Eredeti megjelent:
Haditechnika
1993. 2.szám 2-7. old.
Óvári Gyula
mérnök őrnagy,
főiskolai docens
Ekranoplánok polgári
és katonai alkalmazhatósága
A hetvenes években kirobbant energiaválság, az egyre szigorodó
környezetvédelmi előírások új prioritásokat, a korábbiaktól minőségileg is
különböző követelményeket állítottak a konstruktőrök elé. Ennek egyik
eredményeként korábban elvetett tervek, műszaki megoldások kerülhettek újból az
érdeklődés középpontjába, mivel a megváltozott körülmények között immár
rentábilisnak bizonyultak. Ezek sorában értékelték át az ekranoplánok,
mint a nagy tömegű terhek, közepes és nagy távolságú, olcsó, légi szállításra
alkalmas repülőeszközök előállításának és alkalmazásának lehetőségét.
A nemzetközi
szaknyelvben leginkább használatos ekranoplan
elnevezés a francia ecran (ernyő,
vetítővászon) szóból származik, és a légi jármű azon repülési sajátosságára
utal, hogy valamely sík, választófelület (víz, földfelszín) közelében képes
gazdaságosan haladni. Angol nyelvterületen e fogalmat jelöli még-hasonló
értelmezéssel-a WIGE mozaikszó is, mely a wing-in-ground-effect
kifejezésből származik. A Magyar Repülési Lexikon határfelület- vagy
párnahatás-repülőgépnek nevezi ezeket a repülőeszközöket (I. kötet, 373.
oldal). (az archiváló megjegyzése: az
internetes keresőkben a ground effect,
illetve a ground effect vehicle keresési feltételekkel kapható a legtöbb ekranoplánokkal foglalkozó web-oldal)
1. Az ekranoplánok aero- és
hidrodinamikai sajátosságainak, stabilitási tulajdonságainak, valamint
szerkezeti kialakításának kölcsönhatása
Az ekranoplánok közvetlenül a vízfelszín
(esetleg sima földfelszín) felett, a párnahatást hasznosítva repülő speciális
légi járművek. A párnahatás jelensége, illetve a repülés egyes fázisaiban (le-, felszállás, túlterhelve haladás stb.)
alkalmazása nem új keletű, hiszen már a '20-as években ismerték és a
gyakorlatban is hasznosították. Lényege az, hogy közvetlenül a (föld-, víz-) felszín
felett haladva a repülőgép szárnyán keletkező felhajtóerő
nő, a légellenállás (FX) pedig csökken. A
felhajtóerő növekedését az okozza, hogy a felszín közvetlen közelében, amikor
a repülési magasság (H) kisebb, mint a szárny húrhossza (h), vagyis H<h, a szárny alsó felületén
nagyobb lesz a nyomásnövekedés (Pa,2), mint H>h magasságban (Pa,1) repülve. Így az alsó
és felső szárnyfelület nyomáskülönbsége (azaz a felhajtóerő) is növekszik (1.
ábra):
Ez arányaiban úgy
érzékelhető, hogy amíg a hagyományos repülőgépen létrejövő felhajtóerő
70-80%-ban a szárny feletti nyomáscsökkenés következménye, addig ekranoplán esetében ugyanez 50-60%-ban a szárny alatti
nyomásnövekedés eredménye.
A járulékos nyomásnövekedés (Pa,2) további kedvező következménye, hogy
szinte teljesen megakadályozza a szárnyprofilt elhagyó áramlás lefelé való
elfordulását, ezáltal a homlokellenállás (FX) 50-60%-át kitevő
induktív ellenállás (FX,i) sem jön létre. Mindezek
eredményeként a-felhajtóerő és légellenállási erő hányadosaként értelmezett,
aerodinamikai (gazdaságossági) minőséget kifejező - jósági szám (K = Fy / Fx)
értéke a 20-40-et is elérheti. (Összehasonlításul egy korszerű, szubszónikus utasszállító repülőgépnél ez számított
üzemmódon 15-17 körül van.) A K nagyságát - adott
húrhosszúságú , (h) szárny esetében - alapvetően repülési magasság (H)
határozza meg (2. ábra),
vagyis minél közelebb halad az ekranoplán a
felszínhez, annál nagyobb lesz a jósági szám (pl. ha H értéke 0,5-ről 0,1-re
csökken, K a kétszeresére növekszik). A biztonságos repülés érdekében azonban
nem célszerű a repülés minimális magasságát Hmin
= 1-3 m alá csökkenteni (terepakadály,
hullámzó vízfelszín stb. miatt). Így a gép aerodinamikai sajátosságai
figyelembevételével (vagyis H = 1,3 m és H = 0,1-0,2!)
