Каковы преимущества у экранолётов перед экранопланами?

Автор: Тарасов Арсений Максимович

Возраст: 13 лет

Город: Санкт-Петербург

Школа: 240, Кировского района

СОДЕРЖАНИЕ
1. Цели и задачи
2. Введение
3. Об экранопланах
4. Сравнение экранопланов и экранолётов
5. Критерии сравнения
6. Области использования
7. Использование аппаратов «экрано-типа»
8. Грузоподъёмность, скорость, дальность
9. О крыле самолёта
10. О крыле экраноплана
11. Примеры конструктивных решений в экранопланах
12. Примеры конструктивных решений в экранолётах
13. Крыло изменяемой геометрии
14. Крыло изменяемой геометрии в экранопланах/экранолётах
15. Заключение
15. Вывод
16. Список использованных источников

Цели и задачи
Цель работы – обоснование выбора оптимальной компоновки экранолёта/экраноплана
Задачи работы – проведение сравнительного анализа возможностей и применения экранолёта и экраноплана, исследования компоновок экранопланов/экранолётов и анализа конструктивных решений существующих проектов экранолётов/экранопланов.

Введение
Человечество живёт в гигантском потоке информации, передаваемой с огромными скоростями. Но сам человек ограничен в возможных скоростях передвижения, перевозки грузов. Он ведет поиск и развивает разные виды транспорта, задавая требования высокой скорости, грузоподъёмности, комфорта и одновременно безопасности, экологичности и низкой стоимости. Самыми скоростными являются летательные аппараты – самолёты и ракеты. Самыми грузоподъёмными – корабли.

В начале XX века пилоты самолётов-низкопланов столкнулись с проблемами  при посадке и взлете. У самой земли подъёмная сила возрастала, и становилась значительно больше, чем на высоте. Самолёты упорно не желали садиться. При этом аэродинамический фокус смещался к задней кромке крыла, и самолёты часто капотировали. [1], [2], [3].

Обнаруженный эффект, механизм которого выяснили в 1920-1930 годы, назвали «эффект влияния экрана», или «экранный эффект» [1], и стали учитывать его при посадках. В энциклопедии «Авиация» [4]  эффект называют «эффект влияния земли», а «экранный эффект» считают малоупотребительным вариантом этого названия, и дают описание - изменение аэродинамических характеристик летательного аппарата (ЛА) при приближении его к экранирующей поверхности земли, воды, взлётно-посадочной полосы и др.;. проявляется при взлёте и посадке самолётов и других ЛА. Под крылом движущегося над экраном самолёта образуется область повышенного давления, которая приводит к возникновению дополнительной подъёмной силы.

Для части самолётов экранный эффект вреден, так как он часто приводит к авариям и даже катастрофам [1], [2], [3].

Для другой же части самолётов экранный эффект оказался полезен. Так, лётчики оценивали как очень хорошие пилотажные характеристики огромного сверхзвукового бомбардировщика типа «Валькирия» X-70 (США), особенно отмечая лёгкость и мягкость посадки: большое треугольное крыло создавало у земли воздушную подушку, подъёмная сила увеличивалась и уменьшала вертикальную скорость в момент приземления [5]

Есть ряд ЛА, живущих» благодаря этому эффекту. Существенное возрастание подъёмной силы и аэродинамического качества крыла вблизи экранирующей поверхности явилось одной из предпосылок для разработки экранопланов [4]. Первые попытки использования экранного эффекта появились уже в начале 1930-х годов. Хотя в известной книге Белавина [7] еще в 1716 г. шведским ученым Э.Сведенборгом была предложена конструкция аппарата, использующего эффект воздушной подушки. Экраном может быть любая более-менее ровная поверхность – земная, водная, снежная, ледяная. Эффект, образующийся на границе раздела сред «воздух - вода», «воздух - твёрдая поверхность» стал основой жизни аппаратов, получивших название «экранопланы» и созданных на стыке авиастроения и судостроения.

Авиация и флот так и не смогли определить принадлежность экранопланов. По международной классификации (ИМО) экранопланы относятся к морским судам, но управляют ими лётчики, так как хоть и на малой высоте, но полёт [8]. Основное финансирование первых крупноразмерных экранолетов шло из бюджета военных министерств, они оказались самыми заинтересованными [8].

Что же это за аппарат – экраноплан?
Экранопланы - аппараты на динамической воздушной подушке, которая образуется как за счет аэродинамического обтекания, так и принудительного воздушного потока (поддува), создаваемого воздушными винтами, либо струями реактивных двигателей на всех режимах движения. Этот аэрогидродинамический тип коммерческого экраноплана предполагает аэродинамическую «привязку» к экрану и делает невозможным осуществление свободного полета, чем и обеспечивается безопасность его эксплуатации.

Разработка и эксплуатация экранопланов регламентируется документами, относящимися, в основном, к речным и морским судам, так, по крайней мере, предписано международной классификацией (ИМО) - экранопланы относятся к морским судам [9], Российский морской регистр судоходства [10] в 1998 г. разработал Правила классификации и постройки малых экранопланов типа А [11].

В других документах также введено понятие экраноплана, но и эти документы относятся к флоту [12], [13], [14], [15].

