Глава 9. Мореходность гидросамолета

Мореходные качества {мореходность) гидросамолета характери­зуют возможность его эксплуатации
в акваториях с определенными гидрометеорологическими условиями — скоростью и направлением ветра, направлением, скоростью движения, формой, высотой и длиной волн воды.

Мореходность гидросамолета оценивается предельным волнени­ем акватории, при котором возможна безопасная эксплуатация.

Аналогично тому, как для оценки летных характеристик самолета применяется международная
стандартная атмосфера (МСА), для характеристики волнения акватории используется определенная шкала (математическая модель), устанавливающая связь между словесной характеристикой волнения, высотой волны и баллом (от 0 до IX) — степенью волнения.

В соответствии с этой шкалой, например, слабое волнение (высота волны до 0, 25 м) оценивается баллом I, значительное вол­нение (высота волны 0, 75-1, 25 м) оценивается баллом III, сильное волнение (высота волны 2, 0-3, 5 м) оценивается баллом V, исключительное волнение (высота волны 11м) оценивается баллом IX.

Мореходные качества (мореходность) гидросамолета включают в себя такие характеристики гидросамолета, как плавучесть, остойчивость, управляемость, непотопляемость и т. п.

Эти качества определяются формой и размерами находящейся под водой водоизмещающей части (лодки или поплавка) гидросамолета, распределением масс гидросамолета по длине и высоте.

В дальнейшем при рассмотрении мореходных
характеристик гидросамолета, если их без особой оговорки в равной мере можно отнести к лодке и поплавку, будем использовать термин «лодка». |

Плавучесть — способность гидросамолета плавать в заданном положении относительно водной поверхности.

Гидросамолет, как и любое другое плавающее тело, например, судно, поддерживается на плаву архимедовой силой

P=W _в g = G,

где W — объем воды, вытесняемой лодкой, — объемное во­доизмещение лодки, м

_в— плотность воды, вытесняемой лодкой, кг/м3;

W _в — масса воды, вытесняемой лодкой, — массовое водоизмещение лодки, кг;

g — ускорение свободного падения, м/с2.

G — сила тяжести гидросамолета, Н.

Сила тяжести гидросамолета G приложена в центре масс само­лета (ц. м.), сила поддержания (архимедова сила, сила воздействия вытесненной жидкости на лодку гидросамолета) Р приложена в центре масс вытесненного лодкой объема воды, или, по корабель­ной терминологии (которой широко пользуются проектировщики гидросамолетов), в центре величины (ц.в.).

Рис. 9.1.. Гидросамолет на плаву

Очевидно, что для обеспечения равновесия самолета на плаву (рис.9.1) силы G и Р должны лежать на прямой, соединяющей ц.м. и ц.в., в вертикальной продольной плоскости симметрии гидросамо­лета — диаметральной плоскости лодки (ДП). Очевидно также, что основная плоскость лодки (ОП) — горизонтальная плоскость, прохо­дящая через нижнюю точку поверхности лодки перпендикулярно к диаметральной
плоскости, и, соответственно, нижняя строительная горизонталь лодки (НСГ), строительная горизонталь самолета (СГС) и палуба 1 — верхняя поверхность лодки в общем случае не парал­лельны плоскости
водной поверхности и линии соприкосновения поверхности воды с корпусом лодки гидросамолета WoLo.

Линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпу­сом лодки гидросамолета WoLo при полной взлетной массе и вы­ключенных двигателях — грузовая ватерлиния (от голл. water — вода и lijn — линия). Грузовая ватерлиния (ГВЛ) при плавании
в пре­сной воде не совпадает с ГВЛ при плавании
в морской воде, по­скольку плотность пресной речной или озерной воды рв=1000 кг/м3, плотность морской воды рв = 1025 кг/м3.

Соответственно, осадка Т (расстояние от ГВЛ до самой нижней части лодки, характеризующее погружение лодки ниже уровня во­ды) при одинаковой взлетной массе гидросамолета в пресной воде будет больше, чем в морской.

Значения осадок носом и кормой определяют посадку лодки гидросамолета относительно поверхности воды — дифферент лодки (от лат. differetis — разница) — наклон ее в продольной V плоскости, который измеряется углом дифферента ₀ или разно­стью между осадками кормы и носа. Если разность равна нулю, говорят, что лодка «сидит на ровном киле»; если осадка кормы больше осадки носа — лодка «сидит
с дифферентом на корму» (как показано на рис 9.1), если меньше — лодка «сидит с дифферентом на нос».

Остойчивость (аналог термина «устойчивость»
в морской тер­минологии) при плавании — способность гидросамолета, откло­ненного внешними
возмущающими силами от положения равно­весия,
возвращаться в исходное положение после прекращения действия возмущающих сил.

Очевидно, что при плавании частично или вполне (полностью) погруженного в воду тела нет никаких других сил для возвращения его в положение равновесия, кроме силы тяжести G и равной ей силы
поддержания Р. Следовательно, только взаимное положение этих сил определит остойчивость или неостойчивость плавающего тела, что иллюстрирует рис. 9.2.

