CC BY
146
Создание экранопланов: от прошлого века до наших дней
Экраноплан - многорежимное транспортное средство-амфибия, которое позволяет обеспечить связь с «большой землей» труднодоступных прибрежных населенных пунктов, организовать доставку туристов от аэропортов к зонам отдыха, нефтяников - к затерявшимся в тундре буровым вышкам, а также решать множество других задач, в том числе по освоению водного пространства России. Специалисты ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (КГНЦ) разработали проекты экранопланов, реализация которых может значительно улучшить состояние отечественной системы водного транспорта.
С. М. Ганин,
начальник сектора аэродинамики ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
Развитие скоростного флота в первой половине ХХ в. привело к массовому созданию кораблей и судов с динамическими принципами поддержания (КДПП). Исторически первыми в этом перечне были глиссирующие суда; позже были созданы суда и корабли на подводных крыльях, аппараты на воздушной подушке, аппараты с эффектом увеличения подъемной силы при движении вблизи экранирующей поверхности - экрано-планы (ЭП).
История изучения экранного эффекта
В нашей стране с 1920-х годов работы по изучению влияния поверхности земли на характеристики крыла и летательного аппарата в целом проводились в Центральном аэрогидродинамическом институте им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ). Публикации по околоэкранной аэродинамике открыла работа начальника аэродинамического отдела ЦАГИ Б. Н. Юрьева «Влияние земли на аэродинамические свойства крыла», опубликованная в № 1 журнала «Вестник воздушного флота» за 1923 г. Проведенные исследования показали, что вблизи земли подъемная сила, сопротивление и мо-ментные характеристики крыла зависят от высоты полета, причем при приближении к земле возрастает аэродинамическое качество, главным образом за счет увеличения подъемной силы.
Первое практическое использование экранного эффекта, по-видимому, принадлежит немецким специалистам, которые в 1932 г. на гигантском по тем временам гидросамолете Domier Do-X выполнили полеты на высоте 10 м и
показали, что расход топлива при этом оказывается существенно меньшим, чем при полетах на большей высоте.
В послевоенные годы в ряде стран многократно предпринимались попытки создать специализированные аппараты, использующие экранный эффект.
В нашей стране инициатива создания скоростных транспортных средств, использующих аэродинамические силы на крыльевых элементах, движущихся вблизи поверхности воды, принадлежит Р. Е. Алексееву. Работы по созданию новой техники начались в конце 1950-х годов, когда стало ясно, что для скоростей, существенно превышающих 60 уз., невозможно создать эффективное судно с гидродинамическими силами поддержания.
Специалисты ЦНИИ им. акад.
А. Н. Крылова начали работы по экра-нопланам практически одновременно с конструкторами Центрального конструкторского бюро по судам на подводных крыльях ЦКБ по СПК, г. Горький. Достаточно хорошая информированность специалистов о тенденциях развития флота предопределила начало плановых и инициативных работ по экраноплан-ной тематике в нескольких подразделениях института. Чтобы изучить вопросы возможностей и перспективы использования экранопланов в интересах народного хозяйства и Военно-морского флота (ВМФ) страны, создания специализированного экспериментального оборудования, методов проведения исследовательских работ и обеспечения упреждающего научно-технического задела по тематике был выполнен ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок (НИОКР).
Первые собственные проработки вариантов скоростных боевых кораблей-экранопланов «самолетного» типа и схемы «тандем» были созданы по теме А-УП-100. Позднее были выполнены научно-исследовательские работы (НИР) А-1-171 «Разработка перспективных моделей транспортных скоростных судов для морского и речного флота Советского Союза» и А-Х-158 «Совершенствование компоновочных схем экранопланов для расширения эксплуатационного диапазона по высоте». Проводились отработка вопросов повышения устойчивости экранопланов с использованием схематизированных моделей различных компоновочных схем; разработка методов управляемости экранопланов в режиме плавания и глиссирования.
Результаты исследований достаточно быстро выявили несколько принципиально различающихся типов КДПП, движущихся без контакта с поверхностью:
• аппараты на динамической воздушной подушке, совершающие движение в основном режиме только в зоне действия экранного эффекта;
• собственно экранопланы - аппараты, движущиеся в непосредственной близости от поверхности и имеющие возможность кратковременного увеличения высоты полета;
• экранолеты - двухрежимные аппараты, движущиеся в непосредственной близости от поверхности и имеющие возможность совершать длительный полет в отрыве от экрана;
• аппараты с полной или частичной аэродинамической разгрузкой.