А вот для «экранолёта» нормативные документы и принятые определения выявить не удалось.

Экранолётами можно считать ЛА, осуществляющие взлёт-посадку-полёт вблизи поверхности земли или воды с использованием экранного эффекта, но способные выполнять полёт вдали от экрана и без использования влияния экрана, или выполняющие за счёт влияния экрана только взлёт и посадку, а полет - вне экрана, на достаточно больших высотах в несколько сотен или тысяч метров как самолёт. Экранопланы, способные на длительное время отрываться от экрана и переходить в «самолётный» режим полёта, называются экранолётами. То есть экранолёт – частный случай, разновидность экраноплана. Но достаточно самостоятельный случай, особенно с возможностью высокого полёта.

Только в Энциклопедическом словаре [16] «странный летательный аппарат – нечто среднее между моторной лодкой и самолётом» назвали экранолёт. Первым экранолётом СССР считают [16] прошедший в 1973 г. испытания на Клязьминском водохранилище экранолёт ЭСКА-1.

Сравнение экранопланов и экранолётов
Как же выяснить, какой из аппаратов имеет преимущества?

Разработки экранолетов и экранопланов велись на протяжении нескольких десятков лет. Считается, что первый аппарат «экрано-типа нашего времени»  был создан в тридцатых годах 20 века. Однако внимание к этим машинам то усиливалось, то ослабевало. Исследования, постройка и испытания проводили как крупные корпорации и группы предприятий в соответствии с государственными программами разных стран, так и частные компании, и отдельные изобретатели-энтузиасты. Проследить историю можно по энциклопедическим изданиям, тематическим книгам, информации в сети Интернет, а также по патентам, выданным в России и других странах.

Разработки направлены на решение разных технических задач – аппарата как единого целого, отдельных узлов, расширение функциональных возможностей, исправления выявленных разработчиками недостатков в конструкциях предшественников.

Введем несколько критериев сравнения экранолета и экраноплана:
1. Области использования
2. Грузоподъёмность
3. Скорость
4. Дальность
5. Посадочные площадки
6. Устойчивость на воде
7. Необходимость специальных устройств для технического обслуживания и др. (специальные доки и прочее).

Рассмотрим эти критерии.

1. Области использования
Самые известные аппараты, использующие эффект экрана для полёта, изготовленные «в натуральную величину, прошедшие испытания, а некоторые даже выпущенные в нескольких экземплярах, появились в СССР в 1960-х – 1970-х годах. Это экранопланы семейства СМ - СМ-1, СМ-2, «Орлёнок», «Лунь», «КМ». В это же время были определены и основные сферы возможного применения экранопланов.

Аппараты «экрано-типа» (экраноплан, экранолёт) могут использоваться в мирных и военных целях как пассажирское и грузовое транспортное средство; для решения задач по спасению терпящих бедствие людей на суше и на воде, с судов, кораблей, подводных лодок, летательных аппаратов и приводнившихся космических объектов; а также оказывать им первую медицинскую помощь; как учебно-тренировочные комплексы, исследовательские и испытательные лаборатории, разведывательные, спортивные, туристические, почтовые и множество других. Экраноплан «Bavar-2» (ИРАН) используется как разведчик. [17]/

 Такое разделение  достаточно условно, так как практически все аппараты являются многоцелевыми.

Экранолёт Бе-2500 найдет применение в области перевозок коммерческих и специальных грузов на трансокеанских маршрутах; может быть использован как платформа для доставки космических кораблей в верхние слои атмосферы экваториальной зоны Земли; для доставки десантных подразделений быстрого реагирования, проведения спасательных операций на море, а также в процессе разведки и добычи полезных ископаемых в зоне шельфов и архипелагов.

Экраноплан «Буревестник-24» разработки ООО «Небо и Море», входящего в состав Ассоциации разработчиков, производителей и потребителей экранопланов «Экраноплан», проходит опытную эксплуатацию в Якутии. «Буревестник-24» рассчитан на перевозку 24 пассажиров или 3,5т груза [18]. Внедрение в опытную эксплуатацию экраноплана проводится в рамках разработанной в позапрошлом году руководством Якутии совместно с компанией «Небо и море» целевой программы по организации высокоскоростных пассажирских линий в республике. Планируется, что весной 2015 года экраноплан «Буревестник-24» выйдет на линию Якутск - Олекминск и будет осуществлять коммерческие пассажирские перевозки.

На «Гидроавиасалоне-2014» в Геленджике экранопланостроительное объединение «Орион» из Петрозаводска показало свой новый проект — экраноплан «Орион-14», который уже успел заинтересовать не только российских, но и зарубежных партнеров компании [18]. Экраноплан был разр в рамках программы «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы».

«Самая большая птица в истории авиации» - так называют своё детище разработчики экраноплана (экранолёт) «Пеликан» Boeing Phantom Works [19].

Экранолёт «Пеликан» стал бы самым крупным крылатым ЛА. Если бы он был построен, он был бы крупнее самолёта Ан-225 «Мрия», а по грузоподъёмности превзошёл бы упомянутый Ан-225 в пять раз, неся полезный груз до 1400 тонн. Он мог бы лететь на высоте 20 футов над морем, используя эффект экрана, а над землей подниматься на высоту 20000 футов. Рассматривались перспективы военного, коммерческого и даже космического использования такого грузового корабля. С полезной нагрузкой 1500000 фунтов дальность составляет:
– 1000 морских миль над водой;
– 6500 морских миль над землей.