Рис.9.2. Понятие остойчивости плавающего тела

Если центр масс тела расположен ниже центра величины (рис.9.2, а), при отклонении от положения равновесия возникает ста­билизирующий момент
Δ M = G l, возвращающий тело в исходное положение остойчивого равновесия.

Если положение центра масс тела совпадает с положением цен­тра величины (рис. 9.2, б), тело находится в безразличном равно­весии.

Если центр масс тела расположен выше центра величины (рис.9.2, в), при отклонении от положения равновесия возникает дес­табилизирующий момент M Δ M = Gl, и тело не может самостоятель­но возвратиться в исходное положение неостойчивого равновесия.

Следует отметить, что положение центра величины существен­ным образом зависит от формы погруженной части тела и угла от­клонения его от исходного положения равновесия.

Остойчивость гидросамолета (как и остойчивость судна) приня­то определять взаимным положением центра масс и метацентра — центра кривизны линии, по которой смещается центр величины водоизмещающего тела при выведении его из равновесия.

Метацентр — от греч. meta — между, после, через — составная часть сложных слов, означающих промежуточность, следование за чем-либо, переход к чему-либо другому, перемену состояния, пре­вращение
и лат. — centrum средоточие, центр.

Различают поперечную и продольную остойчивость гидросамо­лета (при наклонении самолета соответственно в поперечной и продольной плоскостях).

Поперечная остойчивость. Рассмотрим случай поперечного на­клонения — отклонение диаметральной плоскости лодки (ДП) от вертикали, например под воздействием порыва ветра.

Гидросамолет (рис.9.3, а) находится на плаву
в состоянии рав­новесия, сила тяжести G и сила поддержания Р равны, лежат в диаметральной плоскости, размер а определяет возвышение центра масс над центром величины.

Рис. 9.3. Неостойчивая лодка

От боковой составляющей порыва ветра V_B (рис.9.3, 6) воз­никнет кренящий момент М_КрВ, зависящий от скоростного напо­ра, площади и размаха
наветренной (обращенной в ту сторону, от­куда дует ветер) консоли крыла, площади боковой проекции гид­росамолета. Под действием этого момента самолет накренится на некоторый малый (будем считать — бесконечно малый) угол у и новое положение лодки определит новую грузовую ватерлинию W₁L₁, плоскость которой наклонена на угол у от исходной ватер­линии WoLo.

Форма подводной (водоизмещающей) части лодки изменится: объем, ограниченный в каждом поперечном сечении лодки фигу­рой 1, выйдет из-под воды,
а равный ему объем, ограниченный в каждом поперечном сечении лодки фигурой 2, уйдет под воду.
Та­ким образом, величина поддерживающей силы не изменится (Р = W _в g = G), однако центр величины сместится из исходного положения С₀ в точку С₁. Точка Мо пересечения двух смежных линий действия архимедовых сил при бесконечно малом угле у между ними и является начальным метацентром.

Метацентрический радиус r₀ определяет начальную кривизну линии смещения центра величины лодки при крене.

Мерой поперечной остойчивости гидросамолета является зна­чение метацентрической высоты

h₀ = r₀ - a,

· если h ₀> 0 — лодка остойчива;

· если h ₀= 0 — равновесие безразличное;

· если h₀ < 0 — лодка неостойчива.

·

В рассмотренном примере h₀< 0.

Нетрудно видеть, что перпен­дикулярные к поверхности воды и равные силы Р и G будут со­ставлять пару с плечом l, причем момент этой пары М_КрG= G l совпадает по направлению с возмущающим моментом М_Кр в и увеличивает угол крена.

Таким образом, гидросамолет, показанный на рис. 9.3, 6, при действии внешних возмущений не возвращается к исходному положению, т. е. не обладает поперечной остойчиво­стью.

Очевидно, что для обеспечения поперечной остойчивости центр масс должен находиться ниже самого низкого положения метацентра.

Большинство современных гидросамолетов выполнено по клас­сической аэродинамической схеме
с фюзеляжем — лодкой, которой придаются соответствующие формы для выполнения взлета с воды
и посадки на воду, высокорасположенным крылом
с установлен­ными на нем или на лодке двигателями для максимального удале­ния их от водной поверхности с целью исключить при движении по воде заливание крыла водой и попадание ее в двигатели и на
винты самолетов с винтомоторной силовой установкой, поэтому в большинстве случаев центр масс самолета выше метацентра (как на рис. 9.3, 6) и однолодочный гидросамолет в поперечном отношении неостойчив.

Рис. 9.4. Подкрыльный поплавок

Проблемы поперечной остойчивости гидросамолета однопоплавковой или однолодочной схемы могут быть решены примене­нием подкрыльных поплавков (рис. 9.4).

Водоизмещение поплавка выбирается таким образом, чтобы под воздействием ветра с определенной скоростью V_в гидросамолет, находящийся на скате волны 5, соответствующей предельному волнению акватории, заданному в ТЗ на проектирование, накре­нился на определенный угол .

