Аэросани-амфибия

 

Изобретение относится к амфибийной транспортной технике и может использоваться при создании аэросаней-амфибий, предназначенных для движения как по снежной, так и по водной поверхностям. Аэросани-амфибия содержат корпус-лодку, рулевое устройство и тормоза, а также приводимые двигателем тянущие соосные винты. Эти винты установлены под отрицательным углом атаки к набегающему воздушному потоку. Соосные винты могут быть оборудованы автоматами перекоса и механизмом общего и дифференциального шагов. Для движения по снегу могут устанавливаться на сменных балках лыжные опоры. Для движения по воде целесообразно вместо балок устанавливать поплавки. Для торможения целесообразно использовать реверс тяги винтов. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении топливной эффективности и проходимости аэросаней-амфибии при эксплуатации, а также в повышении надежности и эффективности управления аэросанями-амфибией. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к транспортным средствам, в частности к устройствам, предназначенным для движения как по снежной, так и по водной поверхностям.

Известны аэросани, состоящие из корпуса, лыжных опор и двигателя, установленным на его валу толкающим пропеллером (Н.И. Евстюшин. Развитие аэросанного транспорта в СССР, Академия наук СССР, Москва, 1959 г.) - [1].

Известны аэросани-амфибия также с толкающим пропеллером, у которых плоскокилеватое днище выполнено с лыжеобразным срезом килеватой части по всей длине корпуса (Авторское свидетельство N 279353, СССР, кл. 63 K 22, МКИ B 60 T 3/00) - [2].

Известны аэросани-амфибии в виде плоскокилеватой лодки, на которой движителем также является толкающий пропеллер (Большая советская энциклопедия. Изд. III, M., 1970 г., стр. 461; Авторское свидетельство N 212082, СССР, B 63 B 1/22) - [3].

Указанные аэросани-амфибии [2], [3] имеют также рулевое устройство в виде отклоняющихся пластин и тормоза [1].

К недостаткам этих амфибий можно отнести: - низкую топливную эффективность; - низкую эффективность рулей.

1. Топливная эффективность определяется величиной мощности, потребляемой винтом. Известно, что для получения одной и той же тяги винт с большим диаметром потребляет меньше энергии. При скоростях движения V ~ 0 справедлива формула H.Е. Жуковского T = (33,25·ζ·η·N·Д)^2/3, где Т - тяга винта; N - мощность двигателя; D - диаметр винта; ζ, η - коэффициенты, учитывающие потери мощности в приводе винта (Вертолеты, Расчет и проектирование 1, Аэродинамика, M.Л. Милль и др., 1966 г., стр. 38) - [4].

При больших скоростях движения зависимость более сложная, но увеличение (в определенных пределах) диаметра также ведет к уменьшению потребляемой мощности.

В конструкциях указанных аэросаней и амфибий применение пропеллера большого диаметра затруднено, так как тяга пропеллера создает пикирующий момент, который прямо пропорционален радиусу пропеллера. Наличие большого пикирующего момента затрудняет глиссирование лодки на редане и увеличивает нагрузки на передние опорные поверхности. Для парирования момента в конструкциях аэросаней и амфибий передние опорные поверхности выносят далеко вперед от центра массы, что увеличивает габариты и вес устройства.

2. Рулевое управление известных устройств осуществляется подвижными пластинами, отклоняющими поток воды или снега. Эффективность таких рулей зависит от скорости движения устройства и резко снижается при уменьшении скорости. Кроме того, в процессе движения не исключаются повреждения пластин твердыми предметами, встречающимися на дорожной трассе.

Техническим эффектом от применения изобретения является: - повышение топливной эффективности и проходимости; - повышение эффективности управления.

Это достигается следующим:
1. Применением в качестве движителя тянущих соосных винтов, установленных под отрицательным углом атаки T_y = Tcosα. к набегающему потоку. Компоновка амфибий с величинами углов атаки, близкими к -45·, обеспечивает как применение винтов большого диаметра, так и совмещение оси винтов с точкой приложения равнодействующей сил реакции "земли", что позволяет уменьшить потребляемую винтом мощность и уменьшить до 0 пикирующий момент от его тяги.

Несмотря на то, что движущей силой наклонного винта является только горизонтальная составляющая тяги KПД = (T_x+μT_y)V/N, увеличение КПД достигается как снижением индуктивных скоростей, так и снижением сопротивления движению от действия вертикальной составляющей μ
Если для пропеллера
КПД = T ^o V/N,
то для винтов с наклонной осью
α
где α - коэффициент сопротивления движению, пропорциональный весу амфибии;
V - скорость движения амфибии;
N - мощность, потребляемая винтом.

2. Рулевое управление амфибией осуществляется применением на устройстве соосных несущих винтов с автоматами перекоса и механизмом общего и дифференциального шага (МОДШ), идентичными примененным на вертолете Ка-26 (А.Ф. Вахитов. Вертолет Ка-26, М., Транспорт, 1973 г.) - [5].

