Проект лёгкого экраноплана типа а с массой коммерческой нагрузки до 1300 кг Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

20. Сазыкина О.В., Кудряков А.Г., Сазыкин В.Г. Использование нейронной сети в управлении производственными активами предприятия // Путь науки. - 2015. - № 9. - с. 58-62.

21. Сазыкина О.В., Кудряков А.Г., Сазыкин В.Г. Нейросетевой метод оценки потенциала развития хозяйственных систем // Социально-экономические и правовые основы развития экономики: коллективная монография. - Уфа: Аэтерна. - 2016. - с. 52-77.

22. Сазыкина О. В., Кудряков А.Г., Сазыкин В.Г. Организация нейросетевого прогнозирования хозяйственной деятельности предприятия // Наука, образование, общество: тенденции и перспективы: сборник научных трудов международной научно-практической конференции. Часть III. - М.: «АР-Консалт». - 2014. - с. 95-97.

23. Черкасова Н.И. Анализ состояния сельских электрических сетей 10 кВ в свете мониторинга отказов // Ползуновский вестник. - 2012. - № 4. - с. 49-54.

© Александров Н.В., 2016

УДК 656.001.12/.18

Амплитов Павел Андреевич

канд. техн. наук «КнААЗ им. Ю.А.Гагарина» г.Комсомольск-на-Амуру, РФ E-mail: [email protected]

ПРОЕКТ ЛЁГКОГО ЭКРАНОПЛАНА ТИПА А С МАССОЙ КОММЕРЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ДО 1300 КГ

Аннотация

В статье рассмотрен проект экраноплана. Дано обоснование выбора размерности, скорости и дальности полёта. Приведены некоторые расчётные аэродинамические характеристики, приведены результаты экономического расчёта.

Ключевые слова

Экраноплан, проектирование

Рассмотрим вопрос формирования облика малого экраноплана типа А для внутренних линий.

Опыт эксплуатации скоростных судов аналогичного класса («Ракета», «Метеор», «Комета», «Восход» и др.) показывает, что пассажировместимость не должна превышать 30-40 человек. Таким образом, они смогут быть интегрированные в транспортную систему по типу автопарков. Продолжая аналогию с автомобильным транспортом, который за многие годы наладил четкую систему регулярных грузовых и пассажирских перевозок, можно выделить несколько типоразмеров экранопланов:

• экраноплан-такси - 4^6 пассажиров;

• микроавтобус - 8^12 пассажиров;

• экспресс - 20^30 пассажиров.

Наиболее универсальным будет аппарат вместимостью 12 человек или 1300 кг коммерческой нагрузки.

Крупные населенные пункты Дальнего Востока расположены по берегам рек (в основном, Амур и его притоки) и на побережьях морей. Среднее расстояние между ними составляет 400^1000 км по прямой. Так как экраноплан предполагается использоваться над водной поверхностью, то дальность необходимо рассчитывать именно вдоль рек и побережья.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

Анализ протяженности участков рек и побережья Хабаровского края показывает, что потребная дальность дневного перехода составляет 2000^2500 км. Автономность, с учетом климатических особенностей, должна составлять 3^5 суток. Таким образом, экраноплан сможет, работая на максимальную дальность, совершать промежуточные остановки для принятия пассажиров (грузов) в небольших поселках.

В таких населенных пунктах изначально отсутствует инфраструктура, поэтому необходимым условием создания такого экраноплана является возможность швартовки на необорудованный берег.

По Правилам классификации и постройки малых экранопланов типа А, экраноплан должен эксплуатироваться только в светлое время суток. Продолжительность светового дня меняется от 7 до 17,5 часов. В навигационный период изменение составляет от 11 до 17,5 часов. Таким образом, средняя путевая скорость должна составлять 180^230 км/ч.

Оптимальным решением по выбору аэродинамической компоновки экраноплана является схема с сочлененным крылом, модернизированная до триплана (см. рис. 1), то есть все несущие поверхности (центроплан, консоли, заднее крыло) участвуют в создании положительной подъемной силы. Достоинствами схемы являются: компактность, устойчивость без применения системы автоматического управления, жесткая привязка к экрану без использования поддува, высокое качество на крейсерских режимах полета.

Гидродинамическая схема экраноплана - катамаран. Поплавки переходят в хвостовые балки, на которых установлены кили. Двигатель устанавливается на пилоне, расположенном на фюзеляже между килями. Применение перспективного бесшатунного двигателя ДС-300Ф [1] мощностью 600 л.с. позволит получить уникальные летно-технические и экономические данные. Выбор двигателя обусловлен значительной (-0,5) потребной степенью дросселирования двигателя на крейсерском режиме относительно взлётного.

Рисунок 1. Аэродинамическая компоновка

Проект экраноплана выполнен с учетом требований, изложенных в «Правилах классификации и постройки малых экранопланов типа А» [2], выпущенных Российским морским регистром судоходства. В

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

этих «Правилах» большое внимание уделяется комфорту и безопасности пассажиров, поэтому предлагаемый экраноплан имеет просторную пассажирскую кабину. Вынос винтомоторной группы в хвостовую часть позволяет снизить шум и вибрации в кабине, а также увеличить пожарную безопасность (см. рис. 2).

