Fordon med markeffekt - Ground-effect vehicle

Ett markeffektfordon ( GEV ), även kallat wing-in-ground-effect ( WIG ), markeffektfartyg , vingskepp , flarecraft eller ekranoplan ( ryska : экранопла́н-"screenglider" ), är ett fordon som kan flytta över ytan genom att få stöd av luftens reaktioner mot jordens eller vattnets yta. Vanligtvis är den utformad för att glida över en plan yta (vanligtvis över havet) genom att använda markeffekt , den aerodynamiska interaktionen mellan den rörliga vingen och ytan nedanför. Vissa modeller kan fungera över alla plana ytor, till exempel frysta sjöar eller plana slätter som liknar en svävare .

Design

Ett fordon med markeffekt behöver viss framhastighet för att producera lyft dynamiskt och den främsta fördelen med att driva en vinge i markeffekt är att minska dess lyftberoende drag . Den grundläggande designprincipen är att ju närmare vingen arbetar till en yttre yta som marken, när den sägs ha markeffekt , desto effektivare blir den.

Ett flygblad som passerar genom luften ökar lufttrycket på undersidan, samtidigt som det minskar trycket över toppen. Det höga och låga trycket bibehålls tills de rinner av ändarna på vingarna, där de bildar virvlar som i sin tur är den främsta orsaken till lyftinducerat drag- normalt sett en stor del av motståndet som påverkar ett flygplan. Ju högre sidförhållande för vingen (det vill säga ju längre och tunnare den är), desto mindre inducerad dragförmåga skapas för varje lyftenhet och desto större effektivitet hos den specifika vingen. Detta är den främsta anledningen till att segelflygplan har långa och smala vingar.

Att placera samma vinge nära en yta som vattnet eller marken medför att bildförhållandet kraftigt ökar, men utan att ha komplikationerna förknippade med en lång och smal vinge, så att de korta stubbarna på en GEV kan producera lika mycket lyfta som den mycket större vingen på ett transportflygplan, även om den bara kan göra detta när den är nära jordens yta. När tillräckligt hög hastighet har byggts upp kan vissa GEV: er kunna lämna markeffekter och fungera som vanliga flygplan tills de närmar sig sin destination. Den utmärkande egenskapen är att de inte kan landa eller lyfta utan betydande hjälp från markeffektdynan och inte kan klättra förrän de har nått en mycket högre hastighet.

En GEV kännetecknas ibland som en övergång mellan en svävare och ett flygplan , även om detta inte är korrekt eftersom en svävare statiskt stöds av en kudde av tryckluft från en ombord nedåtriktad fläkt. Vissa GEV -konstruktioner, som den ryska Lun och Dingo , har använt tvångsblåsning under vingen av hjälpmotorer för att öka högtrycksområdet under vingen för att hjälpa till vid start; men de skiljer sig från svävare i att de fortfarande kräver framåtgående rörelse för att generera tillräckligt med lyft för att flyga.

Även om GEV kan likna sjöflygplanet och dela många tekniska egenskaper, är det i allmänhet inte utformat för att flyga från markeffekt. Det skiljer sig från svävaren genom att sakna lågfartshuvudförmåga på ungefär samma sätt som ett fastvingad flygplan skiljer sig från helikoptern . Till skillnad från hydrofoil har den ingen kontakt med vattenytan när den är "flyktig". Fordonet med markeffekt utgör en unik transportklass.

Vinge konfigurationer

WIG-wings-konfigurationer: (A) Ekranoplan; (B) omvänd delta-vinge; (C) Tandemvinge.

En rysk ljus ekranoplan Aquaglide-2

Rak vinge

Används av ryssen Rostislav Alexeyev för sin ekranoplan. Vingarna är betydligt kortare än för jämförbara flygplan, och denna konfiguration kräver en hög akterplacerad horisontell svans för att bibehålla stabiliteten. Stignings- och höjdstabiliteten kommer från skillnaden i lyftlutningen mellan en främre låg vinge i markeffekt (vanligtvis huvudvingen) och en akter, högre belägen andra vinge nästan utan markeffekt (kallas vanligen stabilisator).

Omvänd delta-vinge

Denna vinge är utvecklad av Alexander Lippisch och möjliggör stabil flygning i markeffekt genom självstabilisering. Detta är den viktigaste klass B -formen av GEV.