úgy biztosíthatók, ha a szárny szerkezetileg:
- nagy húrhosszúságú (és
ebből adódóan a többi geometriai mérete is nagy)
-a törzs alsó részéhez
van rögzítve
-lehetőleg szárnyvégzáró lappal (winglettel)
is fel van szerelve (ami 30-50%-kal is növelheti K értékét; lásd 2.ábra, 1-es görbe)
Mindezek alapján az is
belátható, hogy a fenti jellemzőkkel rendelkező ekranoplánok
biztonságos üzemeltetéséhez a nagy szabad vízfelületek kínálják a
legmegfelelőbb alkalmazási területet.
A szárny karcsúságának λ = I2/A növelése is növeli a jósági számot (K). (Itt I-fesztávolság, A-szárnyfelület.)
E sajátosság azonban az ekranoplánoknál alig
hasznosítható, mivel a közvetlenül vízfelszín felett haladó légi jármű
szárnyvégei már viszonylag kismérvű bedöntés (bedőlés) esetén is a vízbe
vetődhetnek. Ebből adódóan fesztávolságuk és az ezzel összefüggő karcsúságuk is
kicsi lesz (λ = 1-3), ami a légi üzemeltetés
gazdaságosságát rontja (3. ábra).
A többi vízi, vízfelszíni járművel összehasonlítva
az ekranoplánoknál kedvező (M«1-nél),
hogy a haladási sebesség növekedésével sem csökken aerodinamikai jóságuk (4.
ábra).
A vízfelszínről induló és érkező ekranoplánok sárkánya hidrodinamikai követelményeknek is
meg kell feleljen. Ezek közül első a törzs jó
úszóképességének és megfelelő billenésbiztonságának fenntartása úgy, hogy a
gép könnyen elemelkedhessen a vízfelszínről. Ez utóbbi azért jelent
nehézséget, mert szerkezeti megoldástól függetlenül valamennyi ekranoplán (de sikló- vagy szárnyashajó) nekifutásakor, a
kiemelkedési sebesség 40-60%-ánál ugrásszerűen megnő a hidrodinamikai
ellenállás. A vízfelszínről történő elemelkedést több műszaki megoldással
könnyítik:
- hagyományos szárnymechanizációt
(féklap, fékszárny, határréteg-vezérlés, orrsegédszárny
stb.);
-víz alatti szárnyfelületeket (8. ábra);
- bevonható siklótalpakat;
-felszállás idejére „a" szöggel elfordított
légcsavar, vagy a gázturbinás hajtómű szárny alá injektált gázait (5. ábra és
vö. 7. és 8. ábrákkal);
- a törzs alatt külön hajtóművel létesített
légpárnát (9. ábra) alkalmaznak.
Az ekranoplánok hajtómű-elhelyezése
konstrukciósan is meg kell akadályozza, hogy a
szívócsatornába víz kerüljön, vagy a légcsavarlapátok végei a vízbe verődjenek.
Ezért általában a hajtóműveket jóval a sárkány építési
vízszintese fölé helyezik el (6., 8., 9., 11., 12. ábrák).
Az ekranoplánok
stabilitási jellemzői több tekintetben hasonlóak a hagyományos repülőgépéhez.
A hossztengelyük (x) körüli bedőlés során (H<h esetén) statikusan stabilak. Ez a 2., illetve 3. ábra alapján könnyen belátható, mivel a
süllyedő szárnyon (félszárnyon) ugrásszerűen nő, míg az emelkedőn hasonló
mértékben csökken a felhajtóerő. Lényegesen bonyolultabb a statikus
hosszstabilitás kérdése, amit a tömegközéppont (XsP)
és az aerodinamikai centrum (XAC) kölcsönös helyzete, XSP- XAC
különbsége határoz meg. Ebből XsP rendszerint állandó
értékű, XAC helyzetét- a hagyományos repülőgépekétől eltérően, ahol
ezt csak a szárny állásszöge befolyásolja- az ekranoplánoknál
az állásszög (α) és a repülési magasság (H<h tartományban) együttesen határozza meg. Ebből
adódóan az ekranoplán szárnyán az AC-tengelyt úgy kell elhelyezni, hogy a légerőváltozások hatására a gép megőrizze stabilitását.
