Проектирование поплавков гидросамолетов

Противоречивые требования к конструкции поплавков гидросамолетов вынуждают прибегать к компромиссу при выборе формы поплавков.

По степени важности эти требования располагаются следующим образом:

• хорошие гидродинамические качества и остойчивость
• по возможности малое лобовое сопротивление

Пользуясь соответствующими коэффициентами, полученными из статистики поплавков существующих удачных самолетов различных типов можно избежать значительной доли экспериментальной работы и быстро построить необходимые обводы поплавка.

Для этого требуется знание следующих коэффициентов:

• a - коэффициент полноты мидельшпангоута
• b - коэффициент полноты ватерлинии
• c - коэффициент полноты водоизмещения
• d - коэффициент линейных отношений
• e - коэффициент моментов инерции

Значение a равно отношению площади сечения мидельшпангоута поплавка к площади описанного прямоугольника ABCD



Значение b равно отношению площади ватерлинии поплавка к площади описанного прямоугольника EFGN



Значение c равно отношению обьема поплавка к обьему описанного прямоугольного параллелепипеда.

Значение d: если L - полная длина поплавка, B - наибольшая ширина, H - наибольшая глубина, то H должно равняться 1,13B, а L должно равняться 8B.

Это соотношение задает пропорции современного поплавка двухпоплавкового гидросамолета с закругленной палубой, V - образным днищем и с одним реданом, расположенным примерно посередине поплавка.

Закругленная палуба является наиболее распространенным типом конструкции благодаря прочности сечения и хорошему стоку воды с верхней части поплавка. В тех случаях, когда это бывает необходимо, можно сделать дорожку для хождения по верхней части поплавка.

Редан должен быть расположен вблизи от центра тяжести самолета, так как при взлете самолет скользит по поверхности воды на редане, и если он находится далеко от центра тяжести, возникают большие дифферентирующие моменты.

Назначение редана состоит в том, чтобы оторвать поток от задней части днища и тем самым уменьшить подсасывание и водяное сопротивление.

V - образная форма глиссирующей части днища уменьшает удар при посдке, почему ей отдается предпочтение перед плоской, несмотря на то, что плоская форма днища меньше прилипает к поверхности воды.

Для вышеуказанного типа поплавка коэффициент полноты мидельшпангоута - 0,75, коэффициент полноты ватерлинии - 0,68, коэффициент полноты водоизмещения - 0,47.

Данные выше коэффициенты представляют собой средние значения для целого ряда самолетов. Пользуясь этими коэффициентами можно получить достаточно хорошие обводы и пропорции поплавка.

Способ построения обводов поплавка тот же, что и в кораблестроении, разница заключается лишь в значении коэффициентов, применяемых для гидросамолетов.

Пользуясь этими коэффициентами и принимая угол V глиссирующей части днища равным 30 градусам, легко найти сечение мидельшпангоута, соответствующее коэффициенту полноты в 0,75, проверяя площадь.

Вогнутая часть днища напоминает носовую часть торпедоносцев и легких крейсеров. Она выполняет два назначения: уменьшает угол наклона брызг и увеличивает продольную остойчивость.

Далее следует построить килевую линию, причем килевая линия кормовой части поплавка представляет собой прямую, образующую с горизонталью угол около 7 градусов. Скуловая линия в кормовой части точно так же представляет собой прямую, переходящую у самой кормы в кривую для соединения с килевой линией.

Необходимая высота редана зависит от взлетной скорости самолета. По мере уменьшения взлетной скорости высоту редана следует увеличивать. В среднем высота редана равна 1/13 ширины поплавка.

Сечения шпангоутов передней части поплавка должны быть подобраны таким образом, чтобы центр водоизмещения был расположен впереди редана, поплавки не зарывались носом в воду.

Верхняя часть поплавка обычно горизонтальна по всей его длине. Для улучшения аэродинамических качеств поплавки могут быть сигарообразной формы. Однако считается, что использование этой формы поплавков для нескоростным самолетов нецелесообразно.

Угол килеватости в 30 градусов, взятый для мидельшпангоута возрастает к носу до 40 градусов, а в корме - до 35.

Теперь можно считать, что сечения поплавка, дающие требуемый его обьем построены, грузовая ватерлиния определена и форма его дана в плане для сравнения, насколько близко она подходит к желаемому коэффициенту полноты.





Кроме хороших взлетных качеств от гидросамолета требуется достаточная остойчивость на воде.

Ниже приводится пример расчета статической остойчивости:

На следующей схеме показан самолет, наклоненный под небольшим углом, на который действует две равные силы:

• Вес, приложенный к центру тяжести и направленный вниз по перпендикуляру к ватерлинии.
• Гидростатическая подьемная сила, проходящая через носовой чентр величины, т. е. через центр плавучести самолета в наклоненном положении и направленная вверх по перпендикуляру к ватерлинии.
  
  

Когда самолет наклонен, общий обьем поплавков, погруженный в воду остается постоянным, но меняется его форма, так что центр тяжести обьема поплавков, погруженных в воду, также перемещается от B к B₁.

Точка M, где вертикаль, проходящая через B₁ пересекает центральную линию самолета называется поперечным метацентром.

Если теперь мы проведем некоторую линию GZ, перпендикулярную вертикали, проходящей через B₁, то тогда все равные силы 1 и 2 будут действовать на плечо GZ и момент, стремящийся вернуть самолет в прежнее положение бует равен D(GZ).

Для небольших углов крена (примерно 8 градусов) можно считать что расстояние между точками G и M не меняется и следовательно восстанавливающий момент или момент статической остойчивости равен D(GM)sin

Если точка M будет лежать ниже точки G, то результирующий момент будет стремиться перевернуть самолет.

Не стоит думать, что большая метацентрическая высота улучшает самолет. Большая метацентрическая высота вызывает большие восстанавливающие моменты, стремительность угловых перемещений и делает самолет очень чувствительным к любой волне из за слишком большой остойчивости. Поэтому при проектировании стремятся свести величину (GM) к минимуму, обеспечивающему безопасность и удобство плавания.

по материалам:
И. Мунро "Проектирование и расчет гидросамолетов"