Синтез облика летательных аппаратов гидроавиации и методология их комплексной оценки на начальных этапах проектирования

• Автор: Фортинов, Леонид Григорьевич
• Шифр специальности: 05.07.02
• Научная степень: Докторская
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 255 с. : ил.

1. Введение

Проблемы применения гидроавиации с момента полета в 1910 г. первого в мире гидросамолета А. Фабра [1] постоянно находились в поле зрения специалистов и ученых, рабо-д тавших в области создания и использования авиационной техники. Дискуссии и практические шаги по решению этих проблем то утихали, то вспыхивали вновь. Так в период, предшествовавший второй мировой войне, когда аэродромов во многих районах мира было очень мало, а перспектива войны требовала охвата пространств океанов разведкой, боевыми и транспортными операциями, необходимость в обеспечении взлета и посадки на воду привела к интенсивному развитию гидроавиации. Но в послевоенные годы, особенно с началом эры реактивной авиации, это развитие резко замедлилось. И вот человечество на пороге 21 века снова сталкивается с задачами, решение которых немыслимо без гидроавиации нового технического уровня.
Различные аспекты проблем развития гидроавиации рассматривались Р. Л. Бартини [2], Г. В. Логвиновичем [3], Г. С. Панатовым [4, 5] и многими другими исследователями. Но особо полное освещение они нашли в трудах международных конференций по гидроавиации, организованных по инициативе Г. С. Панатова, Генерального конструктора Таганрогского Авиационного Научно-Технического Комплекса (ТАНТК) им. Г. М. Бериева, в рамках гидроавиасалона в г. Геленджике, на черноморском побережье России, в 1996, 1998 и 2000 годах.
Доклады Г. С. Панатова [6...8], Г. В. Логвиновича [9...11], Г. П. Кобызева [12, 13], В. В. Беляева [14...16], А. К. Константинова [17, 18], В. В. Орлова [19], С. К. Коржа, В. Н. д Коржа, О. А. Михайлова [20], Э. А. Афрамеева [21,22], П. К. Шубина, В. Г. Проскурина [23],
В. В. Буланова, В. Н. Кирилловых, В. В. Соколова [24], В. П. Соколянского, Е. Б. Скворцова, М. А. Кривицкого, В.И. Куксы, Ю. М. Никитченко, Р. Р. Билялетдинова [25], Л. Г. Фортино-ва, В. К. Анастасова, В. В. Хруленко [26], В. А. Еремина, В. Г. Замуриева [27], О. П. Шоры-гина, Л. Д. Ковижных, В. В. Стрекалова [28], В. В. Боева, А. П. Шинкаренко, Л. Г. Фортинова [29] и некоторых других содержат прогнозы и оценки путей развития летательных аппаратов гидроавиации в обозримом будущем.
Обобщим и кратко изложим отдельные, представляющиеся наиболее весомыми положения прогнозов во взаимосвязи с историей развития гидроавиации.
...Шагая по лестнице прогресса, человечество вплотную подошло к ступени под названием «Сохранение и освоение Мирового океана». Действительно, нехватка полезных ископаемых, энергетических и биологических ресурсов суши, вызываемая ростом народонаселения и естественным стремлением людей к улучшению условий жизни, делает безальтернативной необходимость шага на эту ступень. Без сохранения и освоения 71% поверхности планеты, занимаемых Мировым океаном, уверенное будущее у человечества не прогнозируется, в то время как:
Мировой океан - огромные запасы полезных ископаемых и других минеральных ре-сурсов на дне океана, под ним и в морской воде;
Мировой океан - громадная биосфера, способная при цивилизованном возделывании многие тысячелетия кормить человечество;
Моровой океан - громадная энергия Солнца и Луны в виде волн, приливов и отливов, различия температуры слоев воды и атмосферы, которую еще предстоит научиться исполь-<1* зовать во благо людей.

Некоторые сведения о потенциале Мирового океана приведены на рис. 1.

