CC BY
158
ТРАНСПОРТНОЕ МАШНОСТРОЕНИЕ
уДК 629.7 (1-17) И. С. ВАВИЛОВ
Омский государственный технический университет
ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСПОРТА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ В УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРЬЯ И КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Скорости различных видов транспорта в течение последних 60 лет возросли, но не одинаково. Скорости воздушного транспорта увеличены в 5—6 раз и составляют в настоящее время 800—900 км/час. Скорость автодорожного транспорта увеличилась в 3—4 раза, железнодорожного — в 2—3 раза. Только скорость водного транспорта до последнего времени оставалась незначительной. У большинства речных судов скорость увеличилась всего лишь в 1,2—1,3 раза и составляет только 20—30 км/час, у морских судов-экспрессов 60—70 км/час. Имеющийся разрыв в скорости между наземным, и особенно водным транспортом, с одной стороны, и воздушным транспортом, с другой — восполнить машины на воздушной подушке.
Дорожно-транспортные системы — это артерии лесообразно. Большая часть территории этих зон жизни современной экономики. Неразвитость этой пронизана вечной мерзлотой, если прокладывать сферы ведет к экономическому отставанию районов. асфальтовые трассы или дороги из железобетонных Целые области страны становятся дотационными в плит, то возникает проблема таяния грунтового льда. большей части оттого, что отсутствует подходящий Этот процесс неизбежен, т.к. нагрев происходит при вид транспорта для связи отдельных частей. Такие контакте движущегося колеса и дорожного покры-регионы отличаются тяжелыми природными усло- тия. Это ведет к деформации дорожного полотна и, виями, где традиционные виды транспорта не рента- вследствие этого, к частым ремонтам. По отношению бельны. К таким регионам в РФ относятся Крайний к колесным видам транспорта в таких тяжелых при-Север и полярные зоны. Развитие здесь дорожной родных условиях машины на воздушных подушках сети для колесного транспорта экономически неце- имеют ряд преимуществ.
Рис. 1. Зависимость удельной мощности от скорости
Следует отметить экологическую безопасность этих машин, т.к. не требуется нарушать целостность почвенного покрова для обеспечения ее эффективного движения.
В СССР, а теперь и в России, накоплен колоссальный опыт конструирования, испытаний и эксплуатации судов на воздушной подушке (СВП).
Исходя из опыта эксплуатации можно сделать вывод, что амфибийные катера на воздушной подушке достаточно работоспособные транспортные средства.
Почему же они не получили широкого распространения?
Условно можно разделить весь круг проблем, которые существуют в области эксплуатации СВП, на объективные и субъективные. Причем в основном эти проблемы не определялись спецификой СВП, а имели общетехнический характер.
К объективным проблемам можно отнести следующие.
Во-первых, в силу принятых еще в системе Мин-судпрома СССР правил, доводка серийного катера после установочной серии велась уже на заводах-изготовителях. Большинство изменений, вносимых в проект заводом, были направлены только на снижение трудоемкости строительства, часто в ущерб качества и надежности, ибо заводы не располагали опытом эксплуатации. Изменения, предлагаемые проектировщиком, усложняющие конструкцию, но повышающие надежность, вносились с большим трудом.
Во-вторых, активный спрос на катера в начале 90-х годов ХХ в. со стороны различных фирм, имеющих цель последующей перепродажи, вкупе с финансовыми неурядицами в стране опустили уровень качества еще ниже.
В-третьих, отсутствие отечественного автомобильного двигателя, который обеспечивал бы высокую надежность. Это связано в первую очередь с тем, что режим работы двигателя на СВП значительно более напряженный, чем на автомобиле. Импортные двигатели при очень высокой цене предъявляли сверхвысокие требования к качеству ГСМ, которые в удаленных районах обеспечить было трудно.
В-четвертых, плоскозубчатые ремни, традиционно применяемые в трансмиссиях СВП в отечественном исполнении, оказались крайне недолговечными и требовали частой замены, порой и в полевых условиях.
В-пятых, существовал ряд конструкторских недочетов, которые устранить оказалось возможным только в процессе накопления опыта строительства и эксплуатации.
Но технические проблемы решаемы.