В этом случае восстанавливающий момент поплавка, определяемый поддерживающей силой поплавка Р_п и расстоянием b_п от диаметральной плоскости поплавка до диаметральной плоскости лодки,

М_п = Р_п b_п должен парировать (уравновесить) кренящие моменты М_KpВ от ветра и М_кр от не­остойчивой лодки W₁L₁.

Продольная остойчивость определяется такими же условиями, как и поперечная. Если под действием какого-либо внешнего возмущения гидросамолет (рис.9.5) получит продольное наклонение от исход ного положения, определяемого ватерлинией WoLo, на­пример увеличение на угол Δ дифферента на нос, это определит новую грузовую ватерлинию.Объем лодки 1 выйдет из-под воды, а равный ему объем
2 уйдет под воду, при этом значение поддерживающей силы не изменится (Р = W g = G), однако центр величины сместится из исходного положения С₀ в точку С₁. Точка M₀ пересечения двух смежных линий действия поддер­живающих сил при беско­нечно малом угле меж­ду ними определит

Мера продольной остойчивости гидросамолета – продольная метацентрическая высота Н₀ = R₀ - a.

Обеспечить продольную остойчивость гидросамолета проще, чем поперечную, в том смысле, что сильно развитая в длину лодка почти всегда обладает естественной продольной остойчивостью (Н₀ > 0).

Отметим, что пикирующий момент от силы тяги двигателя, ли­ния действия которой обычно проходит выше центра масс самоле­та, заглубляет носовую часть лодки, уменьшает угол начального дифферента, т. е. заставляет лодку принять некоторый дифферент на нос, что определит новую грузовую ватерлинию, которая назы­вается «упорной».

Гидростатические силы (силы поддержания), обеспечивающие плавучесть и остойчивость лодки в состоянии покоя, естественно, в большей или меньшей мере проявляются и в процессе движения по воде.

Весьма важной характеристикой гидросамолета, определяющей его мореходность, является способность преодолевать сопротивле­ние воды и развивать необходимую скорость движения по воде при минимальных затратах мощности.

Гидродинамическая сила сопротивления воды движению лодки в режиме плавания определяется трением воды в пограничном слое (сопротивление трения)
и распределением гидродинамического давле­ния потока воды на лодку (сопротивление формы, связанное с об­разованием вихревых течений — его иногда называют водоворотным сопротивлением) и зависит от скорости движения (скоростного напора ), формы и состояния поверхности лодки.

Здесь уместно напомнить, что плотность воды больше плот­ности воздуха на уровне моря примерно
в 800 раз!

К этому сопротивлению добавляется волновое
сопротивление, которое, в отличие от волнового сопротивления, связанного с не­обратимыми потерями энергии в скачке уплотнения при полете с закритическими скоростями, возникает при дви­жении тела вблизи свободной поверхности жидкости (поверхности раздела воды и воздуха).

Волновое сопротивление — часть гидродинамического сопротив­ления, характеризующая затрату энергии на образование волн.

Волновое сопротивление в воде (тяжелой жидкости) возникает при движении погруженного или
полупогруженного тела (поплавка, лодки) вблизи свободной поверхности жидкости (т. е. границы воды
и воздуха). Движущееся тело оказывает добавочное давление на свободную поверхность жидкости, которая под влия­нием собственной силы тяжести будет стремиться вернуться к ис­ходному положению и придет в колебательное (волновое) движе­ние. Носовая
и кормовая части лодки образуют взаимодействую­щие между собой системы волн, оказывающие существенное влияние на сопротивление.

В режиме плавания равнодействующая сил гидродинамического сопротивления практически горизонтальна.

Форма водоизмещающей части гидросамолета (как и форма судна) должна обеспечить способность движения по воде с мини­мальным сопротивлением и, как следствие, с минимальными за­тратами мощности (ходкость судна, по морской терминологии).

При проектировании гидросамолетов (как и судов) для выбора форм и оценки гидродинамических характеристик используются результаты испытаний путем буксировки («протаски») динамиче­ски подобных моделей в опытовых бассейнах {гидроканалах) или в открытых акваториях.

Однако, в отличие от судна, комплекс характеристик мореход­ности гидросамолета значительно шире, основной из них является способность производить безопасные взлеты и посадки на взвол­нованной поверхности с определенной высотой волны, при этом скорости хода по воде гидросамолетов во много раз превышают скорости морских судов.

Благодаря особой форме днища лодки гидросамолета возника­ют гидродинамические силы, поднимающие носовую часть и вы­зывающие общее значительное всплытие лодки.

Основное отличие состоит в том, что днище (нижняя поверхность лодки, которая, является основной опорной поверхностью при движении гидросамолета по воде) имеет один или несколько реданов (франц. redan — уступ), пер­вый из которых, как правило, располагается вблизи центра масс гидросамолета, а второй в кормовой части. Прямые в плане реданы (рис. 9.6, a) создают в полете значительно большее сопротивление, чем заостренные (стреловидные, оживальные) реданы (рис. 9.6, 6), гидродинамическое сопротивление и брызгообразование которых существенно меньше. Со временем ширина второго редана посте­пенно уменьшалась, меж-реданн ая часть днища стала сходиться в одной точке (рис. 9.6, в) на корме лодки.

