ГИДРОСАМОЛЁТ

Авторы: М. Ю. Куприков

ГИДРОСАМОЛЁТ (от гидро… и самолёт), самолёт, способный взлетать с водной поверхности, садиться на неё, а также маневрировать на воде; базируется на гидроаэродроме. Г. должен обладать плавучестью, остойчивостью, непотопляемостью, устойчивостью движения по воде и др. мореходными качествами, определяющими возможность его эксплуатации в акваториях при различных гидрометеорологических условиях. При нахождении на плаву вес  Гполностью компенсируется гидростатической подъёмной силой. В процессе разбега гидродинамическая подъёмная сила глиссирующей поверхности днища корпуса и аэродинамическая подъёмная сила крыла при достижении взлётной скорости обеспечивают отрыв  Гот водной поверхности. Профилированные обводы днища корпуса  Гповышают устойчивость хода, обусловливают достижение минимальных перегрузки и брызгообразования (при разбеге и пробеге гидросамолёта). Наличие на днище корпуса  Гпоперечного уступа (редана) способствует отрыву  Гот водной поверхности на предвзлётных скоростях.  Гобычно строятся по схеме моноплана с высокорасположенными двигателями во избежание их заливания и забрызгивания.

Используя Г., можно решать многие актуальные ныне задачи с эффективностью, практически недоступной сухопутным самолётам, среди них: осуществление противолодочной обороны, патрулирование двухсотмильной экономической зоны с дежурством на плаву, а также проведение аварийно-спасательных операций в кратчайшие сроки и на больших удалениях от берега; экологический контроль акваторий с забором проб воды и донных отложений на плаву; тушение лесных пожаров с забором воды на близлежащих водоёмах в режиме глиссирования; защита водных поверхностей от загрязнения разлившейся нефтью с оперативной локализацией разлива; освоение и обслуживание территорий с неразвитой сетью наземных автомобильных и железнодорожных магистралей со взлётом и посадкой в любом месте, где есть достаточное водное пространство (которое к тому же не нужно специально строить и поддерживать в рабочем состоянии). Большие транспортные возможности гидроавиации объясняются ещё и тем, что 3/4 поверхности земного шара покрыты водой. Это обстоятельство обеспечивает предпосылки развития и эффективного использования гидроавиации в прибрежной зоне морей и океанов, в акваториях озёр, водохранилищ и крупных рек.

Рис. 1. Схема трёхпоплавкового гидросамолёта (двухпоплавкового с хвостовым поплавком).

В зависимости от конструктивного исполнения различают следующие типы  Г.: летающая лодка – самолёт, нижняя часть фюзеляжа которого выполнена в виде лодки, приспособленной для быстрого перемещения по поверхности воды; поплавковый гидросамолёт – обычный или специально построенный самолёт, на котором закреплены один, два поплавка или более для стоянки и передвижения по поверхности воды. Развитие гидроавиации началось с постановки сухопутного самолёта на поплавки. Первые поплавковые  Г(рис. 1) имели два основных поплавка 1 и дополнительный (вспомогательный) поплавок 2 в хвостовой или носовой части.

Рис. 2. Классификация гидросамолётов по способу обеспечения базирования на воде.

В зависимости от того, каким способом обеспечивается базирование и эксплуатация самолёта с поверхности акваторийгидроаэродромов, можно провести классификацию гидросамолётов (рис. 2).

Поплавковые схемы нередко применяют при переделке лёгких сухопутных самолётов в гидросамолёт.  Гс взлётно-посадочным устройством в виде сочетания колёсного шасси и лодки или поплавков называют амфибиями. Они могут базироваться также на сухопутных аэродромах. Самолёт-амфибия (в переводе с греч. языка «ведущий двойной образ жизни») приспособлен для взлёта с земли и воды и посадки на них.

Особую разновидность Г. представляют самолёты лодочного типа, снабжённые дополнительными устройствами для взлёта и посадки в виде гидролыж и подводных крыльев, убирающихся в полёте. Поиск новых проектных решений Г. позволил реализовать и другие технические решения, не получившие пока дальнейшего развития: Г. на подводных крыльях (например, Бе-8); глиссирующий реактивный истребитель (например, Convair F2Y Sea Dart); глиссирующий реактивный бомбардировщик (Martin P6M SeaMaster и др.).

