Дудников В.С.
АНАЛИЗ КРЫЛЬЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭКИПАЖЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Проанализируем некоторые из выявленных крыльевых конструкций экипажей транспортных средств.
Известна
транспортная система с аэродинамической подвеской, содержащая эстакадный путь,
профиль которого представляет собой полую коробчатую балку прямоугольного
сечения с непрерывной продольной прорезью в нижней ее части. Внутри балки
расположены несущие крылья, соединенные пилонами через балки с находящимся под
ней корпусом транспортного средства (а.с. 709434 СССР, В 61 В 13/08, 1980).
Недостаток этой системы состоит в том, что для создания необходимой подъемной
силы на крыльях транспортного средства требуется значительная кинетическая
энергия, а, следовательно, значительная мощность привода, что обусловлено
низким аэродинамическим качеством крыла, движущегося над поверхностью со щелью,
через которую воздух из зоны повышенного давления под крылом вытекает в
атмосферу. Другой существенный недостаток – невозможность демпфирования боковых
возмущений транспортного средства (боковая неустойчивость).
В транспортной системе с аэродинамической подвеской,
содержащей эстакадный направляющий путь и транспортное средство, снабженное
крылом и колесным шасси, направляющий путь выполнен в виде балки, имеющей две
открытые с боков полости, разделенные вдоль продольной оси симметрии
непроницаемой стенкой, а транспортное средство располагается над направляющем
путем и при движении опирается либо на колесное
шасси (разгон и торможение), перемещающееся по верхней части
направляющего пути, либо на крыльях (крейсерский режим движения),
перемещающиеся внутри боковых полостей путевой балки (а.с. 944966 СССР, В 61 В
13/08, В 60 V 1/08, 1982). Для осуществления
аэродинамической подвески здесь так же необходимы значительные энергозатраты,
что обусловлено следующими причинами. Поперечные размеры каждого крыла
соизмеримы с размерами сечения канала, в котором они движутся, следовательно,
это приводит к движению воздуха вдоль канала за счет поршневого эффекта, т.е. к
дополнительному сопротивлению движению и соответственно к дополнительным
энергозатратам. Стесненность объемов над верхними поверхностями крыльев
приводит к повышению давления над крыльями (диффузорный эффект), а, следовательно,
к уменьшению подъемной силы крыльев. Транспортное средство из-за отсутствия
аэродемпфирующих элементов не обладает боковой устойчивостью и при
возникновении боковых возмущений в режиме бесконтактного движения неизбежны
касания и соударение боковых кромок крыльев с разделительной стенкой балки, что
приводит к соответствующему увеличению сопротивления движению.
Снижение
энергозатрат для осуществления аэродинамической подвески и повышение
устойчивости движения достигнуто в транспортной системе, содержащей эстакадный
направляющий путь и транспортное средство, снабженное крылом (а.с. 1524359
СССР, В 61 В 13/08, 1997). Для этого профиль направляющего
пути имеет трапециевидную форму, а транспортное средство выполнено в виде двух
фюзеляжей, расположенных с боков направляющего пути симметрично его продольной
оси и соединенных между собой крылом, расположенным над направляющим путем, и
имеющим в своем поперечном сечении очертания профиля направляющего пути, крыло
состоит из центроплана и двух пристыкованных к нему консолей с возможностью
изменения угла установки центроплана относительно консолей, а фюзеляжи
вынесены относительно крыла вперед так, что центр масс всего транспортного
средства расположен впереди центра давления крыла, при этом фюзеляжи подвешены
к консолям крыла с возможностью продольного перемещения относительно крыла. Для обеспечения мобильности перевозок разноплановых грузов
соединения консолей крыла с фюзеляжами выполнены разъемными. Это
изобретение наиболее полно выражает идеологию системы “Трансмаг” [1]. Поэтому
остановимся более подробно на анализе его работы.