В процессе развития гидроавиации изменялась
и форма попе­речного сечения лодки (рис. 9.7).

Лодки с плоским днищем (рис 9.7, а) и с продольными реданами

Здесь следует отметить, что гидросамолеты не имеют амортизаторов, способ­ных поглощать
и рассеивать энергию ударов при посадке на воду. Поскольку вода — практически несжимаемая жидкость, то сила удара о воду соизмерима с силой удара о землю. Основное назна­чение килеватости — заменить собой амортизатор и при постепен­ном погружении в воду клиновой (килеватой) поверхности при посадке смягчить посадочный удар, а также удары воды о днище лодки при движении на взволнованной поверхности воды.

Характерные обводы лодки современного гидросамолета пред­ставлены на рис. 9.8. Лодка имеет поперечную и продольную килеватость днища.

Поперечная килеватость лодки (или угол, образуемый килем и скулами) выбирается, исходя из условий обеспечения приемлемых перегрузок на взлетно-посадочных режимах и обеспечения дина­мической путевой остойчивости. Угол поперечной килеватости носовой части лодки, начиная от первого редана β рн, плавно увеличивается к носу лодки (на виде спереди А-А - наложенные сечения по носовой части лодки) таким образом, что формируется волнорез в носовой части лодки, «разваливающий» встречную волну и уменьшающий волно- и брызгообразование.

Скула (линия пересечения днища и борта лодки) препятствует прилипанию воды к бортам. Для создания приемлемого волно- и брызгообразования
применяют выгиб носовых скул, т. е. профили­ровку днища носовой части лодки по сложным криволинейным поверхностям

Продольная килеватость лодки υ лопределяется
углом продольной килеватости носовой части _н и углом продольной ки­леватости межреданной части _м.

Длина, форма и продольная килеватость носовой части ( _н = 0…+3°), влияющие на продольную остойчивость и угол начального диффе­рента, выбираются такими, чтобы исключить зарывание носом и за­ливание палубы водой при высоких скоростях хода.

Продольная килеватость межреданной части (γ _м = 6…9°) выбирается так, чтобы обеспечить устойчивое глиссирование, посадку на сушу при максимально допустимом угле атаки и сход на воду (для самолета-амфибии) по существующим слипам (англ. slip, букв. — скольжение) — уходящим в воду наклонным
береговым площад­кам для схода амфибии на воду
и выхода на берег.

При достаточной продольной килеватости межреданной части отрыв при взлете с воды может происходить «с подрывом» (увеличением угла атаки) на максимально допустимом коэффици­енте подъемной силы Су _{а max}.

Отрыв с воды при взлете осложнен тем, что, кроме сил сопро­тивления воды движению лодки, рассмотренных выше, между днищем лодки и водой действуют силы сцепления (подсасывания), особенно в задней части лодки.

Назначение редана — уничтожить подсасывающее действие воды (подсос) при разбеге, уменьшить этим сопротивление воды, дать возможность лодке «отлипнуть» от воды.

Редан, нарушая плавность обводов лодки, естественно, способ­ствует вихреобразованию, при увеличении скорости хода по воде интенсивность вихреобразования возрастает, начинается срыв во­дяных струй
с редана и, как следствие, кавитация (от лат. cavitas — пустота) — нарушение сплошности внутри жидкости с образовани­ем полостей, заполненных воздухом (кавитационных пузырьков). Эта воздушная прослойка способствует отрыву воды от зареданного участка днища, что приводит к общему значительному всплытию лодки — начинается режим глиссирования (гидропланирования), или режим бега на редане, наиболее выгодный по величине гидродинамического сопротивления.

Перед выходом на режим глиссирования за счет взаимодействия носовой и кормовой волн, создаваемых

лодкой на поверхности во­ды, происходит увеличение дифферента на корму, изменяется кар­тина обтекания, днище начинает испытывать большие
нормальные давления, увеличивается и отклоняется от начального горизонталь­ного положения равнодействующая сил гидродинамического сопро­тивления — появляется вертикальная составляющая (гидродина­мическая сила поддержания), которая выталкивает лодку из воды, что уменьшает смоченную поверхность днища и бортов.

Таким образом, гидросамолет при взлете должен выходить на редан, сохранять достаточную продольную устойчивость при глис­сировании и легко отрываться от воды.

В режиме глиссирования (рис. 9.9) гидросамолет движется на относительно малой контактной (смоченной) поверхности 1 с во­дой на треугольнике в районе первого редана, резко уменьшается горизонтальная составляющая Х_aгид равнодействующей сил гидро­динамического сопротивления R_Aгид и возрастает скорость хода.

Второй редан (корма лодки) улучшает продольную устойчивость при беге на первом редане.

Сила тяжести самолета G уравновешивается частично гидроди­намической силой поддержания Р_гид. контактной поверхности днища, а частично подъемной силой самолета У_aсам = У_aкр – У_{aг .о.}

Характер изменения основных параметров движения гидросамо­лета при взлете в зависимости от относительной скорости разбега (здесь — скорость отрыва гидросамолета от воды) проиллюстрирован рис. 9.10.