Существует другой круг проблем, которые преодолеваются значительно труднее. О нем хорошо знают все разработчики новой техники. Для примера приведу ряд проблем, которые должна решить любая организация, при эксплуатации СВП (и не только СВП):
— наличие квалифицированных пилотов. Необходимо уметь и психологически быть готовым управлять именно СВП. Знать, что это не гибрид гусеничного вездехода, теплохода и вертолета, а совершенно самостоятельное транспортное средство с присущей только ему динамикой;
— наличие обученного ремонтного персонала. Необходимо уметь и быть психологически готовым обслуживать именно СВП, хорошо знать материальную часть и ориентироваться в возможных неисправностях, обладать навыками ремонта конструкций из легких сплавов, автомобильных двигателей, иметь слесарные навыки на уровне слесаря не ниже 4-5 разряда. По опыту, качественное обслуживание возможно лишь в том случае, когда технический персонал ремонтирует СВП не от раза к разу, а специализируется на этом и входит в состав экипажей, по типу бортмехаников в авиации. Обязательно применение системы планово-предупредительных ремонтов. Особенности конструкции СВП имеют много общего с авиацией, поэтому регламентные работы, как и в авиации, должны выполняться неукоснительно;
— правильный выбор линии. Эффективная эксплуатация СВП возможна лишь в условиях, в которых их достоинства проявляются наиболее ярко. Необходимо тщательно проанализировать все особенности предполагаемой линии. Критерием оценки при этом будет невозможность или экономическая неэффективность применения других видов транспорта. Линии могут быть проложены как на об-ширных водных пространствах в условиях мелководья, так и на малых реках с перекатами и небольшими порогами в достаточно развитой долине. Также, СВП уверенно себя чувствуют среди обширных ледовых полей с разводьями и минимальным торошением. Возможна эксплуатация и среди полей торосов. Но в этом случае необходима подготовленная трасса. Или нужно смириться с частыми повреждениями катеров, сокращением срока их службы;
— правильно поставленная задача. Неразумно заставлять конкурировать СВП с вертолетом над торосами или холмистым рельефом. Также не стоит его сравнивать с водоизмещающим судном в штормовых условиях, с глиссирующим или крылатым судном на канале или водохранилище. Кроме того, нужно знать, что трассы СВП, как правило, всегда лежат за пределами судоходной обстанов-ки и только там возможен выигрыш;
— вопросы безопасности. Необходимо одновременное использование на линии нескольких однотипных СВП, как минимум двух. Это дает возможность повысить надежность работы линии, оказать необходимую помощь судну в случае непредвиденной поломки или аварийного повреждения. Как исключение, воз-можно
использование малого СВП, как вспомогательного.
— потенциальный потребитель новой техники подсознательно уверен, что сразу хорошо эта техника работать не будет. Поэтому любая поломка воспринимается часто излишне нервозно, а отрицательная информация о неисправностях мгновенно распространяется в среде потенциальных заказчиков. Причем, никто не вдается в причины получения отрицательного результата. Стоит ли говорить, что после неудач в сознании эксплуатационников, часто складывается отрицательный стереотип по отношению к новой технике.
Отрицательные стереотипы в сумме с крайней ограниченностью финансовых ресурсов дают в результате полное отсутствие платежеспособного спроса, и как следствие, уменьшение данного сегмента рынка транспортных средств почти до нуля.
Чтобы определить степень необходимости в СВП требуется определить место этих машин среди других видов транспорта и знать их экономическую эффективность. Создатели машин на воздушной подушке большое внимание уделяют вопросам эффективности и целесообразности их применения в качестве удобного и дешевого транспортного средства. В связи с этим сравним характеристики существующих транспортных средств и СВП, в частности по такому параметру, как удельная мощность, т. е. отношение суммарной мощности силовой установки к полному весу (рис. 1) [1].
Удельная мощность у машин на воздушной подушке примерно такая же, как у судов на подводных крыльях и глиссеров, ниже, чем у вертолетов и самолетов, но значительно выше, чем у водоизмещающих судов. По сравнению с вертоле-тами и самолетами машины на воздушной подушке имеют то преимущество, что для их полета требуется значительно меньшая мощность на единицу веса: на 1 т взлетного веса самолету требуется около 200 л. с., вертолету — 300 л. с., а машине на воздушной подушке только 80—150 л. с. Удельная мощность грузового автомобиля характеризуется величиной 15 — 20 л. с./т.
С увеличением веса и размеров СВП удельная мощность при неизменной ско-рости уменьшается. Это считается одним из достоинств этих аппаратов, пос-кольку дает возможность строить машины больших размеров. Весовая нагрузка на единицу мощности у «летающих» машин невелика. У железнодорожного по-езда она составляет 500 — 600 кг/л. с., у автомобиля 135—140 кг/л, с., у машин же на ВП она колебалась от 5 до 20 кг/л. с. Это говорит о недостаточной эффективности аппаратов. Но с увеличением размеров машин эффективность их возрастает. Если снизить высоту полета, требуемая мощность уменьшается и весо-вая нагрузка на мощность увеличивается, а следовательно, растет эффективность машины.
