ПОЛЕТ НА ВЫСОТЕ САНТИМЕТРОВ

В советских и зарубежных научно-популярных журналах неоднократно появлялись сообщения о низколетающих аппаратах-экранолетах, в том числе о советском экспериментальном спасательном катере-амфибии ЭСКА-1. Эту машину любительской постройки, успешно прошедшую цикл летных испытаний, сконструировали московские инженеры А. Гремяцкий, Е. Грунин, С. Чернявский, Ю. Горбенко и Н. Иванов. Летные испытания проводились инженером А. Гремяцким, а затем летчиком А. Балуевым. ЭСКА-1 экспонировался на одной из центральных выставок НТТМ и был отмечен бронзовой медалью ВДНХ СССР, а его создатели — знаками лауреатов НТТМ.

О теоретических основах околоэкранного полета и конструкции ЭСКА-1 рассказывает один из ее создателей, Е. Грунин.

История экранолетов восходит к середине 30-х годов, когда обстроили гибрид самолета, быстроходного катера и аппарата на воздушной подушке. Его создателя, финского инженера Томаса Каарио, и принято считать пионером экранолетостроения.

Конструкции первых машин, несмотря на разнообразие и внешнюю экзотичность форм, не отличались утонченностью проработки. В те годы не существовало стройной теории экранного полета. Проекты создавались на основе большого количества экспериментальных данных, и аппараты, естественно, получались несовершенными. Камнем преткновения и в этот период, и позже — в конце пятидесятых годов — стала проблема продольной устойчивости.

Первым ее решил авиаконструктор А. Липпиш. В 1964 году он построил экранолет Х-112 и успешно испытал его. Затем в 1972 году увидел свет еще один аппарат — Х-113А. Изготовленный из стеклопластика, он показал отличные летные свойства и достиг аэродинамического качества, равного 30!

Что же такое экранолет? По сути, это гидросамолет с модифицированным крылом. Аэродинамическая компоновка позволяет ему летать как вдали, так и вблизи от экрана — земной или водной. поверхности, На рисунке 3 представлена классическая кривая возрастания аэродинамического качества аппарата с уменьшением относительной высоты полета. Заметное влияние экрана на характеристики крыла проявляется на высотах меньших, чем длина его средней аэродинамической хорды (САХ). Здесь иная картина обтекания, нежели при движении вне экрана. При очень малом расстоянии до него, исчисляемом сантиметрами, повышение давления под крылом близко к значению скоростного напора и подъемная сила резко возрастает за счет давления в заторможенном потоке. Двухмерное обтекание профиля показано на рисунках 5 и 6. Физика явления наглядна: вдали от экрана подъемная сила образуется в основном за счет разрежения над крылом, а вблизи — благодаря повышению давления под ним.

Рис. 1.  Схема управления экранолетом.

Рис 2. Компоновка и узлы экранолета:

1 — ручка управления, 2 — педали, 3 —-аккумулятор, 4 — приемник воздушного давления, 5 — штырь антенны, 6 — съемная часть фонаря, 7 — отсек оборудования, 8 — огнетушитель, 9 — воздушный винт, 10 — двигатель, 11 — капот двигателя, 12 — моторама, 13 — тяга управления рулем высоты, 14 — съемные люки для подхода к проводке управления, 15 — киль, 16 — стабилизатор, 17 — руль высоты, 18 — руль поворота, 19 — водяной руль, 20 — бензобак, 21 — кресла пилота и пассажира, 22 — приборная доска, 23 — ручка управления двигателем (сектор газа), сечеиня Б — Б, В — В, Г-Г, Д-Д, Е-Е, Ж — Ж и нервюры центроплана увеличены.

Из графика, который в аэродинамике называют полярой, видно, как близость экрана сказывается на подъемной силе и лобовом сопротивлении (рис. 7). С уменьшением относительной высоты полета растет Су и снижается Сх. Происходит крутой сдвиг поляры вверх и влево. Она получает менее выраженный максимум, так как срыв потока на верхнем контуре профиля меньше влияет на величину подъемной силы. Это приводит к значительному росту аэродинамического качества всего аппарата. У ЭСКА-1 оно, например, достигало 25.

Сложнее обстоит дело с устойчивостью и управляемостью. Для условий полета эти параметры экранолетов изучены все еще слабо, тем более что при смене режима движения или с изменением высоты они, как правило, резко меняются.