Tandem vingar

Tandemvingar kan ha tre konfigurationer:

En biplan- typ 1 som använder en axelmonterad huvudlyftvinge och magmonterade sponsor liknande dem på strids- och transporthelikoptrar.
En canard- typ typ 2 med en mellanstor horisontell vinge nära näsan på fartyget som leder luftflödet under huvudlyftfläkten. Denna typ-2-tandemdesign är en stor förbättring under start, eftersom den skapar en luftkudde för att lyfta båten ovanför vattnet med en lägre hastighet, vilket minskar vattenmotståndet, vilket är det största hindret för framgångsrika sjösättning av sjöflygplan.
Två stubba vingar som i tandem-airfoil-stilbåten producerad av Günther Jörg i Tyskland. Hans speciella design är självstabiliserande i längdriktningen.

Fördelar och nackdelar

Med tanke på liknande skrovstorlek och effekt, och beroende på dess specifika konstruktion, kommer den lägre lyftinducerade dragkraften hos en GEV, jämfört med ett flygplan med liknande kapacitet, att förbättra bränsleeffektiviteten och, upp till en punkt, dess hastighet. GEV är också mycket snabbare än ytkärl med liknande kraft, eftersom de undviker drag från vattnet.

På vattnet ökar den flygplansliknande konstruktionen av GEV: er risken för skador om de inte undviker andra fartyg. Dessutom gör det begränsade antalet utgångspunkter det svårare att evakuera fordonet i en nödsituation.

Eftersom de flesta GEV: er är konstruerade för att fungera från vatten är olyckor och motorstörningar vanligtvis mindre farliga än i ett landbaserat flygplan, men avsaknaden av höjdkontroll ger piloten färre alternativ för att undvika kollisioner, och i viss utsträckning reducerar sådana fördelar . Låg höjd leder till att fartyg med hög hastighet hamnar i konflikt med fartyg, byggnader och stigande mark, som kanske inte är tillräckligt synliga under dåliga förhållanden för att undvika. GEV: er kan inte klättra över eller svänga tillräckligt kraftigt för att undvika kollisioner, medan drastiska manövrer på låg nivå riskerar att komma i kontakt med fasta eller vattenfara under. Flygplan kan klättra över de flesta hindren, men GEV är mer begränsade.

I hård vind måste start vara i vinden, vilket tar båten över på varandra följande våglinjer, vilket orsakar kraftiga bultningar, vilket både stressar båten och gör passagerarna obekväma. I lätt vind kan vågor vara i alla riktningar, vilket kan försvåra kontrollen eftersom varje våg får fordonet att både kasta och rulla. Deras lätta konstruktion gör deras förmåga att arbeta i högre havsstater mindre än konventionella fartygs, men större än förmågan hos svävare eller hydrofoiler, som är närmare vattenytan. Sjöflygplanets bortgång var ett resultat av dess oförmåga att lyfta eller landa i hårda havsförhållanden även om flygförhållandena var bra, och dess användning varade bara tills banor var mer allmänt tillgängliga. GEV är begränsade på samma sätt.

Precis som konventionella flygplan behövs större kraft för start och precis som sjöflygplan måste markeffektfordon kliva upp på trappan innan de kan accelerera till flyghastighet. Noggrann design, vanligtvis med flera omformningar av skrovformer, krävs för att få detta rätt, vilket ökar konstruktionskostnaderna. Detta hinder är svårare för GEV med korta produktionskörningar att övervinna. För att fordonet ska fungera måste dess skrov vara tillräckligt stabilt i längdriktningen för att vara kontrollerbart men inte så stabilt att det inte kan lyfta av vattnet.

Fordonets botten måste vara utformad för att undvika överdrivet tryck vid landning och lyftning utan att ge avkall på för mycket sidostabilitet, och det får inte skapa för mycket spray, vilket skadar stommen och motorerna. De ryska ekranoplanerna visar tecken på korrigeringar för dessa exakta problem i form av flera hakar på skrovets främre del av skrovets undersida och i jetmotorernas främre läge.

Slutligen har begränsad nytta hållit produktionsnivåerna tillräckligt låga för att det har varit omöjligt att amortera utvecklingskostnaderna tillräckligt för att göra GEV konkurrenskraftiga med konventionella flygplan.