Историческая справка

Впервые успешный полёт на Г. собственной конструкции совершил французский инженер А. Фабр в 1910. Развитие гидроавиации началось с постановки сухопутного самолёта на поплавки. В России первый Г. поплавкового типа создан в 1911 Я. М. Гаккелем; отмечен на Международной авиационной выставке в 1911 большой серебряной медалью. У истоков отечественного воздухоплавания и авиации стояли офицеры ВМФ России. Первыми в мире они разработали тактику морской авиации, осуществили с воздуха бомбардировку вражеского корабля, создали проект авианосца, первыми пролетели в небе Арктики. Географические и стратегические особенности театров военных действий того времени, протяжённые морские границы на Балтийском и Чёрном морях, отсутствие специально оборудованных аэродромов для эксплуатации сухопутных самолётов и в то же время обилие крупных рек, озёр, свободных морских пространств обусловили потребность в организации морского самолётостроения в нашей стране. Первые летающие лодки в России (М-1, М-4, М-9) построены в 1913–15 под руководством Д. П. Григоровича. М-1 (Морской первый) – это первый Г. специальной конструкции, который он  создал. Именно появление этой летающей лодки стало толчком для выделения гидропланов в отдельный вид авиатехники. Уже в 1-ю мировую войну Россия использовала гидроавианосец «Орлица» с эскадрильей летающих лодок М-5 и М-9. В 1915 Григорович спроектировал разведывательный самолёт – летающую лодку М-9, приспособленную для спуска и подъёма на корабль. Самолёт был оснащён двигателем в 150 л. с. (ок. 111 кВт), способным разгонять машину до 110 км/ч.

В советский период над созданием Г. для авиации ВМФ и гражданской авиации работали А. Н. Туполев, Г. М. Бериев, В. Б. Шавров, И. В. Четвериков, Р. Л. Бартини, А. К. Константинов и др. авиаконструкторы. Широко распространённые Г. (в первую очередь крупные летающие лодки) на регулярных дальних линиях в 1930 – 40-х гг. были вытеснены с этих маршрутов самолётами наземного базирования – сначала винтовыми, а затем и реактивными.

Рис. 3. Реактивный самолёт-амфибия Бе-200 взлетает с воды.

Важным этапом в развитии отечественной гидроавиации стало организованное в Таганроге Центральное КБ (ЦКБ) морского самолётостроения под руководством Г. М. Бериева (с 1989 Таганрогский авиационный научно-технический комплекс – ТАНТК им. Г. М. Бериева). Созданные в предвоенные годы морской ближний разведчик МБР-2, корабельные катапультные гидросамолёты КОР-1 (Бе-2, первый полёт в 1936) и КОР-2 (Бе-4, первый полёт в 1940) находились на вооружении ВМФ и успешно применялись в Великой Отечественной войне. Многоцелевой гидросамолёт Бе-6 типа «летающая лодка» (первый полёт в 1949) с поршневым двигателем был разработан для разведки, патрулирования, бомбардировки и транспортировки грузов. Бе-6 мог оснащаться оборудованием, позволяющим ему совершать узкоспециализированные задачи: спасательные операции, фотосъёмку и др. Работы по созданию реактивного Г. с турбореактивными двигателями начались в 1947 в ЦКБ Бериева. В 1952 первый полёт совершила экспериментальная реактивная летающая лодка Р-1 (морской разведчик). Противолодочный самолёт-амфибия (летающая лодка) Бе-12, созданный на базе Бе-6, впервые поднялся в воздух в октябре 1960, а с 1965 поступил на вооружение авиации советского ВМФ и состоит на вооружении с модификациями по сей день. За всё время эксплуатации Бе-12 установил 46 мировых рекордов; он оснащён двумя авиационными турбовинтовыми двигателями по 5180 л.с. каждый (ок. 3833 кВт), развивает скорость до 550 км/ч и способен нести до 3 т боевой нагрузки на борту. Менее успешной была судьба самолёта-амфибии вертикального взлёта и посадки ВВА-14 (первый полёт в 1972) Р. Л. Бартини, который не был принят в эксплуатацию. С развитием реактивной авиации Г. были вытеснены в связи с более низкими экономическими показателями и ограничениями по скорости. Однако развитие авиационных технологий позволило конструкторам ТАНТК создать удачный реактивный Г. А-40 «Альбатрос» (Бе-42). Первый полёт с суши А-40 совершил в декабре 1986, а в ноябре 1987 первый раз поднялся с воды. Проект был остановлен после распада СССР и вновь открыт в 2016. Планируется, что к 2020 гидропланы А-40 (Бе-42) заменят находящиеся на вооружении флота противолодочные самолёты Бе-12. Решение о начале работ по созданию самолёта-амфибии (летающая лодка) Бе-200 было принято в 1992 (первый полёт в 1998, начало эксплуатации с 2003). По состоянию на 2016, Бе-200 являлся самым большим реактивным многоцелевым самолётом-амфибией в мире (рис. 3). На нём установлено 148 мировых рекордов. Бе-200 разработали на основе и с использованием идей и конструктивно-компоновочных решений, которые были заложены в его предшественнике – А-40. Многоцелевая машина способна взлетать как с земли, так и с водной поверхности. Основные сферы применения: проведение спасательных операций, охрана водных поверхностей, экологические миссии, тушение пожаров, перевозки пассажиров и грузов. По ряду лётно-технических характеристик самолёт не имеет аналогов в мире:

Экипаж2 человека
Пассажировместимостьдо 64 пассажиров
Длина32,05 м
Размах крыла32,78 м
Высота8,90 м
Площадь крыла117,44 м2
Масса без груза28 000 кг
Масса полезной нагрузки8000 кг груза, а также 12 м³ воды в баках (8 секций водяных баков, с возможностью одновременного или последовательного сброса)

