автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Обоснование безопасности движения экранопланов типа "А" на внутренних водных путях

ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи Добровольский Дмитрий Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЭКРАНОПЛАНОВ ТИПА «А» НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ

Специальность 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Клементьев А. Н. Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Любимов В. И.

- кандидат технических наук, доцент Дудоладов А. А.

Ведущая организация:

- Новосибирская государственная академия водного транспорта.

Защита состоится «2-8» _2006 г. в 12-- иОшс. в аудито-

рии 231 на заседании диссертационного совета Д223.001.01 при Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волжской государственной академии водного транспорта.

Автореферат разослан « УО» А305>^200б г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Проблема создания транспортных средств, использующих в своем движении благоприятное влияние близости границы раздела сред, имеет солидную историю. Граница раздела сред (воздух-вода, воздух - твердая поверхность) воздействует на аэродинамические характеристики объекта аналогично экрану. Аппараты, использующие этот эффект, получили название «экранопланы». Это результат синтеза нового транспортного средства на основе опыта создания и эксплуатации смежных транспортных средств: судов, самолетов и др. Исследования различных аспектов эксплуатации экранопланов, проведенные ранее Бе-лавиным Н.И., Булыгиным A.B., Любимовым В.И., Дементьевым В.А., Моисеевым А.Н., Панченковым А.Н. и др. показали, что экранопланы потенциально обладают рядом положительных качеств:

- большая скорость движения; .

- простота базирования;

- большая топливная эффективность. ,

Среди трех типов экранопланов (согласно существующей в настоящее время классификации) экранопланы типа «А», движущиеся за счет аэродинамических сил и принудительной воздушной подушки, образуемой поддувом от винтов, представляется наиболее перспективным для эксплуатации на внутренних водных путях. Ввиду «плотной аэродинамической привязки» к экрану, наличию воздушно - амортизирующего устройства, а также сравнительно низких (по сравнению с экранопланами типа В и С) скоростей движения (100-150 км/ч).этот тип экраноплана является наиболее безопасным.

Появление экранопланов сопровождается научно-техническими скачками, обусловленными главным образом необходимостью разработки гидродинамической и аэрогидродинамической компоновок. Создание экранопланов пока находится на нестационарном этапе и для дальнейшего развития экранопланов требуется проведение большого объема научных исследований.

Разработка проекта, независимо от накопленного научно-технического задела и аккумулированного в обобщенных проектных моделях, должна сопровождаться значительным объемом экспериментально-теоретических исследований. Но несмотря на большое количество построенных опытных образцов экранопланов известны лишь единичные случаи их практического использования. Одна из причин, по мнению автора, заключается в нерешенности ряда вопросов научного характера: недостаточно изучены маневренные характеристики, не создана адекватная математическая модель движения экраноплана, не разработаны мето-

дики, позволяющие определять возможность безопасного движения экра-ноллана по внутренним водным путям.

. Цель работы.

1. Создать качественную математическую модель движения экрано-плана типа А.

2. Провести анализ и математическую обработку ранее проведенных испытаний экраноплана «Волга-2».

3. Разработать теоретико-экспериментальную методику определения параметров движения экраноплана.

4. Провести оценку безопасной эксплуатации экраноплана на ВВП с использованием имитационного тренажера.

Методология исследования. В диссертации использованы как экспериментальные, так и теоретические методы исследования.

Методология исследования заключалась в следующем:

1. Систематизированы результаты испытаний многочисленных « частных» моделей экранопланов: аэротрубных, буксируемых и др.

2. Произведена математическая обработка результатов проведенных испытаний экранопланов.

3. .Разработана теоретико-экспериментальная методика определения параметров движения экраноплана.

4. Создана математическая модель движения экраноплана.

Научная новизна.

1. Проведена математическая обработка натурных испытаний экраноплана «Волга-2».

2. Предложена математическая модель произвольного движения экраноплана типа «А».

3. Проведено экспериментальное моделирование процесса обтекания экраноплана воздушным потоком.

4. Проанализирована адекватность созданной математической модели движения экраноплана на всех режимах эксплуатации.

5. Разработаны инженерные методики определения параметров движения экраноплана для различных режимов эксплуатации.

6. Разработана программа компьютерного моделирования движения экраноплана.

7. Разработан имитационный тренажер, позволяющий определять условия безопасного движения экраноплана по конкретному участку ВВП.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепринятых теоретических положений, рекомендаций, логикой рассуждений и выводов, а также сопоставлением полученных результатов с данными многочисленных экспериментов и теоретическими исследованиями других авторов.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель движения экраноплана типа «А», положенная в основу имитационного тренажера, может служить основой для решения широкого крута вопросов безопасности эксплуатации экранопланов на внутренних водных путях.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано пять статей (см. перечень в конце реферата). Представлены в научно-исследовательской работе «Разработка временного руководства по движению экранопланов на внутренних водных путях» и доложены на научно-методической конференции профессорско - преподавательского состава, аспирантов и специалистов 2003-2005 г. и на пленарном заседании в 2005 году.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Материал изложен на 150 страницах, включает 4 таблицы, 53 рисунка. Список использованной литературы содержит 114 наименований.

2. Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы, цель •и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость, описана структура работы,

В первой главе рассмотрены процессы создания новых видов транспорта, представлена наглядная форма гидродинамической и аэродинамической эффективности, позволяющая четко показать достигнутые и перспективные уровни транспортных средств и ограничения их возможностей (рис. 1).

CVR KV - '

Рис. 1. Гидродинамическая и аэродинамическая эффективность транспортных средств

Из рис. 1. следует, что суда на воздушной динамической подушке позволяют увеличить скорость движения при одновременном повышении общей эффективности, то есть с одновременным уменьшением расхода топлива на транспортировку единицы груза. Транспортировка грузов самолетами позволяет шагнуть по скорости еще дальше. Однако очевидно, что срочные тяжелые и негабаритные грузы по внутренним водным путям целесообразно будет перевозить на судах с динамической воздушной подушкой. Судно на динамической воздушной подушке может ходить над водой, сушей, льдом и таким образом в ряде случаев ускорит доставку груза к месту назначения. Особенно тогда, когда другие виды транспорта этого или не могут сделать, или могут в ограниченный период года.

Далее рассматриваются принципы движения, т.е. основные характеристики и особенности конструкций экранопланов. Приводится общепринятая схема классификации экранопланов и, исходя из ее анализа определяется, что наиболее перспективными для использования на ВВП являются экранопланы типа А. Вследствие « плотной» аэродинамической привязки к экрану, наличия воздушно-амортизационного устройства, а также сравнительно низких скоростей движения (100 - 150 км/ч) этот тип экранопланов является наиболее безопасным.

Анализ проведенных ранее исследований позволил представить перспективы применения экранопланов в связи с их уникальными свойствами, а также обозначил проблемы внедрения экранопланов в водный транспорт:

- подготовка транспортных маршрутов;

- техническое обслуживание;

- объединения создателей экранопланов и эксплуатационников в общую организационную структуру;

- разработка норм сертификации;

- обучение судоводителей управлению экранопланом, представляющее собой три этапа: теоретический с использованием навигационного тренажера, управление самоходной моделью и практическое обучение.

Для обучения судоводителей на тренажере необходимо создать качественную математическую модель движения экраноплана типа А.

В заключение первой главы формируется цель и задачи настоящей работы и методологические основы их решения.

Во второй главе описывается построение математической модели движения экраноплана. Рассмотрено моделирование как метод исследования.

Моделированием называется замещение одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели. Таким образом, моделирование может быть

определено как представление объекта моделью для получения информации об этом объекте путем проведения экспериментов с его моделью.

К основным преимуществам вычислительного эксперимента можно отнести следующие:

• возможность исследования объекта без модификации установки или аппарата.

• возможность исследования влияния каждого фактора в отдельности, в то время как в реальности они действуют одновременно.

• возможность исследования сложно реализуемых на практике процессов.

Вычислительный эксперимент включает в себя следующие этапы (рис. 2):

1. Физическое описание процесса.

2. Разработка математической модели.

3. Алгоритм или метод решения уравнений.

4. Разработка программ.

5. Проведение расчетов, анализ результатов и оптимизация.

Рис. 2. Схема вычислительного эксперимента

Тем самым, основу вычислительного эксперимента составляет триада: модель — алгоритм - программа. Опыт решения крупных задач показывает, что метод математического моделирования и вычислительный эксперимент соединяют в себе преимущества традиционных теоретических и экспериментальных методов исследования.

Модели в основном описываются системами дифференциальных уравнений. Степень сложности этих моделей меняется в зависимости от задачи исследования и степени приближения.

Построение математической модели движения экраноплана объединяет в себе построение математической модели на 4 режимах плавания экраноплана н их объединения в единую математическую модель (рис. 3).

У им ^ иг;-ч

гига»* к»тсу

* ¡«иг<лх » иуэт«

* »гГ}«е

* вд?пк»

Плаыисг«?