Одним из интереснейших направлений использования экранопланов/экранолётов может быть исследование и освоение других планет (например, Марса), в ходе которого экраноплан/экранолёт будет использоваться для передвижения (например, проект «Ареоплан», [20].

Рис 1. «Ареоплан» [20]

Вот такой вездеход создали для путешествия по другой планете (рис. 2, кадр из фильма «Планета Бурь», 1961), это - Венера и ее первые гости с Земли.

Рис. 2 Кадр из фильма «Планета Бурь», 1961

Современные сведения о Марсе показывают, что поверхность этой планеты мало приспособлена для колёсных средств передвижения, но атмосфера позволяет использовать аппараты экрано-типа.

Военные могут использовать экраноплан как десантный аппарат или ударный ракетоносец. Экранопланы можно строить практически любых размеров, поэтому они могут служить носителями межконтинентальных баллистических ракет [22]., в том числе и с ядерными или термоядерными боеголовками, а также ядерных торпед и ядерных глубинных бомб. Экранолет можно использовать как сверхдальний стратегический бомбардировщик, несущий ядерные или термоядерные бомбы. И экранолёт, и экраноплан сложно обнаружить из-за малых высот и высоких скоростей полёта.

Экраноплан может использоваться как носитель/первая разгонная ступень воздушно-космических самолётов, запуская их в полёте [23].

Одним из экзотических применений экраноплана можно считать его использование в качестве аттракциона. По крайней мере, именно экраноплан авторы разработки «Буксируемого надувного водного аттракциона» (патент на ПМ РФ 527 «БУКСИРУЕМЫЙ НАДУВНОЙ ВОДНЫЙ АТТРАКЦИОН», заявка 24.08.2004 г., авторы Дик А.И., Угнивенко А.Н.), в качестве одного из аналогов, но сетовали, что экраноплан не является надувным и буксируемым. Однако очень похожи.

По другим критериям отличия между экранопланами и экранолётами также почти не проявляются, для каждого можно найти примеры разработок, подтверждающие сходство.

Уже когда готовилась эта работа, 24 октября 2014 года состоялось заседание Экспертного совета при Комитете Государственной Думы по промышленности по развитию предприятий оборонно-промышленного комплекса на тему: «Производство экранопланов гражданского и военного назначения в Российской Федерации», на котором разработан проект создания и использования экранопланов до 2050 года. [24]. Особое значение этот проект имеет для развития Сибири,  Дальнего Востока и северных районов страны, в частности, на сибирских реках в прибрежных районах Севморпути. Выполнение этого проекта имеет целью сохранение населения восточных регионов России, развития в них промышленной инфраструктуры [25].

Перечисленные регионы – территории с неразвитой авто- и железнодорожной сетью, плохо приспособленные для постройки крупных аэропортов. Основными маршрутами здесь станут реки. Многие населённые пункты отделены от воды лесными массивами или крутым берегом, болотами и т.п., но имеют рядом свободное пространство, например луг. В таком месте экранопланы не могут быть использованы, но могут быть полезны экранолёты.

Из-за этого придётся использовать два разных типа машин, что более затратно, чем производить один тип машин.

Для регионов с малой плотностью населения и суровыми климатическими условиями разработаны требования, которым должна соответствовать транспортной система Восточно-Сибирского региона. Данный транспорт должен [26]:

- обеспечивать круглогодичные перевозки и мало зависеть от погодных и климатических условий;
- не требовать больших капитальных затрат на строительство наземных капитальных сооружений;
- обладать высокой экономичностью;
- иметь достаточно высокую скорость;
- обладать высокой проникающей способностью.

Требования, предъявляемые к экраноплану и экранолёту, зачастую расходятся с требованиями аэродинамики. Известно, что смена режимов полёта ЛА или восстановление балансировки при её нарушении (изменение массы, внешние воздействия на ЛА и пр.) производятся путём воздействия на ЛА дополнительных сил, создаваемых органами управления. То есть, управляемость ЛА можно рассматривать как его способность менять режимы полёта. Это понятие будет включать в себя как возможность маневра, так и самостабилизацию при воздействии внешних сил на летательный аппарат. Проблема стабилизации решается выбором аэрогидродинамической компоновки ЛА. В соответствии с [11] аэрогидродинамическая компоновка - чертеж экраноплана, изображающий форму и размеры корпуса, несущих воздушных крыльев, двигательно-движительного комплекса, взаимное расположение указанных выше элементов, обеспечивающих скоростные, мореходные, амфибийные, стартовые и посадочные свойства экраноплана.

Экраноплан или экранолёт – сложная машина, состоящая из множества узлов и элементов. От других видов транспорта её отличает использование экранного эффекта для полёта. Наибольшее развитие получили экрано-аппараты типа А – экранопланы, не имеющие возможности отрыва от экрана, и типа В – аппараты, которые могут, при необходимости, летать вне экрана [9]. Используют также классификацию экранопланов по признакам: конструктивно-компоновочная схема (самолётная, «летающее крыло», комбинированная и т.д.), расположение горизонтального оперения (обычная схема, схема «утка» и обратная «ктеп», схема «бесхвостка» и т.д.), движитель (воздушный винт/ водяной винт), силовая установка (ТРД, ТРДД, ТВД, ВМСУ).

