Маневры объектов вблизи экрана

Под маневром следует понимать  принудительное  изменение направления движения объекта (траектории) в плоскости  параллельной экрану. Знатоков хочу предупредить, что  здесь рассматривается элементарный маневр в воздушной среде, не связанной с экраном, над которым движется объект,  и на скоростях выше критических. Иными  словами, маневр совершается над абсолютно твердой и абсолютно гладкой  поверхностью. Согласно понятиям известным из курса элементарной физики  для этого необходимо повернуть объект вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр масс и придать телу ускорение, направленное к центру кривизны траектории движения - так называемое центростремительное ускорение. Если первое, поворот вокруг вертикальной оси, для АСВП и ЭП традиционного типа не представляет практической трудности, то второе, придание центростремительного ускорения к центру кривизны траектории движения,  вещь  весьма проблематичная. Обычно для этого значительно увеличивают угол дрейфа, который направлен от вектора движения вовнутрь траектории циркуляции, что приводит к потере скорости движения со всеми вытекающими последствиями ("провал" в "яму" для АСВП и потеря подъемной силы для ЭП).  Поэтому пилот аппарата стоит перед выбором или совершать пологий маневр (циркуляцию по очень большому радиусу)  без потери основных несущих свойств или крутой маневр, но при этом потеряв полностью или частично все свои преимущества перед другими судами. Все это приводит к выбору так называемого способа маневра по "блюдечку", как на заре авиации, когда считалось опасным летать с креном. И если ЭП для выполнения крутого маневра  иногда еще пытается подвзлететь над поверхностью экрана, чтобы создать необходимый  крен, то АСВП такой возможности не имеют и создают необходимую центростремительную силу за счет вектора тяги. Следует заметить, что создатели АСВП и ЭП скромно умалчивают об маневренных характеристиках своих аппаратов, что косвенно подтверждает  плохое состояние дел в этом направлении.

Амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП)
Рассмотрим подробней физику циркуляции АСВП традиционного типа– движитель (винт) и рули находятся в корме. Предположим, что АСВП двигается относительно воздушной среды равномерно и прямолинейно над поверхностью экрана. Тогда, согласно третьего закона Ньютона, в горизонтальной плоскости на него будут действовать две взаимно  уравновешивающие силы  – суммарная сила сопротивления среды (Fс), направленная против вектора движения и сила упора движителя (винта) (Fу),направленная вдоль вектора (Рис.1).

Теперь рассмотрим момент, когда пилот начинает выполнять маневр циркуляции, траекторию которого он мысленно себе представил. Предположим, он хочет совершить поворот в правую сторону. Для чего рули перекладываются на правый борт, что приводит к возникновению подъемной силы на них, направленных в сторону левого борта. Используя метод переноса силы, перенесем их в центр масс аппарата.  Перенос этих сил выразится в виде вектора суммарной составляющей подъемной  силы (Fп) и переносного момента (Мпр). Складывая вектора сил  Fп и  Fу получим результирующую силу  R (см. Рис. 2). Из приведенной схемы  видно, что в результате принятия решения на выполнение маневра циркуляции, на  первоначальном этапе, из-за наличия подъемных сил на рулях происходит, кроме возникновения крутящего момента, необходимого для поворота объекта, уменьшение упора от винта, что в свою очередь приводит к уменьшению скорости. А вектор тяги изменяет направление от первоначальной траектории движения в направлении противоположному выбранному повороту, что приводит к выбегу объекта. В общем, все просто, как и на всех объектах у которых рули управления находятся в корме.

К чему это приводит можно хорошо видеть на примере авариислучившейся на Волге в районе города Бор в марте 2012 с двумя АСВП "Хивус-10". По описанию  http://www.volgataxi.ru/news/105 порывистым ветром одно судно было отброшено на траекторию движения встречного и в результате произошло столкновение. В этой истории непонятно, почему порывистый ветер отбросил одно судно, а другое не отбросил? Они ведь оба двигались в 400 метрах от берега! Такой вариант был бы возможен, если бы одно судно было бы пришвартовано или стояло на якоре. А они были в "свободном полете" и их должно было бы сносить одинаково.