"•^КГ««'» И* 1 поедав

• рщиги» к^чдал улич ■ *э»р»гэтг*<тугм».иг* утг.;

тгм у*р»>*и

Ра »ГОН

Кезфгур^аа " ДИГ*НПк Я» к ту

• ¡»»влткн м»*яе* у*«|

• При

• щи-явкуЗргкЫ

Полет шд экраном

* ПК» К« &СД|у» »1ЖУ

♦ >2еятту утад

'Гоиможеипе

Г1 1 |

. ■ 1

Рис.3. Режимы эксплуатации

Математическая модель поведения экраноплана на режимах старта и посадки представляет собой систему дифференциальных уравнений движения аппарата иод действием внешних гидродинамических и аэродинамических сил, тяги винта и инерционных сил аппарата. Интегрируя систему дифференциальных уравнений по времени, получаем траекторные характеристики аппарата и внешние нагрузки в заданном диапазоне времени движения.

Для описания динамики экраноплана использованы две системы координат (рис. 4):

ОХУХ - неподвижная система, связанная с невозмущенным уровнем водной поверхности;

01Х1У]£1 - подвижная система, связанная с экранопланом, где о, -центр масс аппарата, а о1Х1 11 ОхУ{ — связанные оси.

Уравнения движения экраноплана выводятся из уравнений Лагранжа 2-го рода:

где: Т - кинетическая энергия системы;

■ (}к — обобщенная внешняя сила по координате я к',

<У4 — обобщенные координаты, в качестве которых приняты:

.г,у - перемещение ЦМ экраноплана вдоль осей неподвижной системы координат;

О - угол дифферента, определяющий поворот связанной системы координат относительно неподвижной системы.

(1)

Рзв

X Э*--ран

Со

ЦТ~|

Л»

Рис. 4. Системы координат

Кинетическая энергия всей системы, складывается из кинетической

энергии отдельных агрегатов и определяется по формуле:

= ' (2)

где м - масса экраноплана; "

' J¡ — момент инерции массы экраноплана относительно оси 2,. проходящей через ЦМ аппарата перпендикулярно к плоскости движения.

Подставив выражение кинетической энергии (2) в уравнение Лагран-жа (1) и продифференцировав по скорости обобщенных координат, получим уравнения движения экраноплана, которые в матричной форме можно записать как

= 7.<7.$). (3)

где А - массово-инерционная матрица; ¿1 — вектор-столбец ускорений обобщенных координат;. . I — время движения;

-вектор-столбец обобщенных сил системы, который равен

^J

=1

У

„ ¿¿Г, „ йХ) Рх1-—

(4)

где Рх1,Ру1 - компоненты внешних сил, действующих на элементарные

отсеки агрегатов по соответствующим осям координат.

Суммируя по элементарным объемам (расчетным отсекам), получаем:

а={р1.Р,.М!}, (5)

где Рг,Ру — суммы проекций внешних сил;

М ^ - сумма моментов внешних сил относительно оси г,:

В качестве внешних нагрузок, действующих на экраноплан при старте-посадке, рассматриваются следующие силы:

• гидродинамические силы;

• аэродинамические силы, действующие на экраноплан при движении вблизи поверхности;

• сила тяги винта;

• сила веса аппарата.

Гидродинамическая подъемная сила определяется по теории автомодельного погружения клина. Влияние свободной поверхности воды при погружении, т. е. при глиссировании, учитывается по методу Г. В. Логви-новича. Дополнительно определяются гидростатические силы, как вес воды, вытесненной погруженным клином.

Так как при расчете экраноплан разбивается на )1 расчетных отсеков,

суммарная гидродинамическая сила равна;

(6>

¿«1 1-1 '

где , - гидродинамическая и гидростатическая составляющие

нагрузки на единицу длины ¡-го отсека, определяются на основе гипотезы стационарности;

дI - длина расчетного отсека.

Продольная сила сопротивления смоченной поверхности экраноплана определяется по формуле:

V =1с к (7)

сопр 2 ^ °смкс

где С/ — коэффициент трения по Прандтлю-Шлихтингу:

5 - смоченная поверхность экраноплана;

к — коэффициент, учитывающий кроме сопротивления вязкого трения, другие составляющие сопротивления;

Внешние силы определены в связанной (местной) системе координат 0,Х,1'1. поэтому в уравнения движения входят их проекции на оси неподвижной (земной) системы координат. При этом можно учесть, что Рх((Р),-Следовательно:

р,=-Х.„,„-<?/%; (8)

Ру — ; (9)

„+<?/•;) (Ю)

(П)

Аэродинамические силы и моменты при движении экраноплана на малой высоте над поверхностью в процессе старта-посадки определены в неподвижной системе координат ОХУ7. на основе гипотезы стационарности.

Аэродинамическая подъемная сила экраноплана равна:

Уад=1руХ,С>) (12)

Сила лобового сопротивления равна:

Хад=|ру%С» ' <13>

Момент аэродинамических сил относительно ЦМ аппарата равен:

(14)

где р - плотность воздуха;

V - горизонтальная скорость полета;

5 — площадь крыла;

Сж(а),С(а), т. Хсс) - коэффициенты соответствующих аэродинамических сил и моментов, определяемые при продувках модели экраноплана в аэродинамической трубе на различных высотах от экрана при изменении углов атаки.

Аэродинамические нагрузки определены в неподвижной системе координат, поэтому в уравнения движения аппарата они входят следующим образом:

• (15)

<16)

Мг =мга +дмг. . (17)

где дм. - дополнительный момент (функция скорости).'

В произвольный момент времени движения сила тяги вычисляется по формуле: :

7' = < (18)

т др

где /г — тяга винта при номинальном режиме, определяется интерполяцией по заданной кусочно-линейной функции тяги;

кяр - коэффициент дросселирования (задается в исходных данных).

В уравнения движения сила тяги двигателя входит следующими составляющими: . ' • ' ' ;

Рх = Гсс«а,- '" " ■ (19)

Ру=Тьи га; (20)

М г=Т(Хт5ша-У^соза). " (21)

Массовая сила есть сила земного притяжения экраноплана, которая входит в правую часть уравнения движения следующей составляющей:

„=-'"£. (22)

При составлении уравнений динамики полета экраноплана общее движение представляется состоящим из поступательного движения центра масс и вращательного движения вокруг центра масс, который в управляемом полете экраноплана на основании вышеприведенных допущений располагается постоянно в одной точке.

Невозмущенное состояние полета экраноплана описывается в продольной плоскости движения следующей системой нелинейных дифференциальных уравнений: сIV

т—— = Р0С05С£0 - Х0 -С5Ш£?0; Л

тУа ^ = Р0 яш аг0 + У0-Ссоб&0; ш

м ш

(23)

Режим плавания экраноплана полностью определяется его типом гидродинамической компоновки. В то же время, для всех типов экранопла-нов, стартующих с воды, по единой методике можно рассчитывать дистанцию и время движения.

Дистанция (■£) и время' старта (г) определяются численным интегрированием уравнений сил сопротивления^ X ) и тяги винтов (Г) на участке разбега от скорости V, = 0 до скорости отрыва, т.е. начала выхода экраноплана из воды. Режим плавания рассчитан по данным многочисленных буксировочных испытаний, проведенных при сдаче в эксплуатацию экраноплана «Волга-2».

Компьютерные расчеты полной математической модели производились в системе программирования С++ с использованием дополнительного набора математических библиотек,- Программа позволяет в любой определенный момент времени при заданных условиях управления получить необходимые данные по скорости, расстоянию и высоте полета.

В третьей главе рассматривается теоретико-экспериментальная методика определения параметров движения экраноплана при аэротрубном моделировании.

Изучается методика определения экспериментально величин Х,У,...М.» рассматривая в обращенном виде движение тела в однородной среде. Составляющие полных сил и моментов действия среды на тело представляются через безразмерные аэродинамические коэффициенты, характеризующие аэродинамические силу и момент, действующие на тело, в следующем виде:

г - * Г - у с - 2 (24>

-рьг5 -ру25 -ри-5 2 2 -2'

М, М М.

шд=--г— ,»!,=-—^—-.

где с„ — коэффициент силы лобового сопротивления;

С - коэффициент подъемной силы;

С, — коэффициент боковой силы; ч

/и ' — коэффициент момента крена;

и, -коэффициент момента рыскания;

т - коэффициент момента дифферента;

р — плотность среды, в которой движется тело;

V — скорость тела относительно этой среды;

5 — площадь несущей поверхности;

I — длина хорды поверхности.

Коэффициенты с,,С......т. определяются экспериментально на модели, геометрически подобной натуре, при одинаковом с натурой расположении относительно направления потока в аэродинамической трубе.

Целью модельного эксперимента являлось изучение процессов обтекания экраноплана «Волга-2» вблизи экрана, определение аэродинамических характеристик и коэффициентов при различных высотах полета и углах дифферента, для исследования и анализа адекватности разработанных численных методик.

