Введение к работе
Актуальность. Создание высокопроизводительной и экологичной транспортной техники, способной круглогодично работать в условиях Крайнего Севера, является важной научно-технической проблемой, от решения которой в значительной степени зависит эффективность хозяйственного освоения Сибирского Севера и Дальнего Востока страны.
Как известно, сложность транспортного освоения огромных территорий этих регионов обусловлена с одной стороны низкой плотностью населения, с другой — суровыми природно-климатическими условиями. Эти факторы, в основном, определяют значительное удорожание строительства шоссейных и железных дорог, аэродромов, а также более низкую, чем в других регионах, эффективность капиталовложений в транспортную сеть. Так, например, стоимость шоссейной дороги на Ямале составляет более 1,5 млн. руб. км~' и выше. Кроме того, нужно учесть во что обходится в этих условиях эксплуатация дорог, а также последствия масштабного вмешательства в экосистему, неизбежного при строительстве дорог с твердым покрытием.
Из этого рассмотрения напрашивается вывод о важности исследований и разработок транспортных машин на новых физических принципах поддержания транспортной массы над дорожным полотном и создания на их основе принципиально новых видов транспортной техники. Одним из таких перспективных видов транспорта являются аппараты на воздушной подушке (АВП) и, в частности, основанные па этом принципе амфибийные суда (СВП), с помощью которых проведены успешные эксперименты, подтвердившие перспективность АВП в качестве транспорта для Арктики. В настоящее время СВП получили значительное развитие, а их строительство за рубежом фактически оформилось в самостоятельную отрасль.
Однако, отдавая должное достижениям ' этой новой технической области, нельзя не видеть недостатки, которые проявились при опытной эксплуатации СВП и которые обуслов-
лены их судовой архитектурой. В частности, СВП имеют недостаточную энерговооруженность для движения по пересеченной местности, что усложняет их применение вдали от водных путей, а также в межнавигационный период, они подвержены обледенению и не удовлетворяют требованиям по климатическому исполнению. Кроме того, себестоимость их чрезвычайно высока, а организация производства в необходимых количествах для народного хозяйства равнозначна созданию самостоятельной отрасли, что малореально в ближайшее десятилетие.
Альтернативу СВП могут составить транспортные АВП на основе самолетной концепции, предложенной нами в 1983 г. В основу 'этой, концепции положено представление об АВП как о летательном аппарате (ЛА), совершающем движение вблизи поверхности со скоростью близкой к скорости взлета пли посадки самолетов. Это позволяет рассматривать АВП не только как самостоятельный тип машины, но и как вариант конверсии самолета в наземное транспортное средство. При таком подходе к технологии АВП значительно снижаются материальные затраты как на разработку АВП по техническому уровню, соответствующему уровню самолета-прототипа, так и па его производство, даже при малой серии.
Важным преимуществом самолетной концепции является возможность производства АВП на основе снятых с летной эксплуатации транспортных самолетов, парк которых значителен, и в настоящее время проблема цх рациональной ликвидации, как сложного комплекса, решается далеко не лучшим образом. Например, на основе конвертирования только самолетов Ан-24, Ан-26, Ан-8, Ан-12, Ан-22, снятие которых с эксплуатации в связи с переоснащением транспортной авиации, а также исчерпанием установленного летного ресурса, начинается уже в этой пятилетке, могут быть созданы АВП с полным полетным весом от 20000 до 200000 кгс для выполнения перевозок в субарктических и арктических регионах тех же грузов, что и самолетом-прототипом. Благодаря этому проблема улучшения транспортного обеспечения может быть решена при значительно меньших капиталовложениях, без существенного увеличения производства специального проката, оборудования, двигателей и т. п., чем с применением СВП. Сложившаяся же технология эксплуатации авиационной техники, преемственность транспортных форм, что важно в условиях Севера, где значительный по объему завоз грузов обеспечивается авиацией, позволит в кратчайшие сроки решить проблему внедрения АВП и в комплексе с другими видами 2
транспортных средсти наладить регулярное транспортное обеспечение огромных территорий.
Целью работы я вляется разработка научных основ конверсии самолетов с турбовинтовыми двигателями, в том числе выработавших летный ресурс, в транспортные АВП, по потребительским свойствам отвечающих условиям эксплуатации в особых нрнродію-клішагическпх условиях Крайнего Севера. Решение данной проблемы основывается на представлении об АВП как специальном типе ЛА, совершающего полет вблизи экрана с малой прочностью подстилающего слоя.
