РАЗВИТИЕ ЭКРАНОПЛАННОГО ТРАНСПОРТА

Виктор Георгиевич Сергеев

(Окончание. Начало в № 4, 5 - 2007)

Часть 3. Стадии развития экранопланного транспорта с точки зрения понимания физики и особенностей экранного эффекта

В настоящее время развитие экранопланов достигло уровня серийного производства только в классе 1.1 эксплуатации над поверхностью воды. Но даже для достижения такого уровня потребовалось более 40 лет: от испытаний в 1935 г. первого известного широкой публике аппарата, предназначенного для эксплуатации над экраном (аэросани финского инженера Т. Каарио) до выпуска малой серии экранопланов (Х-114, ТАВ-7, десантных экранопланов "Орленок").

Экранопланный транспорт работает в условиях существенно нелинейной зависимости основных характеристик от параметров, и поэтому является новым видом техники. Начальный этап развития нового вида техники, соответствующий определенной стадии его жизненного цикла, с точки зрения глубины познания (понимания) используемых в данном виде техники и взаимодействующих между собой законов природы (что в философии техники получило название "техническая закономерность", а для вида техники - "видовая техническая закономерность") можно разделить на несколько стадий. При этом различия в способах реализации видовой технической закономерности приводят к возникновению классов техники.

Первая стадия - возникновение и осознание обществом потребности, зарождение идей, попытки их воплощения в техническом объекте, формирование видовой технической закономерности, создание первого испытанного действующего объекта техники.

Вторая стадия - накопление идей реализации видовой технической закономерности, попытка их осуществления методом проб и ошибок, копирования и подобия, создание экспериментального объекта техники, в котором решены основные проблемы видовой технической закономерности, и который в дальнейшем признается "классическим".

Третья стадия - широкое научно-техническое исследование видовой технической закономерности, выявление проблем и создание экспериментальных объектов техники, создание серийного объекта техники.

Четвертая стадия - серийное производство объектов техники, выявление и изучение возможных областей применения и условий эксплуатации, создание теории и норм (правил) проектирования вида техники, создание нового класса вида техники.

Пятая стадия - расширение областей применения и условий эксплуатации вида техники путем создания серийных образцов ее новых классов.

Таким образом, с точки зрения понимания видовой технической закономерности экранопланный транспорт в настоящее время находится на переходе от четвертой к пятой стадии развития.

Часть 4. Перспективы развития экранопланного транспорта

Объективными причинами возникновения экранопланного транспорта являются высокие скорости передвижения и большое аэродинамическое качество. При этом указанные параметры существенно зависят от условий эксплуатации.

Повысить эффективность использования экранного эффекта можно путем уменьшения относительной высоты полета, что требует увеличения размеров экранопланов, а также за счет создания экранопланов-поездов, предназначенных для движения над специально спрофилированным твердым экраном, выполняющим функцию направляющих.

Большинство созданных экранопланов реализуют повышение эффективности использования экранного эффекта путем уменьшения относительной высоты эксплуатации над водной поверхностью.

Экранопланы могут эпизодически эксплуатироваться и над ровной твердой поверхностью без резкого перепада высот микрорельефа и уклоне до 5°.

Оснащение судов на подводных крыльях воздушным крылом, реализованное, например, на экраноплане "Циклон", увеличивает скорость движения (на экраноплане "Циклон" - до 180 км/ч) и аэрогидродинамическое качество СПК до величин 12...14. В проектах транспортных амфибийных платформ ТАП-500 и ТАП-700 использование экранного эффекта и поддува для создания воздушной подушки обеспечивает аэродинамическую разгрузку на 75...80 % и скорость движения 200...250 км/ч при аэрогидродинамическом качестве 10...12.

Использование экранного эффекта экранолетами ЭЛ-7 "Иволга", "Стриж" и др. существенно увеличивает аэродинамическое качество при движении на экранных высотах по сравнению с "самолетными" высотами полета при тех же скоростях, что расширяет область использования катеров при больших, недоступных водоизмещающим судам скоростях движения.

В представленных примерах экранопланы и экранолеты частично обладают свойствами наземного, водного и воздушного транспорта, область использования которого они расширяют. Это обстоятельство предопределяет разнообразие компоновочных решений экранопланов, с заимствованием технических решений от транспорта-прототипа, отражающих условия эксплуатации. Так, экраноплан "Волга-2" увеличивает качество быстроходных глиссирующих судов, катер-экраноплан "Циклон" увеличивает качество судов на подводных крыльях, проектные характеристики экранопланов ТАП-500, ТАП-700 обладают большими скоростями и качеством по сравнению с аппаратами на воздушной подушке, а экранолет ЭЛ-7 "Иволга" вблизи экрана имеет большее аэродинамическое качество по сравнению с винтовыми самолетами такой же размерности при равных скоростях полета.

При развитии экранопланного транспорта по пути повышения эффективности реализации экранного эффекта за счет создания специально спрофилированного твердого экрана, выполняющего функцию направляющих (экранопланы - поезда) основной задачей является повышение аэродинамического качества путем существенного уменьшения индуктивного сопротивления.

Максимальное снижение индуктивного сопротивления можно обеспечить путем предотвращения перетекания воздуха через зазоры между концами крыльев и стенками направляющих. Это позволяет повысить аэродинамическое качество до 100…150, приблизив его к качеству аэродинамического профиля вблизи экрана.