En NASA -studie från 2014 hävdar att användning av GEV för passagerarresor kommer att leda till billigare flyg, ökad tillgänglighet och mindre föroreningar.

Klassificering

En svårighet som har försenat GEV -utvecklingen är klassificeringen och lagstiftningen som ska tillämpas. Den internationella sjöfartsorganisationen har studerat tillämpningen av reglerna bygger på den internationella säkerhetskoden för höghastighetsfartyg (HSC-kod) som utvecklats för snabba fartyg som bärplansbåtar , svävare, katamaraner och liknande. De ryska reglerna för klassificering och konstruktion av små ekranoplans av typ A är ett dokument som bygger mest på GEV -design. År 2005 klassificerade dock IMO WISE eller GEV under kategorin fartyg.

International Maritime Organization erkänner tre typer av GEV:

Ett fartyg som endast är certifierat för användning i markeffekt;
Ett fartyg som är certifierat för att tillfälligt öka sin höjd till en begränsad höjd utanför påverkan av markeffekt men inte överstiga 150 m (490 fot) över ytan; och
Ett fartyg som är certifierat för användning utanför markeffekt och överstiger 150 m (490 fot) över ytan.

Dessa klasser gäller för närvarande endast fartyg som transporterar 12 passagerare eller mer.

Från och med 2019 rådde det oenighet mellan nationella tillsynsmyndigheter om dessa fordon ska klassificeras och regleras som flygplan eller som båtar.

Historia

Konstnärs koncept för en ekranoplan i Lun-klass under flygning

Vid 1920-talet var fenomenet markeffekt välkänt, eftersom piloter fann att deras flygplan verkade bli mer effektiva när de närmade sig banans yta under landning. År 1934 utfärdade US National Advisory Committee for Aeronautics Technical Memorandum 771, Ground Effect on the Takeoff and Landing of Airplanes , som var en översättning till engelska av en sammanfattning av forskning fram till den punkten i ämnet. Den franske författaren Maurice Le Sueur hade lagt till ett förslag baserat på detta fenomen: "Här erbjuds uppfinnarnas fantasi ett stort fält. Markstörningarna minskar den effekt som krävs för nivåflygning i stora proportioner, så här är ett sätt att snabbt och vid samtidigt ekonomisk rörelse: Designa ett flygplan som alltid befinner sig inom markinterferenszonen. Vid första anblicken är denna apparat farlig eftersom marken är ojämn och höjden som kallas skimming tillåter ingen manöverfrihet. Men på stora flygplan, över vatten, frågan kan försökas ... "

Vid 1960 -talet började tekniken mogna, till stor del på grund av Rostislav Alexejevs oberoende bidrag i Sovjetunionen och tysken Alexander Lippisch , som arbetade i USA . Alexeyev arbetade från sin bakgrund som skeppsdesigner medan Lippisch arbetade som flygtekniker. Påverkan av Alexeyev och Lippisch förblir märkbar i de flesta GEV: er som ses idag.

Sovjetunionen

Den Bartini Beriev VVA-14 utvecklades under 1970-talet

Modell av Beriev Be-2500 konceptflygplan

Under ledning av Alexeyev var Sovjetunionen Central Hydrofoil Design Bureau ( ryska : ЦКБ СПК ) centrum för utvecklingen av markeffekter i Sovjetunionen. Fordonet kom att kallas en ekranoplan ( ryska : экраноплан , экран skärm + план plan , från ryska : эффект экрана , bokstavligen skärmeffekt , eller markeffekt på engelska). Den militära potentialen för ett sådant hantverk erkändes snart och Alexeyev fick stöd och ekonomiska resurser från sovjetledaren Nikita Chrusjtjov .

Några bemannade och obemannade prototyper byggdes, upp till åtta ton i förskjutning . Detta ledde till utvecklingen av en 550 ton militär ekranoplan med en längd på 92 m. Fartyget döptes till Kaspiska havsmonstret av amerikanska underrättelsexperter, efter att ett enormt, okänt fartyg sågs på satellitspaningsfoton av Kaspiska havsområdet på 1960 -talet. Med sina korta vingar såg det ut som flygplanliknande i planform, men skulle uppenbarligen vara oförmögen att flyga. Även om den var konstruerad för att resa högst 3 m (10 fot) över havet, befanns den vara mest effektiv vid 20 m (66 fot) och nå en toppfart på 300–400 knop (560–740 km/h) ) vid forskningsflyg.