Для изучения обтекания твердых тел применяются различные способы визуализации картины обтекания тела. (рис. .5,6).

Рис, 5. Визуализация воздушных потоков посредством скоростных

векторов

Рис. 6. Визуализация воздушных потоков посредством изолиний

давления

Результаты эксперимента с моделью экраноплана «Волга-2» были получены с помощью интегрированной аэродинамической трубы завода Агат фирмы «Пропанобутановой компании», которая предусматривает визуализацию процесса обтекания модели. Для проведения эксперимента была создана измерительная система и измерительно-вычислительный комплекс с программным обеспечением.

При экспериментальном исследовании пришлось столкнуться с рядом трудностей моделирования движения тела вблизи экрана, так как в аэродинамической трубе сложно выполнить отображение реальных условий обтекания. Исследования но аэродинамике наземных транспортных

средств имели в основном эмпирический характер. Физико-теоретические подходы не нашли широкого применения, так как они позволяли изучать процессы обтекания лишь для тел простейшей геометрии. Поэтому математические и экспериментальные исследования процессов обтекания транспортных аппаратов стали особенно актуальными. Применение математического моделирования дает возможность изучения механизма таких явлений, которые в физическом эксперименте иногда скрыты от исследователя. Особенно его значение повысилось с развитием персональных ЭВМ, усовершенствованием используемых моделей и численных методов.

Аэродинамические характеристики получены для различных высот полета и углов дифферента. Установлены зависимости коэффициента подъемной силы, лобового сопротивления, продольного момента и аэродинамического качества от высоты полета и угла дифферента. На рис. 7,8,9,10 представлены в виде графиков зависимости с,. С,.. & > т. от угла

дифферента.

Рис. 7. Зависимость коэффициентов подъемной силы от угла дифферента

0 1 2 3 4 5 6 - 7 а

. угоп дифферент»

Ряс. 8. Зависимость коэффициентов лобового сопротивления от угла дифферента

угол дифферента

Рис. 9. Зависимость аэродинамического качества от угла дифферента

Рис. 10. Зависимость коэффициента момента дифферента ^ от угла дифферента

С математической точки зрения течения вблизи экрана представляют ^ собой широкое поле для построения моделей и методов, описывающих

многообразие явлений и физических эффектов. В настоящее время при исследовании многих физических явлений все более активно ставится проблема установления границ применимости и верификации использованных математических моделей и численных методов. Разработка и использование простых математических моделей, которые с удовлетворительной точностью позволяют изучать сложные физические явления, является актуальной задачей.

В последнее время в теоретических исследованиях многих физических явлений все большее распространение получают модели и численные методы на основе уравнений Навье - Стокса. Основные проблемы численного решения уравнений Навье - Стокса связаны с их записью в ? адаптивной криволинейной неортогональной системе координат, по-

строением расчетной сетки, заданием граничных условий, расчетом поля давления.

. Наиболее важным этапом при численном моделирование на основе

решения систем дифференциальных уравнений в частных производных с помощью конечно - разностных методов является выбор алгоритма преобразования исходных уравнений в частных производных в систему алгебраических уравнений. Автором были получены методики, алгоритмы и программы решения уравнений Навье - Стокса с использованием сле-

дующих схем: противопоточной, гибридной, Леонардо второго и третьего порядка аппроксимации, верхней релаксации, предиктор - корректор с расщеплением по времени, методом переменных направлений и матричной факторизации. Методики расчетов были реализованы в интегрированном пакете прикладных программ.

Аэродинамические коэффициенты, зависящие от высоты полета и угла дифферента, используется при создании математической модели, т.е. для расчетов аэродинамических сил и момента при движении экранопла-на.

Сбалансированное сочетание полученных теоретических расчетов и экспериментальных данных может привести к значительной экономии времени и средств, затрачиваемых на разработку новых экранопланов типа А. Построенные автором численные модели, реализованные алгоритмы и программы могут быть использованы при оценке управляемости экранопланов типа А различной конфигурации.

В четвертой главе исследуются результаты натурных испытаний эк-раноплана «Волга-2», приводится аналитическо-практическое доказательство адекватности разработанной математической модели движения, а также ее применение для обоснования возможностей безопасного движения экраноплана на участке Н. Новгород — Васильсурск.

Натурные ходовые испытания показали, что экраноплан «Волга — 2» (рис. 11) на всех скоростях движения при фиксированных отклонениях решеток, установленных за воздушным винтом, и фиксированных отклонениях закрылков, может балансироваться на углах дифферента, близких к нулю, без вмешательства водителя в управление.

Рис. 11. Экраноплан « Волга - 2»

■ Анализ осциллограмм испытаний в условиях тихой воды позволил сделать следующие выводы: ......

1) на скорости V < 20км/ч радиус циркуляции не превышает длины аппарата; ''

2) при скорости V < 40км I ч разворот производится с помощью разно-тяга двигателей; угловая скорость составляет ¿у «7град/с\ радиус циркуляции при V =40км/ч будет равен =90м ; "Р" V = 60км/ч к = 140.1/;

3) в диапазоне около отрывных скоростей поворотливость обеспечивается только за счет перекладки руля направления, наиболее часто реализуемая в этом случае угловая скорость равна ы = (¡град!с\ радиус циркуляции при этом составит =500.« ;

4) на эксплуатационной скорости поворот обычно обеспечивается за счет перекладки руля направления, угловая скорость при этом, составляет соу ~1град/с\ радиус циркуляции =550.,

Аппроксимация данных натурных испытаний производились на основе шлейфовых осциллограмм с использованием численных методов программы MathCAD Professional. На основании обработки осциллограмм, полученных в ходе испытаний, были установлены зависимости инерционных характеристик для всех конфигураций экраноплаиа при различных режимах управления и внешних условиях. Для доказательства адекватности разработанной математической модели был произведен сравнительный анализ расчетных значений с данными многочисленных натурных испытаний и с данными, полученными в ходе аэротрубных испытаний. Анализ показал, что расчеты по математической модели на установившихся режимах движения экраноплаиа имеют погрешность не более 5 на неустановившихся режимах погрешность не превышает 11 Это подтверждает адекватность математической модели. На рис. 12, 13 представлен сравнительный анализ результатов расчетов по математической модели с данными натурных испытании на режимах торможения и разгона.

в, м

V, км\ч

1. сек

Рис. 12. Скорость и путь торможения

Э.м

V, км\ч

сек

Рис. 13. Скорость и путь при разгоне

Проблему организации эксплуатации экранопланов следует рассматривать как комплексную задачу.

Выбор линий эксплуатации на реках в значительной степени зависит от маневренных характеристик экранопланов, таких как радиус циркуляции на различных режимах движения, дистанции старта и торможения, диапазон высот крейсерского полета.

Навигационное оборудование трасс эксплуатации экранопланов в принципе не должно отличаться от аналогичного оборудования трасс для движения СПК и СВП.

Для определения возможных трасс эксплуатации экранопланов был рассмотрен экспериментальный участок Н. Новгород - Васильсурск, на котором была проанализирована возможность движения экраноплана «Волга-2» с учетом маневренных характеристик, а также радиусов закругления судового хода и особенностей основных условий плавания.

. Имитационная программа позволяет моделировать движение экраноплана по рекомендованному пути с учетом обеспечения безопасности плавания на различных участках. На основе данной программы может быть разработан целый комплекс обучающих программ. На рис. 14 представлен вид одного из участков движения.

Рис. 14. Участок движения экраноплана «Волга-2» в имитационной программе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором сводятся к следующему:

1. Проведен анализ состояния проблем предполагаемого использо-. вання экраноплана как нового типа транспорта на ВВП.

2. Рассмотрены исследования особенностей движения скоростных судов с динамическим принципом поддержания. Рассмотрены принципы движения и классификация экранопланов.

3. Собраны и обобщены многочисленные материалы по теории и практике определения параметров движения экранопланов.

4. Проведена математическая обработка натурных испытаний экраноплана «Волга-2».

5. Систематизированы результаты испытаний многочисленных частных моделей: аэротрубных, буксируемых и др.

6. Выполнен модельный эксперимент исследования аэрокомпановки экраноплана «Волга-2».

7. Определены аэродинамические коэффициенты, действующие на экраноплан «Волга-2».

8. Создана обобщенная аэрогидродинамическая экспериментально-теоретическая модель движения экраноплана типа «А».

9. Разработана теоретико-экспериментальная методика определения параметров движения экраноплана для различных режимов эксплуатации.

10. Разработаны инженерные методики оценки параметров движения экраноплана для различных режимов эксплуатации.

11. Произведен сравнительный анализ результатов расчетов по созданной математической модели с данными натурных испытаний. Получено подтверждение адекватности математической модели.

12. Разработана программа компьютерного моделирования движения экраноплана.

13. Разработана методика оценки безопасности движения экраноплана по ВВП.