На экраноплане имеются три основных выхода: один в носовой части и два по бокам фюзеляжа. Они позволяют безопасно производить погрузку-выгрузку, а также эвакуацию при аварии.

Рисунок 2. Компоновка пассажирской кабины экраноппана

Наличие трех выходов в сочетании со складывающимися консолями позволяет швартоваться к существующим причальным сооружениям бортом, а также проводить погрузку-выгрузку с берега. Для маневрирования у берега применяется реверс винта.

К определению технико-экономических характеристик

На основании работ Эшилла, Суржика В.В. и др. в работе [3] был синтезирован алгоритм определения аэродинамических и моментных характеристик крыла в близи экрана. Алгоритм учитывает сложное влияние близости подстилающей поверхности через коэффициент снижения индуктивного сопротивления и коэффициент ослабления действия экранного эффекта при переходе от профиля к крылу. Также в работе [3] описан способ приведения характеристик системы из нескольких несущих поверхностей к характеристикам базового крыла. Результаты расчёта в виде графиков представлены на рис. 3-5.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

Наиболее подходят для крейсерского полёта относительные высоты 0,3...0,5 хорды базового крыла, так как в этом диапазоне аэродинамические характеристики меняются не так резко, как в остальных диапазонах. Поэтому зависимость потребных мощностей будем строить для этого диапазона относительных высот, плюс кривую потребных мощностей для неограниченного потока.

ыш Ыт, /

/

/

к / > Г '

N у / /

' * Л /

_ _ _ _ _ _ _ _ _ .. _ _ _

У / / / ♦

✓ / /

300 /

** -- / / / ( 7(1

—1 / / 1

/ / 0.60

40 ✓ Г _ — 0.50

— > Л. \ 0,5

- з

=0

--(С,

0

рш

— — —

0 10 20 30 40 50 60 70 80 V |Л 90

Рисунок 6. Диаграмма потребных и располагаемых мощностей для полетного веса 4000 кг

Предполагая, что основной реакцией аппарата на возмущение является изменение высоты полёта, таким образом, для обеспечения устойчивости достаточно выполнения критерия, описанного в [4]:

hChv • g

С • h

у кр кр

< 3 рад/с

где hCh - прирост коэффициента подъёмной силы (КПС) вблизи экрана; g = 9,8 м/с2 - ускорение

свободного падения; Су кр - КПС на крейсерском режиме полета; НКр - высота крейсерского полета, м. Подставляя значения, получим

/0,08 • 9,8 м/с2 . „

, -= 0,76 рад/с < 3 рад/с .

V 0,56 • 2,4 м

Условие устойчивости выполняется.

Знание основных массовых характеристик, а также мощности двигателя и крейсерской скорости, позволяет спрогнозировать стоимость разработки, стоимость одного экраноплана (цену) и стоимость эксплуатации. Методика, описанная в [3], основана на статистике для современных пассажирских самолётов. Так как подавляющее большинство таких самолётов, находящихся в эксплуатации, зарубежного производства, то и экономические характеристики для них, обычно, приведены в долларах США. Этот недостаток методики в некоторой мере затрудняет расчёт в современных экономических условиях. Исходные данные и результаты расчёта приведены в таблице 1.

Таблица 1

К расчёту стоимостных параметров

Параметр Расчёт

Взлётная масса т0, т 4,4

Масса пустого тпуст, т 2,2

Крейсерская скорость Гкр, км/ч 180

Мощность двигателей N0, кВт 450

Продолжение таблицы 1

Коэффициент серийности ¿сер 7

Цена С, млн. $ 0,373

Коэффициент превышения затрат ¿разраб 60

Цена при единичном производстве

С млн. $ ¿сер = 20 1,08

Стоимость разработки Сразраб, млн. $ 64,5

Коэффициент рентабельности ¿р 1,25

Число проданных аппаратов до полного возмещения стоимости разработки п, шт. 864

После определения затрат на проектирование и цены продажи экраноплана, становится возможным определение затрат в эксплуатации [3]:

4

А • Н г + К • Ен = ¿пр X ПЭР,,

г=1

где Ач - расходы на эксплуатацию в течение одного летного часа; Нг - годовой налет, ч/год; К -капитальные затраты; Ен - коэффициент эффективности капитальных вложений; ¿пр - коэффициент учёта прочих расходов (включая портовые и навигационные сборы); ПЭР1 - 1-й элемент формирования прямых эксплуатационных расходов.

Таким образом,

А • Нг + К • Ен = 0,346 млн. $,

А = 100-10 "6 млн. $.

Что составляет в рублях (1 $ = 75 руб.) (см. таблицу 2):

Таблица 2

Стоимостные параметры в рублях

Параметр Значение

Цена С, млн. руб. 27,98

Стоимость разработки Сразраб, млн. руб. 4837

Расходы на эксплуатацию в течение одного летного часа Ач, млн. руб. 0,0075

Заключение

В заключение проведём условный анализ затрат времени и топлива при перелёте по маршруту Комсомольск-на-Амуре - Хабаровск самолётов М-101 «Гжель», Ан-2В, Ан-3, вертолёта Ми-8, экранопланов «Волга-2», ЭЛ-7С «Иволга» и предлагаемого проекта экраноплана. Основные характеристики и результаты расчётов приведены в таблице 3.