Максимальная взлётная масса

с воды40 000 кг
с суши42 000 кг
Силовая установкатурбовентиляторный двигатель (турбореактивный двухконтурный двигатель) 2×ТРДД Д-436ТП с тягой на взлётном режиме (2×7500 кгс)
Максимальная скорость700 км/ч на высоте 7000 м
Крейсерская скорость550–610 км/ч
Скорость при взлёте220 км/ч
Скорость при посадке195 км/ч
Скорость при наборе воды100–120 км/ч
Практическая дальность3100 км
Практический потолок8000 м
Скороподъёмность8 м/с

Наличие в России протяжённой морской границы и большого числа внутренних водоёмов побудило конструкторов ТАНТК создать небольшой самолёт-амфибию, который может эффективно заполнить нишу между сухопутными самолётами и вертолётами при перевозке пассажиров и грузов в регионах, где недостаточно развита сеть обычных аэродромов. Разработка самолёта-амфибии Бе-103 стала производиться в нач. 1990-х гг. Первый полёт совершён в 1997, начало эксплуатации в 2003. В 2001 Бе-103 получил сертификат лётной годности по АП-23 (Россия) и FAR-23 (США), а также по нормам лётной годности Бразилии и Китая.

Основные технические и мореходные характеристики гидросамолёта

Управление полётом Г. производится аэродинамическими (воздушные рули, закрылки, несущие поверхности изменяемой геометрии и др.) или газодинамическими (изменение вектора тяги двигателя) органами управления. Классификация Г. в полёте производится по конструктивным признакам (в т. ч. по числу несущих поверхностей, аэродинамической схеме, силовой установке), лётно-техническим характеристикам, системе бортового оборудования, назначению (гражданские и военные) и др. и аналогична классификации самолёта.

Рост размеров и масс Г. и, как следствие, рост размеров поплавков позволил размещать в них экипаж и оборудование, что привело к созданию Г. типа «летающая лодка» однолодочной схемы и двухлодочной схемы – катамаран.

Интегральная схема наиболее целесообразна для тяжёлых многоцелевых океанских гидросамолётов. Частично погружённое в воду крыло позволяет уменьшить размеры лодки и повысить аэрогидродинамическое совершенство Г. (определяется мéньшим лобовым сопротивлением). Таким образом, технические решения, обеспечивающие базирование и эксплуатацию самолёта с водной поверхности, фактически определяют облик (аэродинамическую схему) Г.

Мореходные качества (мореходность) Г. характеризуют возможность его эксплуатации в акваториях с определёнными гидрометеорологическими условиями – скоростью и направлением ветра, направлением и скоростью движения, формой, высотой и длиной волн воды (см. также Мореходные качества судна). Мореходность Г. оценивается предельным волнением акватории, при котором возможна безопасная эксплуатация. Мореходные качества Г. включают в себя такие характеристики, как плавучесть, остойчивость, управляемость, непотопляемость и т. п. Эти качества определяются формой и размерами находящейся под водой водоизмещающей части (лодки или поплавка) Г., распределением масс Г. по длине и высоте. В дальнейшем при рассмотрении мореходных характеристик Г., если их без особой оговорки в равной мере можно отнести к лодке и поплавку, будем использовать термин «лодка».

Рис. 4. Схема сил, обеспечивающих равновесие гидросамолёта на плаву.

Плавучесть – способность Г. плавать в заданном положении относительно водной поверхности. Г., как и любое другое плавающее тело, например судно, поддерживается на плаву архимедовой силой:$$P=W\rho_{в}g=G,\tag{1}$$где: $W$– объём воды, вытесняемой лодкой, – объёмное водоизмещение лодки (м3); $\rho_в$ – плотность воды, вытесняемой лодкой (кг/м3); $g$ – ускорение свободного падения (м/с2); произведение $W\rho_в$ – масса воды, вытесняемая лодкой, – массовое водоизмещение лодки (кг); $G$ – сила тяжести Г. (Н). 

Остойчивость (аналог термина «устойчивость» в морской терминологии) при плавании – способность Г., отклонённого внешними возмущающими силами от положения равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действия возмущающих сил. Очевидно, что при плавании частично или вполне (полностью) погружённого в воду тела нет никаких других сил для возвращения его в положение равновесия, кроме силы тяжести $G$ и равной ей силы поддержания $P$. Следовательно, только взаимное положение этих сил определит остойчивость или неостойчивость плавающего тела.

Остойчивость Г. (как и остойчивость судна) принято определять взаимным положением центра масс и метацентра – центра кривизны линии, по которой смещается центр величины водоизмещающего тела при выведении его из равновесия. Различают поперечную и продольную остойчивость Г. (при наклонении самолёта соответственно в поперечной и продольной плоскостях.