Рассмотрим, как ведет себя экранолет в экранном режиме. Предположим, что он движется в нескольких сантиметрах над водой. Картина обтекания крыла воздухом следующая; давление под крылом возрастает, начинает действовать экранный эффект, качество увеличивается. Но за это приходится дорого платить: на скорости более 200 км/ч экранолет неожиданно теряет устойчивость и переворачивается через корму, Именно так погибли в 1967 году Дональд Кэмпбелл на «Синей птице» и семь лет спустя — Чезаре Скотти на туннельном катере.

Что же происходило? Разгадка нашлась: изменение обтекания крыла влекло за собой ухудшение продольной устойчивости. Аэродинамический фокус экранолета, такой постоянный в полете на высоте, у экрана вдруг раздвоился, и каждая из его «половин» начала блуждать по хорде крыла и вести себя по-разному: одна стала отслеживать угол атаки, другая впала в зависимость от расстояния до воды. Назвали их так: наиболее «своенравного» — фокусом по высоте, другого — фокусом по углу атаки.

«Своенравного» вот почему. Если обычное прямоугольное крыло с удлинением 0,5—2 снабдить концевыми плоскостями-шайбами (чтобы из-под него не вытекал воздух) и приближать к экрану в потоке аэродинамической трубы, то фокус по высоте начнет смещаться по хорде назад. При относительной высоте крыла над экраном, равной 5—6% от САХ, он остановится и начнет возвращаться. Фокус же по углу атаки имеет более постоянный характер и с уменьшением высоты движется только в одном направлении — назад, от носка профиля к его середине. Чтобы понять закономерность разбега фокусов, экспериментаторы исследовали самые различные типы крыльев. Оказалось: в присутствии экрана степень разбега находится в прямой зависимости от формы крыла в плане. Из них только одно (!) обладает минимальным разбегом — это треугольное крыло с задней кромкой обратной стреловидности 45—60° и удлинением 1,7— 2. Мало того, в силу самой геометрической формы крыла фокус по высоте размещается впереди фокуса по углу атаки. А это главное условие продольной устойчивости в полете над экраном! На рисунке 4 показано положение основных аэродинамических сил, действующих на экранолет.

Критериями его продольной устойчивости служат: запас устойчивости по высоте, то есть расстояние в долях САХ от центра тяжести экранолета до фокуса, в котором приложено приращение подъемной силы, возникающее при изменении высоты полета, и запас устойчивости по углу атаки — расстояние от ЦТ до фокуса по углу атаки.

Чтобы экранолет летал, а пилот не боялся перевернуться на нем, необходимо выбором аэродинамической компоновки добиться положения фокуса по высоте впереди фокуса по углу атаки, что в математическом расчете выражается как неравенство:

ХF_Н — ХF_α < 0.

Если какая-нибудь сила, например порыв ветра, прижмет экранолет к воде, то приращение подъемной силы в фокусе по высоте относительно центра тяжести создает пикирующий момент. Угол атаки из положительного превратится в отрицательный. Тут же в фокусе по углу атаки появится отрицательное приращение, которое вызовет кабрирующий момент, восстанавливающий равновесие. И ничего страшного не произойдет.

КОМПРОМИСС — СОЮЗНИК КОНСТРУКТОРА

Экранолет должен быть легким и в то же время прочным, технологичным в изготовлении, надежным в эксплуатации. Наконец, он должен быть дешевым.

Задавшись этими, порой взаимоисключающими требованиями, мы проанализировали ряд возможных конструкций и пришли к выводу, что наиболее простым будет деревянный аппарат с широким применением авиационной фанеры, а также пенопласта, стеклоткани и других материалов.

Для крыла ЭСКА-1 подошел модифицированный профиль ЦАГИ Р-11-КЛАРК-У с плоским нижним обводом. Он хорошо зарекомендовал себя на исследованных моделях. Крыло имеет аэродинамическую и геометрическую крутку; относительная толщина профиля в корне крыла 10%, на конце 12,5%, а угол отклонения профиля от строительной горизонтали экранолета от корня к концу консоли уменьшается с 4,5 до 2,5°.

Крыло в плане треугольное. Положение центра тяжести на различных углах атаки и при изменении расстояния до экрана изменяется незначительно. Для поперечной устойчивости и управляемости на консолях имеются так называемые отъемные части крыла (ОЧК) — аэродинамические поверхности, оснащенные элеронами.

