История вопроса Гибридный волновой движитель для транспортных средств на воздушной подушке

Судно на воздушной подушке (СВП) — тип судна с динамическим принципом поддержания, которое может двигаться с большой скоростью и над водой, и над твёрдой поверхностью (амфибийные СВП) на небольшом расстоянии над ним, на так называемой воздушной подушке, образованной нагнетаемым под днище воздухом (рис. 1).

Вставка: (Рис.1) Схема работы судна с воздушной подушкой: 1 — воздушные винты; 2 — поток воздуха; 3 — вентилятор; 4 — гибкая перепонка

 

Первые в мире опытные катера на воздушной подушке (рис.2) были построены в 1935 году советским конструктором Владимиром Израилевичем Левковым. В работе «Вихревая теория ротора» (1925) он первым обосновал возможность создания СВП и создал аэродинамическую лабораторию в 1926-ом.

 

Вставка: (Рис.2) Катер на воздушной подушке Л-1 В.И.Левкова

Позже, принцип движения на воздушной подушке разработал Константин Эдуардович Циолковский, описав его в 1927 году в статье «Трение и сопротивление воздуха».

От высоты подъёма зависит способность такого судна двигаться над различными препятствиями на суше или над волнами на воде. По способу создания различают статическую (создаваемую вентилятором) и динамическую (создаваемую за счёт повышения давления при движении аппарата вблизи опорной поверхности) воздушные подушки.

(Материал из Википедии — свободной энциклопедии).

В настоящей статье речь пойдёт о статической воздушной подушке (ВП), образуемой под днищем транспортного средства (ТС), ограниченного гибким ограждением, поскольку цель проекта гибридного волнового движителя (ГВД) — улучшение амфибийных свойств ТС.

На земле имеются территории, не доступные для дорожных транспортных средств. Суда на воздушной подушке (СВП) (рис.3) могут пересекать водные пространства и мелководье, болота и ледовые поля, песчаные и снежные пустыни, причем, в отличие от самолета или вертолета, они могут остановиться в любом пункте этих местностей.

Вставка: (Рис.3) Судно на воздушной подушке

 

В воздушной подушке (ВП) под днищем судна создается небольшое избыточное давление, превышающее атмосферное всего на 0,03—0,05 кгс/см2. Благодаря этому судно отрывается от поверхности.

Действие ВП тем больше, чем ближе судно к опорной поверхности. С увеличением высоты парения возрастает утечка больших масс воздуха из подушки, и мощность, необходимая для поддержания судна в режиме парения, растет. Минимальная высота парения СВП обусловлена необходимостью преодоления препятствий и волн. При длинных волнах и малых размерах СВП это не составляет особой проблемы, так как в этом случае суда могут следовать за контуром волны.

У малых СВП удельная мощность привода главного вентилятора составляет от 45 до 65 кВт на 1 т общей массы судна. Для больших судов, массой около 100 т, требуется уже только 25—35 кВт на 1 т массы, а для судов массой 200 т и больше удельная мощность главных вентиляторов уменьшается до 15—20 кВт.

Тенденция стремится к увеличению размеров СВП. В дальнейшем можно предположить создание СВП массой в тысячи тонн.

На самом большом в настоящее время СВП «Навиплан 500» (рис.4) на 1 т. массы приходится около 50,8 кВт мощности энергетической установки. Это очень много, причем эта цифра уже вдвое превышает аналогичную характеристику универсальных сухогрузных судов.

Вставка: (Рис.4) Судно на воздушной подушке типа «Навиплан 500»

Это наибольшее в мире судно на воздушной подушке работает в качестве парома в проливе Ла-Манш и перевозит 400 пассажиров и 45 легковых автомобилей одновременно

 

С дальнейшим увеличением размеров СВП встает вопрос о переходе не только к новым первичным источникам энергии (например, к атомным), но и к новым типам движителей.

Рост добычи природных запасов на труднодоступных пространствах обуславливает потребность в специальном вездеходном транспорте. Особенности ландшафта и климата весьма сдерживают развитие местных дорожных сетей, что крайне негативно влияет на стоимость перевозок. Острее всего ощущается необходимость в амфибии — аналоге автомобиля повышенной проходимости, способной в принципе обходиться без дорог и мостов. Такими транспортными  средствами являются СВП.

