Наземная высокоскоростная транспортная система, включающая многофункциональный магистральный экранолет
Владельцы патента RU 2677215:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта (МИИТ)" РУТ (МИИТ) (RU)
Изобретение относится к транспортным системам. Наземная высокоскоростная транспортная система включает многофункциональный магистральный экранолет, содержащий эллиптический фюзеляж с неубирающимися шасси, расположенными под фюзеляжем, верхние несущие крылья. В центральной и хвостовой части фюзеляжа смонтированы двухконтурные двигатели с тяговыми винтами, выполненные с возможностью приведения во вращение вспомогательных систем и механизмов, установленные на ходовой части, содержащей прямоугольную в плане раму с продольными и поперечными балками, опирающуюся на ходовые колеса. В хвостовой части установлено соответственно горизонтальное оперение с рулем. Транспортная система включает также эстакаду с опорой, на которой размещены параболические направляющие, образующие совместно с крыльями камеры воздушной подушки симметричные оси фюзеляжа. На верхних краях указанных направляющих прикреплены токосъемные накладки из композитных материалов. В результате упрощается конструкция транспортной системы, повышаются аэродинамические качества транспортного средства. 2 ил.
«Область техники, к которой относится изобретение »
Изобретение относится к области авиационной техники пассажирского и грузового исполнения, а именно для создания многофункциональных магистральных транспортных средств на управляемой динамической воздушной подушке, использующим экранный эффект при всем движении на 3-х параболических направляющих с токосъемами в наземном и эстакадном исполнений.
Важнейшей характеристикой изобретенного магистрального экранолета является так называемая «привязка» к экрану при полете, с высотой полета не более 1,5 метра, характеризующая способность экранолета в процессе полета по криволинейным, например, параболическим направляющим наземного и эстакадного исполнения, в том числе под действием различного рода возмущений, не выходя за пределы экранного эффекта, что позволяет высокую надежность и безопасность полета.
Изобретение позволяет увеличивать кривизну профиля крыла с параболическими направляющими образуя разомкнутый пологий эллипс по всему пути полета. Такой симбиоз конструктивного решения позволяет резко повысить устойчивость полета экранолета и действия экранного эффекта, что в сочетании с поддувом под крыло от тяговых винтов обеспечивают высокое аэродинамическое качество и устойчивость полета.
В связи с наличием малой относительной толщины профиля криволинейного типа крыла в виде усеченного конуса и 3-х параболических направляющих наземного и эстакадного исполнения совместно образуя пологий эллипс, позволили 12 кратное увеличение уплотнения воздуха под экранолетом. Эти отличительные признаки ранее не были известны из патентной научно-технической литературы. Фиг. 1 и 2.
«Уровень техники»
Прототипами предлагаемого изобретения являются патентные документы РФ №2081014 от 1992.07.06. Экранолет типа «летающее крыло», в которых несущее крыло опирается своими концами на два поплавка. Достоинством такой конструкции является высокое аэродинамическое качество, возможность использования объема самого крыла для размещения конструктивных элементов и оборудования. Основным недостатком технические трудности, которые надо преодолеть для придания продольной и боковой устойчивости при повороте, а также не адаптивности движение в замкнутом пространстве.
Следующее изобретения патент РФ под №2099217 от 1995.12.29, заслуживающее внимание, экранолет, выполненный по схеме «составное крыло», содержащий центроплан, соединенный с центропланом по схеме «низкоплан», консоли, установленные вблизи задней кромки центроплана и установленное на нем силовую установку, включающую двигатели. Недостатком является неэффективность известной схемы обдува с малым давлением под крылом, обусловленная обособленной компоновкой воздушного винта и крыла-консоли.
Несмотря на достоинства такого экранолета, недостатком его является толстый аэродинамический профиль крыла с большим лобовым сопротивлением и сложная конструкция крыла с кольцевым каналом и воздухозаборником. Кроме того, при больших скоростях возможно возникновение противотока воздуха в канал и воздухозаборник, что может привести к непредсказуемым последствиям.
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является экранолет по патенту РФ №2108932 от 1998.15.09, - наземное транспортное скоростное магистральное устройство. Изобретение относится к транспорту и касается конструирования наземных транспортных скоростных магистральных устройств для перевозки людей и легковесных грузов, состоящее из эстакады на опорах с двутавровыми направляющими балками и летательного аппарата с двумя воздушными винтами, приводимыми во вращение электродвигателями и создающими тягу, отличающееся тем, что по центру эстакады проложен токосъемное устройства с тоководами, ограничивающий отклонение летательного аппарата в горизонтальной плоскости, двутавровые направляющие балки проложены по краям эстакады, а их нижние и верхние поверхности ограничивают отклонение летательного аппарата в вертикальной плоскости.
Недостатком вышеуказанного изобретения заключения в том, что разработанная конструкция эстакады с двутавровыми направляющими балками для колес не дает возможности маневра в продольном и боковом направлении управления экранолетом, и в случае резкого порыва бокового ветра, произойдет заклинивания экранолета между балками.