Интересный факт: многие экранолеты имеют прямоугольное крыло малого удлинения. Оно хотя и простое в изготовлении, но обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, положение центра давления у него зависит от угла атаки и расстояния до воды и колеблется в пределах 15—65% средней аэродинамической хорды. Во-вторых, при обтекании такого крыла с концевыми вертикальными плоскостями-шайбами всегда образуются воздушные вихри, увеличивающие сопротивление движению и ощутимо снижающие аэродинамическое качество. По этой причине мы от прямого крыла отказались.

Горизонтальное оперение. При его проектировании учитывали следующее: оперение, установленное за крылом малого удлинения, малоэффективно при выходе аппарата из зоны влияния экрана — увеличение скоса потока за крылом приводит к тому, что экранолет балансируется на больших углах атаки, и оперение оказывается в невыгодных условиях обтекания. Мы установили его на конце киля — самом отдаленном от крыла месте, где можно не бояться скоса потока. Размеры оперения выбраны такими, чтобы запас продольной статической устойчивости позволял экранолету летать и у экрана и на высоте.

Рис. 3. Зависимость аэродинамического качества от относительной высоты полета.

Рис. 4.  Силы,  действующие  в полете над водой.

Рис. 5. Обтекание крыла над экраном.

Так как ЭСКА-1 стартует с воды, то ему необходимы поплавки и глиссирующая поверхность корпуса-лодки. Это важнейшие части любого экранолета, с их помощью он развивает скорость, необходимую для отрыва от воды.

При разбеге аэродинамическое сопротивление быстро растет, потом подъемная сила крыла становится равной весу аппарата, сопротивление его уменьшается, и он отрывается от воды. У ЭСКА-1 максимальное сопротивление — около 70 кгс — отмечалось при скорости 20—25 км/ч (рис. 6).

Еще одна особенность гидродинамической компоновки ЭСКА-1 — на плаву вся задняя кромка крыла неглубоко погружена в воду и на скорости 40— 50 км/ч она действует как реданная поверхность. Большого волнового сопротивления не создается, и ход аппарата ровный, так как крыло опирается на множество гребешков волн. При скорости отрыва экранолет касается воды только реданом корпуса и крыло не испытывает ударных нагрузок…

Вот так, путем компромиссов и конструкторских ухищрений, мы и проектировали нашу машину. Но такой подход к проектированию оправдал себя: четыре года эксплуатации подтвердили разумное сочетание идей, заложенных в ее конструкцию.

КОНСТРУКЦИЯ ЭСКА-1

Фюзеляж экранолета — лодка. В ней размещены: кабина экипажа, приборы оборудование, топливо. Снаружи крепятся консоли крыла, двигатель с воздушным винтом и киль с горизонтальным оперением.

Основное в лодке — каркас, собранный из шпангоутов и стрингеров. Шпангоутов 15, сделаны они из сосновых реек, соединенных бобышками из липы и кницами из фанеры. Шпангоуты № 4, 7, 9, 12 и 15 — силовые. Самый нагруженный, пожалуй, девятый: к нему пристыкованы консоли крыла, а нижняя его часть служит уступом редана.

Стрингеры сосновые: 4 — сечением 20 X 20 мм и 12 — 16 X 10 мм. Снизу фюзеляжа, где борта стыкуются с днищем, проходят два скуловых стрингера из бука сечением 20 X 20 мм.

Важный элемент силового набора — коробчатый кильсон, расположенный ка днище лодки вдоль оси симметрии. Кильсон образован двумя полками (верхней и нижней), соединенными стенками из фанеры толщиной 2 мм. Ширина полок: 20 мм, толщина — переменная: в носовой части полки она равна 12 мм, в зоне родана — 20 мм. По всей длине кильсона его фанерные стенки подкреплены распорками.

Корпус обшит авиационной фанерой различной толщины: в носу — двух-миллиметровой, далее толщина постепенно увеличивается и и зоне редана достигает 7 мм. В целесообразности такого усиления мы убедились после столкновения с плавающей корягой. Мене» прочная обшивка не выдержала бы.

Ha бортах — фанера толщиной 2 мм, на гаргроте — 1 мм. Снаружи вся лодка оклеена слоем стеклоткани марки АСТТ(б)С, на эпоксидной смоле. Чтобы лодка не’ надирала воду и имела чистую гладкую поверхность, что важно для ее обтекания, обшивка зачищена, обработана эпоксидной шпаклевкой и окрашена синтетической эмалью, а затем покрыта слоем паркетного лака.

Большея часть оборудования и приборов экранолета размещена а носу лодки: буксирный крюк, ПВД — приемник воздушного давления ТП-156 (для замера скорости и высоты полета), штырь антенны радиостанции, аккумулятор.

