КАТЕР НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

     В качестве базовой конструкции для проектирования электрического СВП взята схема разработанная компанией Hovercraft Concepts (Майами, США). В основе её катера Aerocruiser-sa1100 лежит стеклопластиковый корпус с двойным днищем и сотовым наполнением. Благодаря такой особенности корпус имеет положительную плавучесть без необходимости использовать надувные скеги или отдельные элементы плавучести (часто в качестве таких элементов используется пенопласт). В результате конструкция получилась легкой и прочной, а при снятии гибкого ограждения СВП превращается в обычный глиссер. Компания просуществовала 8 лет (1994-2002) после чего обанкротилась, но данную конструкцию в дальнейшем позаимствовала японская компания Sumitomo, некоторое время выпускавшая модель Sumitomo Jet Hover MS. Конструктив и дизайн катера в Японии доработали: вместо 2 баков установлен один на 40л, двигатель - Subaru-Robin взамен оригинального Rotax, вместо "самолетного" штурвала был установлен ьак же очень похожий на самолетный руль.     Кстати, конструкция этого руля получилась чуть ли не сложнее самого катера. Для симметричной развесовки руль должен располагаться либо по центру катера (если нет пассажира), либо сбоку (если есть пилот и пассажир). Для этого руль (и привод акселератора) установили на подвижную раму с двумя фиксируемыми положениями, для обеспечения кинемаитики троссового привода на этой раме применили 2 цепных и одну шестеренчатую передачу. Вся конструкция состоит из более 40 деталей и весит почти 4кг. Из других особенностей катера - продольная регулировка сиденья, простое гибкое ограждение закрепленное на катере с помощью обычной молнии, удобные горизонтальные боковые площадки для посадки-высадки ну и, как мне кажется, очень интересная внешность не похожая ни на один другой СВП. Легкость (260кг), прочность, запас по давлению подушки (ок.627 Па), уникальный внешний вид - все это определило выбор в пользу Jet Hover.

    В России в наличии было найдено 2 таких катера, один на Сахалине, второй в Татарстане, последний и был приобретен и привезен на производство. 

    Далее катер был разобран и проинспектирован. Все компоненты и механизмы несмотря на преклонный возраст (почти 20 лет) оказались в удовлетворительном состоянии Все снятые детали взвешивались и зарисовывались, в результате удалось создать 3D-модель катера и приступить к компоновочным работам. Параллельно с этим были определены цели дальнейших доработок:

1. Установка электропривода.

   В использовании электропривода множество плюсов. Электромотор имеет высокий КПД, удельную мощность и огромный по сравнению с ДВС ресурс. Он не требует редукторов, мало весит и хорошо компонуется. Он может работать в реверсном режиме, создавая тормозной момент или (с определеннной доработкой) задний ход. Для зарядки батарей не нужно ехать на бензоколонку, достаточно доплыть/доехать/долететь до ближайшей розетки. Про шум 2-тактного мотора я не говорю, возможно кому-то этот шум нравится. За рубежом наблюдается массовое инвестирование во все, что движется на электротяге, в США ажиотаж просто удивляет: можно основать компанию, сделать пару рисунков, написать ТТХ, выйти на биржу и ты уже миллионер. У нас всё немного иначе, некоторые анонимные эксперты не находят преимуществ в данном решении (см. новостную ленту сайта).

   Особенности моментной характеристики электромотора (имеется в виду PMCM (Permanent magnet synchronous machine - синхронный электродвигатель с возбуждением постоянными магнитами) в том, что его можно устанавливать к винту непосредственно без редуктора. На СВП  "Пегас" было сделано именно так, но для легкого СВП такой вариант не подходит - слишком высок центр тяжести, поднимать почти на метр от результирующей давления вес в 80 кг. опасно для такого маленького катера.

2. Установка автономного электрического нагнетателя подушки.

   Его установка позволит независимо регулировать давление подушки и обеспечить задниий ход СВП. Возможность установки большого числа двигателей в местах где они необходимы (вопрос стоимости пока не учитываем) - одно из преимуществ, которое дает нам электропривод. Используя датчик давления можно автоматически регулировать наддув подушки и экономить энергию. Увеличив в дальнейшем количество нагнетателей и разделив подушку на сегменты можно обеспечить дополнительную устойчивость судну и устранить клевковый эффект на больших скоростях.