В нашей стране аппараты на воздушной подушке нашли широкое практическое применение в народном хозяйстве и оборонном комплексе. По своему назначению они делятся на несколько типов:

СВП — суда на воздушной подушке, используются только над водой. К ним относятся пассажирские «Сормович», « Луч» и другие (рис.5);

Вставка: (Рис.5) Судно на воздушной подушке «Луч — 26»

 

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 (рис.6) и легкие одно-двухместные машины Харьковского авиационного, Уфимского политехнического институтов, многочисленные МВП любительской постройки;

Вставка: (Рис.6) Судно на воздушной подушке «Арго»

 

ПВП — платформы на воздушной подушке (рис.7), 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.

Вставка: (Рис.7) Самоходная платформа «Арктика 60Д»

 

Кому, как не нефтяникам-первопроходцам известны все тяготы бездорожья. Сколько тяжелой техники утонуло в сибирских болотах, сколько сил и здоровья было потрачено геологами, буровиками, лесозаготовителями на борьбу с таежными дебрями и буреломом. Как они, наверное, мечтали в то время о чудо-машинах, которые могли бы беспрепятственно преодолевать любые расстояния по любой пересеченной местности.

Тюмень имеет давние и достойные взаимоотношения с историей развития судов на воздушной подушке и их авторами – энтузиастами.

В начале ВОВ, осенью 1941 года Владимира Израилевича Левкова (изобретателя и конструктора первых отечественных СВП)  назначили директором завода №241 в Быково. На него свалились хлопоты по эвакуации предприятия за Урал. Вскоре эшелоны с оборудованием, специалистами и их семьями прибыли на станцию Тюмень. Завод разместили в помещениях крытого рынка в центре города и недалеко от него. После установки оборудования начали собирать десантные кабины для самолётов ДБ-3 и вести подготовку к выпуску планера А-7.  Несмотря на тяготы военного времени, Левков продолжал проектирование своего детища. Им было разработано СВП, где применялись двигатели с водяным охлаждением. В октябре 1942 года завод №241 перевели в Рязань. Левков отбыл вместе с предприятием, а затем переехал в Москву. В начале 1954 года он скончался. Но его дело продолжили ученики.

С открытием месторождений нефти и газа в Тюменской области возникла проблема перемещения многотонного бурового оборудования в болотистой местности. Идея использовать для этого платформы на воздушной подушке родилась в голове сотрудника института «ВНИИнефтемаш» Владимира Александровича Шибанова.

В.А. Шибанов подобрал себе коллектив единомышленников, ставший в главке отделом по проектированию буровой установки на воздушной подушке. В 1968 году буровая на базе станка БУ-75 была готова к испытаниям. Установка в полной комплектации имела вес более 170 тонн и размеры 20х30 метров. Вышка стояла на платформе, которая приподнималась над поверхностью с помощью вентиляторов, создававших под корпусом необходимое давление (рис.8). Оригинальным был привод вентиляторов – они запускались буровыми двигателями. Переезд буровой на другую площадку значительно упростился: болота, озёра уже не нужно было объезжать. Количество тракторов для транспортирования сократилось с десяти до двух. Буровую опробовали на Шаимском месторождении, на Самотлоре, в Стрежевом. Этот же коллектив спроектировал платформу на воздушной подушке грузоподъёмностью 40 тонн.

Вставка: (Рис.8) Буровая установка транспортируется на воздушной подушке

 

Идею создания буровой на воздушной подушке поддерживал начальник «Главтюменнефтегаза», Герой Социалистического Труда, выдающийся организатор отечественной нефтяной промышленности Муравленко Виктор Иванович. Характерной особенностью Виктора Ивановича являлось его постоянное и творческое стремление к ускорению внедрения новейших достижений науки и техники в практику освоения и обустройства нефтяных месторождений.  Его несомненная заслуга — промышленные эксперименты по перемещению буровой установки на воздушной подушке и на пневматическом ходу. Самый интересный проект разрабатывался в Сургуте. Руководитель сургутских нефтяников в те годы Салманов Фарман Курбанович предложил спроектировать мобильный буровой комплекс.