Для координации работ по созданию многорежимных скоростных аппаратов в 1966 г. был создан Междуведомственный Совет по экранопланам, председателем которого был назначен министр судостроительной промышленности Б. Е. Бутома, а его заместителем - министр авиационной промышленности
B. П. Дементьев. Решением Военно-промышленной комиссии при ЦК КПСС и Совете министров работы по созданию экранопланов были возложены на Мин-судпром. Главнокомандующий ВМФ
C. Г. Горшков поддерживал создание экранопланов и считал создание «летающего флота» перспективным.
Результаты
научных исследований ХХ века
В 1969 г. в институте во главе с А. А. Русецким было создано специали-
зированное 10-е отделение для проведения работ в области гидроаэродинамики экранопланов. В этот же период в 3-м отделении был создан отдел прочности КДПП во главе с Б. П. Кузовенковым. С учетом специализации подразделений института работы выполнялись отделами и лабораториями как независимо друг от друга, так и совместно для решения комплексных задач.
Чтобы обеспечить работы, в структуре 10-го отделения были созданы специализированные сектора: гидродинамики ЭП (Е. А. Крамарев); аэродинамики ЭП (Л. Д. Волков); динамики ЭП в полете (А. М. Князев); динамики КДПП и ЭП в контакте с водой (А. Ш. Афремов). Работы по гидродинамике, аэродинамике и динамике ЭП были организованы начальниками лабораторий Э. А. Паравяном, Е. П. Николаевым, В. Н. Трещевским, Н. Н. Рахманиным.
Для проведения экспериментальных исследований использовались скоростной, мореходный, маневренный, циркуляционный опытовые бассейны, аэродинамическая труба, катапульты (для проведения бросковых испытаний над водой и твердой поверхностью), стенды прочностных и ресурсных испытаний, стенды силовых установок. На стенде электродинамического моделирования выполнялись исследования для решения внешних задач морской радиолокации. Испытательные стенды и установки были дооборудованы измерительными средствами и специализированными приспособлениями. По всем направлениям исследований были уточнены или разработаны специальные методики проведения испытаний.
В 1976 г. институту был передан Филиал № 1 ЦКБ по СПК, созданный на р. Троца при ее впадении в Горьковское море.
Первое время Горьковский филиал ЦНИИ проводил испытания по заказам ЦКБ, однако в дальнейшем встал вопрос о его загрузке работами по основному направлению и о поиске новых направлений исследований. Преобразование испытательной базы в научно-исследовательское подразделение ЦНИИ способствовало расширению тематики и номенклатуры выполняемых работ. Сотрудники филиала проводили научные исследования, составляли договоры, вели самостоятельные конструкторские разработки. Как уникальный факт можно рассматривать создание и эксплуата-
цию на режимном предприятии легкого экраноплана, принадлежавшего сотруднику А. Двойникову.
При формировании научного задела для проектирования экранопланов и по экранопланам I поколения институт:
• получил аэродинамические характеристики ЭП в различных режимах движения, выявил эффективность органов управления и стабилизации с учетом взаимодействия со струями двигателей силовой установки;
• определил мореходность и остойчивость ЭП в режиме плавания в условиях ветра и волнения, получил материалы, позволяющие выявить предельные метеоусловия, в которых обеспечена безопасность;
• выявил характеристики управляемости ЭП в режиме плавания;
• составил рекомендации по управлению разностью тяг поддувных двигателей путем несимметричной перекладки закрылков;
• разработал теоретические и экспериментальные методы определения расположения поддувных двигателей относительно несущего крыла и эффективности поддува;
• создал математические модели и программы расчета движения ЭП в полете, в процессе старта и посадки на тихой воде и волнении при использовании оптимального сочетания демпфирования и амортизации гидролыжи для обеспечения быстрого старта при допустимом уровне перегрузок;
• разработал метод и программу определения статистических и спектральных характеристик параметров движения и ускорений при полете ЭП над волнами;
• составил алгоритм определения параметров движения и гидродинамических сил, возникающих в процессе полета при случайных контактах с водой корпуса ЭП и несущего крыла;
• разработал законы управления закрылками, рулем и тягой двигателей, обеспечивающие безопасное выполнение маневра, включая циркуляцию ЭП в полете при контакте концевой шайбой крыла при допустимом уровне гидродинамических сил.