Для обеспечения поперечной остойчивости центр масс должен находиться ниже самого низкого положения метацентра. Большинство современных Г. выполнено по классической аэродинамической схеме с фюзеляжем – лодкой (которой придаются соответствующие формы для выполнения взлёта с воды и посадки на воду), высокорасположенным крылом с установленными на нём или на лодке двигателями для максимального удаления их от водной поверхности с целью исключить при движении по воде заливание крыла водой и попадание её в двигатели и на винты самолётов с винтомоторной силовой установкой, поэтому в большинстве случаев центр масс самолёта выше метацентра и однолодочный Г. в поперечном отношении неостойчив.

Проблемы поперечной остойчивости Г. однопоплавковой или однолодочной схемы могут быть решены применением подкрыльных поплавков. Подкрыльный поплавок  устанавливают на пилоне по возможности ближе к концу крыла. Опорные (поддерживающие) подкрыльные поплавки не касаются воды при движении Г. по ровной воде и обеспечивают остойчивое его положение с углами крена 2–3° при стоянке, несущие подкрыльные поплавки частично погружены в воду и обеспечивают стоянку без крена. Водоизмещение поплавка выбирается таким образом, чтобы под воздействием ветра с определённой скоростью $V_в$ Г., находящийся на скате волны, накренился на определенный угол $\gamma$

Продольная остойчивость определяется такими же условиями, как и поперечная. Обеспечить продольную остойчивости Г. проще, чем поперечную, в том смысле, что сильно развитая в длину лодка почти всегда обладает естественной продольной остойчивостью ($H_0\gt 0$). Пикирующий момент от силы тяги двигателя, линия действия которой обычно проходит выше центра масс самолёта, заглубляет носовую часть лодки, уменьшает угол начального дифферента, т. е. заставляет лодку принять некоторый дифферент на нос, что определит новую грузовую ватерлинию, которая называется упорной.

Гидростатические силы (силы поддержания), обеспечивающие плавучесть и остойчивость лодки в состоянии покоя, естественно, в большей или меньшей мере проявляются и в процессе движения по воде. Весьма важная характеристика Г., определяющая его мореходность,  способность преодолевать сопротивление воды и развивать необходимую скорость движения по воде при минимальных затратах мощности. Гидродинамическая сила сопротивления воды движению лодки в режиме плавания определяется трением воды в пограничном слое (сопротивление трения) и распределением гидродинамического давления потока воды на лодку (сопротивление формы, связанное с образованием вихревых течений; его иногда называют водоворотным сопротивлением) и зависит от скорости движения (скоростного напора $\rho_вV^2/2$), формы и состояния поверхности лодки. 

Волновое сопротивление – часть гидродинамического сопротивления, характеризующая затрату энергии на образование волн. Волновое сопротивление в воде (тяжёлой жидкости) возникает при движении погружённого или полупогружённого тела (поплавка, лодки) вблизи свободной поверхности жидкости (т. е. границы воды и воздуха). Движущееся тело оказывает добавочное давление на свободную поверхность жидкости, которая под влиянием собственной силы тяжести будет стремиться вернуться к исходному положению и придёт в колебательное (волновое) движение. Носовая и кормовая части лодки образуют взаимодействующие между собой системы волн, оказывающие существенное влияние на сопротивление. В режиме плавания равнодействующая сил гидродинамического сопротивления практически горизонтальна. Форма водоизмещающей части Г. (как и форма судна) должна обеспечить способность движения по воде с минимальным сопротивлением и, как следствие, с минимальными затратами мощности (ходкость судна, по морской терминологии). При проектировании гидросамолётов (как и судов) для выбора форм и оценки гидродинамических характеристик используются результаты испытаний путём буксировки («протаски») динамически подобных моделей в опытовых бассейнах (гидроканалах) или в открытых акваториях. Однако, в отличие от судна, комплекс характеристик мореходности Г. значительно шире, основной из них является способность производить безопасные взлёты и посадки на взволнованной поверхности с определённой высотой волны, при этом скорости хода по воде Г. во много раз превышают скорости морских судов. Благодаря особой форме днища лодки Г. возникают гидродинамические силы, поднимающие носовую часть и вызывающие общее значительное всплытие лодки. Следовательно, движение Г., в отличие от судна, происходит при переменном водоизмещении и угле дифферента лодки (фактически угле набегания водяного потока на днище, аналогичном углу атаки крыла). На скоростях движения по воде, близких к скорости отрыва при взлёте, водоизмещение практически равно нулю – Г. идёт в режиме глиссирования (от франц. glisser – скользить) – скольжения по поверхности воды. Характерная особенность режима глиссирования заключается в том, что равнодействующая сил гидродинамического сопротивления воды имеет настолько большую вертикальную составляющую (гидродинамическую силу поддержания), что лодка большей частью своего водоизмещающего объёма выходит из воды и скользит по её поверхности. Поэтому обводы (очертания наружной поверхности) лодки гидросамолёта (рис.4) существенно отличаются от обводов судна.

Рис. 4. Лодка гидросамолёта: 1 – нос лодки; 2 – днище; 3 – борт; 4 – скула; 5 – киль; 6 – первый редан; 7 – межреданная часть днища; 8 – второй редан; 9...