І.Площадь поверхности Земли - 100% Мирового океана - 71%.Суши - 29% Соотношение 2,45:1
2.Соотношение запасов топливного сырья и полезных ископаемых:
2.1.Углеводородного сырья - 3,7:1 2.2.Метаносодержащего сырья - 9:1
2.3.Полезных ископаемых на дне 2,5:1
2.4.Полезных ископаемых в массе воды (океан) и в массе грунтов (суша) - 19,1:1
З.Соотношение масс воды Мирового океана и суши, пригодных для производства биологических веществ:
3.1.В Мировом океане 3.2.На суше при глубине слоя до 1м
при глубине до 4км и 10% возделываемой поверхности
и 30% поверхности - 0,38 тыс
Соотношение 54,3:1
0,007тыс
Рис. 1. Некоторые сведения о богатстве Мирового океана
Процесс его освоения может позволить ликвидировать или существенно смягчить последствия уменьшения запасов многих полезных ископаемых суши, снижения производства сельского хозяйства, а также противоречий между добывающими и перерабатывающими странами.
Но Мировой океан, как объект освоения и эксплуатации и как магистраль водного сообщения между странами и континентами, сегодня и в будущем жизненно необходимо защитить от экологической катастрофы - превращения его в безжизненное пространство из-за непригодных и даже опасных отходов жизнедеятельности человеческого сообщества и природных катастроф. Такая защита должна предусматривать:
- постоянный контроль за химическим, радиационным и биологическим состоянием воды, атмосферы, придонных и донных отложений за границами суши;
- жесткий и эффективный контроль за существующими или появляющимися источниками загрязнения или даже отравления Мирового океана;
- жесткий экологический контроль за разработкой технологий и средств освоения океана и их реализацией;
- опережающую разработку и поставку в эксплуатацию средств борьбы с техногенными и природными катаклизмами при работе в океане.
Начальные, пока еще робкие попытки освоения богатств шельфов использованием платформ для добычи нефти и газа на удалении от берегов уже сейчас требуют мобильных транспортных средств сообщения в интересах обеспечения их нормального функционирования. Это - и необходимость смены экипажей, и срочная медицинская помощь, и проведение поисково-спасательных работ, и транспортировка проб или уникальных приборов и оборудования для проведения анализов или дефектации сооружений и оборудования, и поставки оборудования и специалистов для выполнения сложных ремонтных работ, и разведка поверхности, и применение веществ для локализации и ликвидации разливов нефти, и... Перечень этот может быть продолжен и пополнен в процессе развертывания добычи полезных ископаемых многократно. Не менее объемные задачи перед мобильньми транспортными средствами, способными базироваться на воде, стоят и при обеспечении добычи биоресурсов (рыбы, крабов, морских растений) в открытом море.
Транспортные операции на небольших расстояниях от береговых баз до объектов в море успешно, хотя и неэкономично, обеспечиваются вертолетами и скоростными судами. Но при этом возникает необходимость в вертолетах морского исполнения, способных совершать посадку на воду при аварийных или нештатных ситуациях, когда посадочные площадки на объектах в море по той или иной причине не в состоянии принять их. В противном случае полеты вертолетов над морем становятся опасными и зачастую запраещаются, как было на Курильских островах при попытках использования обычных вертолетов после прекращения функционирования двух сухопутных аэродромов - военного и „Буревестник”.
Таким образом, увеличение расстояния до объектов в открытом море ставит на повестку дня необходимость в летательных аппаратах гидроавиации (ЛА ГА), которые при достаточной степени мореходности способны как нельзя более надежно и экономично выполнять транспортные функции по защите и освоению Мирового океана.
Помимо указанных мирных задач в Мировом океане сохраняется, к сожалению, и необходимость в осуществлении военных операций, связанных не только с принятием мер по переброске сил быстрого реагирования в нужные точки океана или побережья, в эвакуации людей и средств оттуда, но и с борьбой за безопасность водных маршрутов и сооружений от диверсионных средств и мин, сохранившихся от предыдущих многолетней давности военных конфликтов.
Наряду с этим, наблюдается тенденция к увеличению авиационных грузо- и пассажироперевозок между континентами и странами. Но использование аэродромной (сухопутной) авиации, помимо потенциальной опасности невозможности аварийной посадки на воду, сталкивается с проблемой аэродромов.Действительно,решение задачи увеличения интенсивности авиаперевозок возможно двумя путями - 1) увеличением количества самолетов на маршрутах и 2) увеличением их тоннажа и размеров.

