Техника - на воздушной подушке

К использованию воздушной подушки инженеров привели многочисленные попытки снизить гидродинамическое сопротивление судов. Еще в начале нынешнего столетия шведский инженер Густав Лаваль начал работу по ускорению движения судов с помощью воздушной смазки — тонкого слоя воздуха, вводимого между корпусом судна и водой. Однако положительных результатов получить ему не удалось.
Наш великий соотечественник К. Э. Циолковский в 1927 году предложил другое решение: снижать гидросопротивление с помощью более толстой воздушной прослойки — воздушной подушки. Тогда же профессор Новочеркасского политехнического институте В.И. Левков подтвердил правильность этого решения расчетами и модельными испытаниями. В 1935 году он построил опытные катера Л-1 и Л-5 и успешно их испытал: катера двигались над водной поверхностью, свободно выходили на берег, маневрировали над вспаханным полем. На контрольных испытаниях в 1937 году Л-5 показал на воде рекордную для судов скорость 73 узла (свыше 133 км/ч).
Дело В.И. Левкова продолжили конструкторы Г.С. Туркин, который первым в мире разработал аппарат сопловой схемы и получил авторское свидетельство на "вездеходную бесколесную транспортную машину на воздушной подушке", и В.И. Кожехин.
Перспективность использования таких аппаратов привлекла внимание и зарубежных специалистов. Начиная с 50-х годов ими занимались фирмы Англии, Канады, США, Франции, Японии и других стран. Создано множество различных типов машин: от одно-двухместных (рис. 1-3) до больших транспортных грузоподъемностью в сотни тонн.

У нас машины на воздушной подушке уже нашли широкое практическое применение в народном хозяйстве. По своему назначению они делятся на несколько типов:

СВП — суда на воздушной подушке, используются только над водой. К ним относятся пассажирские «Сормович», «Красное Сормово» и другие;

МВП — машины (автомобили, микроавтобусы, мотоциклы), предназначенные для движения над водой и над землей в условиях бездорожья: над болотами, переувлажненными полями, пашнями. Таких вездеходов в нашей стране создано много. Это «Барс», «Вихрь», «Бриз», «Гепард», «Радуга», МПИ-18, САВР-1, САВР-2 вместимостью 5-10 пассажиров и легкие одно-двухместные машины Харьковского авиационного (рис. 4), Уфимского политехнического институтов, многочисленные МВП любительской постройки;

ПВП — платформы на воздушной подушке, к которым относятся грузовые самоходные и несамоходные аппараты, буксируемые каким-либо видом транспорта. Западно-Сибирский ВНИИнефтепром построил целую серию таких платформ грузоподъемностью в 40, 60 и даже 400 тонн для перевозки тяжелого нефтедобывающего оборудования в условиях бездорожья.