Вероятнее, произошло так, что пилоты судов, а вернее тот пилот,  который в результате порыва ветра увидел по смещению судна относительно ледового покрова, что его несет на встречное судно,  решил отвернуть, не предполагая, что и встречное судна также относит в ту же сторону, что и его, а не на его. В результате эффекта выбега, изображенного на Рис.2 и произошло столкновение. Да и, по всей видимости, скорость у судов была не 25 км/час, а значительно больше, но история об этом умалчивает.

Из этого следует сделать вывод, что при эксплуатации не традиционных судов, таких как АСВП, учитывая их большой выбег, следует регламентировать боковую дистанцию расхождения. И это закрепить в соответствующих правилах. 

Далее, продолжим рассматривать следующую фазу циркуляции  – установившееся движение по траектории циркуляции. Эта фаза наступает тогда, когда возникает центростремительная сила – основное условие движения по кривой траектории. Когда в результате вращения объекта вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс под воздействием Мпр, вектор результирующей силы R переходит вовнутрь траектории движения. Разложим этот вектор R на два вектора. Вектор касательный Ft к траектории движения и вектор нормальный Fц к траектории движения. Вектор Ft численно равен вектору  Fс сопротивления движению, но противоположный по направлению, а вектор Fц является центростремительной силой, наличие которой необходимо для движения по кривой траектории (см. Рис.3).

Теперь, когда мы представляем приблизительную физику процесса маневрирования, исходящую от знаний в области элементарной физики курса средней общеобразовательной школы (10 класс), можно провести оценку возможности выполнения такого маневра на практике. Но первоначально  определимся для себя, какой маневр считать эффективным. На практике известно, что оценка маневровых качеств судов, наряду с другими характеристиками, производится по установившемуся диаметру циркуляции, измеренному в длинах корпуса судна. Так для глиссирующих судов эта величина равна 4…5 длинам корпуса, для судов на подводных крыльях  – от 10 длин для "Ракеты" до 18 длин для "Метеора". При этом Направление мгновенной скорости движения в данной точке траектории дрейфа следует заметить, из личного опыта, "Ракетам" при движении по маршруту не всегда хватает и 10 длин, чтобы уложиться в поворот. В этом случае ей приходится переходить в режим глиссирования. Поэтому, думается, что если мы ограничим диаметр циркуляции 20-ю длинами корпуса, то, с натяжкой,можно считать это приемлемым. Для оценки, недолго думая, выберем опять тот же "Хивус-10", имеющий следующие характеристики.

Масса – m=2330 кг.
Длина – L=8,25 м.
Крейсерская скорость - 50 км/час или v=13,9 м/сек.
Мощность силовой установки, работающей на подъем и движение  – N=166 л.с.
Диаметр циркуляции (задаемся)  – 20 длин корпуса = 20*8,25=165 м, что соответствует радиусу R=82,5

Определяем угловую скорость движения по траектории
w= v/R=13,9/82,5=0,17  1/c.

Определяем величину необходимого центростремительного ускорения
ε=w²*R=0,17 ² *82,5=2,384 м/c²

Таким образом, для циркуляции по траектории в 20 длин корпуса на крейсерской скорости в 50 км/ч величина центростремительной силы должна быть Fц = m*ε=2330*2,384=5555 н или 566 кгс.

Упор же воздушного винта, при мощности двигателя в 166 л.с., который еще  ее использует на создания воздушной подушки, вряд ли превысит 250 кгс, а вероятнее всего и того меньше (не более 200 кгс). Так, что получается, что всего упора, создаваемого винтом, не хватит для создания центростремительной силы, а ведь требуется еще и иметь силу для поддержания крейсерской скорости. Поэтому, говорить о приемлемой циркуляции АСВП выполненной по традиционной схеме, не приходится. Маневрирование возможно только с остановками. Это хорошо видно на прилагаемых видео материалах.

http://www.youtube.com/watch?v=p6Ennpccer0  
http://www.youtube.com/watch?v=uiFe04_JHLs&feature=endscreen
http://video.yandex.ru/search?text=%D1%85%D0%B8%D0%B2%D1%83%D1%81-10&how=&p=2&filmId=qR6enOSYUXI&id= 
http://video.yandex.ru/search?where=all&text=%D1%81%D0%B2%D0%BF&ho
w=&p=6&filmId=1_2pShI39xc&id=
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=FYI7HhENwu4#t=
0 
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=rhmlZd4Kl2o#t=19
http://rutube.ru/video/8b3b927cfdc444fa3e5ce97b44832e51/?ref=endroll