В режиме плавания при скоростях V = (0-0, 25) сила тяжести гидросамолета практически полностью уравновешивается си­лой гидростатического поддержания, значение аэродинамической подъ­емной силы
в общем ба­лансе сил невелико.

Сила гидродинамиче­ского сопротивления оп­ределяется в основном сопротивлением поверх­ностного трения Х _a Т и волнообразования Х _a в (за счет резких уступов на водоизмещающей части лодки — скул и редана). Примерно в середине ре­жима начинает увеличи­ваться угол дифферента φ, появляется срыв струй воды с редана, возникает в есьма незначи­тельная гидродинамическая сила поддержания и соответствующая ей сила сопротивления глиссирования Х _{a гл}.

Рис. 9.10. Зависимость параметров движения гидросамолета

при взлете от относительной скорости разбега

На переходном режиме при скоростях V = (0…0, 25) интен­сивно растет угол дифферента, сила гидростатического поддержа­ния и соответствующая ей сила сопротивления глиссирования Х _{a гл}. Лодка резко всплывает, борта выходят из воды, соответственно уменьшается сопротивление поверхностного трения Х _{a т} и волнооб­разования Х _{a в}, тем не менее на этом режиме сила гидродинамиче­ского сопротивления Х_гид достигает максимального значения («горб» на кривой гидродинамического сопротивления). Значение аэродинамических сил в общем балансе сил относительно невелико.

На режиме глиссирования при скоростях V = (0, 50…1, 00) угол дифферента постепенно уменьшается, соответственно умень­шается сила гидростатического поддержания и сила сопротивления глиссирования, поскольку с ростом скорости движения на редане возрастает аэродинамическая подъемная сила, полностью уравно­вешивающая силу тяжести гидросамолета на скорости отрыва.

Отметим еще раз, что для обеспечения взлета гидросамолета сила тяги двигателей должна быть больше максимального значения сум­мы сил аэродинамического и гидродинамического сопротивления (в районе «горба» на кривой гидродинамического сопротивления).

Характер изменения основных параметров движения гидросамо­лета при посадке (точнее — при послепосадочном пробеге, от мо­мента касания реданом
воды на посадочной скорости до пол­ной остановки) в зависимости от относительной скорости пробега

V = V/V_noc является, по существу, зеркальным отражением рис. 9.10.

Здесь следует отметить только, что значения гидродинамиче­ского сопротивления при пробеге будут отличаться от значений при посадке вследствие того, что нагрузка на воду будет меньше (посадка совершается самолетом с массой меньшей, чем взлетная)
и практически отсутствует при изменении угла дифферента верти­кальная составляющая силы тяги двигателей, поскольку пробег со­вершается с двигателями, работающими на режиме «малого газа», т. е. при незначительной силе тяги.

Гидродинамическое совершенство гидросамолета характеризуется минимальным значением гидродинамического качества

К= А/Х _{a гид},

где А — нагрузка на воду, или сила тяжести гидросамолета, передающаяся на воду при любой определенной скорости, равная разности между полной
силой тяжести и подъемной силой самолета в данный
момент: А = G — Y _{a сам}; X _{a гид} — гидродинамическое сопротивление самолета в данный момент.

Значение К_min составляет 4, 5…6, 0 для лодок
и 3, 5…4, 5 для по­плавков.

Безопасность при взлете и посадке обеспечивается, если: гидро­самолет не зарывается носом при движении, особенно на взволно­ванной поверхности; плавно выходит на глиссирование; обладает остойчивостью
и устойчивостью по всем трем осям в режиме пла­вания и глиссирования, т. е. не имеет тенденции
к самопроиз­вольной продольной раскачке с возрастающей амплитудой, к са­мопроизвольному рысканию и крену.

Режим глиссирования является наиболее сложным
с точки зре­ния продольной устойчивости движения. При глиссировании межреданная часть днища заливается брызговой струей от первого ре­дана. Пульсации давления в струе могут вызвать самопроизвольные угловые и вертикальные колебания лодки даже при совершенно гладкой поверхности воды. Устойчивое глиссирование возможно при определенных сочетаниях угла дифферента и скорости движе­ния для
заданной формы поверхности глиссирования. Устойчивость глиссирования обеспечивается выбором
рациональных обводов лод­ки и отрабатывается на динамически подобных моделях.

Кроме того, гидросамолет должен обеспечивать весьма специ­фические требования к устойчивости: устойчиво двигаться на бук­сире в ветреную погоду
и разворачиваться носом против ветра («приводиться к ветру») при дрейфе (от голл. drijven — плавать, гнать) — смещении с заданного курса при неработающем двигателе под воздействием ветра и волн.

Управляемость — способность выполнять развороты на плаву при наличии ветра. Управляемость гидросамолета по курсу на ре­жиме плавания обычно
обеспечивается водяным рулем (водорулем, гидрорулем), устанавливаемым, как правило, в корме лодки (второй редан), или с помощью разнотяговости двигателей (для двухдвигательного самолета) — разного изменения тяги двигателей правого и левого борта.
На режиме глиссирования уже возможно управлять гидросамолетом по курсу и углу дифферента с помощью аэродинамических рулей.