Одним из методов решения может быть выбор соответствующей типа и формы несущей поверхности экраноплана.

Вот тут-то на помощь приходит крыло изменяемой геометрии.

Крыло самолёта
Основным элементом конструкций аэродинамических, гидродинамических, аэрогидродинамических устройств, на котором возникает полезная сила, называемая подъёмной силой, является крыло.
Из-за принципов образования подъёмной силы ширина крыла не важна, а главенствующей является его длина. Поэтому крыло самолёта должно быть узким и длинным.

Виды крыльев самолетов [4]
А – Трапециевидное с прямолинейной передней кромкой
Б – крыло прямой стреловидности
В – крыло обратной стреловидности
Г – треугольное крыло
Д – ромбовидное крыло
Е – готическое крыло (треугольное с передней кромкой параболической формы)
Ж – эллиптическое крыло
З – трапециевидное крыло с наплывами
И – оживальное крыло
К – крыло изменяемой стреловидности
Л – антисимметричное крыло
М – Х-образное крыло.

Крылья сложной формы в плане обладают специфическими аэродинамическими свойствами и предоставляют авиационным конструкторам более широкие возможности для удовлетворения многочисленных и часто противоречивых практических требований, предъявляемых к крылу. Поскольку для каждого режима полёта оптимально крыло с определёнными параметрами, уже в 1930-е гг. были предложены конструкции самолётов с крылом изменяемой в полёте геометрии. Наибольшее распространение получили самолёты с крылом изменяемой в полёте стреловидности. [4].

Крыло экраноплана
Следует обратить особое внимание на конфигурацию крыла. Экранный эффект образуется за счёт отбрасывания части воздушной струи к поверхности и отражения её. Поэтому для его эффективности нужно, чтобы крыло было широким, имело большую площадь. Длина же крыла не столь важна.
В настоящее время постройка экранопланов и экранолётов не стала массовой, этот вид аппаратов остается экзотикой, нет единого подхода к формированию облика и состава. Разработчики основываются на общих принципах, но создают собственные индивидуальные проекты, которые редко доходят даже до моделей, а не только до серийного выпуска.
В некоторых работах предложены варианты классификации форм крыла, несущих поверхностей, оперения экранопланов.

Для экранопланов выделяют:
аэрогидродинамические компоновки крыльев [27]:

- тандемная;

- летающее крыло;

- составное крыло;

- составное крыло с поддувом;

и формы крыла в работе [28]:

- прямоуголное с шайбами;

- шатрообразное;

-  серповидное;

форма в плане [27]::

- прямое;

- трапециевидное;

- трапециевидное с обратной стреловидностью;

- составное;

- летающее.

Примеры конструктивных решений экранопланов
Экраноплан (US4442986 «Leading edge augmentor wing-in-ground effect vehicle», 1984-04-17, заявитель US NAVY [US]) выполнен по «самолетной» схеме с трапециевидным крылом и имеет горизонтальное оперение с большой относительной площадью, превышающей 0,35 площади крыла (рис. 3).

Рис. 3

Экраноплан (US5065833, «GROUND-SURFACE-EFFECT WING PLANE», 1991-11-19, заявитель MITSUBISHI HEAVY IND LTD [JP]) содержащий крыло, фюзеляж, стабилизатор, силовую установку, включающую двигатель и газовый движитель или воздушный винт, обдувающий стабилизатор и руль высоты, выполнен по «самолётной» схеме с шатрообразным крылом (рис. 4).

Рис. 4

По схеме «Утка» выполнен экраноплан (РФ №2424137, «САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙСЯ ЭКРАНОПЛАН», заявка 08.12.2008 г., авторы Попов К.Б. (RU), Писковацкий А.А. (RU), Павловский Ф.А. (RU)), содержащий фюзеляж, переднее горизонтальное оперение, основное кормовое крыло, вертикальное оперение с рулем направления, маршевые двигатели с движителями (рис. 5).

  Рис. 5

Экраноплан (РФ №2211772, «ЭКРАНОПЛАН-АМФИБИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ, заявка 18.02.2003 г., автор Ишков Ю.Г.) содержит корпус из выпуклых секций, которые размещены в экранном крыле малого удлинения (рис. 6). Экранное крыло малого удлинения состоит из ограничивающих правый и левый грузовые отсеки жестких несущих мембран в виде верхней и нижней палуб, связывающих в единое целое секции корпуса. Выполнен по схеме «тандем».

Рис. 6

 Рзработка «ТАНТК им.Г.М.Бериева» (РФ № 1839917 «ГИДРОСАМОЛЕТ», заявка 18.12.1978 г.) может быть использована при создании гидросамолетов, экранолетов и экранопланов (рис. 7). Гидросамолет выполнен по интегральной схеме и представляет собой «летающее крыло» прямой стреловидности с наплывом.