В середине лодки — пилотская кабина. В ней друг за другом установлены два самолетных кресла с привязными ремнями и нишами для парашютов. Заднее кресло расположено вблизи центра тяжести экранолета, чтобы центровка машины меньше зависела от пассажира. Пол в кабине выполнен из листового полиэтилена, под ним размещена проводка управления элеронами, рулями высоты и поворота. Слева от пилотского кресла на панели находится ручка управления двигателем (сектор газа) и блок электротумблеров. В кабине, на шпангоуте № 4, крепится щиток приборов с указателями скорости, высоты, поворота и скольжения, а также вариометром, компасом, авиагоризонтом, тахометром, амперметром, вольтметром и индикаторы температуры головок цилиндров двигателя. Кабина закрыта прозрачным фонарем. Передняя его часть неподвижно закреплена на фюзеляжа, задняя — съемная. Замки фонаря позволяют легко открыть кабину. В аварийной ситуации экранолет можно бистро покинуть, сбросив фонарь. 

К шпангоуту № 10 на специальном ложементе подвешен топливный бак. Он притянут к ложементу металлическими лентами, обшитыми войлоком. Узлы крепления киля и вспомогательного лонжерона крыла смонтированы не шпангоуте № 15.

Для облегчения транспортировки и ремонта экранолета его крыло сделано в виде двух консолей, пристыкованных к лодке болтами М10. Передние и задние стыковочные узлы — кронштейны из стали 30ХГСА. Они связаны с полками лонжеронов болтами М5 и рассчитаны, как и саме крыло, ка четырехкратную перегрузку с коэффициентом безопасности 1,5, то есть общий запас прочности равен 6. Такого запаса вполне достаточно для нормальной эксплуатации аппарата.

Консоль представляет собой однолонжеронную конструкцию с задней вспомогательной стенкой, четырьмя стрингерами к девятью нервюрами.

Рис. 6. Зависимость располагаемой тяги и аэродинамического сопротивления от скорости полета:

А — аэродинамическое сопротивление, Г — гидродинамическое сопротивление, С — суммарное, Т — располагаемая тяга, И — избыток тяги; а — режим плавания, б — глиссирование, в — преодоление «горба» сопротивления, г — отрыв от воды, д — полет.

Рис. 7. Поляра ЭСКА-1 на разных высотах.

Рис. 8. Распределение давления на профиле крыла.

Основной лонжерон состоит из двух полок, стенок и диафрагмы. Верхняя полка имеет толщину 34 мм у корня и 18 мм у конца лонжерона, нижняя — соответственно 25 и 18 мм. Ширина полок 38 мм по всему размаху. Склеены полки из набора сосновых реек эпоксидной смолой в специальном зажимном стапеле. Стенки лонжерона — на фанеры ВС-1 толщиной 1,5 мм. Причем для равной прочности волокна наружных слоев фанеры сориентированы под углом 45° к оси лонжерона. Диафрагма сделала из сосновых планок сечением 34X8 мм, приклеенных к полкам с помощью уголков из липы. Строительная высота лонжерона по размаху определяется толщиной профиля крыла.

Нервюры № 1, 2, 3, 4 и 5 — ферменной и ферменно-балочной конструкции из сосновых полок и раскосов, связанных между собой фанерными косынками. Нервюра № 1 — силовая, сплошная, на ней расположены узлы крепления консоли крыла. Нервюры № 6, 7, 8 и 9 — балочной конструкции, с полками из сосны и стенками из фанеры толщиной 1.5 мм.

Вспомагательный задний лонжерон подобен’ основному. Полки его — постоянной ширины 32 мм. Толщина верхней полки у корня лонжерона 20 мм, на конце — 12 мм; толщина нижней — соответственно 15 и 10 мм. С обеих сторон лонжерон обшит миллиметровой авиационной фанерой.

ОЧК расположена на конце консоли под углом к ней. Под фанерной обшивкой скрыты два лонжерона, носовой стрингер и шесть нервюр. Передний лонжерон коробчатого сечения с полками 25 X 12 мм и стенками из фанеры толщиной 1 мм. Задний лонжерон-швеллер с такими же полками и стенкой.

Элерон щелевого типа состоит из лонжерона, переднего, заднего стрингеров и пяти балочных нервюр. Лонжерон-швеллер с полками 15X10 мм и фанерной стенкой толщиной 1 мм. К лонжерону приклеены сосновые бобышки для установки на них узлов подвески элерона.