Со своей задачей инженеры справились успешно, буровая на воздушной подушке себя прекрасно зарекомендовала. Экзотическую машину поспешили испытать в деле. Установку, рассчитанную для работы на уклонах до 15 градусов и при неровностях высотой до 40 сантиметров, запустили сначала в горку, а потом по пням и кочкам. На такой местности агрегат, естественно, забастовал, чем разочаровал промысловиков. И всё-таки работы по установкам продолжились. Работа была уже на стадии завершения, когда в стране началась перестройка. Финансирование прекратилось, проект закрыли.

В конце 80-х интерес нефтедобытчиков к агрегатам на воздушной подушке сошёл на нет во многом из-за того, что они не были вездеходами в полном смысле этого слова. Для их использования требовались подготовленная трасса и подходящая местность. Средой обитания таких машин стала в основном водная поверхность.

Суда на воздушной подушке сейчас широко применяются в МЧС для спасения людей на реках. В Ямало-Ненецком автономном округе с успехом работают  такие машины. Они используются для перевозки пассажиров и грузов между Салехардом и посёлками. СВП оказались гораздо экономичнее вертолётов и, кроме того, всепогодными. Применение пассажирских судов на воздушной подушке между Тюменью и Тобольском позволили открыть новый скоростной туристический маршрут по реке Туре. Причем не только летом, но и зимой.

Однако в круглогодичной эксплуатации в экстремальных условиях труднодоступных регионов они оказываются недостаточно эффективными.

Таким образом, в ряду наземных транспортных средств осталась свободная ниша, а потребность в заполнении бреши на рынке амфибий приводит к попыткам совершенствования известных аппаратов с опорой на последние достижения в области новых технологий и материалов. Практика показала, что такой подход не имеет перспективы и требуется новая концепция внедорожного, полностью амфибийного, транспортного средства.

Для таких транспортных средств уже непригодны воздушные винты.

Изложенная далее новая концепция «Гибридного волнового движителя» (ГВД) — аналога автомобиля повышенной проходимости (рис.9), описывает  оригинальное решение проблемы.

Вставка: (Рис.9) Транспортное средство на гибридном волновом движителе 1–Двигатель; 2–Программатор; 3-Воздуховоды; 4–Гибридный волновой движитель

 

Мишель Пессель  — французский антрополог, путешественник и писатель, известный сделанным в возрасте 21 года открытием археологических памятников майя на полуострове Кинтана-Роо, а также многочисленными путешествиями по малоизученным районам Гималаев и Тибета, являющийся почётным членом Нью-йоркского клуба исследователей и членом Королевского географического общества, изобрел и запатентовал первое судно на воздушной подушке с одиночным вентилятором.

М. Пессель на своём лёгком СВП прошёл по высокогорным рекам Непала 1800 километров и говорил: «….опыт показал, что наши суда на воздушной подушке, не будучи ни самолётами, ни кораблями, ни автомобилями, унаследовали дефекты всех трёх видов транспорта…..».

Острая необходимость в амфибиях не была подкреплена рентабельностью от их применения в экстремальных условиях труднодоступных пространств. Известно, что рентабельность (эффективность) — основная характеристика любого транспортного средства, которая зависит положительно от скорости движения и от веса перевозимого груза, но отрицательно от сопротивления движению. В современных условиях приоритет отдаётся наращиванию скорости передвижения, во многом за счёт уменьшения сопротивления движению, используя динамические принципы поддержания корпуса. Реализовать динамические принципы поддержания аппарата в практических конструкциях позволил существенный прогресс, как в создании двигателей внутреннего сгорания высокой удельной мощности, так и в постройке корпусов — гибридов.

Но практика показала, что прогресс в отношении двух из трёх составляющих систем транспортных средств — амфибий (двигателя и корпуса) не привел к созданию аппаратов пригодных для эффективного всесезонного использования в экстремальных условиях труднодоступных пространств, поскольку третья составляющая: движитель, всегда оставалась практически неизменной: это — воздушный винт! Однако, воздушный винт в работе целиком и полностью зависим от состояния воздушной среды.