Рис. 7

Морской пассажирский экраноплан (РФ №2076816 «МОРСКОЙ ПАССАЖИРСКИЙ ЭКРАПОПЛАН», заявка 31.12.1992 г., авторы Синицын Д.Н, Маскалик А.И, Литинский Л.О, Радовицкий Г.Л, Томилин В.В) выполнен по схеме «составное крыло» (рис. 8).

Рис. 8

Примеры конструктивных решений экранолётов

Экранолёт (РФ № 2033945 «Летательный аппарат, система управления отсосом пограничного слоя, система управления вдувом в пограничный слой, устройство фиксации положения схода потока с задней кромки фюзеляжа и его взлетно-посадочное устройство на воздушной подушке», заявка 22.05.1992 г., патентообладатель ЗАО «Авиационный научно-производственный центр «ЭКИП» (RU)) является примером схемы «летающее крыло» (рис. 9). Это один из патентов, относящихся к разработке экранолёта «ЭКИП», который называют русской летающей тарелкой.

Рис. 9

Экранолёт (РФ№2356764 «ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО НА ГАЗОВОЙ ПОДУШКЕ», заявка 17.08.2007 г., Бордин А.А) выполнен по схеме «несущий корпус» с маленькими крыльями (рис. 10).

Рис. 10

Экранолёт (РФ №2127202 «Способ создания системы сил летательного аппарата самолетной схемы и наземно-воздушная амфибия (НВА) для его осуществления», автор Назаров В.В) выполнен по самолётной схеме с ромбовидным крылом (рис. 11).

Рис. 11

Экранолёт (РФ№2162802, «АМФИБИЙНЫЙ АППАРАТ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ», заявка 08.06.2000 г., авторы Ишков Ю.Г, Грищенко С.Е, Якушкин В.В) иллюстрирует самолётную схему с шатрообразным крылом (рис. 12). Разработка направлена на повышение эффективности эксплуатации летательного аппарата, упрощение конструкции и обеспечение возможности использования в качестве экраноплана на высотах от опорной поверхности, превышающих высоту создаваемой им воздушной подушки.

Рис. 12

Экраноплан (РФ №2368522 «САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙСЯ ЭКРАНОПЛАН», заявка 31.07.2007 г., Общество с ограниченной ответственностью «Байкальский научно-инженерный центр» (RU) ) имеет компоновочную схему «Обратная Утка», фюзеляж и составное крыло с консолями и с центропланом (рис. 13). Передняя кромка центроплана и консолей в плане имеет форму параболы, задняя кромка центроплана - прямая, а консолей - стреловидная.

Рис. 13

По схеме с замкнутым крылом выполнен экранолёт, рис. 14, (РФ №2156717 «МНОГОЦЕЛЕВОЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ», заявка 20.05.1998 г., ООО Проектно-производственная фирма «Автодизайн»), содержащий фюзеляж, высоко- и низкорасположенные крылья, соединенные по своим концам пилонами, низкорасположенное крыло выполнено с прямой стреловидностью и положительным углом поперечного V, а высокорасположенное крыло выполнено с обратной стреловидностью и отрицательным углом поперечного V ; пилоны выполнены с аэродинамическим профилем и создающими растягивающее напряжение в продольном направлении консолей низко- и высокорасположенных крыльев, а высокорасположенные крылья соединены в корневом сечении между собой по центральной оси толкающего движителя.

Рис. 14

Автор данной работы считает, что объединить свойства экранолёта и экраноплана поможет применение крыла изменяемого размера.

Изменение положения, размера, формы крыла
Можно выделить следующие варианты изменения положения и размеров крыла [29]
- регулирование положения или размеров крыла и его частей, в т.ч. изменение угла стреловидности;
- изменения кривизны крыла, в т.ч. с помощью надувных элементов, с помощью подвижных элементов крыла, с помощью предкрылков или закрылков;
- путём закрутки;
- изменение площади крыла;
- складывание или отделение части крыла с целью уменьшения общих габаритов самолёта;
- с аэродинамическими гребнями или интерцепторами.

Складывание крыла для уменьшения габаритов на стоянке или при движении по суше и воде
Наиболее очевидным вариантом изменения геометрии крыла является его складывание для уменьшения габаритов на стоянке при размещении на ограниченных по ширине площадках, в ангаре, при движении по земле в условиях малых свободных пространств. Складывающееся крыло характерно для самолётов палубной авиации [30].

Варианты решения могут быть самые разные: часть состоящего из двух или более элементов крыла складывается, крыло поднимают вверх, располагают вдоль борта, опускают вниз, поворачивают.

Самолет со складывающимися крыльями (US4090684 (A), заявка 23.05.1978 «Stowable airfoil structure», патентообладатель US AIR FORCE) имеет сложную конструкцию и состоит из большого числа элементов (рис. 15).

Рис. 15

Установка цельноповоротного крыла вдоль корпуса (РФ №2128588, авторы Кириллов А.П., Шаповалов В.Ф. (RU), 22.05.1998 г.) используется для уменьшения габаритов при движении по дорогам общего пользования уменьшение ширины аппарата в наземном положении за счет.крыла, состоящего из двух частей, внешняя часть может отклоняться вверж.

