Для экранного эффекта применимы все законы аэрогидродинамики. Аэрогидродинамика - наука, изучающая процессы обтекания твердых тел жидкостями и газами. Процессы взаимодействия твердых тел с жидкостями и газами (при малых скоростях и температурах набегающего потока) описываются одними и теми же уравнениями. При больших скоростях (около- и сверхзвуковых) воздух начинает сжиматься и вести себя существенно иначе.
Центр давления (общая точка приложения силы) экранного эффекта находится ближе к задней кромке, центр давления «обычной» подъёмной силы -- ближе к передней кромке, поэтому, чем больше вклад экрана в общую подъёмную силу, тем больше центр давления смещается назад. Это приводит к проблемам балансировки. Изменение высоты меняет балансировку, изменение скорости -- тоже. Крен вызывает смещение центра давления. Поэтому управление экранопланом требует специфических навыков.
3.3 Поиск оптимальной конструкции экранопланов
На начальном этапе разработки экранопланов были использованы идеи, апробированные в работах по СПК на малопогруженных подводных крыльях. -Первой была идея самостабилизации крыла относительно границы раздела двух сред - воздуха и воды. Происходящие физические процессы при обтекании воздушного крыла в условиях близости поверхности являются практически зеркальными по отношению к тем, которые имеют место при движении малопогруженного подводного крыла. Отличие состоит лишь в том, что, во-первых, подводное крыло движется в значительно более плотной (примерно в 800 раз) среде и за счет этого имеет значительно меньшую потребную площадь для создания необходимой подъемной силы. Во-вторых, при приближении его к границе раздела сред подъемная сила снижается, а у воздушного крыла наоборот возрастает. Такая идея полностью себя оправдала и является основной во всех разработках экранопланов. -Вторая идея - обеспечение продольной устойчивости за счет применения компоновки из двух крыльев, расположенных по схеме “тандем”.
На первых порах обе идеи казались безупречными и по ним были проведены широкие исследования на малых моделях. Созданы первые экспериментальные экранопланы, управляемые человеком, а также выполнены проектные разработки натурного экраноплана взлетной массой до 500 тонн. Однако более глубокие исследования показали, что схема “тандем” работоспособна только в узком диапазоне высот, то есть в непосредственной близости от поверхности и не обеспечивает необходимой устойчивости и безопасности при удалении от нее (эксперименты на одном из таких экранопланов закончились аварией, а проектные разработки такого натурного экраноплана остановлены).
Дальнейший поиск компоновочного решения экраноплана привел к использованию классической самолетной схемы (одно несущее крыло и хвостовое оперение) с необходимой модернизацией ее для обеспечения устойчивости и управляемости при движении вблизи экранирующей поверхности. Существо такой модернизации свелось в основном к двум аспектам: первый - выбор параметров основного несущего крыла и оптимизация его положения относительно других элементов компоновки. Второй - применение развитого ( увеличенного по размерам ) горизонтального оперения и расположение его по высоте и длине относительно основного крыла на таком расстоянии, чтобы оно было наименее чувствительно к изменениям скосов воздушного потока, индуцируемых крылом в зависимости от высоты движения и угла тангажа.
Угол тангажа обозначен фиолетовой стрелкой, рысканье обозначено желтой стрелкой, крен обозначен красной стрелкой.
Это и была основа, определившая окончательный выбор принципиальной компоновки экранопланов, принятых к реализации в начале 70-х годов. По такой компоновке было создано десять экспериментальных экранопланов с постепенным увеличением их размеров и массы.
4. Экранопланы
4.1 Корабль-макет (КМ)
Самый большой экраноплан из этого ряда - экраноплан КМ был уникальным инженерным сооружением, дерзновенным творением Алексеева. Он имел длину более 100 метров, размах крыла около 40 м, а в рекордном полете его масса достигала 540 тонн, что было в то время неофициальным мировым рекордом для летательных аппаратов. Он был побит лишь недавно самолетом Ан-225 “Мрия” (Грузоподъёмность до 250 т).
Испытания самого крупноразмерного для того времени летательного аппарата КМ проводились в Каспийском море. В августе 1967 года летчик испытатель Логинов, командир корабля, и второй пилот Алексеев впервые оторвали этот уникальный аппарат от воды. Да, Алексеев всегда первым вставал за штурвал всех своих СПК и самоходных моделей экранопланов. Остался верен себе и на этот раз, но вначале прошел под руководством опытнейшего летчика инструктора Логинова полный курс обучения пилотированию самолетов Як-12 и Ан-2.