Основное отличие лодки Г. состоит в том, что днище (нижняя поверхность лодки, которая является основной опорной поверхностью при движении Г. по воде) имеет один или несколько реданов (франц. redan – уступ), первый из которых, как правило, располагается вблизи центра масс Г., а второй – в кормовой части. Прямые в плане реданы (рис. 4, а) создают в полёте значительно бόльшее сопротивление, чем заострённые реданы (рис. 4, б), гидродинамическое сопротивление и брызгообразование которых существенно меньше. Со временем ширина второго редана постепенно уменьшалась, межреданная часть днища стала сходиться в одной точке (рис. 4, в) на корме лодки.

Рис. 5. Формы поперечного сечения лодки.

В процессе развития гидроавиации изменялась и форма поперечного сечения лодки (рис. 5). Лодки с плоским днищем (рис. 5, а) и с продольными реданами (рис. 5, б), слабокилеватые (т. е. с небольшим наклоном участков днища от центральной килевой линии к бортам – рис. 5, в) и с вогнутым днищем (рис. 5, г) постепенно уступали место килеватым лодкам с плоскокилеватым днищем (рис. 5, д) или с более сложным (в частности, криволинейным) профилем килеватости (рис. 5, е). Поскольку вода – практически несжимаемая жидкость, то сила удара о воду соизмерима с силой удара о землю. Основное назначение килеватости – заменить собой амортизатор и при постепенном погружении в воду клиновой (килеватой) поверхности при посадке смягчить посадочный удар, а также удары воды о днище лодки при движении на взволнованной поверхности воды.

Характерные обводы лодки современного Г. представлены на рис. 6. Лодка имеет поперечную и продольную килеватость днища.

Рис. 6. Характерные обводы лодки гидросамолёта: 1 – нос лодки; 2 – борт; 3 – палуба; 4 – корма; 5 – днище носовой части; 6 – киль; 7 – скула носовой части; 8 ...

Поперечная килеватость лодки (или угол, образуемый килем и скулами) выбирается исходя из условий обеспечения приемлемых перегрузок на взлётно-посадочных режимах и обеспечения динамической путевой остойчивости. Угол поперечной килеватости носовой части лодки начиная от первого редана bр н плавно увеличивается к носу лодки (на виде спереди А–А – наложенные сечения по носовой части лодки) таким образом, что формируется волнорез в носовой части лодки, «разваливающий» встречную волну и уменьшающий волно- и брызгообразование. Скула (линия пересечения днища и борта лодки) препятствует прилипанию воды к бортам. Для создания приемлемого волно- и брызгообразования применяют выгиб носовых скул, т. е. профилировку днища носовой части лодки по сложным криволинейным поверхностям. Днище межреданной части лодки (на виде сзади Б–Б – наложенные сечения по кормовой части лодки) обычно плоскокилеватое – значение угла $\beta_{р\,m}$ постоянно. Углы поперечной килеватости на редане, как правило, порядка 15–30°. Продольная килеватость лодки $γ_л=γ_h+γ_m$ определяется углом продольной килеватости носовой части $γ_h$ и углом продольной килеватости межреданной части $γ_m$. Длина, форма и продольная килеватость носовой части ($γ_h \cong 0\div 3°$), влияющие на продольную остойчивость и угол начального дифферента, выбираются такими, чтобы исключить зарывание носом и заливание палубы водой при высоких скоростях хода. Продольная килеватость межреданной части ($γ_m\cong6\div9°$) выбирается такой, при которой обеспечивается устойчивое глиссирование, посадка на сушу при максимально допустимом угле атаки и сход на воду (для самолёта-амфибии) по существующим слипам (англ. slip, букв. – скольжение) – уходящим в воду наклонным береговым площадкам для схода амфибии на воду и выхода на берег. При достаточной продольной килеватости межреданной части отрыв при взлёте с воды может происходить «с подрывом» (увеличением угла атаки) на максимально допустимом коэффициенте подъёмной силы. Отрыв с воды при взлёте осложнён тем, что кроме сил сопротивления воды движению лодки, рассмотренных выше, между днищем лодки и водой действуют силы сцепления (подсасывания), особенно в задней части лодки. Назначение редана – уничтожить подсасывающее действие воды (подсос) при разбеге, уменьшить этим сопротивление воды, дать возможность лодке «отлипнуть» от воды. Редан, нарушая плавность обводов лодки, естественно, способствует вихреобразованию; при увеличении скорости хода по воде интенсивность вихреобразования возрастает, начинается срыв водяных струй с редана и, как следствие, кавитация (от лат. cavitas – пустота) – нарушение сплошности внутри жидкости с образованием полостей, заполненных воздухом (кавитационных пузырьков). Эта воздушная прослойка способствует отрыву воды от зареданного участка днища, что приводит к общему значительному всплытию лодки, – начинается режим глиссирования (гидропланирования), или режим бега на редане, наиболее выгодный по величине гидродинамического сопротивления. Перед выходом на режим глиссирования за счёт взаимодействия носовой и кормовой волн, создаваемых лодкой на поверхности воды, происходит увеличение дифферента на корму, изменяется картина обтекания, днище начинает испытывать большие давления, увеличивается и отклоняется от начального горизонтального положения равнодействующая сил гидродинамического сопротивления; появляется вертикальная составляющая (гидродина­мическая сила поддержания), которая выталкивает лодку из воды, что уменьшает смоченную поверхность днища и бортов. Таким образом, Г. при взлёте должен выходить на редан, сохранять достаточную продольную остойчивость при глиссировании и легко отрываться от воды.