14. Создана имитационная программа с моделированием одного из участков движения на внутренних водных путях от Н. Новгорода до п. Васильсурск.

Материалы диссертации опубликованы в печати и представлены в следующих работах:

I. Добровольский Д.В. Перспективы эксплуатации экранопланов.// Материалы научно-технической- конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «Транспорт -XXI век» Ч. 2. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2003. - С. 150.

2. Добровольский Д.В. Использование математической модели движения экраноплана «Волга-2» для имитации управляемого движения на навигационном тренажере // Вестник ВГАВТ: Судовождение и безопасность плавания, водные пути, гидротехнические сооружения и экологическая безопасность судоходства. — Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 74.

3. Добровольский Д.В. Клементьев А.Н. Аппроксимация результатов натурных испытаний экраноплана «Волга-2» // Вестник ВГАВТ: Судовождение и безопасность плавания, водные пути, гидротехнические сооружения и экологическая безопасность судоходства. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 75-76.

4. Добровольский Д.В., Клементьев А.Н. Экраноплан - новый вид транспорта. Достоинства и недостатки. Научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов// Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 2.

5. Добровольский Д.В. Результаты численного моделирования обтекания экраноплана «Волга-2». Научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов // Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 21.

■

Подписано в печать 03.05.2006. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 393.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, г. Нижний Новгород, ул. К. Минина, 24.

Введение

1. Анализ исследований особенностей движения скоростных судов с 18 динамическими принципами поддержания.

1.1. Исследование возможностей повышения скоростей движения 18 судов.

1.2. Принципы движения и классификации экранопланов

1.3. Проблемы внедрения экранопланов в водный транспорт. 42 Цели и задачи настоящего исследования. ф 2. Построение математической модели движения экранопланов.

2.1. Моделирование как метод исследования.

2.2. Режим старта и режим посадки.

2.3. Режим полета.

2.4. Режим плавания.

3. Теоретико-экспериментальная методика определения параметров 74 движения экраноплана при аэротрубном моделировании.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Описание аэротрубной установки.

3.3. Компьютерное моделирование различных режимов движения 91 экраноплана.

3.4. Результаты численного и экспериментального моделирования 106 обтекания экраноплана.

4. Обоснование безопасности движения экраноплана «Волга-2» на 112 участке Н. Новгород - Васильсурск.

4.1. Тактико-технические данные экраноплана.

4.2. Анализ и математическая обработка результатов натурных 114 испытаний экраноплана.

4.3. Аналитическо-практические доказательства адекватности 122 разработанной плоской математической модели движения экраноплана «Волга-2».

4.4. Применение математической модели для обоснования воз- 126 можностей безопасного движения экранопланов на участке Н. Новгород - Васильсурск в различных условиях плавания.

Проблема создания транспортных средств, использующих при дниже-нии благоприятное влияние близости границы раздела сред, имеет солидную историю. Граница раздела сред (воздух-вода, воздух-твердая поверхность) воздействует на аэродинамические характеристики объекта аналогично экрану. Аппараты, использующие этот эффект, получили название «экранопла-ны» [35]. Это результат синтеза нового транспортного средства, созданного на основе опыта создания и эксплуатации смежных транспортных средств: судов, самолетов и др.

Появление судов на подводных крыльях и экранопланов сопровождается научно-техническими скачками, обусловленными, главным образом, необходимостью разработки гидродинамической и аэрогидродинамической компоновок [41]. Процесс создания судов на подводных крыльях вышел на этап эволюционного развития. Создание экранопланов пока находится па нестационарном этапе и для дальнейшего развития экранопланов требуется проведение большого объема научных исследований.

И. Г. Бубнов [11] в период становления и развития стального судостроения писал: « .всякий пригодный для осуществления проект представляет лишь развитие, изменение или усовершенствование уже существующего типа; иногда обстоятельства заставляют делать очень крупные скачки, но хорошие результаты получаются при этом лишь в исключительных случаях». Следует заметить, что И. Г. Бубнов писал о скачках в создании водоизме-щающих судов, в пределах использования принципа плавания. Переход от деревянных парусных судов к стальным с использованием механической энергии для движения сопровождался крупнейшим скачком в судостроении и потребовал для своего осуществления проведения большого объема научноисследовательских работ, начало которым было положено в первом русском опытовом бассейне и механической лаборатории при нем.

Необходимость интенсивного развития стального судостроения в начале прошлого века привело к расширению научных исследований. Это потребовало, в свою очередь, создания научно-исследовательских организаций, конструкторских бюро и судостроительных заводов. Академиком В. Л. По-здюниным [84] была впервые разработана методология проектирования судов. В дальнейшем теория проектирования водоизмещающих судов постоянно совершенствовалась.

Накопленные практикой судостроения знания в теории проектирования судов (по В. J1. Поздюнину [84]) могут быть представлены в виде совокупности обобщенных теоретических проектных моделей, именуемых: « гидромеханическая компоновка», « модель вместимости», « модель массЕ.1». Схематично это показано на рис. А.

П щро мехами еская компоновка Модель вместимости Модель массы с ? с к к

Рис. А. Схема обобщенных проектных моделей водоизмещающего судна

В данной схеме под обобщенной « гидромеханической компоновкой» следует понимать массив информации о скоростных и мореходных свойствах судов в зависимости от соотношений главных размерений, коэффициентов полноты.

В судостроении указанные выше проектные модели достаточно полно разработаны. Задача уточнения элементов гидромеханической компоновки водоизмещающего судна при необходимости успешно решается путем модельных испытаний в бассейне. Проблем в разработке общего расположения практически нет. Модель массы для судов различных назначений сформирована в виде совокупности формул, позволяющих прогнозировать массу судна. Таким образом, можно утверждать, что задача синтеза водоизмещающего судна в достаточной степени формализована, что позволяет с помощью различных логико-математических процедур автоматизировать процесс проектирования в значительном объеме.

Схему обобщенных проектных моделей судна на подводных крыльях можно представить по аналогии с рис. А, формально заменив основной блок « гидромеханическая компоновка» на блок « гидродинамическая компоновка» (рис. В).

Пщродпнаммческая компоновка Модель вместимости Модель массы f

Ц

Рис. В. Схема обобщенных проектных моделей судна на подводных крыльях

Принятие в качестве основы судна гидродинамической компоновки (комплекса) СПК привело к появлению нового архитектурного типа судна и вызвало необходимость применения новых конструкционных материалов для корпуса и подводных крыльев, нового типа энергетической установки и нового оборудования (не используемых ранее в судостроении) для получения достаточной величины полезной нагрузки по условиям эффективности [36,38,39].

Под гидродинамической компоновкой СПК в этом случае понимается теоретическая модель, описывающая форму корпуса и соотношение главных размерений, форму и соотношение размеров крыльевых систем, в совокупности с информацией о скоростных, мореходных свойствах и нагруженности судна, получаемой на основе данной модели.

Разработка рациональной гидродинамической компоновки СПК, представляет собой сложный, многоэтапный творческий процесс. Суда на подводных крыльях создаются на основе базовых гидродинамических компоновок, использующих:

• малопогруженные подводные крылья;

• крылья, пересекающие свободную поверхность воды;

• глубокопогруженные подводные крылья.

Наибольшее распространение в СССР и в мире получили суда на подводных крыльях, созданные ЦКБ по СПК под руководством Р. Е. Алексеева [3], на основе гидродинамической компоновки, использующей малопогруженные подводные крылья. В процессе создания различных типов судов на подводных крыльях эта компоновка совершенствовалась путем применения глубокопогруженных частей крыльев, автоматики и т.д.

В настоящий момент времени задача синтеза судна на подводных крыльях в значительной степени формализована. Проблемным продолжает оставаться процесс разработки гидродинамической компоновки СПК, так как условия рынка требуют дальнейшего совершенствования компоновки с использованием теоретических и экспериментальных исследовании.

Что касается экранопланов, то, оставляя в стороне первые попытки создания экранопланов, рассмотрим укрупнено процесс синтеза экраноллапа [16,17,18] как научно-технического объекта.

На начальном этапе работ главной задачей являлась разработка базовой аэрогидродинамической компоновки (АГДК). Как и в случае создания СПК, знания приобретались на основе построения и изучения теоретических и экспериментальных моделей. Разработка базовой АГДК экраноплана потребовала выполнения большого объема экспериментально-теоретических исследований с использованием трековых, аэротрубных, буксируемых, амфибийных моделей, радиоуправляемых и самоходных (пилотируемых) моделей: CM 1, СМ2, СМ2П, СМЗ, СМ4, СМ5, а также создания и всесторонних испытаний экспериментального корабля-экраноплана « КМ». Можно утверждать, что « КМ» является базовой материальной моделью экранопланов в целом. Исследования свойств экраноплана « КМ» позволило сформировать понятие об экраноплане как об универсальном высокоскоростном транспортном средстве, предназначенном, в основном, для эксплуатации над экраном, но обладающим всем комплексом корабельных свойств, значительной частью авиационных свойств и некоторыми свойствами наземного транспорта.