Расположенное
над направляющим путем крыло, имеющее в своем поперечном сечении очертания
профиля направляющего пути, позволяет использовать эффект динамической
воздушной подушки, значительно увеличивающей величину подъемной силы крыла и
уменьшающей его сопротивление.
Применение
трапециевидного профиля направляющего пути и соответствующей ему конфигурации
крыла позволяет обеспечить устойчивость движения транспортного средства на
аэродинамическом подвесе при боковых возмущениях, а также совместить в одном
крыле несущие и стабилизирующие функции при высоком аэродинамическом качестве,
а, следовательно, уменьшить потребные для осуществления аэродинамической
подвески энергозатраты.
Размещение
фюзеляжей с боков направляющего пути симметрично его профильной оси и подвеска
их к консолям крыла обеспечивает повышение устойчивости движения транспортного
средства, так как при такой компоновке центр массы транспортного средства
расположен ниже линии его подвеса.
Возможность
изменения угла установки центроплана относительно консоли позволяет
обеспечивать при различных массах транспортного средства и различных
крейсерских скоростях движения оптимальную величину аэродинамического качества,
а, следовательно, не допускать неоправданных энергозатрат. Это позволяет
целенаправленно изменять при движении величину подъемной силы и, следовательно,
будет способствовать повышению продольной устойчивости транспортного средства.
Вынесение
фюзеляжей относительно крыла вперед так, что центр массы всего транспортного
средства располагается впереди центра давления крыла, обеспечивает устойчивость
по тангажу, так как при возникновении кабрирования появляющаяся дополнительная
подъемная сила создает относительно центра массы восстанавливающий пикирующий
момент, и наоборот, при пикирующем возмущении уменьшение подъемной силы крыла
создает восстанавливающий кабрирующий момент.
Возможность
продольного перемещения фюзеляжей относительно крыла позволяет при различной
загрузке фюзеляжей устанавливать необходимую для обеспечения устойчивости
центровку транспортного средства.
Представляет
практический интерес приведенная в описании изобретения формула для оценки
основных энергозатрат на движение с аэродинамическим подвесом, т.е. мощность
левитации.
В транспортном средстве на магнитном подвесе, корпус
которого выполнен в форме крыла, верхняя часть которого заполнена газом легче
воздуха (патент России 2022825, В 60 L 13/00, 1994), с
закрепленными на его боковых поверхностях симметрично его продольной оси
емкостями, имеющими форму крыльев и также заполненными газом легче воздуха,
возникает подъемная сила за счет форм транспортного средства и легкого газа. К конструкции
газовых полостей в этом случае предъявляются высокие требования по герметичности.
В
железнодорожном транспортном средстве (патент России 2104891, В 61 В 7/06, В 60
V 3/04, 1998) корпус выполнен с возможностью создания аэростатической
подъемной силы и снабжен элементами для создания аэродинамической подъемной
силы, благодаря чему сочетаются лучшие свойства базовых видов транспорта –
монорельсового и авиационного.
Для обеспечения движения по путепроводу как с магнитной
левитацией, так и с левитацией на воздушной подушке, транспортный объект
снабжен контурным ограничением воздушной подушки, выполненным по меньшей мере в
виде двух контурных оболочек, симметрично расположенных относительно положения
направляющих элементов (патент России 2239571, В 60 L 13/00, В 60 V 1/00, 2004).
Фюзеляжная
конфигурация экипажей использована в ряде транспортных средств (а.с. СССР
1108670, В 61 В 13/08, 1996; а.с. СССР 1354561, В 60 L 13/04, 1996;
а.с. СССР 1600197, В 60 L 13/04, 1997; а.с. СССР 1837492, В 60 L 13/04, 1994).
Наземное
транспортное скоростное магистральное устройство (патент России 2108932, В 61 В
13/00, В 60 V 1/08, 1998) представляет собой летательный аппарат,
который имеет стреловидные крылья малого удлинения, расположенные по бокам
фюзеляжного корпуса за центром массы, рули высоты, расположенные перед
крыльями, а также руль поворота, расположенный наверху корпуса в его задней
части. Донная часть корпуса выполнена в виде остроконечного конуса.