A témára
vonatkozó kutatások bebizonyították, hogy e követelményeknek a sárkány fő
funkcionális elemeinek (szárny, winglet, törzs,
vezérsíkok, úszók) célszerű kiválasztásával, illetve összeállításával lehet
eleget tenni. Az így kialakított szárny úgy működik, mintha két AC-tengely lenne rajta: egyik a tömegközépponthoz közelebb (XAC,H), az itt ható légerő a magasság szerint stabilizál,
a másik a tömegközépponttól valamivel távolabb (XAC,α),
ez az állásszög szerinti stabilitást biztosítja. Azaz, például a külső zavarás
hatására bekövetkező magasságcsökkenéskor a felhajtóerő megnövekszik az XAC,H pontban, ami a gépet visszaemeli az eredeti
repülési magasságra, de közben járulékosan el is fordítja a kereszttengelye
(z) körül, az állásszög-csökkenés irányába. Ennek következményeként viszont XAC,α pontban lecsökken a légerő, ami faroknehéz nyomatékot eredményez, így már az eredeti
repülési magasság stabilizálásához szükséges állásszöget is visszanyeri a gép.
A „kettős" AC-tengely kialakítására speciális
profilú és felülnézeti alaprajzú, vastag tőprofilú, wingletes
szárny, illetve a párnahatás alkalmazásával nyílik lehetőség. E konstrukciós
elvek megvalósítására egyaránt példaként szolgálhat a 6. a. ábrán
látható hagyományos sárkánykialakítású ekranoplán
(NSZK), illetve a (szovjet) kísérleti csupaszárny ESZKA-1 gép (6. b. ábra).
A 6. ábrán látható megoldásokhoz
hasonlóan az eddig megépült (és ismertté vált) kb. 20 különböző típusú ekranoplánt többségében légcsavaros hajtóművekkel
szerelték fel, mivel ezek hatásfoka v = 200-550 km/ó sebességtartományban
jobb, mint a gázturbinás sugárhajtóműveké.
A hajtóművek,
légcsavarok kényszerű, vízfelszíntől távoli, magas elhelyezkedése következtében
a vonó-, illetve tolóerővektor is eltávolodik a gép építési vízszintesétől. Így minden hajtóműüzemmód-változás
(gázadás vagy levétel) megbontja a kereszttengely (z) körüli nyomatéki
egyensúlyt, ami csak a külső kormányszervek kitérítésével kompenzálható.
2. Az ekranoplánok gazdaságos és hatékony alkalmazásának
lehetőségei
Az ekranoplánok polgári és katonai területen
egyaránt jól hasznosíthatók, mindenekelőtt nagy tömegű terhek (fegyverzet) és
(vagy) utasok (deszant) közepes, illetve nagy távolságra történő szállítására.
A vízfelszín felett minimálisan szükséges
magasságban haladó, nagy geometriai méretű ekranoplánok
sárkányának két változata valószínűsíthető:
- hagyományos repülőgép-építésű megoldás, amelynél a hajtóművek a törzs
első részére kerülnek (8. a. ábra). Ezek a szöggel történő elfordításával felszálláskor légpárna
hozható létre;
- a „szárnytörzsű" ún. „spanloader"
kialakítás (7. és 8. b. ábrák), amelynél az egyszerűbb
építés érdekében a törzs funkcióit-annak teljes vagy részleges hiánya miatt-a
szárny veszi át.
A két változat összehasonlító vizsgálatához jól
hasznosítható az 1. táblázat (mely a
Lockheed-Georgia kutatási eredményei alapján készült).
Az 1. táblázat negyedik oszlopában (Δ,%)
az összehasonlítás százalékos eltérései találhatók (a hagyományos sárkánykialakítású
ekranoplán adatait 100%-nak véve).
A felsorolt jellemzők (mindenekelőtt a N° 13) alapján megállapítható,
hogy a hagyományos sárkánykialakítás hatékonyabb a spanloadernél.
A spanloader kisebb szállítási hatékonysága alapvetően
- még hagyományos repülőgép-felépítésű ekranoplánhoz
képest is - kis szárnykarcsúságával (1. táblázat N° 4) magyarázható. Ennek az az oka, hogy míg a hagyományos sárkánymegoldásnál csak a
kis magasságon végrehajtott bedöntés (bedőlés) biztonságát kell figyelembe
venni, addig a szárnyban történő teherelhelyezés esetén, az előbbi mellett a
hossztengelyre vett tehetetlenségi nyomaték
megengedett maximuma miatt is korlátozni kell a fesztávolságot.