Для возможности проведения широких исследовательских работ в области экранопланов был создан Чкаловский исследовательский филиал ЦКБ по СГ1К. К исследованиям были привлечены специалисты различных научно-исследовательских институтов: ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, СибНИА, им. акад. С. А. Чаплыгина и др., то есть была сформирована « создающая» научно-техническая система, адекватная « создаваемой» научно-технической системе (экраноплану).

Результаты проектирования, постройки и испытаний « КМ» послужили основой для формирования обобщенных теоретических проектных моделей.

Схема обобщенных проектных моделей экраноплана, аналогичная схемам, показанным на рис. А и В, представлена на рис. С.

Аэрогвдро динамическая компоновка (АГДК) N Модель вместимости s Модель массы / / к

Рис. С. Схема обобщенных проектных моделей экраноплана

Принятие в качестве основы аэрогидродинамической компоновки определило архитектуру судна и привело к формулировке нового комплекса требований к проектированию технических подсистем.

Под АГДК экраноплана понимается теоретическая модель экрапопла-на, описывающая форму корпуса и соотношение его размеров, форму несущих воздушных крыльев и соотношение их размеров, тип двигательно-движительного комплекса, взаимное расположение указанных выше частей, в совокупности с информацией о скоростных, мореходных, амфибийных, стартовых и посадочных свойствах и нагруженности экраноплана. Данная модель в совокупности с теоретическими моделями вместимости и массы определяет конструктивный тип экраноплана.

Разработка проекта, независимо от накопленного научно-технического задела и аккумулированного в обобщенных проектных моделях, должна сопровождаться значительным объемом экспериментально-теоретических исследований[41,42]. Для отработки вопросов аэрогидродинамики, нагруженности, несущей способности и ресурса корпусных конструкций и надежности других подсистем на различных стадиях проектирования должны выполняться исследования как с помощью создания и испытаний моделей: аэротрубной, буксируемой и др., так и на специальных стендах для отработки отдельных подсистем.

Для совершенствования методологии проектирования экраноплаиов необходимо:

1. Систематизировать результаты испытаний многочисленных « частных» моделей: аэротрубных, буксируемых и др., поместить и ЭВМ и создать таким образом обобщенный аэрогидродинамический экспериментально-теоретический машинный атлас, который будет пополняться при создании новых экранопланов;

2. Разработать логико-математическую модель массы (на данный момент времени имеется достаточно много информации о работоспособности корпусных конструкций, двигательно-движительном комплексе и других подсистем);

3. Математически интерпретировать данные всех многочисленных проведенных испытаний экранопланов.

4. Разработать теоретико-экспериментальную методику определения параметров движения экраноплана.

5. Создать качественную математическую модель движения экраноплана.

Н. И. Белавин [7,8,9,10] отмечает, что еще в 1716 году шведский ученый Э. Сведенборг предложил конструкцию аппарата на воздушной подушке с нагнетанием воздуха под корпус с помощью воздушных винтов, однако достаточно серьезно вопрос околоэкранного полета начал изучаться только в двадцатые годы прошедшего столетия. Основополагающие работы в этом направлении были выполнены Я. М. Серебрийским [92], Б. А. Ушаковым. За истекшие 70-80 лет со времени научного обоснования Б. Н. Юрьевым « эффекта экрана» в мире было создано более 60-ти действующих образцов экранопланов. Этой проблемой, с разной степенью активности и успехом, занимались ученые и инженеры США, Германии, Швеции, Норвегии, Финляндии, Японии, Китая и других стран. Наибольших успехов удалось достичь в СССР. Благодаря теоретическим и экспериментальным работам ученых ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, коллективов конструкторских бюро, возглавляемых Р. Е. Алексеевым, Р. Бартини, а также ряда ВУЗов и энтузиастов-одиночек, в СССР создано более двух десятков образцов экрапоплапов различных классов и схем.

Весь упомянутый период времени развития экранопланостроепия можно условно разделить на три этапа.

Первый этап включает 20-е — 50-е годы прошлого столетия и характеризуются созданием небольшого количества экранопланов оригинального внешнего вида. Компоновочные, аэрогидродинамические решения этих аппаратов были наивны, несовершенны и, часто, ошибочны.

Отсутствие теоретического базиса по аэрогидродинамике, устойчивости экраноплана, уровень технологий того времени и, наконец, отсутствие концепции экраноплана, как транспортного средства, обусловили это многообразие схем и компоновок, подкрепленных лишь интуицией авторов, часто одиночек-энтузиастов. В то же время следует отметить, что на вторую половину указанного периода приходятся существенные результаты теоретических исследований в области аэродинамики околоэкранного полета.

Второй этап включает 1960 -1970 годы. В этот период большой скачок в создании экранопланов был достигнут благодаря деятельности научно-исследовательских и конструкторских коллективов СССР, связанных, в основном, с оборонным комплексом (КБ Алексеева Р. Е., Бартини Р., ряда авиационных вузов). В этот период было выполнено много фундаментальных исследований по аэродинамике профиля и крыла вблизи экрана, активно велись работы по оптимизации схемно-компоновочных решений, поиску и обоснованию сфер использования, определению роли и места экраноплана в транспортной системе. В начале 70-х годов были получены значительные результаты в развитии теории устойчивости движения экранопланов. Фундаментальные основы в решении этого вопроса заложил Р. Д. Иродов[57]. Дальнейшее развитие решения этой проблемы получило в трудах В. И. Жу-кова[54,55], А.Н. Панченкова [82] и других авторов. В указанный период проведено огромное количество лабораторных и натурных экспериментов на моделях, в том числе и полунатурных.

В СССР создан ряд крупных экранопланов военного назначения: « Каспийский монстр» (взлетная масса более 500 т), « Лунь» (более 300 т), Орленок» (более 100 т). В Германии инженер А. Липпиш активно занимался созданием легких экранопланов (Х-112, Х-113, Х-114 оригинальной схемы, взлетной массой от 350 кг).

Второй этап характерен резким сокращением многообразия аэродинамических схем аппаратов. Выявляется несколько из них, наиболее полно использующих « эффект экрана». Это классическая схема (« Каспийский монстр», «Лунь», «Орленок»), схема с крылом малого удлинения и третья схема, представляющая комбинацию первых двух.

Ведется поиск решения проблемы взлета с воды. Создаются системы поддува под крыло, стартовые ускорители, гидролыжи и т.д. На экспериментальных образцах отрабатываются вопросы управления, навигации, безопасности, надежности и живучести экранопланов. !

В конце 70-х годов активность в создании летных образцов экранопланов резко снизилась. К числу объективных причин этого можно отнести нерешенность проблемы устойчивости полета экраноплана. По этой причине произошло несколько аварий, что в значительной мере дискредитировало идею « экранного полета» и привело к свертыванию работ в этой области.

В конце 1980-х годов отмечается новое оживление. Это время можно назвать началом третьего этапа развития экранопланостроепия. Большой интерес к экранопланам проявляют США, Япония, Китай, Сингапур, Филиппины, Малайзия, Австралия и другие страны [103,112,113,114]. Возобновляется на конверсионной основе работа в ЦКБ по СПК в Нижнем Новгороде. Ряд творческих коллективов в Нижнем Новгороде строит и модернизирует ранее созданные легкие экранопланы « Волга 2», « Стриж» и другие. Активно работают над проблемой развития экранопланостроепия ученые ряда ВУЗов России (Московский государственный авиационный институт, Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева (КАИ), технические университеты г. Иркутска, Комсомольска - на - Амуре и др.). В частности ученые Иркутского государственного технического университета работают в направлении создания экраноплана схемы « утка». Там выполнен большой объем исследований по аэрогидродинамике, устойчивости, проектированию, постановке лабораторных и натурных экспериментов.

Характерной особенностью третьего этапа развития идеи околоэкранного полета является деятельность в направлении детальной проработки и уточнении фундаментальных основ теории, оптимизации компоновок, совершенствовании конструкции, поиск областей применения и путей обеспечения эффективности экраноплана как транспортного средства. По мере накопления теоретических знаний и практического опыта складывается более четкое представление о положительных факторах влияния экрана па характеристики аппарата, о роли и месте экранопланов в системе транспортных средств. Исследованиями доказано существование « ниши» в скоростном ряду транспортных средств в диапазоне 150.400 км/ч, которую могут заполнить экранопланы[14,22]. В зарубежной литературе опубликованы многочисленные проекты использования экранопланов, например: круглогодичные грузопассажирские перевозки на трансокеанских маршрутах, в прибрежных районах, по рекам, крупным озерам; деловые поездки, перевозка почты, патрулирование, спасательные работы и т. д.; военное применение: борьба с подводными лодками, транспортно-десантные операции с возможностью выхода на сушу[4,5,15,106,110].

Очерченную сферу применения обосновывают высокой транспортной эффективностью экранопланов[28], значительной нетребовательностью к условиям базирования, высокой скоростью, грузоподъемностью, амфибийно-стью.