Транспортные средства на воздушной подушке по удельной мощности и относительной полезной нагрузке занимают промежуточное положение между самолетами и водоизмещающими судами. С увеличением скорости эти показатели у них, как и у самолетов, имеют тенденцию к улучшению.
Разрыв между водоизмещающими судами и самолетами предполагается заполнить машинами
Рис.
2. Зависимость расхода топлива различных видов транспорта от скорости
на воздушной подушке со скоростями, близкими к скорости самолета. Для сравнения технико-экономических показателей различных транс-портных средств существенным параметром является расход топлива для перевозки 1 т груза на расстояние в 1 км (рис. 2). Некоторые исследователи считают, что этот параметр может служить основным для сравнения эффективности разных средств [1].
Важным параметром является весовая отдача (относительная полезная) грузоподъемность транспортного средства. Рис. 3 иллюстрирует зависимость относительной полезной нагрузки (полезной нагрузки, отнесенной к полному весу) от скорости. Относительная полезная нагрузка меньше у вертолетов и самолетов, имеющих большие скорости. У транспортных самолетов со скоростью около 900 км/час отношение полезной нагрузки к полному весу не превышает 20%, тогда как у машин на ВП это отношение примерно в два раза больше (правда, при значительно меньшей скорости). Грузовые водоиз-мещающие суда при малых скоростях хода имеют большую полезную нагрузку. С увеличением высоты полета, а также дальности рейса доля полезного груза в общем весе уменьшается, так как увеличивается доля топлива, необходимого для работы двигателей. Каждой дальности рейса соответствует предельная скорость. Таким образом, при имеющихся двигателях существуют ограниченные значения целесообразных весов, скоростей и радиусов действия машин на воздушной подушке.
Для определения экономической эффективности транспортного средства необходимо рассмотреть две статьи расходов: себестоимость постройки, или так на-зываемые удельные капиталовложения, и эксплуатационные, текущие расходы.
На рис. 4 показана зависимость стоимости транспортного средства (без груза) от эксплуатационной скорости. Сравнение показывает, что стоимость постройки машин на ВП довольно высока, в частности по сравнению с наземными видами транспорта, однако есть основания полагать, что величина удельных капиталовложений по мере усовершенствования аппаратов будет снижаться. Эксплуатационные расходы
Рис. 3. Зависимость относительной полезной нагрузки от скорости
по расчетным данным показаны на рис. 5, где дана себестоимость тонна-километра в условных единицах в зависимости от скорости.
По приближенному расчету отношению стоимости 1 т веса конструкции водоизмещающего судна из легких сплавов к стоимости 1 т веса конструкции самолета составляет 1:40. Предполагается, что стоимость постройки СВП в 5 раз ниже стоимости самолета и в 8 раз выше стоимости судна. Автомобили в массовом производстве, несмотря на более сложное устройство, чем у водоизмещающих судов, по стоимости веса конструкции приблизительно равны с ними.
В настоящее время СВП не экономичны по сравнению с водоизмещающими судами. Стоимость грузовых перевозок на них в несколько раз превышает стоимость перевозки на водоизмещающих судах. Это объясняется тем, что увеличение скорости по сравнению с водоиз-мещающими судами в несколько раз приводит к увеличению мощности на каждую тонну веса в несколько десятков раз. Эксплуатационные расходы в значительной степени зависят от величины потребной мощности и, следовательно, себестоимость перевозок повышается.
На рис. 2 показан расход топлива у различных транспортных средств. Существующие машины на воздушной подушке имеют большой расход топлива (порядка 0,3 кг/ткм), но в будущем, с увеличением скорости и веса аппаратов, возможно значительное снижение этой величины. Оптимальной скоростью при этом, вероятно, будет 100 км/час.
Вместе с тем для перевозки пассажиров, автомашин и дорогостоящих грузов, особенно на короткие расстояния, машины на ВП рентабельнее, чем вертолеты, сравнимы с самолетами и уже скоро могут стать конкурентоспособными с другими видами транспорта. В этом вопросе необходимо также учитывать, что «летающие» машины найдут особые области применения, в которых сообщение другими видами транспорта затруднительно или совсем невозможно.