Ещё одним вариантом, подходящим для экраноплана, может быть крыло, складываемое, по-видимому, в режиме плавания (CN201604793 (U), 13.10.2010 г. (рис. 16), к сожалению, описание и иные данные к этому патенту не на китайском языке найти не удалось).

Рис. 16

Изменение количества несущих поверхностей
По типу крыла ЛА подразделяются на монопланы, бипланы и трипланы, которые обладают, как и любой механизм, и преимуществами, и недостатками.
Для моноплана характерна высокая крейсерская скорость. Для снижения скорости при взлете и посадке применяют предкрылки и закрылки, однако скорость все равно остается достаточно высокой, а конструкция значительно сложнее и тяжелее. Биплан также может содержать предкрылки и закрылки. Бипланы и трипланы позволяют выполнять взлет и посадку при  значительно меньших скоростях. Однако конструкции бипланов и трипланов не позволяют получать высокую крейсерскую скорость. Поэтому конструкторы стремились создать ЛА, сочетающие свойства моноплана, биплана, триплана.

Автор разработки 1941 г. (АС 64516, 12.05.1941 г., автор Гурский И.П.) предложил в полете формировать дополнительную несущую поверхность из ряда расположенных вдоль крыла перьев, соединённых с основной несущей поверхностью при помощи шарнирных стержней..

Основные крылья ЛА (РФ 2438926 «ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ», заявка 21.01.2008 г., автор Афанасьев С.Н.) являются трансформируемыми и каждое основное крыло содержит три плоскости. В сложенном состоянии три плоскости каждого основного крыла образуют три слоя крыла, при котором ЛА представляет собой моноплан. При повороте всех силовых тяг относительно осей вращения происходит трансформация основных крыльев из сложенного состояния в разложенное состояние и происходит трансформация ЛА из моноплана в триплан.

Изменение длины крыла

Раздвижные по длине и ширине крылья имеют давнюю историю. Очевидно, что такие разработки велись всегда, при любых попытках человека полететь. Изменяли длину крыла самолета с использованием самых разных приспособлений: телескопические конструкции. Чаще всего используют выдвигаемые части крыльев.

Уже в 1944 году были известны «самолёты с выдвигающимися частями крыльев». Автор изобретения (АС №65022, «Самолёт с выдвижными частями крыльев», заявлено 17.03.1944, автор А.Л Гиммельфарб) предложил конструкцию крыльев, концы которых могут «телескопически вдвигаться и выдвигаться» из каждого крыла, причем независимо друг от друга. «Механизм управления концами крыльев может быть осуществлен различными способами и не представляет особых трудностей. Разработка направлена на повышение поперечной устойчивости самолёта.

В этом направлении ведутся разработки и сейчас, однако конструкция усложняется, например, адаптивными приводами (EP2234876 (A1) «METHODS AND APPARATUS FOR ADJUSTABLE SURFACES», от 06.10.2010, владелец RAYTHEON CO [US]). Внешняя поверхность крыла может изменяться, при этом регулируется форма, размер, положение или ориентация крыла с помощью адаптивного привода.

Для изменения площади и профиля крыла можно использовать раздвижное крыло, в котором основное крыло является направляющей для подвижных частей раздвижного телескопического крыла. При этом изменяется величина несущей поверхности (АС СССР №38429, «Раздвижное крыло самолёта», заявлено 16.12.1931, автор – Г.И.Бакшаев).

В качестве наружной части также можно использовать матерчатую оболочку, заполненную воздухом под давлением, сжимающие и сгибающие усилия будут восприниматься этим воздухом так же, как это имеет место быть в дирижаблях мягкой системы (АС СССР №54726, «Раздвижное крыло самолёта», 21.12.1935, автор – В.М. Вишнев).

Фирмой «Боинг» разработан самолет очень сложной конструкции (US2009026321 (A1) «MORPHING AIRCRAFT WITH TELESCOPIC LIFTING AND CONTROL SURFACES», заявка 2009-01-29, владелец THE BOEING COMPANY), рис. 17. Он имеет раздвижной корпус и телескопическое крыло, в некоторых модификациях снабженное механизмом поворота. В сложенном состоянии он предназначен для высокоскоростного полёта. Трансформируемый самолёт способен выполнять совершенно различные задачи: большая дальность и время полёта для разведки и высокая скорость для атаки за счет изменения аэродинамических поверхностей самолёта, а именно крыла.

Рис. 17

Телескопические системы могут обладать недостаточной жёсткостью, несущей способностью и требуют разработку способов герметизации крыла. Иной способ реализован за счет использования на конце крыла спиральной пружины, которая при раскручивании образует аэродинамическую поверхность (АС №1692079, «Складывающаяся аэродинамическая поверхность», заявлено 11.04.1983 г., заявитель – предприятие П/Я В-2739, автор Скрипников В.М).

Наклон крыла

Изменение наклона может быть направлено на достижение следующих результатов:
1. Укорачивания пробега при взлёте и посадке;
2. Возможности резко менять высоту в полёте;
3. Удержания при поворотах хорошего качества крыла;
4. Приспосабливания ЛА к различной грузоподъёмности;
5. Достижения различной скорости полёта;
6. Получения надёжного средства для выхода из штопора.