Сложилась определенная система классификации экранопланов. Так, например, в рамках Международной морской организации (IMO), а также во «Временном руководстве по движению экранопланов на внутренних водных путях»[62], принята классификация, подразделяющая экрапопланы па три типа:

• тип А — экранопланы, не имеющие возможности отрыва от экрана;

• тип В - аппараты, способные, в случае необходимости, летать вне экрана;

• тип С - летательные аппараты, использующие экран только в режимах взлета-посадки.

Соответственно разделен порядок сертификации экрапопланов: тип А сертифицируется 1МО,а также сертифицируется «Временным руководством по движению экранопланов на внутренних водных путях»[62], тип В - сертифицируется в IMO с учетом требований Международной авиационной организации (IKAO), третий тип - тип С - сертифицируется по нормам IKAO с привлечением норм IMO.

Наибольшее развитие, если следовать приведенной квалификации, получили аппараты первых двух типов. В первом из них (тип А) внимание проектировщиков и исследователей сосредоточено на аппаратах, пе имеющих непосредственного контакта с экраном в крейсерском режиме движения. Для удобства используется принцип классификации экранопланов и по другим признакам, например: по конструктивно-компоновочной схеме (самолетная, летающее крыло, комбинированная); по расположению и форме оперения (нормальная схема, схема « утка» [31,32,60]). Резко различаются экранопланы по способу старта ( глиссирование, старт с поддувом). Особенно значительно это различие в скоростях движения.

Изложенный исторический обзор становления и развития проблемы создания экранопланов показал, что работы в этом направлении ведутся, с той или иной степенью интенсивности, на протяжении всего ХХ-го столетия.

Интерес ученых и конструкторов к транспортным экранопланам объясняется тем, что они потенциально обладают рядом положительных качеств:

• возможностью и целесообразностью создания аппаратов высокой грузоподъемности;

• большой скоростью движения;

• возможностью и целесообразностью создания аппаратов высокой грузоподъемности.

Однако, несмотря на большое число построенных опытных экрано-планов, известны лишь единичные случаи их практического использования. Причина этого заключается, в частности, в нерешенности ряда вопросов научного и технического характера[29]. Недостаточно изучены, не обобщены п должным образом не интерпретированы маневренные и инерционные характеристики экранопланов. Экранопланы типа В, С всесторонне не испытаны по проблемам мореходности и безопасности. В результате сложилось несколько искаженное представление о технических возможностях экранопланов.

В связи с вышеизложенным в настоящую диссертацию включены исследования по вопросам математического моделирования движения экрано-плана и исследования в области теоретико-экспериментальной методики определения параметров движения экраноплана, а также оценка безопасности эксплуатации экраноплана на ВВП.

Таким образом, целью диссертационной работы является:

1. Провести анализ и математическую обработку ранее проведенных испытаний экраноплана «Волга-2».

2. Создать качественную математическую модель движения экраноплана типа А.

3. Разработать теоретико-экспериментальную методику определения параметров движения экраноплана.

4. Обосновать область применения математической модели в различных условиях плавания.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

1. Проведена математическая обработка натурных испытаний экраноплана «Волга-2».

2. Выполнено экспериментальное моделирование обтекания экраноплана.

3. Разработана математическая модель произвольного движения экраноплана «Волга-2».

4. Проанализирована адекватность созданной математической модели движения экраноплана на всех режимах эксплуатации.

5. Предложены инженерные методики определения параметров движения экраноплана для различных режимов эксплуатации.

6. Разработана программа компьютерного моделирования движения экраноплана.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепринятых теоретических положений, рекомендаций, логикой рассуждений и выводов, а также сопоставлением полученных результатов с данными многочисленных экспериментов и теоретическими исследованиями других авторов.

Практическая ценность. В диссертации рассмотрены основные вопросы, которые решаются при эксплуатации нового транспортного средств на ВВП.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано пять статей. Результаты исследований использованы в научно-исследовательской работе «Разработка временного руководства по движению экранопланов на внутренних водных путях» и доложены на научнометодических конференциях профессорско - преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТа в 2003-2005 г. и на заседании Ученого Совета в 2005 году.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Материал изложен на 150 страницах, включает 4 таблицы, 47 рисунков. Список использованной литературы содержит 114 наименований.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в диссертационной работе, сводятся к следующему:

1. Проведен анализ состояния проблем предполагаемого использования экраноплана как нового типа транспорта на ВВП.

2. Рассмотрены исследования особенностей движения скоростных судов с динамическим принципом поддержания. Рассмотрены принципы движения и классификация экранопланов.

3. Собраны и обобщены многочисленные материалы по теории и практике определения параметров движения экранопланов.

4. Впервые сделана полная математическая обработка натурных испытаний экраноплана «Волга-2».

5. Систематизированы результаты испытаний многочисленных частных моделей: аэротрубных, буксируемых и др.

6. Выполнен модельный эксперимент исследования аэрокомпановки экраноплана «Волга-2».

7. Определены аэродинамические коэффициенты, действующие на экраноплан «Волга-2».

8. Создана обобщенная аэрогидродинамическая экспериментально-теоретическая модель движения экраноплана «Волга-2».

9. Разработана теоретико-экспериментальная методика определения параметров движения экраноплана для различных режимов эксплуатации.

Ю.Разработаны инженерные методики оценки параметров движения экраноплана для различных режимов эксплуатации.

11.Произведен сравнительный анализ результатов расчетов по созданной математической модели с данными натурных испытаний. Получено подтверждение адекватности математической модели.

12.Разработана программа компьютерного моделирования движения экраноплана.

13.Разработана методика оценки безопасности движения экраноплана по ВВП.

М.Создана имитационная программа с моделированием одного из участков движения на внутренних водных путях от П. Новгорог да до п. Васильсурск.

Материалы диссертации опубликованы в печати и представлены в следующих работах:

1. Добровольский Д.В. Перспективы эксплуатации экранопланов.// Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «Транспорт — XXI век» Ч. 2. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2003. - С. 150.

2. Добровольский Д.В. Использование математической модели движения экраноплана «Волга-2» для имитации управляемого движения на навигационном тренажере // Вестник ВГАВТ: Судовождение и безопасность плавания, водные пути, гидротехнические сооружения и экологическая безопасность судоходства. — Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005.-С. 74.

3. Добровольский Д.В. Клементьев А.Н. Аппроксимация результатов натурных испытаний экраноплана «Волга-2» // Вестник ВГАВТ: Судовождение и безопасность плавания, водные пути, гидротехнические сооружения и экологическая безопасность судоходства. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 75-76.

Добровольский Д.В., Клементьев А.Н. Экраноплан - новый вид транспорта. Достоинства и недостатки. Научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов// Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 2. Добровольский Д.В. Результаты численного моделирования обтекания экраноплана «Волга-2». Научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов // Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 21.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенная работа посвящена исследованию и решению задами математического моделирования движения экраноплана типа А.

1. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика. / Г.Н. Абрамович. - М.: Изд-во Наука, 1969. - 824 с.

2. Алексеев, Р.Е. Основные направления развития транспортного скоростного судостроения. Доклад на научно-технической конференции по проектированию скоростных судов./ Р.Е. Алексеев. — Горький, 16-17 декабря 1976.-С. 1-8.

3. Антинович, А.А., Грузопассажирские трассы для экранопланов и безопасность их эксплуатации. Изв. вузов. Авиационная техника №2 / А.А. Антинович, А.В.Святенко, 1998. С.76-78.

4. Антинович, Грузопассажирские трассы для экранопланов и безопасность их эксплуатации / А.А. Антинович, А.В.Святенко // Сб. науч. тр. «Авиационная техника» КАИ. Вып. 2 Казань, 1998. С. 20-23.

5. Бадягин, А.А. Проектирование самолетов. / А.А. Бадягин, С.М. Егср, В.П. Мишин. -М.: Машиностроение, 1972. 515 с.

6. Белавин, Н. И. Экранопланы/Н.И. Белавин. Судостроение, 1977 - 232 с.

7. Белавин, Н.И. Новые экранопланы за рубежом / Н.И. Белавин // Катера и яхты №3. 1978. -С.40-44.

8. Белавин, Н.И. Экранопланы / Н.И. Белавин. Л.: Судостроение, 1968. -175 с.

9. Белавин Н.И., Экранопланы / Н.И. Белавин. Л.: Судостроение, 1977. -232 с.

10. Бубнов, И.Г. Об одном методе определения главных размеров проектируемого судна. Ежегодник союза морских инженеров / И.Г. Бубнов. -1916.-С. 32-35.

11. Булыгин, А.В. Научно-технические проблемы создания транспортных экранопланов гражданского применения / А.В. Булыгин, Г.Л. Дегтярев Г.Л., А.Н. Моисеев, // Вестник КГТУ №3, Казань, 2000. -С. 3-8.