По сравнению с прототипом предложен новый вид экранолета с двухконтурной электротягой с малыми шумами и токосъемами с верхней кромки параболических направляющих. Упрощена конструкция экранолета из-за отсутствие топливных баков, гидросистем для убирания шасси, исключения мероприятий по созданию статической воздушной подушки, в то же время, повышение действия экранного эффекта в десятки раз, обусловленное аэродинамическим профилем крыла заданных параметров с тремя составными параболическими направляющими в сочетании с поддувом под фюзеляжем и крылом от тяговых двигателей, что обеспечило высокое аэродинамическое качество прототипа.
«Раскрытие изобретения»
Задачей предлагаемого нового вида экранолета является повышение эффективности его безопасной эксплуатации на поверхности с эллиптической формой направляющих, упрощение конструкции и обеспечение возможности использования его на высотах от опорной поверхности при повреждения направляющего профиля, превышающих высоту создаваемой им воздушной подушки. Многофункциональный до звуковой летательный аппарат содержит одноэтажную трубчатую раму, три поперечины жесткости и опоры двигателя, скрепленные отлитыми захватами и устройством двухстороннего крепления редукторов к литьевым захватам.
Эта задача достигается тем, что экранолет, содержащий фюзеляж и расположенным над ним верхними несущими крыльями, а также шасси с неубираемыми опорными элементами, смонтированным в его центральной и хвостовой части двигателем с электротяговым винтом и установленными в его хвостовой части горизонтальным с рулем высоты и вертикальным с рулем направления оперениями. Экранолет снабжен составным из образующих камеру воздушной подушки симметричных оси фюзеляжа правой и левой секций выпуклым экранным крылом малого удлинения и аккумуляторной батарей. При этом на верхних краях указанных направляющих прикреплены токосъемные накладки из композитных материалов.
Целью предлагаемого изобретения является повышение аэродинамического качества многофункционального магистрального экранолета летящего по параболическим направляющим в наземном и эстакадном исполнении. Указанная цель достигается тем, что экранолет состоит из эллиптической формы фюзеляжа большого диаметра без убирающихся элементами шасси и расположенного над ним верхнего несущих криволинейных крыльев. В центральной части фюзеляжа и крыла в виде усеченного конуса, а также в верхней хвостовой части смонтированы электродвигатели с тяговым винтом для поддува по всей плоскости экранолета, а в его хвостовой части установлены горизонтальное и вертикальное оперения соответственно с рулями высоты и направления.
Предлагаемое транспортное устройство объединяет преимущества движущегося летательного аппарата и высокоскоростных железнодорожных магистралей типа "Маглева", (например, "Трансрапид", "Shinkansen", "Геосамалет" компании Фудзита, а также разработки американской компании "Трансконтиненталь", но имеет высокие экономические и экологические показатели. В связи с вышеизложенным, предлагаемое изобретение должно отвечать следующим требованиям:
- возможность строительства магистралей с современным комфортом в любых физико-географических условиях (степь, тайга, тундра, пустыня, болото, горы), где обычные железные дороги, аэропорты, автодороги построить экономически нецелесообразно или невозможно;
- использование альтернативных источников энергии; высокая скорость движения (450 км/час);
- гарантированная круглосуточная и круглогодичная эксплуатация при любых неблагоприятных метеорологических условиях (туман, снегопад, метель, гололед, ливень, ветер);
- минимальное отчуждение земель под строительство, соблюдение экологической безопасности;
- надежная гарантия от возможных катастроф и дорожно-транспортных происшествий, обеспеченная конструктивными решениями;
- низкая стоимость строительства, быстрая окупаемость и рентабельность; конкурентоспособность на внешнем рынке.
«Краткое описание чертежей»
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен общий вид экранолета; на фиг. 2 - вид спереди, поперечный разрез трассы.
Экранолет состоит из эллиптического фюзеляжа 1 с неубирающимися шасси 2, расположенными под фюзеляжем, верхними несущими крыльями 3. В центральной и хвостовой части фюзеляжа 1 смонтированы двухконтурные двигатели 4, с тяговыми винтами, а в его хвостовой части установлены соответственно горизонтальное оперение с рулем 6. На опоре эстакады 7 размещена параболическая направляющая 8, образующая совместно с крыльями 3 камеры воздушной подушки, симметричные оси фюзеляжа. На верхних краях указанных направляющих прикреплены токосъемные накладки из композитных материалов. Размах экранного крыла 3 равен размаху L нижнего несущего полукрыла, выполненного с размахом L, меньшим в 1,5-2,5 раза по сравнению с размахом верхнего несущего крыла. Центральные части нижних поверхностей правой и левой секций выпуклого экранного крыла малого удлинения расположены ниже оси вращения тягового винта на 0,15-0,25 D последнего. Радиус кривизны R нижних поверхностей правой и левой секций выпуклого экранного крыла малого удлинения и площадь S проекции в
«Осуществление изобретения»
Конструкции первых экранопланов и экранолетов, несмотря на разнообразие и внешнюю экзотичность форм, не отличались утонченностью проработки. По тем временам не существовало стройной теории экранного полета. Поэтому экранолеты создавались на основе большого числа экспериментальных данных, и аппараты, естественно, получались несовершенными. Сложной задачей - стала проблема продольной устойчивости. Данную задачу в 1964 г. решил авиаконструктор А. Липпиш.