Для случая доставки грузов с морских судов на сушу сравнивалась стоимость эксплуатации автомо-
биля-амфибии, вертолета и аппарата на ВП; сравнение показало преимущество аппаратов. Дальность доставки груза по суше была равна 1,6 км, а расстояния над морем принимали различными. Скорость для вертолетов была принята 120 — 216 км/час, для амфибии— 12,8 км/ час, для аппарата на воздушной подушке — 128—193 км/час. С увеличением дальности перевозок прямые расходы на доставку груза увеличиваются. Наиболее дорого доставка 1 т груза обходится на вертолете, значительно дешевле — на амфибиях, и самая дешевая — на аппаратах на воздушной подушке. При дальности перевозки 80 км прямые расходы по доставке груза вертолетами примерно в 10 раз, а амфи-биями в 1,5 — 2 раза выше, чем у аппаратов на ВП. При увеличении дальности доставки прямые расходы при использовании амфибий и машин на ВП продолжают расти. Так, при увеличении дальности с 80 до 200 км прямые расходы при использовании аппаратов возрастают примерно вдвое, амфибий —втрое. Осо-бенно же резко увеличиваются прямые расходы на доставку у вертолетов. Даже при увеличении расстояния с 40 до 80 км стоимость доставки увеличивается почти вдвое, а затем кривая ее круто растет, и прямые расходы становятся чрезмерно большими.
Напрашиваются очевидные выводы: СВП выгодно применять в суровых условиях русского бездорожья для перевозки пассажиров, грузов, например, между удаленными населенными пунктами в тундре, по глубокому снегу, по мелким несудоходным рекам.
С точки зрения обитаемости, салоны современных СВП аналогичны салонам мягких автобусов. Рубка похожа на легковой автомобиль. Электрооборудование СВП предельно просто. Гибкое ограждение ВП резинотканевое, двухъярусное, достаточно долговечное. Имеется много случаев, когда ГО служит по 5-6 лет при регулярной эксплуатации.
Такая конструкция позволяет катерам двигаться со скоростью более 60 км/час по воде, льду, снегу, плоским участкам суши, песчаным пляжам, отмелям и болотам. Катера вполне управляемы, и в ряде случаев СВП двигаются по дорогам, заходят своим ходом в помещения, разворачиваются на месте. Катера в состоянии преодолевать одиночные препятствия высотой до 0,7 м, длительные ук-лоны до 5 град., кратковременные — до 15 град.
При необходимости катер может перемещаться в режиме плавания, неся полную нагрузку, сохраняя остойчивость и непотопляемость.
Катера уверенно работают в диапазоне температур от —25 до + 30 град. С. Для хранения и отстоя катеров используется ровный участок суши небольшой площади, имеющий достаточно пологий (до 15 град.) плавный спуск в воду.
Наряду с очевидными положительными качествами машин на ВП, в процессе постройки и опробования построенных образцов выявились их специфические особенности и возникли некоторые проблемы, требующие решения для дальнейшего совершенствования этих аппаратов. Одним из таких вопросов, связанных с эксплуатацией машин, является интенсивное брыз-гообразование при полете их над водой и пылеобразо-вание при передвижении над твердым грунтом.
Воздух, вытекающий по периметру машины из подушки в атмосферу, имеет большую скорость — 15 — 45 м/сек. Поток воздуха, меняя направление, увле-кает за собой пыль, песок и мелкие частицы грунта, а при движении над водой — частицы воды. Вокруг аппарата образуется облако пыли или брызг, это затрудняет видимость, мешает водителю управлять машиной. Частицы пыли и воды попадают в двигатели, вентиляторы и систему воздухопроводов, загрязняют и портят их. Для уменьшения этого явления понижают давление в подушке и устраивают козырьки или отражатели по периметру аппарата. Необходимо отметить, что сильное образование пыли и брызг наблюдается главным образом при малых скоростях хода, а при 60 км/час и выше оно значительно снижается. Кроме того, при большой скорости движения облако пыли или брызг сносится назад и не мешает эксплуатации. Интенсивное забрызгивание при разбеге и движении на волнении приводит к засолению двигателей и быстрому ухудшению параметров их работы. Для борьбы с засолением необходимо обеспечить очистку поступающего в двигатель воздуха, для чего на СВП устанавливаются специальные системы сепарации.
Существенно уменьшается образование брызг и пыли при использовании схемы рециркуляции воздуха в завесе и лабиринтного уплотнения. Однако необходимо учитывать, что в этом случае брызги, пыль и мелкие камни попадают в вентиляционные устройства и даже в двигатели. Необходимо устанавливать специальные оградительные устройства, фильтры и т. п. С проблемой брызгообразования связана также проблема борьбы с обледенением машин при использовании их над водной поверхностью при низкой температуре.