Рис. 7. Гидросамолёт в режиме глиссирования.

В режиме глиссирования (рис. 7) Г. движется на относительно малой контактной (смоченной) поверхности 1 с водой на треугольнике в зоне первого редана, резко уменьшается горизонтальная составляющая $X_{гид}$ равнодействующей сил гидродинамического сопротивления $R_{гид}$ и возрастает скорость хода. Второй редан (корма лодки) улучшает продольную остойчивость при беге на первом редане. Сила тяжести самолёта $G$ уравновешивается частично гидродинамической силой поддержания $P_{гид}$ контактной поверхности днища, а частично подъёмной силой самолёта $Y_{cam}=Y_{кр}–Y_{г.о.}$

Сила тяги двигателей $P_{дв}$ больше суммы сил аэродинамического $X$ и гидродинамического $X_{гид}$ сопротивления – Г. в режиме глиссирования движется с ускорением, увеличивая скорость движения до скорости отрыва.

Характер изменения основных параметров движения Г. при взлёте в зависимости от относительной скорости разбега $\overline V= V/V_{отр}$ (здесь $V_{отр}$ – скорость отрыва Г. от воды) определяется режимами плавания, переходным режимом, режимом глиссирования, при посадке. В режиме плавания при скоростях $V\cong (0\div 0,25)V_{отр}$ сила тяжести Г. практически полностью уравновешивается силой гидростатического поддержания, значение аэродинамической подъёмной силы в общем балансе сил невелико. Сила гидродинамического сопротивления определяется в основном сопротивлением поверхностного трения $X_т$ и волнообразования $X_в$ (за счёт резких уступов на водоизмещающей части лодки – скул и редана). Примерно в середине режима начинает увеличиваться угол дифферента $\phi$, появляется срыв струй воды с редана, возникает весьма незначительная гидродинамическая сила поддержания и соответствующая ей сила сопротивления глиссирования $X_{гл}$. В переходном режиме при скоростях $V\cong(0\div 0,25)V_{отр}$ интенсивно растёт угол дифферента, сила гидростатического поддержания и соответствующая ей сила сопротивления глиссирования $X_{гл}$. Лодка резко всплывает, борта выходят из воды, соответственно уменьшается сопротивление поверхностного трения $X_т$ и волнообразования $X_в$, тем не менее в этом режиме сила гидродинамического сопротивления $X_{гид}$ достигает максимального значения («горб» на кривой гидродинамического сопротивления). Значение аэродинамических сил в общем балансе сил относительно невелико. В режиме глиссирования при скоростях $V\cong(0,50\div1,00)V_{отр}$ угол дифферента постепенно уменьшается, соответственно уменьшается сила гидростатического поддержания и сила сопротивления глиссирования, поскольку с ростом скорости движения на редане возрастает аэродинамическая подъёмная сила, полностью уравновешивающая силу тяжести Г. на скорости отрыва. Отметим ещё раз, что для обеспечения взлёта гидросамолёта сила тяги двигателей должна быть больше максимального значения суммы сил аэродинамического и гидродинамического сопротивления (в зоне «горба» на кривой гидродинамического сопротивления). Значения гидродинамического сопротивления при пробеге будут отличаться от значений при посадке вследствие того, что нагрузка на воду будет меньше (посадка совершается самолётом с массой меньшей, чем взлётная) и практически отсутствует при изменении угла дифферента вертикальная составляющая силы тяги двигателей, поскольку пробег совершается с двигателями, работающими в режиме «малого газа», т. е. при незначительной силе тяги.