По крайней мере, именно такие задачи ставил перед собой автор устройства (патент на изобретение СССР №10265, заявленный 27-06-1928 года, «Устройство для изменения в полёте угла наклона крыльев или других поверхностей самолёта», автор А.Л. Сапачев). Устройство позволяет пилоту ставить каждую плоскость крыла самолёта под различными углами, независимо от угла наклона других плоскостей.

Изменение ширины крыла

Крылья изменяемой геометрии для изменения скорости движения

Для изменения скорости движения ЛА в режиме полета или торможения перед посадкой также используют разные приемы.

Конструкции самолета с контролем скорости полета и её снижением во время полёта может быть выполнена за счет конструкции крыла летательного аппарата (US2005151031 (A1)  "Aircraft wing structure and a method for decreasing flight speed of the aircraft», заявка 2005-07-14, заявители TOP I VISION, Ltd. SHENTAL GAD [IL]; SHENTAL NIR [IL]; SHENTAL RAN [IL]; PESSACHIS LEV [IL]).

Летательные аппараты с крылом изменяемой стреловидности

Крылья изменяемой стреловидности используются в летательных аппаратах довольно давно. Главное назначение крыльев изменяемой стреловидности (КИС) – обеспечить различные характеристики крыла на различных режимах полёта. Чем меньше стреловидность, тем лучше несущие свойства крыла, но возрастает индуктивное и лобовое сопротивление крыла. КИС на режиме минимальной стреловидности используется при взлете и посадке. Оно позволяет понизить взлетные и посадочные скорости, а значит, укоротить ВПП. На крейсерском режиме полёта КИС переводится в режим максимальной стреловидности – падает лобовое и индуктивное сопротивление крыла, падает потребление топлива. КИС применимо и для экранопланов.

Изменение площади крыла

Изменение площади крыла часто используется для уменьшения длины разбега и пробега, повышения грузоподъёмности и повышения подъёмной силы в самолётах укороченного взлёта и посадки, а также СВВП.
Самолёт может быть с одним «раскрывающимся» крылом или двумя крыльями, из которых раскрывается только одно. Например, самолёт (РФ №2364540 «Самолёт», заявлен 26.02.2008, автор В.В. Ликсудеев) оснащен двумя установленными сверху фюзеляжа лотковыми крыльями, вложенными одно в другое. При взлете и посадке одно крыло гидроподъемниками выдвигается вверх, и при этом площадь крыла и подъемная сила увеличиваются а разбег и пробег уменьшаются.

Еще один вариант раздвижного крыла (рис. 18).  Крыло состоит из подвижной и неподвижной частей, вложенных одна в другую и механизма выдвижения (US6241195 (B1) «Extendable/retractable airfoil assembly for fixed wing aircraft»).

Рис. 18

Раздвижное крыло (WO2013066439 (A1) «CHORD-EXPANDING AIR VEHICLE WINGS», заявка 2013-05-10, заявители RAYTHEON CO [US]; KOEHLER FREDERICK B [US]; SANDERSON TERRY M [US]; REANY JACK W[US]) содержит ребра, состоящие каждое из нескольких сегментов (рис.19)

Рис. 19

Ещё один вариант крыла изменяемой геометрии и площади представлен японскими заявителями: JPS4612527 (Y1), заявка 1971-05-01 г. (рис. 20). К сожалению, данных к этому патенту не на японском языке найти не удалось.

Рис. 20

Изменяемое крыло у экранопланов/экранолетов
В «экрано-аппаратах» также применяют крылья изменяемой геометрии для улучшения маневренности на плаву, улучшения аэрогидродинамических характеристик при полёте над экраном и полете вне экрана.

Для «улучшения тактико-технических характеристик и многоцелевого использования» каждое крыло экраноплана может быть разделено на части, задняя из которых установлена с возможностью перемещения по высоте и поворота относительно поперечной оси экраноплана и снабжена механизмом перемещения и поворота (АС №1003476 «Экраноплан», заявлено 14.09.1981, автор Чернышов Н.Е.)

Крыло экраноплана может быть выполнено из двух участков по размаху (РФ №2005661, «Экраноплан» заявлено 02.10.1991, авторы Розенштейн В.С. и Перельман Б.С). Первый участок набран из толстых профилей, второй участок выполнен составным, из верхней неподвижной части из тонких профилей и нижних частей, шарнирно прикрепленных к верхней с возможностью фиксации в сложенном и выпущенном положениях.

В экранолёте (РФ №2099217, заявлено 29.12. 1995 «Экранолёт, его взлетно-посадочное устройство и привод складывания крыла», авторы Колганов В.В., Жуков В.Г., Надров Б.А.) складное крыло используется для повышения маневренности на плаву и при движении в режиме поддува.

Экраноплан (РФ №2005661 «ЭКРАНОПЛАН», заявка 02.10.1991 г., авторы  Розенштейн В.С, Перельман Б.С). Крыло экраноплана выполнено по размаху из двух участков. Первый участок набран из толстых профилей, второй участок крыла выполнен составным из верхней неподвижной части, набранной из тонких профилей и нижних частей, шарнирно прикрепленных к верхней части с возможностью фиксации в сложенном и выпущенном положениях. В сложенном положении нижние части образуют вместе с верхней единый толстый профиль.