Det sovjetiska ekranoplanprogrammet fortsatte med stöd av försvarsminister Dmitriy Ustinov . Den producerade den mest framgångsrika ekranoplan hittills, den 125 ton långa A-90 Orlyonok . Dessa fartyg utvecklades ursprungligen som höghastighetsmilitära transporter och baserades vanligtvis på Kaspiska havet och Svarta havet . Den sovjetiska marinen beställde 120 ekranoplaner av Orlyonok -klass , men denna siffra reducerades senare till färre än 30 fartyg, med planerad utplacering främst i Svarta havets och Östersjöflottorna .

Några få Orlyonoks tjänstgjorde med den sovjetiska flottan från 1979 till 1992. År 1987 byggdes ekranoplan på 400 ton Lun- klass som en plattform för missilskjutning av missiler. En andra Lun , döpt till Spasatel , lades ner som ett räddningsfartyg, men blev aldrig färdig. De två stora problemen som de sovjetiska ekranoplanerna stod inför var dålig längsgående stabilitet och ett behov av tillförlitlig navigering.

Minister Ustinov dog 1984, och den nya försvarsministern, marskalk Sokolov , avbröt finansiering av programmet. Endast tre operativa Orlyonok -klass ekranoplans (med reviderad skrovdesign) och en Lun -klass ekranoplan återstod vid en marinbas nära Kaspiysk .

Sedan Sovjetunionens upplösning har ekranoplaner producerats av Volga -varvet i Nizhniy Novgorod . Mindre ekranoplaner för icke-militärt bruk har utvecklats. CHDB hade redan utvecklat åttasitsiga Volga-2 1985, och Technologies and Transport utvecklar en mindre version som kallas Amphistar. Beriev föreslog ett stort fartyg av den typen, Be-2500, som ett "flygande fartyg" lasttransportör, men ingenting kom ut av projektet.

Tyskland

Lippisch Type och Hanno Fischer

Rhein-Flugzeugbau X-114 under flygning.

I Tyskland ombads Lippisch bygga en mycket snabb båt för den amerikanska affärsmannen Arthur A. Collins . 1963 utvecklade Lippisch X-112 , en revolutionerande design med omvänd deltavinge och T-svans. Denna design visade sig vara stabil och effektiv i markeffekt och även om den testades framgångsrikt bestämde Collins sig för att stoppa projektet och sålde patenten till ett tyskt företag som heter Rhein Flugzeugbau (RFB), som vidareutvecklade det inversa deltakonceptet till X -113 och sexsitsen X-114 . Dessa fartyg kan flyga ur markeffekten så att till exempel halvöar kan överflyttas.

Hanno Fischer tog över verken från RFB och skapade sitt eget företag, Fischer Flugmechanik, som så småningom slutförde två modeller. Airfisch 3 transporterade två personer och FS-8 bar sex personer. FS-8 skulle utvecklas av Fischer Flugmechanik för ett Singapore-australiensiskt joint venture som heter Flightship. Driven av en V8 Chevrolet -bilmotor på 337 kW gjorde prototypen sitt första flyg i februari 2001 i Nederländerna. Företaget existerar inte längre men prototypbåten köptes av Wigetworks, ett företag baserat i Singapore och fick namnet AirFish 8. 2010 registrerades fordonet som ett fartyg i Singapore Registry of Ships.

Den University of Duisburg-Essen stödjer ett pågående forskningsprojekt för att utveckla Hoverwing .

Gunther-Jörg-typ tandem-airfoil flairboat

En tandem flarecraft Skimmerfoil Jörg IV belägen vid SAAF -museet , Port Elizabeth, Sydafrika.
(Det har sedan tagits bort från museet)

Den tyska ingenjören Günther Jörg, som hade arbetat med Alexeyevs första konstruktioner och var bekant med utmaningarna med GEV-design, utvecklade en GEV med två vingar i ett tandemarrangemang, Jörg-II. Det var den tredje, bemannade, tandem-flygelbåten, med namnet "Skimmerfoil", som utvecklades under hans konsultperiod i Sydafrika. Det var en enkel och billig design av en första 4-sitsig tandem-airfoil-stilbåt helt konstruerad av aluminium. Prototypen har funnits i SAAF Port Elizabeth Museum sedan den 4 juli 2007, förblev där till (2013) och är nu i privat bruk. Bilder på museet visar båten efter en period på några år utanför museet och utan skydd mot solen.