Гидродинамическое совершенство Г. характеризуется минимальным значением гидродинамического качества: $K = A/X_{гид}$, где $A$ – нагрузка на воду, или сила тяжести Г., передающаяся на воду при определённой скорости, равная разности между полной силой тяжести и подъёмной силой самолёта в данный момент ($A=G–Y_{cam}$); $X_{гид}$  гидродинамическое сопротивление самолёта в данный момент. Значение $K_{min}$ составляет 4,5–6,0 для лодок и 3,5–4,5 для поплавков. Безопасность при взлёте и посадке обеспечивается, если: Г. не зарывается носом при движении, особенно по взволнованной поверхности; плавно выходит на глиссирование; обладает остойчивостью и устойчивостью по всем трём осям в режиме плавания и глиссирования, т. е. не имеет тенденции к самопроизвольной продольной раскачке с возрастающей амплитудой, к самопроизвольному рысканию и крену. Режим глиссирования является наиболее сложным с точки зрения продольной устойчивости движения. При глиссировании межреданная часть днища заливается брызговой струёй от первого редана. Пульсации давления в струе могут вызвать самопроизвольные угловые и вертикальные колебания лодки даже при совершенно гладкой поверхности воды. Устойчивое глиссирование возможно при определённых сочетаниях угла дифферента и скорости движения для заданной формы поверхности глиссирования. Устойчивость глиссирования обеспечивается выбором рациональных обводов лодки и отрабатывается на динамически подобных моделях. Кроме того, Г. должен соответствовать весьма специфическим требованиям к устойчивости: устойчиво двигаться на буксире в ветреную погоду и разворачиваться носом против ветра («приводиться к ветру») при дрейфе (от голл. drijven – плавать, гнать) – смещении с заданного курса при неработающем двигателе под воздействием ветра и волн. Г. должен обладать управляемостью – способностью выполнять развороты на плаву при наличии ветра. Управляемость Г. по курсу в режиме плавания обычно обеспечивается водяным рулём (водорулём, гидрорулём), устанавливаемым, как правило, в корме лодки (второй редан), или с помощью разнотяговости двигателей (для двухдвигательного самолёта) – разного изменения тяги двигателей правого и левого борта. В режиме глиссирования уже возможно управлять Г. по курсу и углу дифферента с помощью аэродинамических рулей. Приемлемое брызгообразование (чистота бега), при котором можно защитить от попадания воды воздухозаборники двигателей, воздушные винты, закрылки и другие жизненно важные агрегаты, – одна из важнейших характеристик, определяющих мореходность гидросамолёта. Как уже отмечалось, движущаяся лодка оказывает добавочное давление на свободную поверхность воды. Пиковое (ударное) давление в области контакта передних точек лодки с водой выбивает с поверхности капли воды, разлетающиеся от удара в виде брызговых струй. Интенсивное брызгообразование может происходить уже на малых скоростях хода, особенно на взволнованной поверхности воды. Форма поперечного сечения лодки существенно влияет на характер брызгообразования. При плоскокилеватом днище брызговые струи поднимаются на большую высоту; днища с более сложным (в частности, криволинейным) профилем килеватости также не всегда позволяют уменьшить брызгообразование; эффективным средством его уменьшения являются брызгоотражатели – брызгоотражающие щитки, установленные в плоскости борта. В режиме глиссирования от передней линии контактной площадки разворачиваются брызговые струи сложной пространственной формы. Относительно слабые прямолинейные струи («ленточные», или скоростные, струи) стелются под малым углом к поверхности воды. Мощные и тяжёлые купольные, или блистерные (от англ. blister – пузырь), струи выбрасываются вверх и назад. Высоту подъёма этих струй определяют положение крыла, двигателей и оперения гидросамолёта. Непотопляемость как одна из характеристик мореходности означает, что Г. сохраняет плавучесть и остойчивость при частичном повреждении и затоплении подводной части лодки или поплавков. Для того чтобы обеспечить соответствующий запас плавучести при повреждениях, объём водонепроницаемой части лодки (поплавка) делают в 1,2–3,5 раза больше, чем объём, соответствующий взлётной массе гидросамолёта. Подводную часть лодки разделяют водонепроницаемыми (герметичными) перегородками на отсеки таким образом, чтобы даже затопление двух соседних отсеков не приводило к потере продольной остойчивости или к появлению недопустимых углов дифферента и крена, затрудняющих буксировку аварийного Г., и тем более к затоплению лодки. Чтобы повреждение или отрыв подкрыльного поплавка не привели к потере поперечной остойчивости и опрокидыванию Г., концевые части крыла выполняют в виде водонепроницаемых (водоизмещающих) отсеков.

Таким образом, обеспечение мореходности влияет на аэродинамическую компоновку, точнее, на аэрогидродинамическую компоновку, – настолько сильно требования мореходности сказываются на выборе формы, размеров и взаимного расположения основных агрегатов гидросамолёта.

Основные тенденции развития гидроавиации

В процессе развития гидроавиации только в нашей стране было создано ок. 100 летательных аппаратов, способных использовать в качестве аэродрома водную поверхность. Естественно, практически невозможно удовлетворить все требования мореходности, не проигрывая при этом в аэродинамических и лётных характеристиках, поэтому принимаются компромиссные решения вопросов аэродинамики и мореходности. Перечисленные выше некоторые аспекты обеспечения мореходности увеличивают сложность и количество проблем, решаемых проектировщиками при создании гидросамолёта.  

По состоянию на 2016 мировой парк самолётов-амфибий насчитывает порядка 2000 единиц. При этом бóльшую его часть составляют лёгкие самолёты со взлётной массой до 2,5 т – преимущественно модификации различных сухопутных машин. Доля тяжёлых амфибий невелика. Помимо отечественных Бе-200, они представлены канадскими самолётами-амфибиями CL-215 и CL-415, японскими US-1A и US-1A (US-2), а также китайскими гидросамолётами SH-5.