Один из самолетов - широко известный ЖМ (« Марс») тяжелее расчетного по современным меркам на 31,2%, а самолет Ни-16В - легче на 28,3%. Вероятно, здесь сказывается недостоверность параметров ЛА, вводимых в расчет, ибо в тот период вооружение вообще не вводилось в максимальную грузоподъемность ЛА, а считалось составляющей массы ЛА.
<§ Заключая настоящую главу, можно констатировать, что предложенная методология в
целом обеспечивает мобильную оценку взлетной массы реактивных - с ТРД, ДТРД и ТВД -самолетов ЛА ГА, дает возможность определять прототипы и аналоги, позволяя решить первую часть задачи синтеза облика ЛА.
Обращает на себя внимание существенное расхождение расчетов по приведенной ме-тодике с рекламными данными таких малых зарубежных самолетов, как, например, «Дол-финер», «Эвалон 680» и некоторых других. Обещанные данные настолько разительно отличаются от статистических, что поневоле возникает мысль о необходимости специального исследования этого класса ЛА ГА по предложенному алгоритму.
Глава 4. Критерий энергетического совершенства ЛА ГА - В а Г
4.1. Общие положения
Приведенный выше анализ состояния науки по комплексной критериальной оценке самодвижущихся транспортных машин, к которым относятся ЛА, свидетельствует о попытках создания комбинаций их технических и экономических оценок в виде техникоэкономических критериев. Одним из примеров такого критерия может служить стоимость тонно-километра перевозки груза, который, в конечном счете, вобрал в себя многие из видов затрат, связанных с созданием и эксплуатацией ЛА. Этот критерий пригоден для сравнения ЛА между собой, но он не дает возможности сопоставления произведенных затрат с необходимыми по условиям, предъявляемым к перевозке груза (к примеру, требуемой вероятности транспортной операции в заданном районе моря и т.п.), а также учета пользы или вреда, которые может нанести экологии создание транспортной сети с каким-либо ЛА. (Последнее особенно важно, поскольку влияние сонма транспортных машин на атмосферу и поверхность Земли многими из ученых рассматриваются как фактор угрозы существованию живого на планете).
Наиболее глобально попытался оценить ЛА с энергетической точки зрения Р. Л. Бартини в 1953 г., введя [37] понятие «коэффициента полезности» машины. При расчете его определялась разность между энергозатратами, которые делались бы при использовании существующей машины, и энергозатратами, требующимися при использовании новой машины, а эта разность относилась к энерозатратам при работе новой машины. Автор учитывал все элементы классической термодинамики, включая изменения энтропии энергетики машины. Это исследование оказалось слишком теоретизированным, но понятие «общественной полезности», которую хотел увидеть автор при анализе машин с помощью критерия энергетической оценки, нашло продолжение. Д. Л. Томашевичем [64] подобный подход был трансформирован в область чисто экономической оценки, при которой технические параметры ЛА - скорость, дальность, грузоподъемность, экономичность силовой установки, ресурс и т.п. учитывались косвенным путем, не дававшим представления о степени их влияния.
Вместе с тем, поскольку ЛА являются транспортными машинами, а энергетическое совершенство машин наиболее убедительно оценивается коэффициентом полезного действия (КПД), показывающим, какую долю из затраченной энергии машина тратит на соверше-’§ ние полезной работы по перевозке грузов, мы попробуем исследовать ЛА ГА именно с этой точки зрения.