Отсутствие непосредственной связи летающих машин с землей или водой вызывает также ряд трудностей: машины на воздушной подушке легко подвергаются сносу или дрейфу от воздействия бокового ветра. Как мера борьбы против сноса применяются поворотные лопатки, отклоняющие струю сжатого воздуха в сторону, противоположную действию ветра, и таким образом создающие упор о грунт, препятствующий дрейфу. При наличии поворотных воздушных винтов их также можно применить для противодействия сносу. Однако нужно признать, что эти меры не являются радикальными, и проблема требует своего разрешения.
Одной из сторон этой проблемы являются вопросы торможения. Торможение может производиться использованием колесных или аэродинамических тормозов, а также реверсированием тяговых винтов.
Проблема габаритов тоже является весьма важной. Машины на ВП, как правило, имеют относительно большие размеры, чем другие виды транспорта. Это обстоятельство, вместе с затруднительными управлением и склонностью к дрейфу, вызывает необходимость иметь более широкие пути для их передвиже-ния. Некоторым ограничением применения этих машин является то обстоятельство, что они могут преодолевать уклоны не более 12—16°. С увеличением высоты парения эти возможности будут увеличиваться.
Не решена до конца проблема устойчивости и
Рис. 4. Стоимость постройки различных транспортных
средств: 1— автобус; 2 — автомобиль; 3 — яхта; 4 - легкий самолет; 5 — самолет с двойным фюзеляжем;
6 - турбовинтовой самолет; 7 — турбореактивный самолет; 8- вертолет; 9-10 - суда на воздушной подушке
Рис. 5. Эксплуатационные расходы в зависимости от скорости
остойчивости машин на ВП, особенно при высоте полета более 1/10 диаметра или ширины машины.
Двигатели, применяемые в настоящее время, создают большой шум. Для широкой эксплуатации машин должна быть решена и эта проблема.
Заключение
Из всего вышесказанного можно сделать вывод: несмотря на все недостатки и недоработки, СВП просто незаменимо за полярным кругом, в тундре, где множество мелких и заболоченных рек. Применение СВП по экономическому эффекту превосходит все остальные виды транспорта. На данной стадии развития очевидно, что эти транспортные средства целесообразно применять для пассажирских сообщений над водой со скоростью передвижения более высокой, чем у водоизмещающих судов. Оправдывает себя использование подобного вида транспорта при передвижении в устьях рек с пересыхающими участками. К слову, в России более 300 тыс. км водоемов глубиной до 1 м почти не освоены для
судоходства. Суда на воздушной подушке обеспечат круглогодичную навигацию — они могут ходить над водой и надо льдами по любой, даже несудоходной, реке. Скорость у них не меньшая, чем у судов на подводных крыльях, но им не страшны мели, перекаты и плавающие бревна-топляки. Им не нуж-ны причалы — для погрузки и стоянки они, могут выйти на берег.
Одно из преимуществ судов на воздушной подушке (как и судов на крыльях) —это малое волнообразование, что важно при эксплуатации на реках и каналах.
СВП пока не нашли сколько-нибудь значительного применения для движения над твердым грунтом. Это объясняется не устраненными еще недостатками аппаратов — подверженностью сносу от ветра, большим пылеобразованием и др.
Амфибийные свойства машин на воздушной подушке дают им возможность передвигаться над сушей и над водой, переходить с воды на берег (при условии небольшого подъема) и обратно, двигаться над любой относительно ровной поверхностью. Им не страшны распутица и ледоход, болото и вспаханное поле. Строительство дорог для вездеходов или вовсе не потребуется, или
будет обходиться значительно дешевле, чем строительство железнодорожного пути или бетонированных автострад. В некоторых случаях для строительства такой дороги достаточно выровнять грунт или уложить легкое покрытие. При пологих берегах не потребуется строительства мостов через реки. Исключается износ автомобильных шин и разрушение покрытия дороги, что дает значительную экономию средств.
Библиографический список
1. Адасинский С.А., Транспортные машины на воздушной подушке/ С.А. Адасинский -М.: Наука. 1964.-108 с.: ил; (Научно-популярная серия/ АН СССР).
ВАВИЛОВ Игорь Сергеевич, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ, инженер лаборатории ТСО УМУ.
Дата поступления статьи в редакцию: 07.11.2007 г. © Вавилов И.С.