Приемлемое брызгообразование (чистота бега), при котором можно защитить от попадания воды воздухозаборники двигателей, воздушные винты, закрылки
и другие жизненно важные агрегаты, — одна из важнейших характеристик, определяющих мореходность гидросамолета.

Как уже отмечалось, движущаяся лодка оказывает добавочное давление на свободную поверхность воды. Пиковое (ударное) дав­ление в области контакта передних точек лодки с водой выбивает с поверхности капли воды, разлетающиеся от удара в виде брызговых струй. Интенсивное брызгообразование может происходить уже на малых скоростях хода, особенно на взволнованной поверх­ности воды.

Форма поперечного сечения лодки существенно влияет на ха­рактер брызгообразования. При плоскокилеватом днище (рис.9.11, а) брызговые струи
поднимаются на большую высоту, днища с более сложным (в частности, криво­линейным) про­филем килеватости (рис. 9.11, 6) также не всегда позволяют умень­шить брызгообразование.

Рис. 9.11. Форма днища и характер брызгообразования

Эффективным средством уменьшения брызгообразования являются брызгоотражатели — брызгоотражающие щитки (рис. 9.11, в), установленные
в плоскости борта.

Рис.9.12. Брызгообразование при глиссировании

На режиме глиссирования (рис. 9.12) от передней линии кон­тактной площадки 1 разворачиваются брызговые струи сложной пространственной формы.
Относительно слабые прямолинейные струи 2 («ленточные» или скоростные струи) стелются под малым углом к поверхности воды. Мощные и тяжелые купольные, или бли­стерные (от англ. blister — пузырь), струи 3 выбрасываются вверх и назад. Высота подъема этих струй определит положение крыла, двигателей и оперения гидросамолета.

Непотопляемость как одна из характеристик мореходности оз­начает, что гидросамолет сохраняет плавучесть и остойчивость при частичном повреждении
и затоплении подводной части лодки или поплавков. Для того, чтобы обеспечить соответствующий запас плавучести при повреждениях, объем водонепроницаемой части лодки (поплавка) делают в 1, 2…3, 5 раза больше, чем потребный объем, соответствующий взлетной массе гидросамолета.

Подводную часть лодки разделяют водонепроницаемыми (герметичными) перегородками на отсеки таким образом, чтобы даже затопление двух соседних отсеков не приводило к потере продольной остойчивости или к появлению недопустимых углов дифферента и крена, затрудняющих буксировку аварийного гидро­самолета, и тем более к затоплению лодки.

Чтобы повреждение или отрыв подкрыльного поплавка не при­вели к потере поперечной остойчивости и опрокидыванию гидро­самолета, концевые части крыла выполняют в виде водонепрони­цаемых (водоизмещающих) отсеков.

Таким образом, обеспечение мореходности влияет на аэродина­мическую компоновку, точнее аэрогидродинамическую компонов­ку — настолько сильно требования мореходности сказываются на выборе формы, размеров и взаимного расположения основных аг­регатов гидросамолета.

В процессе развития гидроавиации только в нашей стране было создано около 100 летательных аппаратов, способных использовать в качестве аэродрома водную поверхность.

Назовем еще одно транспортное средство, которое с полным правом можно рассматривать как летательный аппарат.

Экраноплан — крылатый летательный аппарат, совершающий крейсерский полет в непосредственной близости от поверхности экрана (земли или воды).

В авиации с проявлением влияния экрана на самолет встрети­лись в 1920-х годах: при взлете и посадке
в непосредственной бли­зости от земли вопреки всем законам классической аэродинамики возникала дополнительная подъемная сила, что резко увеличивало длину посадочной дистанции. Для устранения этого эффекта при посадке применяются интерцепторы
(см. рис. 2.26), которые в та­ком качестве чаще называют спойлерами (от англ. spoil — портить).

Экранный эффект — увеличение аэродинамической подъемной силы и уменьшение силы лобового сопротивления крыла, движу­щегося над экраном. Прирост подъемной силы крыла вблизи экрана вызывается повышением давления на его нижней поверхности (динамическая воздушная подушка), а снижение сопротивления обусловлено уменьшением индуктивных скосов потока за счет экрана. В полной мере экранный эффект проявляется на высоте от земли или воды, равной примерно 0, 1…0, 2 значения САХ крыла, хотя влияние экрана сказывается до высоты полета порядка 1, 0 значения САХ крыла.

Аэродинамическое качество крыла вблизи экрана достигает зна­чений (К=30…40), существенно превышающих те, которые достигнуты на крыле современных самолетов (К=18…20). Однако аэродинамическое качество аппарата в целом существенно ниже за счет сопротивления ненесущих частей и потерь качества на балансировку. Для построенных экранопланов
К= 13…16.

В настоящее время известно более 70 реализованных проектов экранопланов и экранолетов — летательных аппаратов, движущихся как над опорной поверхностью на высотах, на которых реализует­ся
экранный эффект, так и вдали от экрана (самолетный режим). Основную их массу составляют небольшие экспериментальные ап­параты.