Научная новизна. Решена крупная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение, состоящая в разработке самолетной концепции конструирования и производства транспортных аппаратов на воздушной подушке, по своим технико-экономическим н экологическим параметрам удовлетворяющим условиям применения в транспортной системе Севера и Сезеро-Востока страны. Для этого сформулированы и решены следующие задачи:
— основываясь на литературных данных но проблеме ос
воения Севера п Северо-Востока страны, исследованиях ав-
, тора по разработке самолетного шасси на воздушной подушке, обоснована целесообразность применения АВП для улучшения транспортного обеспечения регионов пионерного освоения, сконструированных па принципах самолетной концепции;
разработана, обоснована теоретически и на физических моделях внешняя и внутренняя компоновка транспортных АВП на основе конверсии самолетов с ТВД;
используя принципы весового проектирования самолетов, введен критерий равной весопой эффективности конструкции АВП с самолетом-прототипом и показана его реализуемость как в случае конверсии самолетов с двух- так и четырех- дппгатетмгай силовой установкой;
в связи с тем, что традиционная схема создания воздушной подушки с ннзконапорным вентилятором из-за сложности ее реализации делает задачу конверсии самолетов практически неразрешимой, разработана схема подъемно-маршевой системы на основе эжекторного усилителя реактивной тяги выполненного ТВД одновалыюй схемы;
разработана математическая модель «чистого» висення АВП с камерной схемой воздушной подушки и конвертированными ТВД и пычиелнтсльиая программа для ЭВМ;
в результате вычислительного эксперимента, натурных исследовании эжектошюй подъемно-маршевой системы на основе ТВД типа АИ-24, доказана практическая реализуемость
такой схемы при конверсии самолетов с двухдвпгателыюй силово.'! установкой, сделано обобщение на случай конверсии самолетов с четырьмя ТВД, определеч-ы геометрические параметры эжекторпого усилителя тяги, при которых обеспечиваются заданные параметры АВП;
используя общие подходы к исследованию летно-техни-чсских характеристик самолетов, методы расчета аэродинамических характеристик ЛА и теорию работы воздушного винта, построена математическая модель квазиустановивше-гося движения АВП с камерной схемой воздушной подушки и ежекторної! подъемно-маршевой системой, разработана программа моделирования на ЭВМ;
в результате численного моделирования летно-техни-чоскнх характеристик АВП на основе конверсии самолетов с двух- и четырехдвигательноп силовой установкой доказана более высокая топливная эффективность АВП по сравнению с вертолетами как в случае использования воздушных винтов в туннеле, так и при использовании свободных винтов;
для исследования движения АВП над экраном произвольного профиля записаны уравнения, в которых определяющие соотношения на опорах представлены по аналогии с аэродинамикой в виде поляры, устанавливающей связь между векторами обобщенных реакций опор и скорости движения;
решены задачи о разгоне и торможении при полном и частичном отрыве от экрана п о маневре АВП в горизонтальной плоскости без крена;
разработана методика расчета и вычислительная программа по определению производственной эффективности АВП на основе самолетной концепции для трех вариантов производства: специально разработанного под авиационную технологию аппарата, совместного произвоства самолета-прототипа и АВП на основе его конверсии и производства АВП с использованием выработавших летный ресурс планера и двигателей;
разработана методика и программа расчета на ЭВМ экономической эффективности применения АВП на принципах конверсии самолетов и исследована эффективность при-, меиенпя аппаратов различного весового класса при перевозке пассажиров и грузов в шести регионах потенциального применения.
Методы исс.ледопаїшя. Исследование летно-технических и технико-экономических характеристик АВП, основанных на принципах конверсии самолетов выполнено теоретически с 4
применением методов аэродинамического расчета ЛА, тео
рии воздушных винтов, теории авиадвигателей, динамики
полета, теории проектирования Л Л с широким использовани
ем ЗВМ для установления связей между конструктивными и
выходными параметрами ЛВП. Для комплексной оценки кон
цепции ЛВП на принципах конверсии самолетов спроектиро
ван и построен экспериментальный аппарат на основе выра
ботавшего установленный летный ресурс самолета Ан-24 Б
с двигателями АИ-24, па котором выполнен ряд эксперимен
тов. :
Практическая и социальная значимость исследований состоит г. том, что на основе разработанной самолетной концепции конструирования и производства АВП в течение 3—5 лет может быть решена проблема улучшения транспортного обеспечения большого региона о особыми природно-климатическими и экологическими условиями, например, в районах освоения газовых месторождений па полуострове Ямал, т. к. внедрение АВП делает ненужным строительство дорогостоящей и экологически опасной железной дороги; в бассейнах рек Западной Якутии: Анабар, Лены и других без значительных затрат на дорожное строительство. Причем, проводимая в настоящее время конверсия оборонных предприятий, располагающих необходимой производственной базой, в том числе аэродромами и ангарами, наличие большого парка транспортных самолетов различного взлетного веса, уже длительное время находящихся в эксплуатации, для решения этой проблемы делают ненужным создание специальной отрасли для производства АВП по образцу других стран.