Там видно, как лихо АСВП разворачивается вокруг вертикальной оси и движется боком по инерции, но в циркуляцию не входит. Только практически после полной остановки оно начинает двигаться по выбранномунаправлению. Это говорит о том, что эти суда имеют излишек поворотливости, но недостаток маневренности. Иными словами, ведут себя  "как корова на льду".

Но это для движения над твердыми поверхностями, такими как земля, лед и пр. Над водной поверхностью дело обстоит гораздо лучше. Здесь АСВП на скоростях меньше критических, проваливается в "яму", созданнуюподушкой, что благоприятно сказывается на создании центростремительной силы за счет взаимодействия с водной поверхностью (практически, как на обыкновенных судах).  А на скоростях выше критических картина близка к ранее описанной, причем, чем скорость дальше уходит за критическую зону, тем ближе к описанному процессу.

Поэтому, говорить о приемлемой маневренности для АСВП можно только, если оно движется  над водной поверхностью  с докритической скоростью,что хорошо подтверждается опытом эксплуатации СВП типа "Сормович". У него на скорости в 40 км/час, близкой к критической, диаметр циркуляции составлял 7,5 длин корпуса, что, как мы понимаем, достаточно приемлемо. А вот на крейсерской скорости в 100 км/час и тем более на максимальной в 150 км/час эта цифра в открытых источниках отсутствует, что наводит на соответствующие размышления. По-видимому, судоводителю приходилось всегда снижать скорость для совершения маневра расхождения с судами и другими плавучими объектами. А также вписываться в установленный маршрут движения (разговоры о том, что он может напрямую перелетать через отмели и косы, спрямляя маршрут - для маленьких, так как ни один судоводитель не будет рисковать ни жизнями своих пассажиров, ни жизнями других людей, случайно оказавшихся на пути). Наверное, это и стало основной причиной  отказа от эксплуатации такого судна потому, что для маневра постоянно надо было уходить за "горб" сопротивления, а потом опять преодолевать его. А это в разы увеличивало расход топлива и сводило на нет выгоду от эксплуатации, даже при социалистическом методе ведения хозяйства, когда на такие "мелочи" как расход топлива было наплевать. А о чем говорить сейчас?

Существуют ли решения преодоления этих негативных явлений, и что говорит в этом вопросе элементарная физика ученикам 10 класса обычной средней школы. А элементарная физика говорит словами из к/ф "Кавказская пленница": "Тот, кто нам мешает, тот  нам поможет". Иными словами, необходимо обратить  на пользу дела  те силы, которые ухудшают маневренные качества.  Для начала определимся, с какими негативными проявлениями собираемся бороться и причины их  вызвавшие. Как было указано выше, к таким негативным проявлениям следует отнести повышенную поворотливость и недостаток маневренности, связанной с движением по траектории циркуляции. Первый недостаток связан с большим переносным моментом от действия  боковых подъемных сил на рулях  Mnp (Рис.2). А другой от недостатка центростремительной силы Fц (Рис.3).

С большим значением Mnp бороться можно путем уменьшения площади рулей или переноса их ближе к центру масс судна. А чтобы выяснить, как бороться с недостатком Fц, вернемся к рассмотрению Рис.2. Из расстановки сил видно, что сила Fnp на рулях направлена наружу траектории циркуляции, а значит, приводит к уменьшению центростремительной силы.А вкупе с необходимостью увеличения угла дрейфа α (Рис.3), величина,которого сказывается на увеличении сопротивления движению, снижению скорости хода и уменьшению подъемной силы на рулях,  ставит большие проблемы в получении приемлемых маневренных характеристик судна.  То есть, рули  в традиционной  компоновке АСВП играют негативную роль в процессе маневрирования и образовании центростремительной силы.

