Автор: Архипов Илья
Возраст: 13 лет
Место учебы: МБУДО "ЦТТ"
Город, регион: Лиски, Воронежская область
Руководитель: Маркушев Андрей Борисович , МБУДО "ЦТТ"

Суда на воздушной подушке и современные технологии

Содержание

Введение

1. История возникновения и создания судна на воздушной подушке
2. Преимущества и недостатки СВП.
3. Проектирование прототипа и создание действующей модели на 3d принтере
4. Заключение
5. Вывод
6. Список используемой литературы.
7.  
8.  
9.  

Введение

Судно на воздушной подушке (коротко СВП) — это судно с динамическим поддержанием плавучести. Это означает, что судно держится на плаву за счет нагнетания под корпус воздуха с избыточным давлением.

Фактически, СВП в ходу не касается поверхности, а парит в нескольких миллимерах от среды по которой двигается, что позволяет передвигаться практически по любым типам поверхностей: грунт, болото , вода, лёд. 

Судно на воздушной подушке является амфибийным аппаратом способным передвигаться по любой относительно ровной поверхностью - воде (в том числе по мелководью), льду, песку, траве, болоту и т.д.

Актуальность

СВП особенно актуальны для нашей страны. Бескрайние просторы тундры, болота, оттаивающая вечная мерзлота, мелководные озёра и каменистые речушки. Движение наземного транспорта возможно здесь только зимой, с наступлением весны образовавшиеся трясины непроходимы для большинства наземных, и водных средств передвижения. Есть возможность проехать на специальных гусеничных вездеходах, но это очень медленно и наносит непоправимый вред северной природе. Особенность тундры заключается в очень чувствительной растительности. Например, мох ягель нельзя повреждать колёсами и гусеницами автомобилей, иначе колея не зарастёт десятилетиями.

$IMAGE1$

В связи с ростом мирового интереса к освоению богатых ресурсами, но удаленных, труднодоступных и суровых по природно-климатическим условиям регионов Арктики огромное значение придается обеспечению транспортной доступности регионов Арктической зоны Российской Федерации.

Также в России много широких полноводных рек, но зимой они несудоходны. Единственным средством передвижения во время ледостава, ледохода и неокрепшего льда являются суда на воздушной подушке.

Цель работы

Целью моей работы является исследование истории создания аппаратов на воздушной подушке, и их предназначения, а также перспективы создания такого аппарата на сегодняшние дни и в будущем, для более широкого внедрения современных технологий в проектирование и создание амфибийных судов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить историю возникновения судов на воздушной подушке и их применение в настоящее время.
2. Изучить различные схемы воздушных подушек
3. Изучить преимущества и недостатки судов на воздушной подушке
4. Понять есть ли необходимость в постройке таких аппаратов
5. На основании полученных знаний спроектировать и создать действующий прототип с использованием современных технологий: системы трехмерного моделирования Компас и 3D принтера.

1. История возникновения судов на воздушной подушке

Научно-теоретическое обоснование и принципы расчетов по движению аппаратов на воздушной подушке впервые дал К.Э. Циолковский в работе «Сопротивление воздуха и скорый поезд» (1927). В этой работе К.Э. Циолковский тщательно проанализировал и обосновал возможность создания поезда (вагона) на воздушной подушке, движущегося по специальному полотну. В работе выведены формулы, которые позволяют определить необходимое давление воздушной подушки и ее высоту, расход воздуха и мощность нагнетателя, в зависимости от его массы и скорости. Теоретические формулы К.Э. Циолковского являются основополагающими и в современной теории СВП. Впервые в мире в 1937–1940 гг. в СССР коллективом специалистов под руководством проф. В.И. Левкова были созданы амфибийные катера на воздушной подушке нескольких типов с отличными ходовыми качествами на тихой воде.

Торпедный катер Левкова Л-5, проходивший испытания в 1937-1938 годах стал первым в мире настоящим боевым кораблем на воздушной подушке. Эта машина, вооружалась спаркой пулеметов ШКАС и могла нести до двух торпед калибром 450-мм или десятерых десантников. В принципе, противопоставить торпедному катеру, развивавшему до 135 км/ч можно было только самолет.