3. Доработка внешнего вида и интерьера.

В отличии от большинства других легких СВП японцы неплохо поработали над дизайном и даже спустя четверть века он смотрится довольно симпатично. Можно сделать его немного современнее, продолжив стилевую концепцию эдакого "суперкара без колес". Так же можно слегка улучшить интерьер придав ему более современный вид: на выброс пойдут приборы, им на замену будет установлен ЖК-дисплей, сложный и тяжелый рулевой механизм возможно то же придется чем-то заменить. 

4. Доработка воздушной подушки.

Здесь огромное поле для экспериментов, важно определиться с приоритетами: что важнее - проходимость или устойчивость, простота или экономичность.

5. Герметичная кабина и повышенная вместимость.

   Для перехода в класс более серъёзной техники необходимо посадит в герметичную отапливаемую кабину СВП минимум 4 человек. Скорее всего для этого потребуется увеличивать длину корпуса (примерно как стретч-лимузины удлинняют). Но это уже будет этап №2.

6. Снижение веса

   Большой проблемой данного проекта является вес. Как правило, чем меньше СВП - тем меньше допустимое давление подушки, это связано с "ямой", которая подушка может создать под собой, двигаясь над водой. Если крупные СВП могут себе позволить 1,5-2,0 кПа и выше, то небольшие 2-местные СВП довольствуются значениями 700-800Па. Чтобы добится таких значений - необходимо либо увеличивать размеры (что противоречит самому понятию "малого СВП") либо максимально снижать вес. А вес у нас это в первую очередь тяжелая (200 кг) батарея. Электромоторы, доступные по ценам, мало отличаются по своей удельной мощности от распространённых на данном виде техники 2-тактных ДВС, здесь выигрыша практически не получается. Поэтому единственным вариантом, абсолютно положительным во всём кроме стоимости является использование легких материалов. Это значит - выкидываем стеклопластик, выкидываем металл везде где это возможно. Прототип разобран, взвешена каждая деталь и проанализирована на возможность снижения весовых параметров. По расчётам карбоновый корпус должен стать легче на треть и уложится в 150кг, стальные детали переведенные на PEEK или ULTEM снизят вес вдвое. Но все эти доработки дадут приемлемый результат лишь в базовом однодвигательном варианте, а значит площадь подушки все равно придется увеличивать. Ниже приведена сравнительная таблица весовых характеристик прототипа (бензиновый вариант) и разработки (электрический вариант)

    Из таблицы видно, что если оставлять конструкцию без изменений, то замена привода добавит к снаряженному весу дополнительно 163кг. Это неприемлемо. Большинство разработчиков электрических летательных аппаратов используют литий-полимерные батареи, которые обеспечивают лучшую токоотдачу. Благодаря этому можно установить более легкую АКБ, но такое решение не решает вопрос необходимой ёмкости, поэтому, скажем, хорошо известный китайский мультикоптер E-hang 216 имеет длительность полета всего 20мин.

7. Переднее горизонтальное оперение (ПГО)

    Любое СВП классической схемы имеет одну неприятную особенность: т.н. "клевковый эффект". Связан он с тем, что результирующие тягового давления винта и сил сопротивления (трение подушки, аэродинамическое сопротивление) находятся на разной высоте относительно опорной поверхности, соответственно создаётся момент опускающий нос вниз. Причём с увеличением скорости этот момент может не пропорционально, а с квадратичной зависимостью (зависит от аэродинамики). Для решения этой проблемы используют различные способы: продольный наклон винта, наклон днища (есть описание у Кличко В.В) или пассивное ПГО (патент RU 81464 U1). Однако все эти способы являются пассивными, а значит оптимальными лишь для какого-то одного режима работы (определенной скорости). Да, можно использовать рули тангажа устанавливаемые за тяговым винтом, но плечо создаваемого момента очень маленькое, поэтому управление не эффективно. Поэтому в идеале решить проблему можно регулируемым ПГО: большое плечо, разгруженный нос позволит эффективно стабилизировать судно, а автоматизация по углу тангажа сделает управление более легким.

(продолжение следует)

Список литературы используемой на проекте: