Опорно-реактивный движитель

Суда на воздушной подушке уже вошли в обиход как эффективный и порой даже незаменимый транспорт.Они "вписываются" в воздушную стихию,практически не отрываясь от земли,что делает их транспортом безопасным.Они заняли некую нишу между вездеходом,судном и летательным аппаратом.Известные их преимущества мы здесь подробно описывать не будем,они общеизвестны.Вынуждены назвать имеющиеся недостатки существующих СВП.За счёт небольшого давления под днищем /немного превышающего атмосферное/ судно на воздушной подушке приподнимается над водной или грунтовой поверхностью.Несмотря на небольшое давление,для того,чтобы его реакция преодолела вес судна,требуется немалая мощность: для катера водоизмещением в 10 тонн поддержание статической воздушной подушки требует не менее 500 лошадиных сил,- при том,что для создания ходовой движущей силы нужен другой двигатель и движитель,- в случае представления такового воздушным винтом для разгона хотя бы до 100 км/ч потребуется ещё столько же не особенно эффективно используемой мощности.Известен очень логичный и рациональный способ создания движущей силы у СВП - наклон воздушной подушки.Реагирующая поверхность наклоняется вперёд,подобно тому,как наклоняется несущий винт вертолёта,и часть действующей на неё силы переходит в горизонтальную плоскость,создавая ходовую тягу.Однако такой способ создания тяги нашёл применение только на небольших СВП,движущихся со скоростями,не превышающими 30 узлов.Сказывается несовершенство имеющейся системы его реализации: наклонить днищевую реакцию можно только на небольшой угол,а низкое давление в воздушной подушке не позволяет создать хорошего пропульсивного эффекта.Вот и используются на СВП традиционные воздушные движители,освоенные авиацией - воздушные винты,вентиляторы и воздушно-реактивные сопла.У первых коэффициент полезного действия неплох применительно к самолётам,где альтернативой будет только ТРД,у которого на скоростях до 700 км/ч ещё ниже.При близком же контакте с водной/земной поверхностью,как у СВП,применение авиационных движителей вообще выглядит странно.С одной стороны,привязанность к земной поверхности,с другой - несвязанность с ней при задании горизонтального движения.Природа такой несообразности не потерпела бы,- а техника почему терпит? Впрочем,рационалистичные инженерные умы давно применились использовать в качестве движителя на водных СВП водные гребные винты,а на грунтовых - колёса или гусеницы.Недостаток варианта очевиден:транспортное средство лишается важнейшего своего достоинства - абсолютной амфибийности. Можно отметить и некий принципиальный недостаток системы СВП: использование самостоятельного рабочего органа,роль которого ограничивается небольшим приподнятием аппарата над опорной поверхностью...
Идеальным вариантом создания движущей силы у СВП видится совмещение функций воздушной подушки и ходовой тяги.Заманчива и низкая энергозатратность первой при возможности применения к последней.А главное - принципиальная целесообразность движителя,который использует отталкивание от грунта,а не динамику текущего мимо него воздуха.То есть при нахождении на границе двух сред нужно использовать их взаимодействие - воздух,давящий на грунт или воду и грунт или воду,отражающие давление воздуха.
Сама по себе статическая воздушная подушка неэффективна при её приспособлении к функции движителя,о чём мы уже упоминали.Для требуемой эффективности нужно,чтобы в горизонтальную плоскость разворачивалась большая часть реакции,чем в существующих вариантах,а пропульсивные характеристики горизонтальной движущей системы были выше.Напрашивается решение - больше наклонить воздушную подушку вперёд.Это,во-первых,поставит под вопрос продольную остойчивость судна.И мы столкнёмся с принципиальной проблемой такого движителя: по мере увеличения наклона днища-реактора вперёд,сзади будет увеличиваться зазор,разгружающий воздушную подушку,- понижающий в ней давление и требующий больших затрат мощности на её создание.Воспрепятствовать выходу воздуха назад можно,сделав стенку,его задерживающую,а также оградив стенками днище и по бортам.Однако тогда нагнетаемый воздух будет давить и в заднюю стенку,давая тормозящую реакцию.При достаточно большом косинусе угла,образованного задней стенкой и наклонной днищевой плоскостью,реакция на них уравновесится,а начиная с некоторого значения тормозящая сила превысит движущую.Конечно,щель под задней стенкой будет сделана превышающей неизбежный зазор спереди,и воздух будет истекать назад,задавая направление движущей силы,но при сильном тормозящем действии задней стенки движитель не будет работать как задуманная система отталкивания воздухом от опорной поверхности.Итак,кроме заманчивых перспектив грунтоопорного воздушного движителя,обозначилась проблема,требующая решения,- очевидно,при выходе из традиционной схемы воздушной подушки.
Требования к новой системе у нас обозначены: существенный процент горизонтального действия и достаточная пропульсивная эффективность.Первое обеспечивается соответствующей геометрией реактивного колокола,второе - необходимо высоким давлением в нём.Таким образом,нужна особая схема рабочего органа,заменяющего традиционную воздушную подушку и выполняющего недостающую у неё функцию - создание вполне мощной горизонтальной тяги.Требуемый наклон передней стенки колокола /не менее 10 градусов/ возможно реализовать при сравнительно небольших его размерах - меньших,чем днище судна в целом.Таким образом,орган,удерживающий нагнетаемый воздух,нужен не один цельный,а состоящий из нескольких сравнительно небольших элементов.Эти элементы мы назовём реактивными колоколами движущей воздушной подушки.Они выглядят как перевёрнутые вниз ковши близкого к треугольнику бокового профиля с пологой передней стенкой и прямой или немного отклоненной задней.В передней стенке имеется отверстие для нагнетания воздуха через подводимый канал от компрессора.Поскольку направление тяги такого движителя нельзя изменить направлением движения воздуха,колокол делается поворачивающимся на 180 градусов по вертикальной оси /для решения возникающей конструктивной проблемы роль оси выполняет подходящая к колоколу труба воздуховода/.Нагнетаемый в колокол воздух создаёт реакцию между грунтом и его стенками,причём большую её часть принимает полого наклоненная передняя стенка.В результате на движитель действует сила,направленная вверх и несколько вперёд,что выражается в приподнятии судна над опорной поверхностью и придании ему горизонтального движения.Систему с вышеописанным принципом действия назовём опорно-реактивным движителем/ОРД/.
При анализе распределения действующих в реактивном колоколе сил мы столкнулись с проблемой его геометрии,поначалу ставившей в тупик.Несмотря на значительное превосходство в площади передней стенки над задней,её большой наклон уравнивал реакцию на ней с реакцией на почти прямой задней,что аннулировало движущую силу.Требовалось откуда-то взять дополнительную площадь передней стенки.Решение нашлось: стенка делается не прямой,а выгнутой,сферичной,что в итоге достаточно увеличивает её площадь.В результате при нагнетании воздуха в колокол реакция на передней стенке превышает реакцию на задней,что при истечении воздуха из колокола создаёт направленную вперёд движущую силу.
Передняя стенка колокола несколько ниже опускается к уровню опорной поверхности,чем задняя,так как воздух из колокола должен истекать назад,а спереди по возможности удерживаться.Идеальным вариантом было бы плотное примыкание передней стенки к опорной поверхности,что в реальности недостижимо.Однако его можно предельно уплотнить,применив гибкое ограждение по периметру,прерванное на задней стенке.Оптимальный размер источной щели,естественно,требует расчётов,специальных для конкретного случая.
Площадь стенок реактивных колоколов ОРД заметно меньше площади,используемой в традиционной воздушной подушке.Поэтому для создания рабочего эффекта этим движителем требуется более высокое давление,чем в обычной воздушной подушке.Это нельзя признать недостатком предложенной системы,потому что её рабочий эффект - создание движущей силы - требует достаточно высокого давления,иначе не будет необходимо быстрого прохождения воздушной массы через движитель,определяющего его пропульсивную эффективность.Поэтому требуемое давление в реактивном колоколе ОРД - приблизительно вдвое больше,чем в обычной воздушной подушке,и составляет порядка 2-х - 3-х атмосфер.По расходу мощности повышенное давление компенсируется меньшей площадью нагнетания.