Repülőgép-kialakítású sárkánnyal rendelkező ekranoplán
(9. ábra), valamint korszerű szállítóhajó és szállító repülőgép (B747-200F)
gazdaságossági mutatóinak összevetéséből további következtetés vonható le a
hatékony alkalmazásra. Az összehasonlítást az ekranoplánok
várható ezredforduló utáni széles körű felhasználása miatt hagyományos
kerozinos (Jet A), valamint
cseppfolyósított H2-vel üzemelő hajtóműves konstrukcióra egyaránt
elvégezték (2. táblázat). (Néhány szakcikk eleve kétségbe vonja a különböző
kategóriájú szállító járművek gazdaságossági összehasonlíthatóságát a teherszállítási
hatékonyság alapján.)
A 9. ábrán látható repülőgép a felszíni párnahatás nélkül H = 6 km
magasságban, hagyományos repülőgépként v = 480 km/h sebességgel, L = 2200 km
távolságot tehet meg. [Ekranoplánként H = 6-9 m-en, K
= 25, v = 231 km/h, a hatósugár R = 6382 km(!)]
A táblázat adataiból megállapítható,
hogy a hajó gazdaságossága messze meghaladja bármelyik légi járművét (2.
táblázat, N° 6). A nagy távolságú, rövid határidejű szállításoknál
(pl. 24 óra alatt 5500 km), vagyis transzkontinentális utakra azonban az ekranoplánok szerepe meghatározó lehet.
Az ekranoplánok
gazdaságossági mutatóit a hagyományos repülőgépekhez képest tovább javítják a
kisebb fajlagos gyártási költségek. Az egyszerű, kis sebességű, sok szabályos
geometriai alakzatból felépülő, azonos keresztmetszetű elemet tartalmazó
sárkány 1 kg szerkezeti tömegének előállítása több mint 30%-kal olcsóbb, mint
egy szubszónikus szállítógépé.
3. Az ekranoplánok
katonai alkalmazásának és fejlesztésének lehetőségei
Kis fajlagos üzemköltségük és a hajókét
nagyságrenddel meghaladó sebességük mellett az ekranoplánok
katonai alkalmazását felderítő- és megsemmisítő eszközökkel szembeni
viszonylagos természetes védettségük is indokolja. A közvetlenül vízfelszín
felett haladó, felépítmény nélküli, „lapos" légi jármű felderítése
hajóról, tengeralattjáróról igen nehéz. A torpedóval való megsemmisítésük
gyakorlatilag nem lehetséges, de „hajó-hajó" kategóriájú rakétával is
csak korlátozottan valósítható meg. Ez utóbbi tulajdonságok következtében célszerű
lehet - az egyébként kevésbé hatékony - kisméretű őrjáratozó, szállító ekranoplánok létrehozása is. Ilyeneket állított hadrendbe
1977-ben, X-114 jelöléssel a Bundeswehr (6. a. ábra). A hat személy szállítására alkalmas légi járművek a
szárazföld felett 800 m-es magasságig emelkedhetnek. A gép főbb adatai a 3.
táblázatban találhatók.
Az ekranoplánok
fejlesztésében - egybehangzó nyugati szakvélemények szerint is- legkiemelkedőbb
eredményeket a volt Szovjetunió (Pacsenkov és Alekszejev vezette) tervezőirodái érték el. A grandiózus
fejlesztési elképzelésekről a 10. ábra alapján nyerhető kép.
A bekövetkezett
politikai és gazdasági változások ugyan sok tekintetben kérdésessé teszik a
folytatást, a 10. ábrán látható Orlan (Orljonok) fantázianevű, hatalmas légi jármű megléte azonban
már így is évek óta létező realitás.
A hivatalosan A-90-150 tí pusjelű, 110 t normál-,
illetve 125 t maximális felszállótömegű ekranoplán (11. ábra) hasznos terhelhetősége 28 t, vagyis
25 m hosszú, 3,3 m széles, kétszintes fedélzetén 300
utas szállítható, 400-500 km/h-s sebességgel, 2000 km távolságra. A gép hossza
58 m, fesztávolsága 31,5 m, magassága 16 m. A haladáshoz szükséges vonóerőt egyetlen - az
An-22-ről és a Tu-114-ről már ismert - a nyilazott „T" vezérsíkon
elhelyezett, koaxiális légcsavarokat forgató, 11 033 kW (15 000 LE) maximális
teljesítményű NK-12M gázturbinás hajtómű adja. A vízből történő
kiemelkedést és a gyorsítást két, a gép orr-részében elhelyezett (Tu-154 és 11-62M repülőgépeken használatos) NK-8-2 gázturbinás
hajtómű segíti. A vízfelszín felett 4-5 m magasságban repülő légi járművet 5
főnyi személyzet irányítja. Az eddig megépült 10 gép katonai változatain a
repülőgépvezető-fülke mögött - külön toronyban - 41 mm-es gépágyút helyeztek
el, a tehertér SS-20 típusú rakéták befogadására (indítására?) is
alkalmas.