Первые серьезные предложения по использованию аэрогидродинамических сил для движения скоростных судов принадлежит гениальному инженеру Р.Е. Алексееву. Важно также отметить, что именно в его схемах компоновки экранопланов уже были заложены основные принципы обеспечения продольной и боковой устойчивости движения вблизи экрана - тех проблем, которые не удалось решить изобретателям экранопланов 30-х гг.
Характерная зависимость коэффициента подъемной силы от его отстояния до опорной поверхности (экрана) 
где 
- относительная высота (b - хорда крыла с фюзеляжем).
Для реализации максимальных значений с 
выгодно использовать минимальную высоту, при которой значение производной с 
достаточно велико. Значительная величина этой производной создает продольной и боковой устойчивости. Продольная устойчивость характеризуется величиной отношения приращения подъемной силы к высоте. Дальнейший процесс совершенствования был направлен на преодоление этих недостатков и применен система «поддув» реактивными двигателями под несущее крыло.
Высокий эффект от поддува, когда один килограмм тяги двигателя обеспечивал возникновение до 10 кг подъемной силы, создал предпосылки для значительного снижение взлетно - посадочных скоростей экраноплана и повышению весовой отдачи. Такая система получила впоследствии наименование «самолетной».
Чтобы экранолет летал, а пилот не боялся перевернуться, необходимо выбором аэродинамической компоновки добиться положения фокуса по высоте (XFн) перед фокусом по углу атаки (XFa), что в математическом расчете выражается как неравенство:
XFн-XFa<0
В этом случае самой важной характеристикой экранолета является так называемая «привязка» к экрану, характеризующая способность экранолета в процессе полета, в том числе под действием различного рода возмущений, не выходить за пределы экранного эффекта. «Привязка» экранолета к экрану в значительной степени определяется градиентом (производной) изменения его подъемной силы по высоте экранного полета 
Например, - в случае внезапного порыва ветра экранолет прижмет к эстакаде, приращение подъемной силы в фокусе по высоте относительно центра тяжести создает пикирующий момент. Угол атаки из положительного превратится в отрицательный, в этот момент в фокусе по углу атаки появится отрицательное приращение, восстанавливающее равновесие. Эффект экрана связан с тем, что возмущения от крыла достигают земли, отражаются и успевают дойти до крыла. Таким образом, рост давления под крылом получается большим. Скорость распространения волны давления равна скорости звука.
Таким образом, подтверждено благоприятное влияние экрана на несущие свойства крыла, что дало толчок появлению высокоскоростные низколетящие суда, используя при движении благоприятный эффект влияния экрана на их несущие свойства.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания по экранолету:
1. Белавин Н.И. "Экранопланы", Л.: Судостроение, 1977 г.
2. Качур П.И. Аннотированный сборник патентов, №50. - М., 1977.
З.Васильев Э.В. Транспортные суда - экранопланы. Концепция транспортных систем на базе экранопланов. Нижний Новгород, - 2008.
4. Жуков В. И. Особенности аэродинамики, устойчивости и управляемости экраноплана. М.: Издательский отдел ЦАГИ, 1997.
5. Lange R.Н. and Moor J.W. Large wing-in-ground effect transport aircraft. Journal of Aircraft, 1980, v 17, IV, N 4, p 260-266.
6. Серебрийский Я.M., Биячуев Ш.А. Исследование в трубе горизонтального установившегося движения крыла на небольших расстояниях от земли // Труды ЦАГИ. 1939. - Вып. 437.
Наземная высокоскоростная транспортная система, включающая многофункциональный магистральный экранолет, содержащий эллиптический фюзеляж с неубирающимися шасси, расположенными под фюзеляжем, верхние несущие крылья, при этом в центральной и хвостовой части фюзеляжа смонтированы двухконтурные двигатели с тяговыми винтами, выполненные с возможностью приведения во вращение вспомогательных систем и механизмов, установленные на ходовой части, содержащей прямоугольную в плане раму с продольными и поперечными балками, опирающуюся на ходовые колеса, а в хвостовой части установлено соответственно горизонтальное оперение с рулем, при этом она включает эстакаду с опорой, на которой размещены параболические направляющие, образующие совместно с крыльями камеры воздушной подушки симметричные оси фюзеляжа, при этом на верхних краях указанных направляющих прикреплены токосъемные накладки из композитных материалов.