В интересах ЦКБ по СПК исследования проводились по следующим проектам:
• пр. 904 «Орленок» и пр. 905 «Ястреб» - десантные экранопланы;
• пр. 910 «Чайка» - пассажирский
Рис. 1. Ракетный экраноплан пр. 903 «Лунь»
Рис. 3. Экраноплан-спасатель на базе экраноплана II поколения (проектная проработка)
экраноплан;
• пр. 903 «Лунь» - ударный ракетный экраноплан в базовом варианте (рис. 1) и в варианте спасателя;
• пр. 19500 «Стриж» - учебно-тренировочный экраноплан.
Филиал № 1 института проводил работы по большей номенклатуре проектов ЦКБ по СПК.
В начале 1970-х годов по заказам ЦМКБ «Алмаз» (главный конструктор
по экранопланной тематике К. Ж. Ава-несов) выполнялись исследования по нескольким проектным проработкам десантно-транспортных и ударных ЭП, а в скоростном опытовом бассейне проводились работы по заказам КБ Ухтомского филиала ТМЗ (УФТМЗ) (Р. Л. Бартини).
По заказам Зеленодольского ПКБ, проектировавшего суда (корабли) с аэродинамической разгрузкой, вы-
полнялись исследования по самоходной модели СМ-16; опытному судну с аэродинамической разгрузкой «Циклон» (рис. 2); аппаратам компоновочных схем «Утка» и «Катран» для перспективных скоростных судов; пассажирскому катеру «Стриж» и катеру-экраноплану «Стриж-М» и др.
На каждой стадии проектирования на основании представляемых материалов специалисты института составляли комплексное заключение по проекту. При этом обеспечивалось сопровождение сложных модельных и полунатурных испытаний, выполняемых различными организациями, а также натурных испытаний ЭП при участии специалистов института в составе межведомственных комиссий.
Работы по ЭП самолетной схемы выявили проблемы с обеспечением высокого аэродинамического качества, необходимость использования развитого стабилизирующего комплекса и недостаточную мореходность.
До конца 1980-х годов институт с участием Горьковского филиала проводил исследования по комплексным НИР и НИОКР «Полет», «Взлет», «Поиск», «Взлет-2МСП», «Секунда», «Ка-олинит-13» и др., выполняемых во взаимодействии с ЦАГИ, ЦКБ по СПК, Центральным институтом авиационного мотостроения им. П. И. Баранова (ЦИАМ), Сибирским научно-исследовательским институтом авиации им. С. А. Чаплыгина (СибНИА), УФТМЗ, в/ч 27177 и другими организациями. Работы велись на основании Постановлений ЦК КПСС и СМ СССР, Решений ВПК в обеспечение создания ЭП водоизмещением до 5000 т, экранопланов - носителей боевых самолетов, экранопланов II поколения.
Институт выполнил большой комплекс работ по выбору компоновочной схемы экраноплана и стабилизирующих элементов минимальной площади, создающих необходимый уровень устойчивости; по синтезу системы автоматического управления экранопла-ном, обеспечивающей ему заданные динамические качества, по составу и конструктивному оформлению пилотажного оборудования экраноплана. В результате работ в структуре Минсудпрома СССР специалисты ЦКБ по СПК и института разработали две альтернативные компоновки ЭП II поколения, применительно к которым планировалось провести проектные
Рис. 4. Экраноплан для обеспечения старта многоразовых воздушно-космических самолетов (проектная проработка)
проработки.
Научно-исследовательские работы института позволили Э. А. Афрамееву в начале 2000-х годов предложить к реализации проработки тяжелых экрано-планов II поколения в нескольких вариантах использования:
• спасательный ЭП (рис. 3) в составе глобальной международной системы морской безопасности с возможностями, которые не могут обеспечить другие технические средства;
• двухрежимный ЭП для обеспечения старта многоразовых воздушно-космических самолетов (рис. 4) в любой зоне Мирового океана. Разработка системы велась двумя заинтересованными сторонами: Академией им. А. Ф. Можайского и институтом.
Со второй половины 1980-х годов и в начале 1990-х годов Горьков-ский филиал в рамках конверсионных программ совместно с ЦКБ по СПК и ЦНИИ проектировал грузопассажирские ЭП на базе компоновки самолетной схемы с составным крылом. При проведении проектных работ по морскому пассажирскому экранопла-ну (МПЭ) водоизмещением до 500 т использовались материалы выполненных ранее исследований. В период завершения работ по теме и в последующие годы интерес к ЭП большого водоизмещения, предназначенным для перевозок 300-600 пассажиров, практически пропал, а для ЭП малого водоизмещения компоновочная схема не была оптимальной.