A konstrukció életképes voltát
bizonyítja, hogy közös amerikai-orosz vállalat alakult ekranoplánok
gyártására. A fejlesztés becsült költsége 15 milliárd USD. Elsőként az
A-90-150 gyártását kívánják beindítani neves amerikai cégek bevonásával. A
tervek szerint a Lockheed és a General Dynamics szerkezeti elemeket, a Pratt
and Whitney, valamint a General Electric hajtóműveket
szállítana.
A nagy geometriai
méretű katonai ekranoplánok létrehozását más amerikai vállalatok is fontolgatják. A 12. ábrán egy, a Grumman cég által javasolt, csupaszárny rakéta-cirkáló vázlatrajza
látható. A két, légcsavaros, gázturbinás hajtóművet a függőleges vezérsíkokkal
közös blokkban (3) kívánják elhelyezni, így is javítva azok hatékonyságát. A
magassági kormány (4) a törzs hátsó részére kerül, csűrőként a repülés közben
differenciáltan fel-le mozgatható szárnyvégzáró lapok
(5) szolgálnak. A vízfelszínről történő felemelkedéshez külön hajtóművek hoznak
létre légpárnát, ezek kompresszorához zsalus szívótorokkal (2) vezethető a
levegő. A rakétafegyverzetet a vezetőfülke (1) két oldaán
lévő zárt konténerekben (6) szállítják.
A felsoroltakon
kívül előtervek készültek még deszantszállító,
tengeralattjáró-elhárító és repülőgép-szállító ekranoplánok
létrehozására is. Az utóbbi 20-30 könnyű, vadász- vagy felderítő repülőgépet
szállíthatna. A nagy maximális haladási sebesség következtében (v = 250-300
km/h) a szállított (hagyományos) repülőgépek fel- és leszállásához nem lenne
szükség nekifutási (kigurulási) pályára, így fedélzeti indító, elfogó-fékező
berendezésekre sem.
Arra a kérdésre, hogy a megismert előnyök valóban
elégségesnek bizonyulnak-e az ekranoplánok széles
körű elterjedésére, már az elkövetkező évek adják meg a feleletet.
Irodalom:
1. Ando Shigenori:
Kritikai körkép a szállító ekranoplánok korszerű fejlesztési koncepcióiról. Journal Japan Soc. Aeronaut.
and Space Sci., 1990. 99. sz. 28-40. old.
2. Ando Shigenori: Az ekranoplánok
repülési távolságának számítása. Journal Japan Soc. Aeronaut. and Space Sci., 1990. 440. sz. 50-54. old.
3. Belavin, N.
1.: Letejuscsije korabli. Moszkva, Izdatjelsztvo Doszaf, 1983.
4. Dressel, Joachim - Griehl, Manfred: Flugzeuge
und Hubschrauber der Bundeswehr. Stuttgart, Motorbuch Verlag, 1990. p. 248-249.
5. Dodds,
Henry.~ Secrets of a Soviet skimmer emerge at last.
Interavia, 1991. 10. sz. p. 7.
6. Ekranoplánok.
Mitsubishi Dzuko Giho, 5.
sz. 475-477. old. 7. Elliot, Simon: UTVA launched WIG ekranoplan. Flight Internatinal, 1990. 4238.
sz. p. 17.
8. Gaines, Mike:
USA joins Russia on wingship. Flight
International, 1992. március 11-17. p. 5.
9. Lange, Roy H.: Review
of unconventional aircraft design concepts. Journal
Aircraft, 1988. 5. sz. p. 385-392.
10. Óvári Gyula: A légi járművek gazdaságosságát és manőverezőképességét
javító sárkányszerkezeti megoldások. (Főiskolai jegyzet) Szolnok, KGYRMF,
1990. 293-303. old.
11. Velovich, Alexander:
Soviet navy tests „Ekranoplan". Flight International, 1992.
január 15-21. 12. old.
Óvári Gyula
♣ Archiválta SRY 2005 szeptember
02. ♣ CANON LiDE system
♣ Microsoft Word ♣ SRY MODELL 2005