Помимо эффекта, связанного с улучшением транспортного обеспечения регионов пионерного освоения, важным является качественное изменение состава персонала на транспорте и уменьшение его численности, обусловленное значительно более высокой производительностью АВП по сравнению с другой вездеходной техникой.
Впервые предложен и п?у'г,;о обоснован способ рационального использования отработавших летный ресурс или снятых по другой причине с летной эксплуатации особослож-пых авиационных конструкций.
Разработанный и похгроенпый для экспериментальных целей аппарат АВП-20Э і'о техническим параметрам не имеет "налогов п, после выполнения всего комплеска исследований, может быть рекомендован к серийному производству.
Разработанные в диссертации расчетно-теоретпческое обеспечение, а также комплекс вычислительных программ, за-
писанных на языке программирования высокого уровня, могут использоваться в практике проектирования АВП на основе самолетной концепции, конструкций СВП, а также в технико-экономических исследованиях.
По,оценкам С. М. Пьяных (ЦНИИЭВТ), если АВП .позволят подняться вверх по руслам рек всего на 100 км и воїьмут на себя 10% объема перевозок, осуществляемых по автознм-ннкам, то экономический эффект только по Западной Якутии составит 85^-120 млн. руб. в год.
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Всесоюнзых конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: научно-техническом Совете Минвуза РСФСР (Москва, 1984 г.), секции прикладных проблем АН СССР (Москва, 1984 г.), координационном Совете СО АН СССР по проблеме развития тюменского нефтегазового комплекса (Новосибирск, 1984 г.), 1-ой Всесоюзной конференции «Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса» (Новосибирск, 1985 г.), координационном Совете СО АН СССР по проблеме развития транспорта Сибири (Новосибирск, 1986 г. и Иркутск, 1987 г.), Всесоюзной конференции по нетрадиционным видам транспорта (Томск, 1986 г.), координационном Совете по транспорту при Томском ОК КПСС (Томск, 1987 г.), научно-техническом Совете управления Ар-ктикнефтегазстрой (Надым, 1988 г.), научно-техническом Совете управления Тюмсньгазоиром (Тюмень, 1988 г.), П-ой Всесоюзной конференции «Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса» (Томск, 1990 г.), Головном Совете Минвуза РСФСР по надежности конструкций (Куйбышев, 1990 г.).
Разработки по теме диссертации демонстрировались на Международных, Всесоюзных, региональных выставках, в том числе: Международной осенней ярмарке (Лейпциг, ГДР, 1986 г.), Международной выставке научных достижений вузов СССР (Хельсинки, Финляндия, 1988 г.), Международной торговой выставке (Новосибирск, 1990 г.), Всесоюзной выставке «Ученые Поволжья народного хозяйству СССР» (Москва, ВДНХ СССР, 1989 г.) — удостоена двух серебряных медалей, Областной ярмарке идей (Тюмень, 1988 г.), Областной выставке «Ученые вузов народного хозяйству» (Куйбышев, 1989 г.).
В 1985 г. работа включена в региональную программу государственного значения «Сибирь», раздел «Транспорт Сибирского Севера», п. 06.04.01., а также комплексную программу Минвуза РСФСР «Надежность конструкций».
В диссертации учтены мнения многих ведущих ученых, чьи научные интересы связаны с решением проблем Сибирского Севера.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 25 научных работ, в том числе 6 зарубежных патентов, 9 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и 4 приложении, содержащих программы для ЭВМ и протокол испытаний экспериментального аппарата АВП-20Э.
Работа содержит 249 страниц машинописного текста, 96 рисунков, 7 таблиц, 137 наименований литературы. Общий объем работы составляет 310 страниц.