Сотрудники филиала под руководством В. И. Барышева предложили размерный ряд грузопассажирских экра-нопланов речного и морского класса на базе несущей системы типа «составное крыло». Размерный ряд экранопланов был проработан на уровне эскизного проекта с детальной отработкой отдельных экранопланов из предлагаемого ряда и использованием обширного задела по исследованиям аэродинамики подобных компоновок на треке, открытой воде и стендах филиала.
В начале 1990-х годов филиал предлагал реализовать программы экрано-планостроения, в которых были представлены размерные ряды экранопла-нов водоизмещением от 2,5 до 600 т с составным крылом и наземно-воздушные амфибии водоизмещением до 5000 т.
С учетом отечественного опыта создания экранопланов и требуемого для выполнения объема исследовательских и конструкторских работ, предусматривающих реализацию опытных образцов водоизмещением до 600 т, возможным считался срок до 2000 г.
Резкое сокращение финансирования НИР по экранопланам в 1990-х гг. стало причиной переориентации на тематические исследования для решения специализированных задач, результаты которых могли бы пригодится в будущем: «Разработка предложений по обеспечению безопасной эксплуатации судов различных типов в сложных гидрометеоусловиях»; «Исследование динамики экраноплана в экстремальных ситуациях и разработка концепции обеспечения безопасности эксплуатации экранопланов в различных режимах движения»; «Разработка и экспериментальная проверка методов повышения несущих свойств крыльев, создание зон с повышенными энергетическими характеристиками» и др.
Наряду с выполнением исследований на перспективу выполнялись исследования по обеспечению разработок коммерческих организаций: НПП «АТИ» и ЗАО «ТиТ» (Нижний Новгород); «Аэродизайн» (Санкт-Петербург) и др. Работы, выполнявшиеся Е. А. Крамаревым совместно с КБ ЛО «Патриот», завершились созданием серии спортивных скутеров открытого класса с выдающимися скоростными характеристиками, был разработан проект пассажирского скутера-экра-ноплана (рис. 5).
Неоднократная реорганизация нижегородского филиала с изменени-
Рис. 5. Скутер-экраноплан МС-04
Рис. 7. Десантный экраноплан пр. 904 «Орленок» на Химкинском водохранилище
Рис. 8. Высокоскоростная амфибия ВСА-24 на испытаниях в Якутии, разработчик ООО «Небо+Море» 48 | «Транспорт Российской Федерации»
ем подчиненности, проводившаяся с середины 1990-х годов, привела к его банкротству и ликвидации в начале 2003 г. Часть сотрудников филиала перешла на работу в коммерческие организации и продолжила работы по экранопланной тематике. На территории предприятия была создана научно-экспериментальная производственно-испытательная база ЗАО «АТТК», где была построена серия экранопланов «Акваглайд-5».
Проекты XXI века
В начале XXI в. вновь возрос интерес к экранопланам. В соответствии с Решением Морской коллегии 2006 г. под руководством начальника отделения гидроаэродинамики А. В. Пустошного была выполнена НИР «Скорость» «Разработка рациональной номенклатуры и типажа скоростных судов для обеспечения транспортных перевозок в различных регионах страны и решения социальных задач».
В 2004-2008 гг. по договорам с ЗАО «АТТК» проводились комплексные исследования по пр. К01 катера-экрано-плана «Акваглайд-5» (рис. 6) в различных режимах движения и в обеспечение проектных работ по 30-местному экраноплану пр. К02 «Акваглайд-30». Для ПКБ «Элиен-Чкаловск» выполнены работы по определению характеристик пассажирского экраноплана ПЭ-12.
В 2007 г. институт завершил работы по экранопланам I поколения. Финалом послужили исследования по определению ветровых нагрузок на планер ЭП пр. 904 «Орленок» (рис. 7) для установки в Москве на Химкинском водохранилище на специальном фундаменте как экспоната Музейно-мемориального комплекса истории ВМФ России.
Несколько работ с середины 1990-х годов проводилось по контрактам с научно-исследовательскими центрами Китая и Республики Корея. Их результаты использованы заказчиками при создании опытных экранопланов и демонстраторов.
Решением руководства Министерства промышленности и торговли Российской Федерации на институт была возложена разработка проекта концепции «Развитие экранопланов гражданского и военного назначения в России». Работа над проектом велась совместно с членами Межведом-
Рис. 9. Экраноплан «0рион-20»
ственной рабочей группы с привлечением специалистов около 40 организаций страны, связанных с работами по созданию экранопланов. Проект в части развития гражданских экрано-планов с определением этапов и направлений работ был представлен на утверждение в министерство в сентябре 2010 г.