На основе анализа полученных результатов можно сделать вывод, что предлагаемый проект экраноплана при доставке пассажиров (грузов) на дистанции до 400 км будет иметь следующие преимущества:

• по сравнению с существующими самолетами авиации общего назначения - меньше время, затрачиваемое пассажиром для перелета; меньшая стоимость топлива, затрачиваемого на рейс. Исключение составляет самолет М-101 «Гжель», который имеет аналогичные параметры;

• по сравнению с Ми-8 - меньше время, затрачиваемое пассажиром для перелета; меньшая стоимость топлива, затрачиваемого на рейс;

• по сравнению с существующими экранопланами имеет выигрыш по времени для пассажира (по сравнению с «Волгой-2») и меньшие расходы на топливо.

Таблица 3

Сравнение различных аппаратов на маршруте Комсомольск-на-Амуре - Хабаровск

Параметр Проект Волга-2 ЭЛ-7С «Иволга» М-101 «Гжель» Ми-8 Ан-3 Ан-2В

Масса пустого, кг 2200 1950 2440 2620 7260 3615 3688

Масса коммерческой нагрузки, кг 1300 710 900 360 2680 1200 1000

Продолжение таблицы 3

Взлетный вес, кг 4400 2850 3600 3270 12200 5800 5250

Запас топлива, кг 700 100 160 200 940 985 382

Дальность, км 3500 400 820 800 450 900 580

Крейсерская скорость км/ч 180 120 180 380 225 235 190

Высота полета у экрана, м 1,8-2,4 0,2-3

Двигатель ДС-300Ф ЗМЗ-В.4062.10 BMW S38 M601F ТВ2-117 ТВД-20 АШ- 62ИР

Число двигателей 1 2 2 1 2 1 1

Суммарная мощность, л.с. 600 280 572 760 3420 1375 1000

Пассажировместимость, чел 12 8 10 4 28 10 9

Экипаж, чел 2 1 1 1 2 2 2

Расход топлива, кг/ч 23-38 30 35-47 95 470 255 118

Тип топлива АИ-95 АИ-95 АИ-95 ТС-1 ТС-1 ТС-1 АИ-95

Амфибийность - + + - + - -

Весовое совершенство 0,497 0,315 0,322 0,199 0,405 0,377 0,298

Удельный объем салона, м3/пас 1,125 1,071 1,18 1,18

Расход топлива на 1 пассажира на 100 км, кг 1,67 3,12 1,95 6,25 7,46 10,94 7,31

Затраты времени пассажира на перелет по маршруту Комсомольск-на-Амуре-Хабаровск (400 км), ч, в т.ч: 3,05 4,3 3,05 2,9 3,7 3,6 3,4

затраты времени на дорогу в (аэро)порт, ч 0,35 0,35 0,35 0,7 0,7 0,7 0,35

время от регистрации до вылета, ч 0 0 0 0,5 0,5 0,5 0,5

время полета, ч 2,5 3,75 2,5 1,2 2 1,9 2,35

затраты времени на дорогу из (аэро)порта в центр города, ч 0,2 0,2 0,2 0,5 0,5 0,5 0,2

При этом надо учесть, что время доставки пассажиров для самолётов и вертолётов складывается из времени поездки в аэропорт, времени, затрачиваемого на регистрацию и досмотр пассажиров и багажа, посадки, времени полёта до аэропорта назначения, высадки и получения багажа и поездки из аэропорта. Для пассажиров экраноплана это время будет складываться из времени поездки в порт, посадки, полёта в порт назначения, высадки и поездки из порта.

Также предлагаемый экраноплан более безопасен в эксплуатации по сравнению с существующими самолетами и вертолетами, а также обладает повышенной комфортностью для пассажиров и экипажа за счет просторной кабины и отсутствия постоянного забрызгивания экраноплана, в отличие от «Волги-2» и «Иволги».

Список использованной литературы:

1. Многоцелевые поршневые двигатели нового поколения [Электронный ресурс] : "Передовые Технологии России" . URL: http://www.ptechnology.ru/MainPart/Engine/Engine1.html (дата обращения: 05.09.2015)

2. Правила классификации и постройки малых экранопланов типа А : утвержден Российский морской регистр судоходства : ввод в действие с 01.01.1999. - С-Пб.: Российский морской регистр судоходства, 1998. - 66 с.

3. Амплитов, П.А. Влияние геометрических параметров экраноплана типа А на его весовые и экономические характеристики: дис. ... канд. тех. наук : 05.07.02 / Амплитов Павел Андреевич. - Комсомольск-на-Амуре., 2013 - 213 с.

4. Булыгин, А.В. Концепция и выбор проектных параметров транспортного экраноплана / А.В.Булыгин, А.Н.Моисеев, А.М.Карчевский // Известия вузов. Авиационная техника, № 2, 1995 - С. 6-8

© Амплитов П.А., 2016