Rådgivningen av Dipl. Ing. Günther Jörg, som var specialist och insider i tysk flygindustri från 1963 och en kollega till Alexander Lippisch och Hanno Fischer också, grundades med en grundläggande kunskap om Wing i markeffektfysik, samt resultat av grundläggande tester under olika förhållanden och design har börjat 1960. Under en period av mer än 30 år Dipl. Ing. Gunther W. Jörg lyckades bygga och flyga framgångsrikt en serie med 15 olika tandem-airfoil-stilbåtar i olika storlekar och tillverkade av olika material.

Följande typer av tandem-airfoil flairboat (TAF) hade byggts efter en tidigare period på nästan 10 års forskning och utveckling:

TAB VII-3: Först bemannad tandem WIG typ Jörg, byggs vid tekniska universitetet i Darmstadt, Akaflieg;
TAF VII-5: Andra bemannade tandem-airfoil Flairboat, 2-sits av trä.
TAF VIII-1: 2-sitsig tandem-flygblad flairbåt byggd av GFK / Aluminium. En liten serie med 6 Flairboats hade producerats av tidigare Botec Company.
TAF VIII-2: 4-sits tandem-airfoil Flairboat byggd av hel aluminium (2 enheter) och byggd av GRP (3 enheter)
TAF VIII-3: 8-sitsig tandem-flygplan Flairboat byggd av aluminium i kombination med GFK-delar.
TAF VIII-4: 12-sitsig tandem-flygplan Flairboat byggd av aluminium i kombination med GFK-delar också.
TAF VIII-3B: 6-sitsig tandem-airfoil-stilbåt under kolfiberkompositkonstruktion.

Större koncept är: 25-sits, 32-sits, 60-sits, 80-sits och större upp till storleken på ett passagerarflygplan.

Alla dessa tandem-airfoil flairbåtar är registrerade som motorbåt och klassificeras som typ A WIG. 1984 dekorerades Gunther W. Jörg med "Philip Morris Award" för framtida transporter. 1987 grundades Botec Company. Efter hans död 2010 fortsätter verksamheten av hans dotter och tidigare assistent Ingrid Schellhaas med hennes företag Tandem WIG Consulting.

Sedan 1980 -talet

GEV -motorer som utvecklats sedan 1980 -talet har i första hand varit mindre hantverk avsedda för fritids- och civila färjemarknader. Tyskland , Ryssland och USA har gett det mesta momentum en viss utveckling i Australien , Kina , Japan , Korea och Taiwan . I dessa länder och regioner har små fartyg upp till tio platser konstruerats och byggts. Andra större konstruktioner som färjor och tunga transporter har föreslagits, men har inte genomförts.

Förutom utvecklingen av lämplig design och strukturell konfiguration, utvecklas också speciella automatiska styrsystem och navigationssystem. Dessa inkluderar speciella höjdmätare med hög noggrannhet för små höjdmätningar och även mindre beroende av väderförhållanden. Efter omfattande forskning och experiment har det visat sig att " fasradiomätare " är mest lämpliga för sådana applikationer jämfört med laserhöjdmätare , isotropa eller ultraljudsmätare .

Med rysk konsultation studerade United States Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) flygplanet Aerocon Dash 1.6 .

En svävande

Universal Hovercraft utvecklade en flygande svävare, vars prototyp första gången tog flyg 1996. Sedan 1999 har företaget erbjudit planer, delar, kit och tillverkat hoverwing som kallas Hoverwing.

I Singapore har Wigetworks fortsatt utveckling och erhållit certifiering från Lloyd's Register för inträde i klassen. Den 31 mars 2011 blev AirFish 8-001 en av de första GEV: erna som flaggades med Singapore Registry of Ships, ett av de största fartygsregistren. Wigetworks har också samarbetat med National University of Singapore Engineering Department för att utveckla GEV: er med högre kapacitet.