С 2009 г. началось выполнение Федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 20092016 гг.».
ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, реорганизованный в 2012 г. в ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (КГНЦ), кроме собственных НИР по экранопланной тематике, принял активное участие в НИОКР, выполнявшихся под руководством ОАО «ЦКБ по СПК им. Р. Е. Алексеева», ООО «ИПФГ», ЭО «Орион», ООО СК «Аэро-ход», ООО «Небо+Море». Совершенствование гидроаэродинамических характеристик, определение прочности и ресурса элементов конструкции экранопланов, исследование перспективных материалов и технологий формирования конструкций, которых удалось достичь с использованием научно-технического задела и возможностей уникальной экспериментальной базы, обеспечили проведение проектных работ и создание опытных образцов скоростных судов (рис. 8, 9).
Доклады сотрудников КГНЦ по экранопланной тематике регулярно представляются на конференциях и совещаниях всех уровней, выпущены монографии и многочисленные публикации, защищено несколько докторских и кандидатских диссертаций. Приоритет
работ подтвержден рядом авторских свидетельств (патентов).
На современном этапе развития технологий с учетом имеющегося в стране научного задела возможно создание экранопланов различного водоизмещения, начиная с речных, оснащенных автомобильными двигателями, и кончая трансокеанским скоростным транспортом для обеспечения перевозок экстренных грузов и крупногабаритных моноблочных конструкций.
Использование экранопланов -многорежимного транспортного средства, обладающего амфибийными свойствами - позволяет решить многие задачи на водном пространстве. Для труднодоступных территорий нашей страны ЭП могут обеспечить доступность прибрежных населенных пунктов, расширив использование водного транспорта в межсезонье и при организации транспортных линий в зимний период.
С учетом опыта создания и эксплуатации ЭП в России можно рассчитывать на экспортные поставки, так как во многих странах экранопланы рассматриваются как межостровной транспорт и средство доставки туристов от аэропортов к зонам отдыха, а также как скоростное средство патрулирования и контроля водного пространства.
Исходя из интереса многих стран к экранопланам и необходимости разработки требований к проектированию, постройке и эксплуатации, обеспечивающих надлежащий уровень безопасности, в 1993 г. в 1МО в подкомитете по проектированию и оборудованию судов была создана корреспондентская
группа. Обязанности координатора работы корреспондентской группы были возложены на Российскую Федерацию как страну, имеющую опыт проектирования, постройки и эксплуатации экра-нопланов. До 1998 г. группу возглавлял начальник 10-го отделения А. В. Пономарев, а после его смерти руководство передано Российскому морскому регистру судоходства (РМРС). В 2001 г. была создана редакционная группа, в которую вошли представители Австралии, Германии, России и США. В результате работы сформирована международная нормативная база для проектирования, постройки и эксплуатации ЭП типа А, рассчитанных на перевозку до 12 пассажиров. С российской стороны кроме РМРС участвовали специалисты ЦНИИ МФ, ЗАО «Технологии и транспорт», ОАО «ЦКБ по СПК» и ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.
В начале XXI в. активизация работ по транспортным ЭП потребовала совершенствования нормативной базы. В сотрудничестве с ОАО«ЦКБ п о СПК им. Р. Е. Алексеева»,ФГУП «ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского», ЗАО «ЦНИИМФ», Морским и Речным регистрами страны ведется работа по созданию нормативно-правовой базы обеспечения проектирования, постройки и эксплуатации экранопланов водоизмещением до 50 т. □
Литература
1. Афрамеев Э. А. Итоги и перспективы экранопланостроения // Судостроение. 2000. № 1.
2. Афрамеев Э. А. Глобальная международная система морской безопасности на основе тяжелых экранопланов // Судостроение. 2001. № 4.
3. Афрамеев Э. А., Небылов А. В., Сави-щенко Н. П. Морской старт многоразовых космических аппаратов с использованием тяжелых экранопланов // Судостроение. 2001. № 5.
4. Пустошный А. В., Аносов В. Н., Га-нин С. М. и др. Перспективы развития высокоскоростного водного транспорта в России. СПб.: ЦНИИ, 2010.
5. Ганин С. М., Панкратьев В. Г., Багер-ман А. Г. База на Троце. Все для экранопланов и не только... // Флагман корабельной науки: сб. ст. Т. 6. СПб.: ЦНИИ, 2009.
6. Триумф и забвение скутера-экрано-плана. Золотой фонд // Катера и яхты. 2006. № 2 (200).