CL-215 представляет собой двухмоторный поршневой самолёт, предназначенный для работы на низкой скорости при тушении лесных пожаров. Самолёт может взлетать с коротких, грунтовых взлётно-посадочных полос. Кроме основного противопожарного CL-215A, используется также поисково-спасательный вариант CL-215B (для применения этого самолёта в качестве транспортного, санитарного, пассажирского). Первый полёт CL-215 с обычной взлётно-посадочной полосы состоялся 23.10.1967, а с воды он впервые взлетел 2.5.1968. CL-415 (Бомбардье 415, англ. Bombardier 415) турбовинтовой (двигатель Pratt & Whitney Canada PW123AF мощностью по 2380 л.с.) двухмоторный противопожарный самолёт-амфибия, разработанный компанией «Canadair» (первый полёт совершил 6.12.1993). В конструкции лопастей применены композиционные материалы. Производится канадской компанией «Bombardier». Может быть использован для выполнения поисково-спасательных операций, доставки групп спасателей и специального оборудования в районы бедствия. Самолёт способен взлетать как с земли, так и с водной поверхности. Бомбардье́ 415 успешно используются в странах, где леса расположены на холмах близ морского побережья или крупных водоёмов. Помимо баков для воды на самолёте установлены баки для концентрированной противопожарной пены, а также система смешивания воды и пены. Противопожарный самолёт может быть переоборудован в транспортный. Даже в противопожарном варианте Бомбардье 415 способен перевозить до 8 пассажиров, а после переоборудования его пассажировместимость может возрасти до 30 чел. Наиболее многочисленными из находящихся сегодня в эксплуатации крупных Г. являются канадские амфибии семейства CL-215/ CL-415. На протяжении 40 лет было построено почти 200 таких машин. На основе пожарного самолёта компанией «Bombardier» разработан многоцелевой самолёт-амфибия модели 415MP, предназначенный для использования в качестве поисково-спасательного и патрульного.

Самолёт-амфибия ShinMaywa US-2 Морских сил самообороны Японии – большая противолодочная четырёхдвигательная турбовинтовая летающая лодка. Построен на базе US-1 Kai (первый полёт в апреле 2004). US-2 является единственным в мире Г., способным совершать взлёт и посадку при волнении моря в 5 баллов, при взлётной дистанции – 280 метров.

Китайский многоцелевой самолёт-амфибия Harbin SH-5 создан для замены советского гидросамолёта Бе-6. Оснащён четырьмя турбовинтовыми двигателями мощностью по 3150 л.с. (ок. 2330 кВт) каждый. Экипаж состоит из 8 чел. В передней части лодки расположены 3 грузовых отсека. Среднюю часть занимает помещение для операторов поискового оборудования, за которым расположены отсеки радиосвязной, поисковой и прочей электронной аппаратуры. Все отсеки соединяются сквозным коридором с водонепроницаемыми дверями в переборках между помещениями. Предназначен для патрульных и поисковых операций в открытом море, поиска подводных лодок, постановки минных заграждений, радиотехнической и фоторазведки, грузоперевозок и десантирования (первый полёт в 1976, поступил на вооружение в 1986).

Лит.: Самсонов П. Д. Проектирование и конструкции гидросамолетов. М.; Л., 1936;  Косоуров К. Ф. Теоретические основы гидроавиации. М., 1961; Григорьев А. Б. Альбатросы: Из истории гидроавиации. М., 1989; Панатов Г. С., Удалов К. Г., Фортинов Л. Г. Самолет ВВА-14. М.,1994; Панатов Г. С., Удалов К. Г. Иллюстративная энциклопедия самолетов ТАНТК им Г.И. Бериева. 1932–1945. М., 1998; Сборник докладов 2-й научной конференции по гидроавиации «Геленджик -98», июль 1998. М.,1998; Петров Г. Ф. Гидросамолеты и экранопланы России. 1910-1999. М., 2000; Панатов Г. С., Заблотский А. Н., Сальников, А. И. Самолеты ТАНТК им Г. М. Бериева. 1945–1968. М., 2001; Панатов Г. С., Заблотский А. Н., Сальников. А. И. Самолеты ТАНТК им Г. М. Бериева. 1968–2002. М., 2002; Мартыненко В. Н.  Морское притяжение. М, 2002;  Шавров В. Б. История конструкций самолетов в СССР до 1938 г. 5-е изд. М., 2002; он же. История конструкций самолетов в СССР 1938-1950 гг. 4-е изд. М., 2002Егер С. М., Матвиенко А. М., Шаталов И. А. Основы авиационной техники. 3-е изд. М., 2003; Андрей Николаевич Туполев. Грани дерзновенного творчества. 2-е изд. М., 2008; Заблотский А. Н., Сальников, А. И. 75 лет ТАНТК им Г. М. Бериева. М., 2009.

  • ГИДРОСАМОЛЁТ самолёт, способный взлетать с водной поверхности, садиться на неё, а также маневрировать на воде; базируется на гидроаэродроме (2007)
Вернуться к началу