Естественно, напрашивается решение об использовании сил, возникающих на рулях во благо, т.е. эти силы должны работать на создание центростремительной силы. А для этого необходимо винтомоторную группу (ВМГ) и рули расположить в носу судна, причем плечо переносного момента от сил с рулей, расположенных в нос от центра масс, должно быть минимальным, чтобы уменьшить избыток поворотливости.  В этом случае при перекладке рулей на левый борт судна начнет поворачивать вправо без выбега с траектории, а силы от рулей будут создавать центростремительную силу. Более того, когда при традиционной схеме (ВМГ в корме) совершался поворот, от действия рулей  и центробежной силы  возникал крен судна наружу от траектории движения, в результате чего иногда приподнималось гибкое ограждение с внутренней стороны циркуляции, что еще больше усугубляло ситуацию, уменьшая центростремительную силу потоком воздуха, вырывающегося из подушки. А в предлагаемом случае, крен будет осуществляться во внутреннюю сторону циркуляции, и потоки воздуха из-под подушки, если они и вырвутся, будут прибавлять центростремительную силу.

Из расчетов, приведенных выше, можно сделать заключение, что центростремительная сила, создаваемая рулями должна быть в 2,5…3 раза выше упора, создаваемого винтом для движения. И вот на этом заканчиваются рассуждения ученика 10 класса средней общеобразовательной школы, а далее должны включать мозги инженеры. Как создать такую силу на рулях? Отправной точкой здесь может служить знание того, что величина подъемной силы в сравнении с лобовым сопротивлением  у крыльев  летательных аппаратов измеряется от 2…3 единиц, для летающих топоров, до 50 у спортивных планеров, что вселяетбольшие надежды. Конечно, если включить мозги, а не  самозабвенно рассуждать, ковыряя в носу и смотря в потолок, на котором кроме мух,комаров, тараканов, пауков и клопов,  поверите мне, вряд ли чего обнаружите.

Экранопланы (ЭП)
С точки зрения ученика 10 класса общеобразовательной школы, основанной на знании элементарной физики, дела с управляемостью ЭП обстоят аналогичным образом, что и для АСВП – те же причины недостатка маневренности и те же пути выхода из сложившегося положения. Правда, некоторым "творцам" кажется, что эту проблему можно решить достаточно просто – оторвав ЭП от экрана на небольшую высоту и заложив глубокий вираж с большим креном.

http://www.youtube.com/watch?v=gyLwK7Akx2I&feature=endscreen
http://www.youtube.com/watch?v=wGI85tNpPIs&feature=youtu.be 
http://video.yandex.ru/search?filmId=pQbsiT2UXI&where=all
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=OMb-zqfa4n8

Однако хотелось бы напомнить таким "кулибиным" и "чкаловым", что если они вдруг размажут свои мозги по конструкциям своих аппаратов, это будет их проблема, не жалко и небольшая для общества потеря – найдутся другие дураки, - мир ими переполнен. А вот если пострадают ни в чем неповинные люди, то здесь без прокурора не обойтись. Тогда и вспомнят, что, оторвавшись от экрана, ЭП превращается в обыкновенный самолет. А для них существуют, написанные большой кровью, правила полетов, которые устанавливают минимальную высоту полета по маршруту, которая над равнинной местностью и водной поверхностью составляет 50м, а  вот  над аэродромом высота полета по кругу ( 1-й разворот,2-й разворот, 3-й разворот и 4-й разворот), когда выполняются большие крены, регламентирована не менее 100м. Вот почему самолеты, взлетая, уходят на требуемую высоту без видимых кренов и только потом совершают маневры. Эффективный взлет с большим креном, который демонстрируют на авиасалонах  – плод работы опытных летчиков-испытателей, а не штатных из гражданской авиации. Попробовали бы  гражданские пилоты это применить на практике  – быстро бы получили под зад и волчий билет, найдя свое утешение в езде на велосипеде (как раньше про таких летунов говорили – вылетел на ундервуде).  Более того, досталось бы и руководству,  поощряющему такие действа. А здесь, как с гуся вода. Что, возвращаемся к заре авиации и по тем же граблям?

Поэтому, говоря о маневренности ЭП, следует понимать, что он летит на экране, а не в отрыве от него. А здесь те же проблемы, что и у АСВП, только исключен случай провала в "яму", который используют АСВП при полете над водной поверхностью, чтобы совершать циркуляцию по заданной траектории. Для ЭП это прекращение полета, а потому исключено.