Вместе с тем, общеизвестно, что неблагоприятные метеоусловия является превалирующим фактором труднодоступных территорий. Порывы встречного ветра существенно снижают, а попутного внезапно увеличивают скорость амфибийного транспортного средства. Адекватно реагировать на внезапно возникающие переменные величины сопротивления движению с помощью изменения частоты вращения или шага воздушного винта, особенно при маневрировании или на небольших скоростях, невозможно. Аналогичная ситуация и с внезапным изменением сопротивления движению на днище корпуса. Переменные ветровые нагрузки негативно влияют и на путевую устойчивость аппаратов с воздушными винтами, из-за развитых вертикальных надпалубных поверхностей. В тех же условиях иные движители: водомёты, гусеницы, пневматики, а также гребные винты и гребные колёса, намного эффективней: только по относительным тяговым характеристикам — в десять и более раз! Соответственная разница и в требуемых мощностях двигателя и расходах на ГСМ.

Априори также, что постоянно действующая аэродинамическая разгрузка, например, у СВП и экранопланов — наиболее эффективных из известных амфибий, практически исключает контакт наземного аппарата с поверхностью среды передвижения, что существенно осложняет эксплуатацию, а при неблагоприятных метеоусловиях делает её невозможной. Показательный факт: СВП — грузопассажирские паромы — постепенно заменяют на экономически более перспективные катамараны — глиссеры. Достичь приемлемой эффективности амфибий с воздушным винтом оказалось невозможно.

Следовательно, с позиции рентабельности, применение воздушного винта в амфибийных транспортных средствах в сочетании с постоянной аэродинамической разгрузкой неприемлемо. Необходим альтернативный универсальный движитель, свободный от недостатков движителей упомянутых выше, но суммирующий их достоинства.

Объективно оценивая опыт эксплуатации известных вездеходных аппаратов с позиции рентабельности, при разработке нового типа  целесообразно принять, чтобы: универсальный движитель новой амфибии создавал упор на поверхности среды, по которой происходит перемещение; аэродинамическая разгрузка возникала только на скоростных режимах и была регулируемой; схема, конструкция и обводы корпуса амфибии определялись возможными режимами движения по поверхностям различных сред.

Новое амфибийное транспортное средство на гибридном волновом движителе позиционируется как реальная альтернатива аэросаням, снегоходам на гусеницах и пневматиках, судам на воздушной подушке, экранопланам. Поэтому, при определении общепроектных характеристик и эксплуатационных задач новой амфибии — рентабельность и всесезонность в экстремальных условиях труднодоступных пространств — необходимые и достаточные базовые требования, которые определяют способность транспортного средства на гибридном волновом движителе двигаться по льду, снегу, воде, болотам всех типов, травяному покрову суши и их комбинациям в экстремальных климатических условиях на ландшафтах труднодоступных пространств в любое время года; использовать аэродинамическую регулируемую разгрузку; переходить из одной среды в другую без предварительной подготовки во всём скоростном диапазоне.

Предлагаемый альтернативно гибридный волновой движитель адекватно сообщает корпусу упор на любых профилях поверхностей различных сред и их комбинаций во всём диапазоне скоростей (рис.10), а также: имеет подвеску на амортизаторах; осуществляет эффективное торможение; на скоростных режимах, создаёт оперативно регулируемую аэродинамическую разгрузку; полностью не зависит от метеоусловий; переходит из одной среды в другую без предварительной подготовки (рис.11).

 

По схеме можно понять, что каждая секция секционно-расчлененной воздушной подушки, при подаче потока воздуха в нее поднимается над поверхностью, а физические шарнирно-поворотные недеформируемые связи между ними обеспечивают их горизонтальное смещение.

Подача потока воздуха в секции производится поочередно, что приводит к общему перемещению системы в прямом или обратном направлении, в зависимости от заданного алгоритма.

Регулируемая скорость вращения вала двигателя позволяет регулировать поток воздуха, нагнетаемого приводным компрессором, что приводит к изменению амплитуды вертикальных колебаний секций, а следовательно изменять проходимость ГВД на пересеченной местности, приспосабливаясь к высоте преодолеваемых препятствий.

Регулируемая частота вертикальных колебаний секций позволяет изменять время прохождения «волны» вдоль ряда секций ГВД, что позволяет изменять скорость перемещения всей системы.

Таким образом, водитель ГВД может адаптивно реагировать на дорожную ситуацию и преодолеваемые препятствия.

Управление направлением движения производится путем сочетания двух алгоритмов: прямолинейного движения ГВД (вперед, назад)  и ее вращением (влево, вправо).