Экраноплан КМ прошел всесторонние испытания на протяжении почти 15 лет и замкнул цикл работ, связанных с апробированием идеи экранопланов в целом, а также отработкой научных основ их проектирования, строительства и испытаний. Результаты этих работ позволили создать теорию и методологию проектирования и строительства практических образцов экранопланов.
4.2 Десантный экраноплан «Орленок»
Одним из них стал десантный экраноплан “Орленок” со взлетной массой до 140 тонн, способный перевозить груз 20 тонн со скоростью 400 км/ч на дальность до 1500 км. Длина - 58,1 м, ширина - 31,5 м, высота - 16 м. Может автономно действовать в течение суток. Вооружение - спаренная 12,7-мм пулеметная установка "Утес-М". Такой экраноплан может взлетать и садиться на воду при волнении моря до 2 м. Он обладает амфибийностью, то есть способностью самостоятельно выходить на относительно ровный берег с естественным покрытием, а также на специальную мелкосидящую понтон-площадку или по гидроспуску на подготовленную береговую площадку, что необходимо для базирования экраноплана.
Экраноплан “Орленок” представляет собой свободнонесущий моноплан, включающий в себя фюзеляж обтекаемой формы с гидродинамическими и амфибийными элементами в нижней части и развитое (что отмечено выше) хвостовое оперение. Крыло имеет аэродинамическую компоновку, оптимизированную для движения вблизи экрана. На концах крыла установлены поплавки, играющие роль аэродинамических и глиссирующих шайб. Применение шайб на концах крыла (Эшилл) уменьшает индуктивное сопротивление с ростом отношения высоты шайб к длине крыла. Индуктивное сопротивление -- это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы, и обратно пропорционально плотности среды, площали крыла, его удлинению и квадрату скорости. Фюзеляж экраноплана имеет простую балочно-стрингерную конструкцию. В нем размещаются кабина экипажа, помещение для отдыха экипажа, отсеки радиоэлектронного и радиосвязного оборудования, грузовой отсек, а также отдельный отсек вспомогательной силовой установки бортовых агрегатов, обеспечивающих запуск двигателей главной силовой установки, работу гидравлической и электрической систем экраноплана.
Грузовой отсек занимает основную часть фюзеляжа, имеет силовой пол, оборудованный швартовочными устройствами со специальными гнездами, которые позволяют выполнять несколько вариантов раскрепления грузов и колесной техники, а также блоков сидений для перевозки людей. Для погрузки-выгрузки крупногабаритных грузов и колесной техники в носовой части экраноплана предусмотрен специальный грузовой разъем представляющий собой уникальное устройство, не имеющее аналогов в отечественной и зарубежной практике.
Главная силовая установка состоит из одного маршевого турбовинтового двигателя типа НК-12 и двух стартовых турбовентиляторных двигателей типа НК-8 конструкции Генерального конструктора Кузнецова, доработанных применительно к морским условиям эксплуатации. Турбовинтовой двигатель типа НК-12 обеспечивает экономичный крейсерский полет и размещается на вертикальном оперении экраноплана в районе установки стабилизатора. Такое относительно высокое расположение двигателя обусловлено необходимостью удаления его от брызг морской воды при старте, посадке и пробеге экраноплана, а также снижения возможного засоления двигателя в полете от аэрозолей морской атмосферы, насыщенность которой, как известно, зависит от высоты над поверхностью моря.
Стартовые двигатели работают только при взлете экраноплана и оборудуются поворотными газовыхлопными насадками, предназначенными для изменения направления струй двигателей при разбеге - под крыло для создания воздушной подушки (режим поддува ) и при переходе в крейсерский режим - на горизонтальную тягу, обеспечивающую разгон экраноплана до крейсерской скорости движения. Необходимость указанных режимов работы стартовых двигателей с изменением направления газовых струй обусловили размещение их в носовой части фюзеляжа с определенным углом расположения относительно продольной оси экраноплана.
Поддув газовых струй под крыло на разбеге обеспечивает снижение гидродинамического сопротивления и внешних гидродинамических нагрузок, что особенно важно при взлете экраноплана в условиях взволнованного моря. Для этих же целей поддув применяется и при посадке на режиме пробега. Кроме того, поддув при помощи специальных устройств, предусмотренных в нижней части фюзеляжа, обеспечивает амфибийные свойства экраноплана. Воздухозаборники стартовых двигателей также, как и сами двигатели, вписаны в общий контур носовой части экраноплана с целью снижения аэродинамического сопротивления на крейсерском режиме движения. Основные системы управления, гидравлики, электроснабжения, жизнеобеспечения и другие выполнены на экраноплане в основном по типу авиационных. Предусматривается соответствующее дублирование и резервирование систем и оборудования, что обеспечивает необходимую безопасность эксплуатации.