2. Суда на воздушной подушке используемые в настоящее время

В разработке скеговых СВП для военного применения лидирует ЦМКБ «Алмаз». Здесь в 1975 году начались работы над проектом малых ракетных кораблей на воздушной подушке «Сивуч». В 1987 году был построен и в 1997-м введен в состав флота головной корабль семейства «Бора», а в 1999 году принят на вооружение второй корабль «Самум».

$IMAGE4$

Вместе с другим детищем «Алмаза», самым большим в мире судном на воздушной подушке «Зубр», эти корабли − гордость российского флота, крупнейшие в своем классе.

Благодаря конструктивным особенностям воздушной подушки может передвигаться по земле, обходя небольшие препятствия (рвы и траншеи) и минные заграждения, двигаться по болотам и высаживать десант в глубине обороны противника. Для МДКВП «Зубр» доступно для высадки десантов до 70 % общей длины береговой линии морей и океанов мира.

3. Пассажирские перевозки

В России маршрутные суда на воздушной подушке используются для перевоза через широкие замерзшие реки, в частности через Волгу в Нижнем Новгороде, Москву-реку между г. Лыткарино и д. Андреевское (Логопром), реку Амур между российским Благовещенском и китайским Хэйхэ, в Казани, Самаре.

СВП «Хивус-48», серийно выпускает компания «Аэроход».

$IMAGE6$

Исследовательские, спасательные суда и аппараты небольшой вместимости так же пользуются заслуженным спросом.

$IMAGE8$

4. Типы судов на воздушной подушке

Все суда на воздушной подушке работают по одному принципу – под днищем корпуса создается избыточное давление воздуха, которое приподнимает судно над поверхностью. Избыточное давление продуцируется специальными воздухонагнетателями.

Подача воздуха может осуществляться посредством отбора потока от основных маршевых винтов (совмещенный тип) или с помощью дополнительных «нагнетательных» вентиляторов (раздельный тип нагнетающей установки).

5. Преимущества и недостатки СВП

Аппараты на воздушной подушке находят применение в тех случаях, когда не может быть эффективно использован автомобильный, железнодорожный и обычный водный транспорт. В отличие от обычных средств переправы СВП могут не останавливаться около берега, а пройти дальше и даже преодолеть 5%-й подъем или препятствие высотой до трети высоты юбки. Используются во время ледохода и ледостава. Обладают значительно большей скоростью передвижения до 150км/ч. Не наносят вред медленно восстанавливающейся растительности тундры

Недостатки: повышенный расход топлива, необходимость частой замены обрамления воздушной подушки, которое истирается и рвется от соприкосновения со льдом и землей, относится плохая устойчивость на курсе и управляемость. Шум от двигателя.

Перспектива развития СВП как транспортных средств связана с вопросами экономичности и зависит от возможности использования других видов транспорта в данном районе эксплуатации Как показывают экономические исследования, СВП пока уступают водоизмещающим судам и судам на подводных крыльях при эксплуатации в одинаковых условиях и на тех же линиях. В основном это объясняется более высокой энерговооруженностью СВП. Однако СВП оказываются наиболее выгодным типом судов при освоении рек с небольшими глубинами фарватеров (около 0,5 м) или с быстрым течением (более 2,5 м/с) в районах, где слабо развита дорожная сеть. В Российской Федерации перспективным является использование различных типов СВП для развития транспортных связей в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока.

6. Выбор схемы и проектирование

С помощью программы трёхмерного проектирования Компас 3D, мной была разработана модель судна на воздушной подушке. Критерием проектирования был минимально возможный вес конструкции, с ограничением по требованиям надежности

Я выбрал совмещенный тип подачи воздуха в подушку. Данная система позволяет обходиться одним вентиляторным двигателем, который работает одновременно как маршевый двигатель и как нагнетательная установка. Это значительно упрощает конструкцию,уменьшает количество обслуживаемых агрегатов, повышает надёжность, уменьшает общий вес, освобождает свободное пространсво.При этом на относительно небольших судах не снижается общая эффективность.

 Для создания подушки был выбран амфибийный тип, построенный по камерной схеме. С использованием в качестве «юбки» − мягкого ограждения надувного рукава расположенного по периметру корпуса. Такой тип СВП является самым распространенным, надёжным и проверенным временем решением. В отличии от скеговых схем является более универсальным, схемы с жёстким ограждением пригодны для передвижения только по воде. В отличии от сопловых схем создания воздушной подушки является меньшая потребная мощность силовой установки.