Существенным
недостатком вышерассмотренных транспортных средств является невозможность
движения в разных направлениях (противоположных) по направляющим без их
разворота.
Этого недостатка лишен вагон наземного транспортного
средства (а.с. СССР 1768422, В 61 В 13/08, 1992), содержащий корпус,
выполненный в виде отсека крыла, имеющего в продольном сечении форму
аэродинамического профиля, в одном торце которого размещена кабина управления и
расположены одни из стабилизаторов и рулей, а другие стабилизаторы и рули
закреплены аналогично первым и установлены с ними в одном уровне симметрично им
относительно поперечной оси корпуса, в другом торце которого размещена
дополнительная кабина управления.
Для решения аналогичной задачи аэродинамические формы
головной и задней части вагона или состава выполняются одинаково
удобообтекаемыми (а.с. СССР 1614965, В 60 L 13/04, 1990;
патент России 2046728, В 61 В 13/00, В 60 V 3/00, 1995;
патент России 2109647, В 61 В 13/10, 1998; патент России 2146627, В 61 С 13/08,
2000; патент России 2158211, В 61 В 13/04, 2000; патент России 2188775, В 61 В
13/04, 2002; патент России 2206465, В 60 L 13/03, 2003;
патент Украины 63561, В 61 В 13/08, 2004).
Для
частичной или полной разгрузки электромагнитов от воздействия сил тяжести
вагона предложено использовать аэродинамическую подъемную силу крыльев,
установленных на крыше вагонов транспортной системы “Magvel” (патент США
5215015, В 60 L 13/06, 1993). Может применяться простое крыло с
изменяемым углом атаки и составное шарнирное крыло с регулируемой величиной
подъемной силы. Изменение величины подъемной силы в зависимости от скорости
движения обеспечивается по команде датчика, контролирующего высоту подвеса
вагона над направляющим рельсом. Крылья устанавливаются на вертикальные стойки,
которые могут поворачиваться вокруг своей ось на 1800 для создания
подъемной силы при изменении направления движения вагона. При этом
сверхпроводящие электромагниты используются только для создания тяговых сил,
что позволяет оптимизировать их конфигурацию и их размеры.
Установка
большого крыла на крыше или выполнение пассажирской кабины в форме крыла
позволяет на 50 % разгрузить транспортное средство для подвесной дороги (заявка
ФРГ 4331047, В 62 D 35/00, 1994).
К
корпусу экипажа на магнитном подвесе (патент США 4941406, В 61 В 13/08, 1990) с
обеих его сторон прикреплены крылья самолетного типа, что позволяет уменьшить
силы магнитной левитации.
При
увеличении скоростей наземного транспорта все более существенное влияние на
параметры движения оказывают аэродинамические силы, которые возрастают
пропорционально квадрату скорости. Традиционно усовершенствования в области
транспорта направлены на снижение его лобового сопротивления (создание головных
обтекателей и форм кузовов с оптимальной аэродинамикой). Вопросам теоретической
и экспериментальной аэродинамики высокоскоростных поездов посвящено не так
много публикаций. Среди них следует отметить работы [2, 3], результаты которых
могут быть использованы конструкторами высокоскоростного наземного транспорта
на магнитном и электродинамическом подвесе.
Литература
1. Дзензерский
В.А., Омельченко В.И., Васильев С.В., Матин В.И., Сергеев С.А. Высокоскоростной
магнитный транспорт с электродинамической левитацией. – К.: Наукова думка,
2001. – 480 с.
2.
Кравец В.В., Кравец Е.В. “Аэродинамика высокоскоростных поездов (обзор). Часть
1” / Залізничний транспорт України, № 2, 2005. – С. 52-57.
3. Кравец
В.В., Кравец Е.В. “Аэродинамика высокоскоростных поездов (обзор). Часть 2” / Залізничний
транспорт України, № 3, 2005. – С. 16-20.