И вот здесь ученик 10 класса среднеобразовательной школы, увлеченный авиацией и ходящий в авиа кружок при станции юного техника, мог бы предложить использовать для создания центростремительной силы вертикальные плоскости, установленные по концам  основных несущих крыльев, как раз по длине в районе центра масс. Обоснованием служило бы то, что когда угол дрейфа  на циркуляции  составит некоторый угол с направлением движения, направленный вовнутрь траектории, на плоскостях возникнет  подъемная сила,  направленная к центру траектории. Более того, если эти плоскости оборудовать элеронами, то можно значительно усилить центростремительную силу (работа элеронов будет такая же, как и при горизонтальном положении крыла). Думается, что этот  любопытный Самоделкин испытал бы эту идею на любой готовой радиоуправляемой модели, имеющейся в его распоряжении. Сначала замерил бы размер диаметра циркуляции при полете модели по "блюдечку" без крена и без дополнительных вертикальных плоскостей, а потом с ними. И сравнил результаты. Думается, что результат был бы положительным.

Ну, а далее в работу должны включаться мозги инженеров, без ковыряния в носу и разглядывания потолка с мухами. Думается, что они увидят положительный эффект от действия этих крыльев на противодействие крену от циркуляции и возможности  подъема аппликаты центра масс, что положительно скажется на компоновке аппарата. Что можно, использую достижения современной техники, сделать эти крылья поворотными вокруг продольной горизонтальной оси, расположенной на  концах основных крыльев до положения, близко к горизонтальному, что улучшит выход аппарата на экран, а также использовать их для горизонтального полета "по-самолетному", когда требуется преодолеть препятствие или перелететь в другое место. Короче, открывается большая работа для творчества. А вот разговоры о танковых способах поворота и конвертопланах следует оставить для специалистов в той области техники, а не дилетантов.

Возможно тогда, когда негры от инженерии (инженегры) решат эту проблему можно говорить об использовании  ЭП на внутренних водных путях, а сейчас только море и подальше от берега и установленных маршрутов движения обычных судов, и, непременно, в условиях штиля.

Заключение
Маневренные характеристики АСВП и ЭП являются  важнейшими, более того, они являются определяющими в их практическом применении. А в связи с возросшим в настоящее время большим интересом к их постройке и эксплуатации оба Российских Регистра должны определиться с нормами в этом направлении и не допускать вольной трактовки.  Необходимо установить минимальный размер диаметра установившейся циркуляции на крейсерской скорости движения с общим ограничением типа "но не более …м" с дифференциацией по районам плавания.

Наверное,  банальный  материал, изложенный в данной статье, не представляет  интереса для грамотного инженера и даже для учеников 10 класса общеобразовательной школы. Но почему тогда те же инженеры создают "коров на льду"? Поэтому, думается, что творцам  АСВП и ЭПнеобходимо, по крайней мере, соблюдать основополагающие законы физики для кругового движения и брать их на вооружение, иначе создать такие суда с приемлемыми маневровыми характеристиками будет невозможно.

Основные выводы и принципы  решения проблемы маневрирования, изложенные в статье:
- существующие суда, двигающиеся в режиме парения над экраном и с ним физически не связанные, обладают недостаточными маневровыми качествами;
- для движения по  траектории маневра необходимо и достаточносуществование двух, наравне с тягой движителя, внешних воздействий на рассматриваемые объекты, это воздействие совершающие поворот вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс, и воздействие по приданиюэтому центру масс  центростремительного ускорения, о котором творцызабывают;
- поворотливость у таких типов объектов избыточна, и  с ней надо бороться;
- для создания приемлемого центростремительного ускорения величина необходимой силы в разы превышает упор, создаваемый движителем, а потому вариант использования упора движителя для этих целей неприемлем.

Конструктивных решений этих проблем  – множество и зависят они только от умственных способностей исполнителей, - дерзайте.

Возможности и направление, по которым можно решить эти проблемы, изложены в данной статье и не представляют сложностей для современного уровня развития техники. Дело за практическим применением.

С уважением,
Алексей Рыбаков         
05.10.2013