В горизонтальной проекции колокол опорно-реактивного движителя выглядит прямоугольным с закруглёнными углами или овальным.Колокола располагаются в днищевой нише в два ряда по ширине и до четырёх элементов по длине корпуса.Вектор горизонтальной тяги ОРД меняется углом поворота колоколов на вертикальной оси,поэтому они должны располагаться с зазором,позволяющим их поворот на 180 градусов.Особенностью такого судна будет наличие в днище ниши,по глубине равной высоте колоколов.Вместо единого гибкого ограждения воздушной подушки принцип действия движителя требует применения отдельного ограждения каждого элемента.
К колоколам подходят трубы-воздуховоды от нагнетающего устройства.На малых и средних судах целесообразно применение единой энергетической и нагнетающей установки,расположенной в центре корпуса,от которой каналы воздуховодов пойдут симметрично ко всем элементам,что позволит легче обеспечить стабильную работу установки,чем при наличии асимметрии.В качестве двигательной установки наиболее целесообразно применение газовой турбины,приводящей в действие компрессор.На крупных судах энергетическая установка может быть представлена отдельными моторными группами - над каждым колоколом располагается турбокомпрессорное устройство,которое для упрощения конструкции может поворачиваться вместе с ним.Управление поворотом колоколов осуществляется с помощью гидроавтомата,подобного применяемому для поворота пера руля крупных судов.
Немалым достоинством системы опорно-реактивного движителя является свободное изменение вектора тяги по плоскости опорной поверхности /все варианты "вперёд","назад","вбок",под любым углом/.Работа тяговых элементов "враздрай" обеспечивает разворот на месте.Торможение осуществляется поворотом колоколов на 180 градусов вперёд через противоположные стороны по поперечнику,чтобы они не дали движения вбок при своём повороте.
Определённым недостатком опорно-реактивной системы,что называется,вытекающим из её достоинства,будет взаимозависимость статического поддерживающего эффекта воздушной подушки и горизонтальной тяги.Удерживать на месте судно с работающим ОРД можно,развернув равное число колоколов в противоположные стороны; недостаток варианта - "сжатие" корпуса судна собственной тягой.Возможна механизация самого колокола,позволяющая изменять его геометрию и снимать горизонтальную реакцию,а также регулировать соотношение вертикального и горизонтального действия.Но мы пока не можем рекомендовать столь сложную систему не отработанного в конструктивной реализации движителя.Другой,простой,вариант сохранения независимости статической поддерживающей силы - это применение опорно-реактивного движителя при наличии обычной воздушной подушки.Возможно,этот вариант будет реализован на первых порах внедрения нового движителя.
Приемлемая геометрия реактивного колокола обеспечивает перевод в горизонтальную силу не менее 10 процентов общей реакции.Значит,грубо говоря,при массе судна в 100 тонн ОРД должен будет давать приподнимающую силу в 100 000 кгс и 10 000 кгс составит горизонтальная тяга,- при общей реакции в 110 000 кгс. При таких показателях судно с названными характеристиками должно развивать не менее 50 узлов.Эффективность по использованию энергии у ОРД приблизительно вдвое выше,чем у воздушного винта,являющегося основным движителем современных судов на воздушной подушке.При верно выбранном пропульсивном варианте опорно-реактивный движитель обеспечит скорость не меньшую,чем известные динамические воздушные движители,если иметь в виду реальный предел подаваемой на них мощности.В общем-то скорость существующих СВП ограничена 150 км/ч из-за недостаточной тяги применяемых на них движителей,которые на них неэффективны.Абсолютным пределом скорости аппаратов на воздушной подушке будет порядка 250 км/ч,- дальше встречный поток воздуха будет выдавливать воздушную подушку,и стабильное движение станет невозможным.Судно с достаточно мощным ОРД способно достичь этого предела.
Сочетание хорошей маневренности с высокой скоростью у аппарата с опорно-реактивным движителем делает целесообразным его использование в качестве аварийно-спасательного судна с возможностями буксира.Такой аппарат больше "привязан" к поверхности воды или грунта,чем аппараты с традиционными воздушными движителями,что делает его менее зависимым от динамики воздушной среды,в пределе он будет способен двигаться при ураганном ветре.Всё это даёт перспективы внедрения вышеописанного движителя и вытеснения им традиционно применяемых на судах с воздушной подушкой.