Сообщалось также, что за рубежом создается «Атлант» — атомоход на воздушной подушке, предназначенный для трансатлантических рейсов. Он имеет водоизмещение 15 тыс. т, скорость 130 узлов и сможет перевозить 4 тыс. пассажиров и 2 тыс. автомобилей.
Появилось и такое направление, как колесные или гусеничные машины с аэродинамической разгрузкой. В условиях бездорожья у них включается воздушная подушка, которая снимает значительную часть веса машины. При этом давление воздуха регулируется с таким расчетом, чтобы тяговое усилие колес или гусениц при сцеплении их с грунтом оставалось достаточным для обеспечения движения.
Прообразом аппарата на воздушной подушке может послужить обычная кастрюля без крышки, перевернутая кверху днищем. Давление воздуха в ней равно атмосферному. Если в корпус аппарата нагнетать воздух, то давление будет повышаться. По закону Паскаля оно распространяется во всех направлениях с одинаковой силой, воздействуя на стенки, днище аппарата, основание, на котором он стоит. Стенки жестко связаны между собой и не могут раздаться от сил давления. А вот днище и основание могут. Силы давления, действующие на днище, будут постепенно воспринимать вес аппарата на себя, пока не оторвут его от основания. Образуется щель, через которую воздух начнет выходить. Нагнетатель будет компенсировать этот расход, и аппарат повиснет над основанием — будет держаться на воздушной подушке (рис. 5).
Проходимость такого аппарата, когда он двигается, невелика, так как жесткий низ не пропускает под себя неровности почвы. Проходимость увеличивают, устанавливая по периметру корпуса мягкое ограждение — юбку. Высота парения аппарата с юбкой при том же давлении значительнее (рис. 6). Это так называемая камерная схема, у которой один существенный недостаток — малая устойчивость. Аппарат такой конструкции чрезвычайно чувствителен к изменению центровки.
Мы упоминали уже об изобретении Г.С. Туркина — аппарате сопловой схемы. Суть его в том, что воздух от нагнетателя направляется в сопло, выполненное по всему периметру днища. Это узкая прерывистая щель, ориентированная под некоторым углом к центру машины. Выходя из сопла, воздух образует завесу, ограждающую зону повышенного давления под корпусом. Высота парения при этом значительно увеличивается. Еще лучше два подобных параллельных сопла. Аппараты сопловой схемы менее чувствительны к изменению центровки.
Любители технического творчества активно используют свойство небольших АВП чутко откликаться на незначительные изменения центровки для управления. Достаточно небольшого изменения положения центра тяжести (ЦТ) относительно центра давления (ЦД) воздуха на днище, как образуется пара сил, кренящих АВП. Воздух истекает из-под корпуса неравномерно — больше в сторону, противоположную крену, образуется горизонтальная сила, которая и используется для управления.
На рисунке 8 представлен эскиз одноместного мотоцикла на воздушной подушке. Сиденье водителя выполнено подвижном, на роликах. Водитель рычагом смещает сиденье вместе с собой вперед или назад, наклоняется в сторону. Тем самым он перемещает центр тяжести, вызывая крен мотоцикла и меняя скорость и направление движения. Нагнетатель на аппарате расположен наклонно: используется встречный поток воздуха для повышения давления в воздушной подушке за счет скоростного напора. Кроме того, из-за наклона нагнетателя возникает горизонтальная составляющая силы тяги, которая обеспечивает поступательное движение.
Управлять можно и благодаря реактивной силе, образующейся при выпуске воздуха через заднюю поворотную створку (рис. 9). Поворачивают, используя специальные окна в бортах корпуса, которые снабжены управляемыми заслонками или жалюзи. Воздух, выпускаемый через эти окна, создает реактивную силу — аппарат устремляется в нужную сторону. Заслонки обычно находятся в закрытом положении и открываются при маневрировании и торможении.
Не менее распространена схема с раздельным приводом нагнетателя и движителя; толкающего или тянущего воздушного винта (рис. 10). Следует, однако, отметить некоторое неудобство эксплуатации раздельных силовых установок. При запуске двигателей шнуром или амортизатором необходимо строгое соблюдение определенной последовательности: первым запускают маршевый двигатель и только после его прогрева и перевода на малые обороты — двигатель нагнетателя. При запуске электростартером или сжатым воздухом (как на АВП с автомобильными и авиационными двигателями) такая последовательность может не соблюдаться.
Управление — рулем в потоке воздуха за винтом. Такой орган управления эффективен даже при незначительном его отклонении. Однако воздушный руль имеет и недостаток: центр давления на нем расположен высоко. При поворотах аэродинамическая сила создает значительный опрокидывающий момент, следствие которого — боковой крен. Особенно ощутим он на аппаратах купольной схемы.
Увеличение устойчивости может быть достигнуто разделением внутреннего пространства воздушной подушки жесткими или мягкими перегородками на отдельные камеры. Это предотвратит перетекание воздуха и обеспечит сохранение давления за счет восстанавливающего момента, возникающего в камерах при крене.
И все же вопрос управляемости аппаратов на воздушной подушке до конца не решен. Основная проблема здесь в парусности и инерционности АВП. Боковой ветер легко сносит их в сторону, все время требуются затраты энергии для выдерживания курса. При поворотах, особенно на скорости, аппараты на воздушной подушке, развернувшись, боком продолжают по инерции двигаться некоторое время прямолинейно. Это значительно увеличивает радиус поворота и усложняет управление.
Суда на воздушной подушке находятся в более выгодном положении, так как обычно по бортам они имеют погруженные в воду бортовые кили. Кили предотвращают боковую утечку воздуха, помогают полнее использовать скоростной напор встречного потока для повышения давления в воздушной подушке и создают сопротивление при боковом сносе судна.
МВП подобных килей не имеют. Однако можно предположить, что установка по их бортам свободно вращающихся металлических дисков, входящих в зацепление с грунтом, будет способствовать повышению устойчивости аппаратов на поворотах и при движении с боковым ветром. Такие диски должны иметь амортизаторы и легко вводиться в зацепление с почвой при первой же надобности.
Что привлекает в легких аппаратах на воздушной подушке? Прежде всего простота конструкции: нет ни сложных трансмиссий, ни движителей типа колес, гусениц, на долю которых в эксплуатации приходится большая нагрузка и основная масса поломок. Нет также сложных механизмов управления. Вместе с тем на АВП достижима высокая проходимость и значительная скорость передвижения.
Любителями технического творчества сконструировано и построено много подобных машин: К. Вшивцевым из Подмосковья, А. Буяновым из далекой станции Тайга, рижанином О. Петерсоном, Д. Мухиным из Саратовской области (рис. 11), Б. Александровым и Ю. Шумихиным из Ленинграда, Н. Кураевым из Приморского края. О последних двух АВП было подробно написано в журнале «Моделист-конструктор» № 6 и 12 за 1975 год.
Анализируя конструкции, созданные любителями, следует отметить их простоту, доступность, повторимость. Отрадно, что большинство аппаратов строилось практически в домашних условиях, без применения какого-либо дорогостоящего промышленного оборудования.

Рис. 1. Одноместная любительская амфибия «Картайр Мк 111» (Австралия). Оборудована двумя двухтактными двигателями (по 160 куб.см). Вентилятор центробежный, управление — воздушными рулями.

Рис. 2. АВП с одним подъемным и двумя маршевыми двигателями,

Рис. 3. На этом АВП два двигателя: маршевый (197 куб.см) и подъемный (650 куб.см).

Рис. 4. Экспериментальный аппарат на воздушной подушке студенческого КБ Харьковского авиационного института. Двигатель М-332 мощностью 140 л. с. Вентилятор центробежный.

Рис. 5. Камерная схема образования воздушной подушки:
1 — корпус, 2 — воздушный винт, 3 — двигатель, 4 — зона повышенного давления, Н — высота парения.

Рис. 6. Схема АВП с гибким ограждением — юбкой.

Рис. 7. Сопловая схема образования воздушной подушки: слева — односопловая, справа — двухсопловая.

Рис. 8. Мотоцикл на воздушной подушке:
ЦТ — центр тяжести всей системы, ЦД — центр давления корпуса, М — плечо кренящего момента, V — горизонтальная составляющая силы тяги.

Рис. 9. Схема МВП. оборудованного управляемыми окнами (1) и створкой (2).

Рис. 10. Схема МВП с раздельным приводом нагнетателя и движителя.

Рис. 11. МВП с дополнительными рулями впереди центра тяжести. Двигатели от мотороллера «Муравей» и мотоцикла «Восход».

Автор: И. ЮВЕНАЛЬЕВ
http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.