Такая конструкция управления винтом позволяет изменять направление вектора тяги и крутящий момент винтов соответствующим управлением дифференциальным и циклическим шагом винтов. Изменением направления векторов тяги и крутящего момента обеспечивается рулевое управление амфибией.

Возможность реализации изобретения поясняется на примере технического решения устройства с углом атаки углов T_x = Tsinα, = -45^o.

На фиг. 1 изображены виды на устройство сбоку и сверху. Винт изображен схематически, а на виде сверху условно не показан. На фиг. 2 изображен вид спереди. Линиями наложенного контура показаны контуры поплавков. На фиг. 3 приведены графики КПД движителя - наклонного воздушного винта, рассчитанные для движения по снегу аэросаней со следующими данными: масса = 1200 кг; μ = 0,1 и 0,2; V = 0...100 км/ч; C²S = 1,2 м^o; Д = 5 м; α = -45^o. Для сравнения показан график КПД пропеллера аэросаней ОСГА-6, приведенный в [1] - стр. 167.

Корпус 1, включающий в себя кабину для пассажиров и водителя, мотоотсек с двигателем 2 и багажник, опирается на две разнесенные по бортам балки 3 с лыжными опорами 4. В целях облегчения поворота носовые лыжи имеют округления боковых кромок подошв.

Для движения по воде вместо балок с лыжными опорами устанавливаются поплавки 5, имеющие по два редана 6. Двигатель 2 посредством фрикционной муфты, входящей в состав двигателя, и трансмиссионного вала 7 соединен с редуктором 8. На соосных правого и левого вращения валах редуктора установлены соответствующие соосные винты 9, автоматы перекоса и механизм общего и дифференциального шага (МОДШ), которые на фигурах не изображены, но конструкции которых описаны в [4] - стр. 56 - 58 и 58 - 65. Редуктор установлен таким образом, что оси его валов либо совпадают, либо проходят вблизи точки приложения равнодействующей сил реакции "земли", а угол атаки винтов α = -45.

После запуска двигателя 2 водитель с помощью фрикционной муфты приводит во вращение винты 9 и, увеличивая шаг винтов и мощность двигателя, увеличивает тягу винтов, что позволяет разогнать амфибию до крейсерской скорости и двигаться с этой скоростью.

Путевое управление осуществляется как азимутальным изменением направления вектора тяги винтов (циклическое изменение шага винтов автоматом перекоса), так и дифференциальным изменением крутящего момента винтов с помощью МОДШ. Последнее увеличивает поворачивающий момент, действующий на корпус амфибии и одновременно уменьшает кренящий момент от действия боковой составляющей тяги. С помощью автомата перекоса водитель может изменять направление вектора тяги также и в вертикальной плоскости, что применяется для облегчения переезда амфибий через препятствия, а также для предотвращения повреждения лопастей кустарником и т.д. Так как линия действия вектора тяги в установившемся движении проходит вблизи точки приложения равнодействующей сил реакции "земли", то отсутствует постоянно действующий пикирующий и другие моменты, а возможность управления уравновесить крутящие моменты винтов позволяет амфибии дрейфовать на воде с работающими винтами при тяге, равной 0.

Для торможения амфибии используется реверс тяги.

Как показывают расчеты (фиг. 3), разница КПД движителя (наклонного винта) предложенного варианта амфибии и КПД пропеллера известных аэросаней ОСГА-6 тем больше, чем больше сопротивление движению (μ) и меньше скорость. Так, на скорости 20 км/ч при μ = 0,2 КПД наклонного винта превышает КПД пропеллера на 48%. Это говорит о большей проходимости устройства с наклонным винтом, чем с пропеллером.

Технико-экономический эффект от применения амфибии по сравнению с известными ожидается следующий:
- более высокая топливная эффективность;
- более высокая проходимость и маневренность.

Эти свойства амфибий позволяют организовать на Крайнем Севере и тундровых районах как регулярное транспортное сообщение, так и транспортное обеспечение различных экспедиций.

Формула изобретения

1. Аэросани-амфибия, содержащие корпус-лодку, винт, приводимый двигателем, рулевое устройство, тормоза, отличающиеся тем, что тянущие соосные винты установлены под отрицательным углом атаки к набегающему воздушному потоку.

2. Аэросани-амфибия по п.1, отличающиеся тем, что соосные винты оборудованы автоматами перекоса и механизмом общего и дифференциального шагов.

3. Аэросани-амфибия по п.1, отличающиеся тем, что для движения по снегу установлены на сменных балках лыжные опоры, а по воде - вместо балок установлены поплавки.

4. Аэросани-амфибии по п.1, отличающиеся тем, что для торможения используется реверс тяги винтов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3