Большой вклад в популяризацию идеи экраноплана, разработку схемных решений и проведение экспериментальных исследований моделей в аэродинамических трубах внес в 1970-х годах известный авиаконструктор Р.Л. Бартини, работавший совместно с ОКБ Г.М. Бериева.

Хотя созданием аппаратов такого типа серьезно занимается це­лый ряд фирм во всем мире, современный уровень развития экра­нопланов всецело определяется обширной программой исследова­тельских, проектных работ и строительства крупных экранопланов, реализованной в нашей стране, начиная с пятидесятых
годов, по­скольку такую программу не выполнила ни одна страна в мире. Инициатором и организатором этой программы был Р.Е. Алексеев, возглавлявший Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях в г. Горьком (сейчас — ЦКБ по СПК им. Р.Е Алексеева, возглавляемое Главным конструктором В.В. Соко­ловым). В реализации программы
активное участие приняли спе­циалисты ЦНИИ
им. академика А.Н. Крылова, ЦАГИ им. профес­сора Н.Е. Жуковского, ЛИИ им. М.М. Громова и других исследо­вательских и учебных институтов.

Экранопланы большой массы (более 100 т) были построены только в СССР под руководством
Р.Е. Алексеева. Самый большой из них — «КМ» (корабль-макет), или «Каспийский монстр» (рис. 9.13) — так назвали его иностранные специалисты.

Экраноплан «КМ», испытания и опытная эксплуатация которого проводилась на Каспийском море
с 1966 по 1980 год, имел длину более 100 м, высоту — более 20 м, размах крыла — около 40 м. Взлетная масса в рекордном полете — 544000 кг, что было в то время для летательных аппаратов неофициальным мировым ре­кордом, который был побит только
с созданием самолета Ан-225 «Мрия». Полеты
проводились на высотах от 3 до 14 м при скоро­стях 400-450 км/ч.

Опыт, полученный при разработке и испытаниях «КМ», дал возможность создать теорию и методологию проектирования и строительства экранопланов, что позволило ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева создать впоследствии целую гамму различных экра­нопланов морского базирования.

Естественно, практически невозможно удовлетворить все требо­вания мореходности, не проигрывая при этом в аэродинамических и летных характеристиках, поэтому принимаются компромиссные решения вопросов аэродинамики и мореходности.

Перечисленные выше некоторые аспекты обеспечения море­ходности увеличивают сложность и количество проблем, решаемых проектировщиками при
создании гидросамолета.

В настоящее время разработкой гидросамолетов занимаются во всем мире множество мелких и только три крупные авиационные фирмы — канадская «Канадэр» (Canadair), японская «Шин Мейва» (Shin
Meiwa) и Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М. Бериева, имеющий более чем 60-летний опыт создания гидросамолетов при активном сотрудничестве с различ­ными НИИ
и заслуженно занимающий лидирующее положение
в мировой гидроавиации.

Характерный для всей гидроавиации спад в период после Вто­рой мировой войны и особенно при переходе авиации на реактив­ную тягу можно объяснить многими причинами, но не уменьше­нием потребности
в гидроавиации.

Гидросамолеты военного применения с маркой «Бе», созданные в 50-х годах, до сих пор состоят на вооружении и эффективно ре­шают задачи, которые требуют именно морского базирования.

Последние разработки этой фирмы) привлекают внимание многих стран. С одной стороны, это объяс­няется высоким инженерным уровнем разработок: так, на самоле­те-амфибии А-40 реализовано значение максимального аэродинамического качества К_mах = 16…17, что практически соответствует К_mах сухопутных самолетов, и высокие гидродинамические характеристики (К_min = 4, 8), что позволяет эксплуатировать самолет на морских акваториях при ветровой волне до 2 м.

С другой стороны, это объясняется растущим пониманием того, что самолеты-амфибии могут решать многие актуальные в настоя­щее время задачи с эффективностью, практически недоступной сухопутным самолетам.

Перечислим некоторые из этих задач:

· противолодочная оборона, патрулирование двухсотмильной экономической зоны с дежурством на плаву, а также проведение аварийно-спасательных операций в кратчайшие сроки
и на больших удалениях от берега;

· экологический контроль акваторий с забором проб воды и донных отложений на плаву;

· тушение лесных пожаров с забором воды на близлежащих во­доемах в режиме глиссирования;

· защита водных поверхностей от загрязнения разлившейся нефтью с оперативной локализацией разлива;

· освоение и обслуживание территорий с неразвитой сетью на­ земных автомобильных и железнодорожных магистралей с взлетом и посадкой
в любом месте, где есть достаточное водное простран­ство (которое к тому же не нужно специально строить и поддерживать в рабочем состоянии).

Большие транспортные возможности гидроавиации объясняют­ся еще и тем, что 3/4 поверхности земного шара покрыты водой. Это обстоятельство обеспечивает предпосылки развития и эффективного использования гидроавиации в прибрежной зоне морей
и океанов, в акваториях озер, водохранилищ и крупных рек.

