ru/C_ANOT.htm - 12.16.08.
2. At the regional parliament discussed the use of perspective in Primorye WIG. Legislative Assembly of the Primorsky Territory Official sayt. URL: http://www.zspk.gov.ru/press-service/press-relizy/85065/ -12/08/2016.
3. Provisional Rules for Classification and Construction WIG. Russian River Register, 2001. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293827/4293827266.htm - 12/08/2016.
4. The development of Russia resumed hydrofoils // Pravdinform.
URL: http://trueinform.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=11712. - 12/08/2016.
5. Klement'ev A.N., Lyubimov V.I., Vasilev E.V. WIG. N. Novgorod, VGABT, 2004. 20 p.
6. Lyubimov V.I., Vasiliev E.V. Current status and prospects of WIG for the carriage of goods and passengers in the river basins of Siberia and the Far East. Modern trends in transport development in Siberia. Novosibirsk, NGAVT, 1999.
7. Malehanov I.E. WIG is the sea passenger ship. Shipbuilding. 1983;4:3-5.
8. Marine passenger hydrofoils new generation. Presentation. JSC, SPK them. R.E. Alekseev. Rybinsk, 26 February, 2016. URL: http://www.vympel-rybinsk.ru/wp-content/uploads/160315-SPK-morskogo-klassa-KOMETA- 120M-T0RNAD0-M.pdf - 09.10.2016.
9. Novikov-Kopp I. Integrated method improve aerodynamic and transport characteristics, management of automatic stabilization and height system, in which the cushion created by the dynamic pressure during the vehicle. Pat. RF number 2539443 , appl. 2010.01.05, publ. 01/20/2015.
10. Panchenkov A.N., Drachov P.T., Lyubimov V.I. Expertise of WIG, monograph. N. Novgorod: Volga, 2006. 656 p.