12. Булыгин, А.В. Экраноплан как альтернативное транспортное средство / А.В. Булыгин, А.Н.Моисеев //Вестник КГТУ №2, Казань, 2001. С. 7-11.

13. Булыгин, А.В. К вопросу о конкурентной способности экраноплана как транспортного средства / А.В. Булыгин, А.Н. Моисеев, В.П. Гоголин //Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «ЭКРАНОПЛАН 96». Казань, 1996. - С. 60.

14. Булыгин, А.В. Концепция и выбор проектных параметров экраноплана / А.В. Булыгин, А.Н. Моисеев, A.M. Карчевский // Изв. вузов. Авиационная техника №4, 1995. С.6-8.

15. Булыгин, А.В. Некоторые аспекты проектирования и практической реализации транспортного экраноплана / А.В. Булыгин, А.Н. Моисеев, В.А.

16. Фирсов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Экраноплан 96», Казань, 1996. - С. 23.

17. Бюллетень иностранной научной и технической информации. Экрапо-планы. №Ю (2620). 1983. С. 48.

18. Бюллетень иностранной научной и технической информации. Экрано-планы. №11 (2621). 1983. С. 40.

19. Василевский, И. М. Перспективные направления скоростного флота / И.М. Василевский, В.В. Шевелев, В.И. Любимов // Сб. ЦБНТИ речного транспорта «Наука и техника на речном транспорте» Вып. 12. Изд. ЦБНТИ. М.: 1996. С. 2-14.

20. Воробьев, В.Г. Технические средства и методы обеспечения безопасности полетов / В.Г. Воробьев, В.В. Зубков, В.Д. Уриновский. М.: Транспорт, 1989.- 151 с.

21. Временная инструкция по управлению экраноплана Волга-2, построенных на заводе «Сокол», 2003. — 49 с.

22. Временные правила классификации и постройки экранопланов. Российский Речной Регистр. 2001. 95 с.

23. Гадецкий, В.М. Исследование аэродинамических характеристик профиля с механизацией вблизи земли / В.М. Гадецкий // Труды ЦАГИ. Вып. 1256, 1970.-С. 2.

24. Гадецкий, В.М. Особенности обтекания профиля в аэродинамической трубе вблизи неподвижного экрана / В.М. Гадецкий, Г.А. Павловец, С.И. Руденко // Труды ЦАГИ. Вып. 1233, 1970. С. 2.

25. Гуряшин, А.В., Отчет о НИР / А.В. Гуряшин А.В. «Обоснование целесообразности создания и эксплуатации новых типов скоростных пассажирских судов», 1989. 67 с.

26. Гусев, И.Н. Влияние конструктивных параметров на динамические свойства летательного аппарата в ограниченном потоке / И.Н. Гусев // Асимптотические методы в теории систем: Вып. 8. Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1982. — С. 92-101.

27. Гусев, И.Н. Выбор площади крыла летательного аппарата в ограниченном потоке / И.Н. Гусев // Асимптотические методы в теории систем. Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1981. С. 84-91.

28. Гусев, И.Н. Улучшение эксплуатационных возможностей экраноплана схемы «утка» / И.Н. Гусев // Изв. вузов. Авиационная техника №2, 1995. -С. 9-13.

29. Дегтярев, Г.Л. Научно- технические проблемы создания транспортных экранопланов гражданского назначения / Г.Л. Дегтярев, А.В. Булыгнн, В.А. Фирсов, А.Н. Моисеев // Вестник КГТУ №3. Казань, 2000. С. 3-8.

30. Дементьев, В.А. Выбор и обоснование критериев оценки эффективности решений в процессе создания СПК / В.А. Дементьев // Материалы 18 на® уч.-техн. конф. проф.- преп. состава ч. 2. Горький, 1975. С. 188-190.

31. Дементьев, В.А. Нагруженность коммерческих экранопланов / В.А. Дементьев // Транспорт 21 век. Материалы науч.-техн. конф. проф.- преп.состава, аспирантов и специалистов ч.З. Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ,2003.-С. 82-85.

32. Дементьев, В.А. Определение водоизмещения судна па подводных крыльях на начальной стадии проектирования: дис. канд. техн. паук. 05.08.03. / Виталий Алексеевич Дементьев; Горький, 1977. 327 с.

33. Дементьев, В.А. Определение массы пассажирских судов на подводныхкрыльях / В.А. Дементьев // «Вопросы судостроения», Труды ГИИВТ, Вып. 125, Горький, 1972.-С. 31-41.

34. Дементьев, В.А. Отчет по испытаниям катера-экраноплапа «Волга-2» ЦКБ по СПК / В.А. Дементьев // Н.Новгород, 1992. 43 с.

35. Дементьев, В.А. Создание судов с динамическими принципами поддержания как отражение научно-технического скачка в судостроении / В.А. Дементьев // НГТУ, Н. Новгород, 2003. 11 с.

36. Дементьев, В.А. Опыт разработки «Временных правил классификации и ^ постройки экранопланов» / В.А. Дементьев, М.В. Валериаиов // Текстдоклада на 24 конференции «Алексеевские чтения», 2001 .-15 с.

37. Демидова, А.К. Пособие по русскому языку. Научный стиль речи. Оформление научной работы: Учебное пособие / А.К. Демидова- М.: Рус. яз., 1991.-201 с.

38. Добровольский, Д.В. Перспективы эксплуатации экранопланов / Д.В. ^ Добровольский // Материалы научно-технической конференции «Транспорт XXI век» Ч. 2. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2003. - С. 150.

39. Дробенков, В.В. Скорости судов завтра / В.В. Дробенков // Морской сборник №4, 1980. С. 64.

40. Егер, С.М. Проектирование самолетов / С.М. Егер, В.П. Мишин, Н.К. Лисейцев. М. Машиностроение, 1983. - 610 с.

41. Единые нормы летной годности гражданских и транспортных самолетов стран членов СЭВ. М., 1985. - 469 с.

42. Ермоленко, С.Д. Расчеты аэродинамических характеристик крыльев при движении с малой скоростью около земли / С.Д. Ермоленко, П.К. Рогозин, Г.В. Рогачев // Известия ВУЗов, Авиационная техника №3, 1972. -С. 105-113.

43. Ермоленко, С.Д. Решение задачи о крыле произвольной формы в плане, движущегося вблизи экранирующей поверхности / С.Д. Ермоленко, А.В. Ровных, П.К. Рогозин//Изв. Вузов, Авиационная техника, 1971. С. 5-14.

44. Жаркова, Г.М. Методы и средства исследований течений в аэрогазодинамическом эксперименте. / Г.М. Жаркова, В.М. Корнилов, В.А. Лебига, С.Г. Миронов, А.А. Павлов// Теплофизика и аэромеханика, г.4, №3, 1997.-С. 283-294.

45. Жилин, Ю.А. Крыло минимального индуктивного сопротивления вблизи поверхности земли / Ю.А. Жилин. Изв. АН СССР. Серия Механика и математика, Вып,1964 - С. 148-149.

46. Жуков, В.И. Аэродинамика экраноплана / В.И. Жуков // Первая интернациональная конференция по экранопланам МТУ Май 3-5, СПб, 1998. -С. 23-36.

47. Жуков, В.И. Особенности аэродинамики, устойчивости и управляемости экраноплана / В.И. Жуков М.: Изд. отдел ЦАГИ, 1997. - 80 с.

48. Зуев, Н.Н. Некоторые результаты исследования аэродинамики судов, использующих эффект опорной поверхности / Н.Н. Зуев, А.В. Пономарев, В.Р. Трещевский//СПб, 1998.-С. 12-14.

49. Иродов, Р.Д. Критерии продольной устойчивости экраноплана /Р.Д. Иродов // Ученые записки ЦАГИ. Т.1. №4, 1970. С. 63-72.

50. Испытания моделей экранопланов // Судостроение №1, 1988. С. 47-48.

51. Исследования аэродинамических характеристик модели экраноплана РТ-6 в аэродинамической трубе при различных относительных высотах до экрана. Отчет №778. КГТУ. Казань, 1993. 119 с.

52. Исследования по анализу компоновок, аэродинамических схем и выбору параметров экраноплана по схеме «утка». Отчет по НИР. Тема 537. ИГТУ. Иркутск, 1994. 106 с.

53. Калачев, Г.С. Самолет, летчик и безопасность полета / Г.С. Калачев. -М.: Машиностроение, 1979. 224 с.

54. Клементьев, А.Н., Отчет о НИР « Разработка временного руководства по движению экранопланов на внутренних водных путях» / А.Н. Клементьев, Н.Новгород, ВГАВТ, 2003. 89 с.

55. Клементьев, А. Н. Экранопланы. часть 1 Принципы движения. Классификация. Особенности конструкции и эксплуатации. Учебное пособие /

56. А.Н. Клементьев, В.И. Любимов. Н. Новгород, Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2002. - с. 42.