Вопросы для повторения.

1. Какие разделы включает в себя гидромеханика?

2. Что понимается под непотопляемостью гидросамолета?

3. Какой вид движения гидросамолета называется глиссированием?

4. Что называется диаметральной плоскостью лодки?

5. Как строится основная плоскость лодки?

6. Объясните понятия килевой и скуловой линий лодки.

7. Перечислите основные геометрические параметры лодки?

8. На какие группы делятся гидросамолетыпо характеру взлетно-посадочного устройства?

9. Какой тип гидросамолета является основным в современной авиации?

10. Какая из разновидностей однолодочного гидросамолета наиболее распространена в настоящее время?

11. В чем заключается основная отличительная особенность самолета-амфибии?

12. Чем отличаются по назначению опорные
и водоизмещающие поплавки?

13. Что представляют собой плавники гидросамолета?

14. Как оценивается волнение акватории?

15. Что понимается под силой поддержания гидросамолета?

16. Что называется грузовой ватерлинией?

17. Объясните понятие «диффурент на корму».

18. Что понимается под остойчивостью гидросамолета?

19. Что определяет степень остойчивости гидросамолета?

20. При каком взаимном расположении центра масс и центра величины самолет находится
в состоянии остойчивого равновесия?

21. Какой параметр является мерой поперечной остойчивости самолета?

22. Какое условие необходимо для обеспечения поперечной остойчивости гидросамолета?

23. Какими условиями определяется продольная остойчивость самолета?

24. Меняется ли значение поддерживающей силы Р при увеличении угла дифферента?

25. Какая точка определяет положение продольного метацентра?

26. Что является мерой продольной остойчивости гидросамолета?

27. Чем определяется сила гидродинамического сопротивления воды движению лодки?

28. Чем отличается движение гтдросамолета по водной поверхности от движения судна?

29. Для чего предназначен редан лодки гидросамолета?

30. Где, как правило, располагается первый редан?

31. Для чего применяется килеватость лодки гидросамолета?

32. Чем определяется поперечная килеватость лодки?

33. Чему по статистике равны углы поперечной килеватости на редане лодки?

34. Чем определяется продольная килеватость лодки?

35. Для чего применяется второй редан?

36. Как осуществляется выход самолета на
режим глиссирования?

37. Какой параметр определяет гидродинамическое совершенство гидросамолета?

38. Что понимается под управляемостью гидросамолета?

39. Где обычно устанавливаются брызгоотражающие щитки?

40. Как обеспечивается соответствующий запас плавучести?

41. Что понимается под экранным эффектом?

42. Какой вид летательного аппарата называется экранопланом?

43. Чем отличается экраноплан от экранолета?

Литература

1. Кокунина Л.Х. Основы аэродинамики. Транспорт. Москва, 1982.

2. Прицкер Д.М. Сахаров Г.И. Аэродинамика. Машиностроение. Москва, 1968.

3. Основы аэродинамики и динамика полета транспортных самолетов. Транспорт. Москва, 1997.

4. Бочкарев А.Ф. Андреевский В.В. Аэродинамика самолета. Машиностроение. Москва, 1985.

5. Аэродинамика и динамика полета самолета с ТВД. Военное издательство Министерства обороны СССР. Москва 1973.

6. Аржанников Н.С. Мальцев В.Н. Аэродинамика. Москва, 1952.

7. Зоншайн С.И. Аэродинамика и конструкция самолета. Москва, 1955.

8. Остославский И.В. Аэродинамика самолета. Москва, 1957.

9. Остославский И.В. Стражева И.В. Динамика полета. Машиностроение. Москва, 1965

10. Лигум Т.И. Аэродинамика и динамика полета турбореактивных самолетов. Транспорт. Москва, 1972.

11. Мхитарян А.М. Аэродинамика. Машиностроение. Москва, 1976.

12. Попов И.Н. Попов Д.И. Аэродинамика. Таганрог, 1998.

13. Егер С.М. Матвеенко А.М. Шаталов И.А. Основы авиационной техники. Издательство МАИ. Москва, 1999.

14. Красноперов Е.В. Экспериментальная аэродинамика. Ленинград, 1935.

15. Голышев Г.И. Местон Б.Л. Основы воздухоплавания и авиации. Ленинград, 1960.

16. Горшенин Д.С. Мартынов А.К. Методы и задачи практической авиации. Москва, 1977.

17. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении.

18. Снешко Ю. И. Исследование в полете в полете устойчивости и управляемости самолета. Москва, 1971.

19. Юшгенс С.Б. Студнев Р.В. Динамика пространственного движения самолета. Москва, 1967.

20. Честнов А.В. Летняя эксплуатация самолета. Москва, 1962.

21. Микеладзе В.Г. Титов В.М. Основы аэродинамические и геометрические характеристики самолетов и ракет (справочник). Машиностроение. Москва, 1990.

22. Теоретические основы аэродинамики. Москва, 1961.

23. Болетников В.Ф. Элементарный курс аэродинамики самолета. Москва, 1950.

24. Аэродинамика малых скаоростей. Издательство ДОСААФ, 1963.