Такая величина качества сопоставима с сопротивлением величиной, обратно пропорциональной коэффициенту трения качения металла по металлу для поездов на железной дороге. Однако при увеличении скорости поезда к сопротивлению трения скольжения добавляется аэродинамическое сопротивление, которое на скорости более 200...300 км/ч становится основным. Кроме того, по мере увеличения скорости движения повышаются требования к жесткости и ровности пути, что заметно увеличивает капитальные затраты на возведение железнодорожных путей. Поэтому переход на бесконтактное движение поездов с использованием аэродинамических сил представляется перспективным.

Таким образом, использование экранного эффекта в системе "экраноплан-направляющие" может служить основой для создания транспортной системы, эффективность которой близка к рельсовому транспорту при авиационных скоростях полета, а себестоимость существенно ниже из-за низких капитальных затратах на подготовку направляющих (на которые действует нагрузка, примерно равная нагрузке на крыло экраноплана, т.е. 4000...5000 Н/м²).

Для создания конкурентоспособных экранопланов-поездов необходимо выполнить комплекс научно-исследовательских и экспериментальных работ. В частности, необходимо исследовать и разработать: поперечный профиль направляющих и конфигурацию экраноплана-поезда, способные обеспечить путевую и продольную устойчивость движения и реализацию высокой транспортной эффективности; аэродинамическую и конструктивную компоновки экраноплана-поезда, возможности повышения его аэродинамического совершенства; требования к компоновке экраноплана-поезда в системе "экраноплан-направляющие", а также к трассе и продольному профилю направляющих, прочности и ровности их поверхности.

Комплекс исследований должен завершиться созданием экспериментальных и коммерчески успешных опытных образцов высокоскоростной транспортной системы.

Указанные исследования необходимо проводить на экспериментальном стенде в необращенном движении (модель движется над поверхностью). Цель исследований - обеспечение компоновочными методами минимальных перетоков воздуха с нижней на верхнюю поверхность крыла в зазоре между крылом и боковой стенкой направляющих и снижение поперечных течений вдоль размаха крыла экраноплана.

Проведенные исследования позволят перейти к разработке обоснованного технического задания на создание экспериментального образца высокоскоростной системы, предположительно с радиусом (плечом) действия в 15...25 км (например, между карьером и потребителем полезного ископаемого: угля, руды, песка и т.п.). Опыт всесезонной эксплуатации (1-2 года) экспериментальной высокоскоростной системы позволит уточнить требования технического задания, разработать опытную высокоскоростную транспортную систему, преимущественно для грузовых перевозок, а затем и серийные транспортные системы для грузовых и пассажирских перевозок.

Преимущества экранопланов-поездов, кроме высокой транспортной эффективности, обеспечиваются существенно меньшими затратами на создание путей-направляющих по сравнению с существующим железнодорожным полотном. Кроме того, в силу физики экранного эффекта неровности полотна, возникающие, например, в результате морозного пучения грунтов, или в зоне вечной мерзлоты, могут составлять до 30…50 см. Очевидно, что капитальные затраты на создание и обслуживание такой трассы, например, до Якутска, будут многократно ниже, чем для традиционного железнодорожного полотна.

Созданные стенды для экранопланов поездов будут использоваться при создании экраноплана-вездехода. Цель исследований - выявление физических принципов, обеспечивающих устойчивость, управляемость и приемлемые ходовые характеристики экраноплана, способного совершать полеты над поверхностью с нерегулярным микрорельефом, характеризующимся резкими изменениями относительной высоты. В результате проведения поисково-исследовательского цикла работ можно будет определить ряд обликов компоновки экраноплана-вездехода. При использовании ее, например, в сельскохозяйственном варианте, схема практически применима и имеет неоспоримые преимущества по сравнению с самолетами, вследствие существенно меньшего сноса химреактивов за границы поля, увеличения ширины обработки и снижения расхода топлива. Сравнение аэродинамических характеристик и устойчивости выбранных вариантов компоновок позволит сузить круг исследований до 1-2 компоновок, возможно, отличающихся используемыми физическими принципами обеспечения устойчивости (например, компоновочными методами и путем использования систем автоматического демпфирования и управления).

Очевидно, что реализация научно-исследовательских и экспериментальных работ в обеспечение создания экранопланов-вездеходов и экранопланов-поездов возможна при условии демонстрации преимуществ таких аппаратов перед существующими транспортными средствами. Для развития таких инноваций необходимо устойчивое финансирование начиная с НИЭР вплоть до начала серийного производства, и только после начала серийного производства транспортных систем затраты начнут окупаться и приносить прибыль. Однако, создатели таких транспортных средств займут лидирующие позиции на данных сегментах рынка, и обеспечат решение задач по созданию транспортной сети в регионах вечной мерзлоты или пучинистоопасных грунтов с многократно меньшими затратами по сравнению с существующим наземным транспортом. Публикация зарубежных патентов (патент КНР № 1222466, 1999 г., патент США №6216599, 2001 г. и др.) по экранопланам-поездам свидетельствует о проведении в зарубежных странах работ в этом направлении. Сможем ли мы себе такое позволить?

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]