Внутренние полости крыла дважды покрыты олифой. Крыло ОЧК и элероны снаружи обтянуты полотном АСТ-100, покрыты четырьмя слоями лака НЦ-551 и окрашены белой алкидной краской.

Устойчивость на воде экранолету придают поплавки из пенопласте ПХВ-1. Оми оклеены слоем стеклоткани АСТГ(б)С, и прикреплены болтами М5 к консоли крыла не четырех ушках из стали 30ХГСА.

Хвостовое оперение — киль с рулем поворота и водяным рулем и стабилизатор с рулем высот. Киль обшит миллиметровой фанерой и представляет собой обычную конструкцию из двух лонжеронов, восьми нервюр и носка. Задний лонжерон-швеллер с сосновыми полками 28X14 мм и стенкой ка фанеры толщиной 1,5 мм. Передний лонжерон того же типа, что и задний, только полки у него поменьше — 14X34 мм. Для уменьшения малковки носки килевых нервюр изломаны и образуют с передней кромкой киля почти прямой угол.

Руль поворота состоит из обшитого фанерой носка, лонжерона, хвостового стрингера и тринадцати нервюр. Руль обшит тканью АСТ-100 и подвешен к килю в двух точках.

Стабилизатор в плане — трапециевидной формы, профиль его симметричный НАСА-0009, угод установки плюс 5° от строительной горизонтали экранолета. Каркас стабилизатора собран из лонжерона вспомогательной стенки переднего стрингера и 13 нервюр. Стабилизатор крепится болтами на четырех ушках киля. Носик стабилизатора зашит фанерой БС-1 толщиной 1 мм.

Лонжерон стабилизатора коробчатого сечения о сосновыми волками 20X12 мм и стенками из миллиметровой фанеры. На лонжероне есть два ушка для крепления подкосов из алюминиевых труб каплевидного сечения. Трубы придают жесткость комбинации «киль — стабилизатор».

Руль высоты аналогичен рулю поворотов; подвешивается к стабилизатору в трех точках. Руль и стабилизатор обтянуты тканью АСТ-100, покрыты краской и аэролаком.

Винтомоторная установка включает четырехтактный карбюраторный двухцилиндровый мотоциклетный двигатель М-63 мощностью 32 л. с., специальный понижающий зубчатый редуктор с передаточным отношением 1 : 2,3, деревянный воздушный винт СДВ-2 фиксированного шага Ø1,6 м и моторную раму из стальных труб Ø 26 мм.

Двигатель крепится к мотораме болтами М8 через резиновые амортизаторы и установлен за кабиной экипажа на узлах силовых шпангоутов № 9 и 12. В режиме максимальной мощности двигатель развивает 4700 об/мин. От редуктора воздушный винт получает 1900—2100 об/мин. Это соответствует 95—100 кгс тяги.

Запуск винтомоторной установки осуществляется электростартером СТ-4. Он установлен на двигателе и через шестерни вращает его распределительный вал. Источником питания электростартера служит аккумулятор САМ-28 с напряжением 12 В. Чтобы система зажигания работала надежно, двигатель оборудован магнето «Катэк» с приводом от распределительного вала через промежуточный вал-удлинитель.

Стандартные карбюраторы не удовлетворяли нас своей несогласованной работой, особенно при резких изменениях режимов работы двигателя. Мы заменили их на один карбюратор  «Вебер-32 ДСР».

Как видите, конструкция ЭСКА-1 в принципе несложна. Преобладают дерево, фанера, ткань. Металлические детали сведены к минимуму, и на их изготовление идут недефицитные марки сталей и сплавов. Внешне экранолет тоже довольно прост, сложных криволинейных поверхностей мало. Поэтому, как мы считаем, ЭСКА-1 легко воспроизвести тем, кто намерен строить экранолет, взяв за основу именно такую деревянную конструкцию.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ЭКРАНОЛЕТА ЭСКА-1

Размах, м……………6,9

Длина, м……………7,8

Высота, …………….2,2

Корневая хорда крыла, м……..4,11

Концевая хорда, м………..1,0

Сужение крыла …………4,11

Удлинение …………..1,996

Средняя аэродинамическая хорде (САХ), м . 2,873

Площадь крыла, м2……….13,15

Общая несущая площадь, м2……13,39

Площадь горизонтального оперения, м?. . . 3,0

Площадь вертикального оперения, м; . . . . 3,6

Месса конструкции, кг …….234

Полная полетная масса, кг……..450

Нагрузка на крыло, кг/м2………39,5

Мощность двигателя, л. с……….32