I Korea har Wing Ship Technology Corporation utvecklat och testat en 50-sitsig passagerarversion av en GEV som heter WSH-500.

Iran utplacerade tre skvadroner av Bavar 2 GEVs med två platser i september 2010. Denna GEV bär ett maskingevär och övervakningsutrustning och innehåller funktioner som reducerar dess radarsignatur på liknande sätt som smygande. I oktober 2014 visade satellitbilder nya bilder av GEV på ett varv i södra Iran. GEV har två motorer och ingen beväpning.

Formgivarna Burt Rutan 2011 och Korolev 2015 har visat GEV -projekt.

Det estniska transportföretaget Sea Wolf Express planerar att lansera passagerartrafik 2019 mellan Helsingfors och Tallinn , en sträcka på 87 km som bara tar en halvtimme, med hjälp av en ryskbyggd ekranoplan. Företaget har beställt 15 ekranoplans med maximal hastighet på 185 km/h och kapacitet för 12 passagerare och de är byggda av ryska RDC Aqualines.

År 2021 meddelade Brittany Ferries att de funderade på att använda Regional Electric Ground Effect Naval Transport ground effect craft för cross English Channel -tjänster.

Se även

Fotnoter

Anteckningar

Citat

Bibliografi

Abramowski. Tomasz. "Numerisk undersökning av flygplan i markens närhet." Warszawa: "Teoretisk och tillämpad mekanik", 45, 2, 2007, s. 425–36.
Aubin, SY och John de Monchaux. Enkla sätt att studera markeffekter. EAGES 2001 International Ground Effect Symposium. Toulouse, Frankrike, juni 2001.
Fishwick, S. Lågflygande båtar. Thorpe Bay, Southend-on-Sea, Essex, Storbritannien: Amateur Yacht Research Society, 2001. ISBN 0-85133-126-2 .
Forsberg, Randall. Arms Production Dilemma: Contraction and Restraint in the World Combat Aircraft Industry . Boston: MIT Press, 1995. ISBN 978-0-262-56085-6 .
Garnison, Peter . "Snabbare än en båt." Flyger , september 2011.
Gunston, Bill. The Osprey Encyclopedia of Russian Aircraft . Oxford, Storbritannien: Osprey, 2000. ISBN 978-1-84176-096-4 .
Hirschel, Ernst Heinrich, Horst Prem och Gero Madelung. Aeronautisk forskning i Tyskland: Från Lilienthal fram till idag. Berlin: Springer-Verlag och Heidelberg GmbH & Co. K., 2003. ISBN 978-3-540-40645-7 .
Komissarov, Sergey och Yefim Gordon. Sovjetiska och ryska Ekranoplans . Hersham, Storbritannien: Ian Allan Publishing, 2010. ISBN 978-1-85780-332-7 .
McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical terms . New York: McGraw-Hill Professional, 2002. ISBN 978-0-07-042313-8 .
Nebylov, Prof.AV Ekranoplanes: Kontrollerad flygning nära havet. Southampton, Storbritannien: WIT Press, 2002.
Rozhdestvensky, Kirill V. Aerodynamik i ett lyftsystem i extrem markeffekt . Berlin: Springer-Verlag och Heidelberg GmbH & Co. K., 2002. ISBN 978-3-540-66277-8 .
Sharan, Sukrit (Aerospace Trainee från Indien). "Komplexa algoritmer för parametrar Mätsystem för rörelse nära havet." IX Conference for Young Scientists ", CSRI-ELEKTROPRIBOR, Sankt Petersburg, Ryssland, mars 2007.
Sharan, Sukrit (Aerospace Trainee från Indien). "Kvalitetsmätningskriterier för flyg nära havsytan." Seminarium om luftfart och rymd , University of Aerospace Instrumentation, Sankt Petersburg, Ryssland, 9–13 april 2007.
En översikt över WIG -fordon för militära operationer (teknisk rapport). RTO teknisk rapport. TR-AVT-081. North Atlantic Treaty Organization (NATO), Research and Technology Organization (RTO), Applied Vehicle Technology (AVT) Panel, Task Group AVT-081. December 2006. doi : 10.14339/RTO-TR-AVT-081 . OCLC 1085143242 . Lay sammanfattning .

Languages

In other projects