Поток воздуха, отбрасываемый воздушным винтом заставляет судно двигаться вперёд, воздушные рули могут отклонять направление этого потока, за счет чего выполняются повороты. Пропеллер помещён в кольцо, которое повышает КПД винтомоторной установки, а так же за счёт установленных в нём специальных воздухозаборников позволяет более эффективно отбирать избыточное давление воздуха в воздушную подушку.

7. Создание действующего прототипа

Корпус судна, вентиляторное кольцо и аэродинамический руль поворота изготовлен с помощью печати на 3D принтере. Из соображения прочностных характеристик был выбран пластик PETG- отличается высокой прочностью и высокой температурой плавления, стоек к ультрафиолетовому излучению

$IMAGE13$

Судно на воздушной подушке оснащено приёмником радоуправления, который получает сигналы от пульта и передаёт команды регулятору оборотов безколлекторного двигателя и сервоприводу аэродинамического руля поворота. Регулятор оборотов управляет скоростью вращения бесколлекторного электродвигателя, на валу которого, закреплён трёхлопастной воздушный винт. При установке пропеллера необходимо добиться минимального (0,5-1,0 мм) равномерного по всей окружности зазора между винтом и вентиляторным кольцом. Только в этом случае возможно повышение КПД данной системы по сравнению с обычным винтом без кольца. В электрическую схему включён импульсный преобразователь напряжения на 5 вольт для питания приёмника, сервопривода и светодиодной подсветки. Запитана вся электроника от литий полимерного аккумулятора напряжением 12 вольт и ёмкостью 700 mah.

$IMAGE14$

Вывод

Оригинальностью моего проекта является использование 3D печати для изготовления корпуса, вентилятоного кольца и аэродинамических рулей направления. Использование этой технологии позволяет значительно снизить себестоимость производимого изделия без ухудшения прочностных и весовых характеристик относительно традиционных методов изготовления. Применение при проектировании программы трёхмерного моделирования позволяет легко изменять размеры, вес , прочность и компоновку конструкции.  Без больших затрат возможно произвести масштабирование данного прототипа под различные нужды. Допустим сделать аппарат одно-, двух-, четырёхместным, изменить грузоподьёмность, приспособить под использование различных силовых установок. Или же уменьшить до беспилотного судна, управляемого внешним пилотом. В результате можно подогнать основные характеристики под индивидуальные требования заказчика, что несомненно увеличит количество заказов на изготовление.

Наладить производство можно в любом отдалённом регионе, достаточно лишь установить на месте 3D принтер - убираем стоимость доставки громоздких аппаратов.

Внедрение моего проекта исключает или сильно минимизирует расходы на постройку верфи с разнообразным необходимым оборудованием, стапелями, высококвалифицированными рабочими и сопутствующей инфраструктурой .

Я предлагаю использовать современные силовые установки - бесколлекторный электродвигатель запитанный от литий полимерных аккумуляторов. Данный тип моторов обладает более высоким КПД относительно двигателей внутреннего сгорания, а так же является намного экологически чистым.

 Имеется возможность перехода на ещё более современные энергоносители такие как водородные топливные элементы, позволяющие использовать возобновляемые источники энергии, что соответствует современным тенденциям развития транспорта будущего.

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Судно_на_воздушной_подушке- «Википедия», статья «Судно на воздушной подушке»
2. https://sea-man.org/syda-na-vozdyshnoi-podyshke.html- Морской портал для любителей и профессионалов.
3. Адасинский С. А.Транспортные машины на воздушной подушке.-М.:Наука, 1964.- 108с.- (Научно-популярная серия)
4. Демешко Г. Ф.Проектирование судов. Амфибийные суда на воздушной подушке: Учебник для вузов. В 2 кн. СПб.: Судостроение, 1992.
5. Циолковский К. Э., Сопротивление воздуха и скорый поезд, Калуга, изд. автора, 1927.
6. Бенуа Ю. Ю., Корсаков В. М.Суда на воздушной подушке. Л.: Гос. союз. изд-во судостр. промышленности, 1962. 121с.
7. Арктика: экология и экономика №1 (5), 2012
8. В.П. Соколянский, Ю.А. Захарченко, А.А. Долгополов и др - Амфибии с шасси на воздушной подушке – ключ к Арктике.