57. Козылаев, Б.А.Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания / Б.А. Козылаев, А.И. Косоуров, В.Л. Литви-ненко, Г.И. Попов. Л.: Судостроение, 1980. - 472 с.

58. Кузин, Ф.А. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты. Практическое пособие для аспирантов и соискателей ученой степени / Ф.А. Кузин. М., 1997. - 208 с. .

59. Кульбида, В.Е. Транспортная эффективность летательных аппаратов безаэродромного базирования / В.Е. Кульбида, В.П. Морозов. М., 1999. -34 с.

60. Любимов, В. И. Анализ современного состояния и перспективных направлений развития скоростных транспортных судов /В.И. Любимов // Сб. ФГУП ЦБНТИ Минтранса РФ «Наука и техника на речном транспорте» Вып. 4, Изд. ЦБНТИ, М.: 2001, С. 26-34.

61. Любимов, В. И. Транспортные экранопланы внутреннего плавания и особенности их технического обслуживания / В.И. Любимов, Э.В. Васильев //Сб. науч. тр. «Проектирование транспортных судов внутреннего плавания» Вып .300, Н. Новгород: ВГАВТ,2001. С. 47-61.

62. Любимов, В. И. Высокоскоростные пассажирские суда / В.И. Любимов, Е.П. Роннов, В.В. Шевелев В. В.//Речной транспорт №5, 1991. С. 26-28.

63. Макаров, Ю. А. «Иволга-2» на испытаниях. / Ю.А. Макаров // Катера и яхты №2, 1999.-С. 4-7.

64. Маскалик, А.И. Экранопланы Транспортные суда XXI века / А.И. Маскалик.- СПб.: Судостроение, 2005. - 576 с.

65. Моисеев, А.Н. Об одном подходе к выбору удлинения крыла экраноплана /А.Н. Моисеев // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «ЭКРАНОПЛАН 96», Казань, 1996. - С. 66.

66. Моисеев, А.Н. Проектирование и оценка перспектив создания экраноплана /А.Н. Моисеев // Тезисы доклада 6-го международного симпозиума «Авиационные технологии 21 века: новые рубежи авиационной науки», Жуковский.: ЦАГИ, 2001. С. 32.

67. Моисеев, А.Н. Эффективное удлинение крыла экраноплана. /А.Н. Моисеев // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Экраноплан 96», Казань: 1996. - С.67.

68. Моисеев, А.Н. К вопросу о конкурентной способности экраноплана как транспортного средства. / А.Н. Моисеев, А.В. Булыгин, В.П. Гоголип //Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Экраноплан 96», Казань: 1996. - С.60.

69. Научно-техническое обеспечение создания и развития транспортных средств типа экраноплана. Отчет по межвузовской научно-технической программе. КГТУ. гос. регистр. № 01940008247. Казань: 1995. 223 с.

70. Ольшамовский, С.Б. Судовождение и правила плавания на внутренних судоходных путях / С.Б. Ольшамовский — М.: Транспорт, 1976. 62 с.

71. Остославский, И.В. Аэродинамика самолета. / И.В. Остославский. М. Изд-во Оборонгиз, 1957. - 560 с.

72. Павловец, Г.А. Обтекание профиля, движущегося вблизи твердой стенки / Г.А. Павловец // Труды НТО судпрома акад. А.Н. Крылова Вып. 124, 1969.-24 с.

73. Панченков, А. Н. Оптимальная аэродинамическая стабилизация экранопланов /А.Н. Панченков // Сб. Прикладные требования прочности и пластичности. Анализ и оптимизация.-М.: 1997.-С. 103-171.

74. Пашин, В.М. Экономическая эффективность экранопланов в зависимости от их размеров /В.М. Пашин//Судостроение №5.1966.-С.14.

75. Поздюнин, B.J1. Теория проектирования судов. 4.1. Общие вопросы проектирования / B.JI. Поздюнин JL: ОНТИ, 1935. - 237 с.

76. Пономарев, А.В., Новые конструктивные схемы аппаратов с динамическими принципами поддержания / А.В. Пономарев, Ю.И. Рябцев, Б.Г. Таничев // Судостроение за рубежом. Вып. 8. JL, 1972. - С.55-65.

77. Попов, К. Б. Экранопланы Иркутского государственного технического университета /К.Б. Попов //Восточно-Сибирский межвуз. сб. тр. Иркутск: ИрГТУ, 2001. С. 8-16.

78. Попов, С.Г. Измерение воздушных потоков / С.Г. Попов. M.-JI.: Гос-техиздат, 1947. - 118 с.

79. Поуп, А. Аэродинамические трубы больших скоростей / А. Поуп, К. Гойн. М: Изд-во Мир, 1969. - 76 с.

80. Прикладная аэродинамика / под ред. Краснова. М: Изд. Высшая школа, 1974.-200 с.

81. Пэнкхёрст, Р. Техника эксперимента в аэродинамических трубах / Р. Пэнкхёрст, Д. Холдер. М.: Изд-во иностр. литературы, 1954. - 79 с.

82. Российский Морской Регистр Судоходства, Правила классификации и постройки малых экранопланов типа А, С-Пб: РМРС, 1998. 112 с.

83. Серебрийский, Я.М. Влияние близости земли на аэродинамические характеристики крыльевых профилей / Я.М. Серебрийский, Я.М. //Труды ЦАГИ. Вып.267, 1936. С.3-37.

84. Синицын, Д.Н. Амфистар Первый гражданский экраноплан / Д.Н. Синицын, А.И. Маскалик. СПб.: Судостроение, 2000. - 112 с.

85. Синицын, Д.Н. Первый гражданский экраноплан «Амфистар» и перспективы развития экранопланов /Д.Н. Синицын, А.И. Маскалик // Морской журнал №2/3, С-Пб: Изд-во Судостроение, 1998. С. 22-28.

86. Смердов, В. Н., Любимов В. И. Технический прогресс па службу населению Крайнего Севера / В.Н. Смердов, В.И. Любимов //Речной транспорт №3, 1994.-С.26-28.

87. Смирнов, А.И. Влияние близости земли на аэродинамические характеристики крыльевых профилей / А.И. Смирнов //Труды ВВИА им. Жуковского. Вып.334, 1949. С. 34-45.

88. Филиппов, С.Ю. О методах физического моделирования близости земли в аэродинамических трубах /С.Ю. Филиппов //Вестник КГТУ.№1 Казань, 1998.-С.5-9.

89. Шмырев, А.А. Экранопланостроение за рубежом / А.А. Шмырев, М.В. Пузырев //Морской сборник.№1, 1977. С.71.

90. Яблонский, П.П. Крылатые суда отечества / П.П. Яблонский. М., 1997. -99 с.

91. Armfield, S.W. Finite Difference Solutions of the Navier-Stokes Equations on

92. Staggered and Non-Staggered Grids, Computers Fluids, N 1, 1991- p.7

93. Holloway, C. «Potential Commercial Viability», Proceedings of a Workshop on TWENTY-FIRST CENTURY FLYING SHIPS, University of New South Wales, Sydney, Australia, November 7 and 8, 1995. pp. 148-154.

94. Hooker, S. F. «Some Thoughts on the Commercialisation of Ekranoplans and Wingships», Workshop Proceedings of Ekranoplans & Very Fast Craft, University of New South Wales, Sydney, Australia, 5-6 December, 1996. pp.• 272-294.

95. Patankar, S. Numerical heat transfer and fluid flow, Himisphere Publishing Corporation, New York, 1980.-pp. 12-17.

96. Reif, Т.Н. «А Wind Tunnel Study of the Aerodynamics of a Tunnel Boat Hul with Consideration of the Ground Effect», High-Speed Surface Craft,

97. March/April, 1985. pp. 29-33.

98. Reif, Т.Н. "A Wind Tunnel Study of the Aerodynamics of a Tunnel Boat Hul with Consideration of the Ground Effect", High-Speed Surface Craft, March/April, 1985. pp. 29-33.

99. Steinbach, D., Jacob K. "Some Aerodynamic Aspects of Wings Near Ground", Trans. Jap. Soc. Aeronaut, 34, n 104, 1991. pp. 56 -70.

100. Takahashi, T. Fuwa T. "WISES Design Methods and Their Application", J. of Kansai Soc. of Naval Arch., Japan, No. 222, 1994-pp. 183 190.

101. Wang, Q.-X. "Flow Around an Unsteady Thin Wing Close to Curved Ground", J. Fluid Mech., Vol. 226, 1991.-pp. 175-187.

102. Waters, D.M. "Thickness and Camber Effects on Bodies in Ground Proximity" Advanced Road Vehicles Aerodynamics, Cranfield, 1973. pp. 185206.

103. Widnall, S.E., Barrows T.M. " An Analytic Solution for Two and Three-Dimensional Wings in Ground Effect", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 41, Part 4, 1970.-pp 769-792.

104. Workshop proceedings of WISE up to ekranoplan GEMs, the University of New South Wales, 15-16 June 1998. 79 c.