При создании экранопланов “Орленок” особое внимание было уделено работе конструкций и оборудования в морских условиях. Отработана технология изготовления деталей и тонкостенных сварных конструкций из коррозионно-стойких алюминиевых сплавов, создано специальное ( или доработано серийное ) оборудование, созданы системы и устройства, обеспечивающие необходимые характеристики надежности, соответствующие сроки службы и ресурса в относительно сложных морских условиях эксплуатации экранопланов.
Вместе с тем следует отметить, что по живучести и безопасности движения экранопланы имеют существенные преимущества по сравнению с самолетами, обусловленные тем, что в аварийных ситуациях, в том числе при отказах материальной части, у экраноплана всегда остается возможность сесть на водную поверхность, которую можно рассматривать в этих случаях как постоянно присутствующий аэродром.
Это подтверждено практикой, в частности, при испытаниях в сложных метеорологических условиях экспериментального экраноплана КМ ( корабль-макет ) имела место вынужденная аварийная посадка во внештатной ситуации, в результате которой были получены критические повреждения конструкции и он вышел из строя. Однако обошлось все же без человеческих жертв. Вынужденные посадки из-за отказов материальной части выполнялись также на экранопланах “Орленок”, при этом в условиях волнения моря, не превышавших спецификационные, такие посадки происходили без повреждений конструкций. Более того, на испытаниях одного из экранопланов “Орленок” была разрушена и потеряна хвостовая часть вместе с маршевым двигателем, однако экраноплан своим ходом на стартовых двигателях вернулся на базу.
4.3 Экраноплан-ракетоносец «Лунь»
Отмеченные выше преимущества экранопланов “Орленок”: высокие технико-экономические характеристики, относительно высокая надежность и безопасность эксплуатации, специфические качества, обусловливающие их привлекательность, позволяют говорить о целесообразности создания на их базе морских экранопланов различного назначения. Например в декабре 1989-го проведены государственные испытания ракетного экранолана «Лунь». В ходе них с экраноплана впервые в мировой практике осуществляется старт корабельных ракет на скорости движения около 500 км/час. Ракетные стрельбы обеспечивались установленными на "Луне" радиолокационной системой целеуказания и системой управления ракетным оружием. Новый экраноплан в инженерном отношении был намного сложнее "Орленка". Он мог летать со скоростью 750 км/час. Его мореходность составляла 5 баллов (высота волн - до 3,5 м). Взлетная масса равнялась 400 тоннам, а дальность полета 3.000 километров.
5. Возможные области применения экранопланов
Также это могут быть пассажирские и грузопассажирские экранопланы для скоростной перевозки 150-300 пассажиров и перевозки грузов скорой доставки общей массой до 20 тонн по внутренним и окраинным морям с удалением от порта приписки до 2000 км.
Вести геолого-геофизические работы на мелководном шельфе арктических морей и обеспечивать их транспортом сумеет арктический геологоразведочный экраноплан.
Поисково-спасательный экраноплан предназначается для поисково-спасательного обеспечения сил морского флота, доставки аварийно-спасательных партий в места аварий и стихийных бедствий в районах морских буровых установок, плавучих платформ и населенных пунктов на побережье, шельфе и островных зонах, а также оказания помощи и эвакуации пострадавших и населения из этих мест. Специальный экраноплан для авиационно-морского поисково-спасательного комплекса с самолетом Ан-224 “Мрия” способен спасать людей с затонувших или аварийных судов.
К настоящему времени на базе построенных образцов существуют проекты экранопланов различного назначения и значительно большей по сравнению с экранопланом “Орленок” взлетной массы, которые могут найти применение в открытом море и в отдельных океанских зонах для решения транспортных задач, а также обеспечения рыбопромыслового флота и т. д. В отдельных модификациях морских экранопланов предусматривается возможность маневрирования по высоте движения, вплоть до чисто самолетных режимов, что часто бывает необходимо для обеспечения безопасности в случаях неожиданных препятствий на курсе движения, а также сокращения пути за счет перелета над естественными или искусственными преградами, разделяющими отдельные районы морских акваторий. Экранопланы таких модификаций называются экранолетами.