Подача воздуха по пневмопроводам в секции производится постоянно, а за их работу по заданному алгоритму отвечают индивидуальные электромагнитные клапана, клеммы которых выведены на клеммную коробку, на которую и подаются электрические импульсы от программатора, задающего алгоритм движения. Частота открытия – закрытия клапанов от 0 до 20…50 раз в секунду.

Оригинальная схема движителя обеспечивает:

— высокий уровень безопасности движения, за счет повышенной маневренности и остойчивости;

— безопасное аварийное торможение на твердом грунте;

— уменьшение потребности в приводной мощности в 5 раз, вследствие повышения КПД;

— способность преодолевать препятствия, рвы, овраги на суше и большое волнение на море, поскольку контактная поверхность движителя способна копировать рельеф препятствий и волн без существенных потерь нагнетаемого воздуха;

— способность преодолевать склоны (свойство, которое имеет важное значение для судов – амфибий), поскольку 80% поверхности элементов воздушной подушки находятся в постоянном контакте с поверхностью, скольжение на склонах исключено.

Любая поверхность; сила гравитации для сцепления; воздушная среда для движения — только эти условия необходимы транспортному средству на гибридном волновом движителе.

Сферы применения транспортного средства на гибридном волновом движителе (ТСГВД):

— В подразделениях МЧС, на спасательных станциях или используются в качестве патрульных машин на реках, болотах, затопленных участках суши, лиманах, морском побережье зимой и летом, в том числе на тонком битом льду, мелководье, заболоченных участках, на льдинах, имеющих трещины и скрытые промоины.

— В отдыхе на воде, рыболовстве, охоте, туризме;

— При обследовании водных участков газонефтепроводов в период ледохода и ледостава;

— В спасательных операциях по эвакуации людей и животных;

— При обслуживании населения в затопленных районах, эвакуации пострадавших, доставке продуктов питания и спасательных плотов в отрезанные водой села, доставке скорой медицинской помощи, охране поселков от мародеров;

— При медицинском и ветеринарном обслуживании в регионах,    имеющих слабую транспортную инфраструктуру;

— В природоохранных целях, охране рыбьих угодий, нерестилищ, заповедных районов, научных исследованиях состояния флоры и фауны, защите и оказании помощи диким животным и птицам, во время наводнений, заморозков, техногенных катастроф и т. д.

Обсуждая перспективы воздушных подушек в будущем, стоит обратить внимание на следующее: с одной стороны, есть возможность построить огромное судно, способное перевозить тысячи тонн груза, но оно будет тихоходным. С другой стороны, скоростные транспортные средства всё больше развиваются. Имеются ввиду — самолёты. Но всё равно в грузоперевозках имеется большая ниша, которую пока «не заполнил» ни один вид транспорта. Груз, доставленный к берегу железнодорожным транспортом, требуется перевезти через море на такой же скорости, а лучше с большей. Речь идёт о 2000 тонн груза и скоростях порядка 200-250 км/ч. Имеется пробел и в этой отрасли грузоперевозок.

Для решения нестандартных транспортных задач в будущем можно ожидать изобретения ещё больших платформ на воздушных подушках. В США сейчас как раз работают над проектом 6000-тонной платформы (рис.12), которая будет применяться во время прокладки трубопровода в Арктике, там требуется доставка грузов с воды на пологий берег.

По материалам Василия Медведева

(Рис.1) Схема работы судна с воздушной подушкой:

1 — воздушные винты; 2 — поток воздуха; 3 — вентилятор;

4 — гибкая перепонка

(Рис.3) Судно на воздушной подушке

(Рис.4) Судно на воздушной подушке типа «Навиплан 500»

Это наибольшее в мире судно на воздушной подушке работает в качестве парома в проливе Ла-Манш и перевозит 400 пассажиров и 45 легковых автомобилей одновременно

(Рис.6) Судно на воздушной подушке «Арго»

(Рис.7) Самоходная платформа «Арктика 60Д»

(Рис.8) Буровая установка транспортируется на воздушной подушке

(Рис.9) Транспортное средство на гибридном волновом движителе

1–Двигатель; 2–Программатор; 3-Воздуховоды; 4–Гибридный волновой движитель