Заключение

Океанские и морские просторы созданы для экранопланов - скоростных тяжеловесов, способня преодолевать большие расстояния и обладающих большой живучестю на воде, но ограниченных зонами достаточно ровной поверхности.

Если посмотреть на карту России, видно, что мест для свободного полёта "на экране" не так и много. Решение задач "малой авиации" больше по плечу экранолёту, способному подняться над землёй достаточно высоко, чтобы преодолеть лесной массив, высокий берег или другое препятствие. Совмещение разных требований к движению у экрана и вдали от него, несомненно, приводит к усложнению конструкции.

Одновременно производство должно быть серийным, достаточно "массовым", а аппарат недорогим, экономичным, легким в эксплуатации и ... удобным.

Продолжается поиск новых технических и технологических решений, разработке технологий и материалов. Экранопланы и экранолёты продолжают интересовать разработчиков и ищут своих пассажиров.

Вывод

Поставленный вопрос имеет ответ только при условии правильной и полной его постановки с указанием дополнительно одного или нескольких критериев сравнения экранолета и экраноплана, в первую очередь, решаемой задачи, а также срока выполнения задачи, места, условий, и других. Но, тем не менее, выбор конкретного вида зависит от назначения летательного аппарата

Если сосредоточиться на задаче обеспечения, отдаленных районов надежным, экономичным, скоростным, преимущество следует отдать летательному аппарату, имеющему возможность летать в экранном и самолётном режиме, выполненному по схеме, позволяющей использовать крыло изменяемой геометрии и площади и возможностью посадки как на воду, так и на твердую поверхность, и обладающих коротким взлётом и посадкой.

Список использованных источников

1. Шапиро Л.С. Самые быстрые корабли. – Л. Судостроение, 1981
2. «Птицы невысокого полета». Научно-популярный журнал «Машины и Механизмы», № 4 (103), 2014 г.
3.  «Корабли, умеющие летать, Экранопланы советского ВМФ» Приложение к журналу «Моделист-Конструктор» «Морская коллекция», №8, 2010,
4. Авиация: Энциклопедия/гл. ред . Г.П. Свищёв .-М.:Большая Российская энциклопедия, 1994
5. И Кудишин, Раритеты американской авиации, М.: АСТ «Астрель», 2001
6. А.Первушин. «Космическое противостояние»
7. Белавин Н.И. Экранопланы (по данным зарубежной печати), Л.: Судостроение, 1970
8. «Крылья России», документальный сериал, фильм 11 «Экранопланы. На грани двух стихий», Студия документального кино «Крылья России». Режиссёр сериала: Андрей Кулясов
9. Международный кодекс безопасности экранопланов (документ ИМО DE 40/11/1)
10. http://www.rs-class.org/ru, Российский морской регистр судоходства, официальный сайт
11. Правила классификации и постройки малых экранопланов типа А
12. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.5.2-703-98 "Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания" утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 30 апреля 1998 г. № 16): п. 1.2.13
13. Правила освидетельствования судов в эксплуатации (ПОСЭ). Правила технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий (птнп), 2008 г.
14. Технический регламент о безопасности объектов внутреннего водного транспорта (утв. постановлением Правительства РФ от 12 августа 2010 г. № 623.
15. ОСТ 1.02776-2001 Эксплуатация техническая авиационной техники по состоянию. Основные положения
16. Энциклопедический словарь юного техника. Сост. В.Б.Зубков, С.В.Чумаков, - М.: Педагогика, 1980
17. http://vpk.name/news/44861_iran_nachal_proizvodstvo_razvedyivatelnyih_ekranoplanov.html
18. http://vpk.name/news/
19. http://www.boeing.com/news/frontiers/archive/2002/september/i_pw.html
20. http://novomysl.livejournal.com/
21. http://g.io.ua/img_aa/large/0015/22/00152257.jpg
22. П. Качур. Экранопланы. Прошлое, настоящее, будущее. «техника и вооружение № 3, 2008 (статья размещена http://militaryarticle.ru/tekhnika-i-vooruzhenie/2008/11712-jekranoplany)
23. Э.А. АФРАМЕЕВ, кандидат технических наук (ЦНИИ им.Крылова), «Вестник авиации и космонавтики» №4 2001 г., размещена http://www.testpilot.ru/review/wsl.htm
24. http://komitet2.km.duma.gov.ru, официальный сайт Комитета Государственной Думы по промышленности
25. https://mail.yandex.neo2/lite.jsx
26. Сандакова Н. Ю. Автореферат к диссертации «Экономические аспекты организации производства высокоэффективной транспортной системы на базе экранопланов нового поколения»
27. Экранопланы – транспортные суда XXI века/А.И.Маскалик А.И, Р.А.Нагапетян и др.- СПб.: Судостроение, 2005
28. Международная патентная классификация, раздел В
29. http://www.ekranoplan-ru.narod.ru/C_SODER.htm]
30. http://www.naval.com.br/blog/wp-content/uploads/2009/02/kuznetsov-2009-4.jpg
31. Базы данных Федерального института промышленной собственности, http://www1.fips.ru
32. Информационно-поисковая система ИИПС, http://www1.fips.ru/wps/portal/IPS
33. Российский сегмент Интернет-сервиса «esp@cenet», http://ru.espacenet.com/