Razvoj i tehničke osobine lebdećih vozila

Konačno, oba krajnja gledišta su nepravilna. Lebdeća vozila, po svojim osnovnim parametrima, zauzimaju mesto između aviona i helikoptera, sa jedne strane, i automobila i brodova, sa druge strane, i imaju potpuno odgovarajuću mogućnost primene uporedo sa postojećim transportnim vozilima. Na dijagramima slika 1, 2, 3 i 4 pokazano je tačno mesto lebdećeg vozila u odnosu na ostala transportna sredstva.

Sa dijagrama slike 1 vidi se da potrebna snaga po jedinici težine lebdećeg vozila ispunjava prostor između brodova i železnice, sa jedne strane, i helikoptera, sa druge strane.

Slika 1. Potrebna snaga po jedinici težine u funkciji brzine

Sa dijagrama slike 2 vidi se da je potrebna snaga lebdećeg vozila po putniku mnogo manja nego snaga koju zahtevaju helikopter i avion.

Slika 2. Potrebna snaga po putniku u funkciji putne brzine

Sa dijagrama slike 3 vidi se da je cena koštanja prevoza lebdećim vozilom ista kao i cena prevoza autobusom, dok je daleko niža od cene prevoza avionom, helikopterom pa čak i od I i II razreda železnice.

Slika 3. Cena koštanja prevoza u funkciji maksimalne brzine (1 autobus; 2- II razred železnice; 3 - I razred železnice; 4- vazduhoplovi (helikopteri i preko dva puta više); A - lebdeća vozila (na šinama) ako izgradnja trase po 1609 m košta 7,000.000 N. D.; B - lebdeća vozila (na šinama) ako izgradnja trase po 1609 m košta 3,500.000 N. D.)

Prema tome, pri primeni lebdećih vozila, osnovni značaj ima njihova prohodnost, mogućnost kretanja velikom brzinom po putevima bez čvrstog pokrivača, zabačenim mestima, obrađenim poljima i preko vodenih pregrada bez mostova, tj. minimalni troškovi za izbor i opremu trase.

Slika 4. Vreme u funkciji odstojanja

Princip rada lebdećih vozila

Lebdeća vozila ostvaruju novi, četvrti princip letenja, koji se razlikuje od poznatih principa (balona, aviona ili helikoptera, rakete) time, što se najveći deo sile uzgona, koji održava vozilo nad tlom, stvara pomoću viška statičkog pritiska između dna vozila i površine tla. Po principu rada, lebdeća vozila koriste efekat blizine zemlje, čime se suštinski razlikuju od drugih letelica, za koja taj efekat ima drugostepeni značaj i ispoljava se samo pri poletanju ili sletanju. Odsustvo mehaničkog kontakta sa tlom definiše osnovna preimućstva lebdećih vozila (visoka brzina i prohodnost na bilo kom terenu, a takođe i nad vodom) nad običnim transportnim vozilima.

Prema principu rada poznata lebdeća vozila možemo podeliti na četiri osnovne grupe.

Kod prve grupe (slika 5) ventilator potiskuje vazduh u centralni deo lebdećeg vozila. Ovaj vazduh izlazi kroz uski procep između površine terena i dna lebdećeg vozila na sve strane. Pritisak pod lebdećim vozilom se održava samo usled viskoznosti vazduha (trenja pri prolasku vazduha kroz procep) i kontinualno opada od pritiska koji stvara ventilator do okolnog spoljnjeg pritiska. U suštini, kod ove šeme između lebdećeg vozila i tla obrazuje se vazdušno ležište, koje je slično onome koje se primenjuje kod nekih pribora i strugova i koje normalno radi samo pri vrlo malim zazorima, u datom slučaju visinama lebdenja (realno reda veličine nekoliko milimetara).

Slika 5. Šema lebdećeg vozila - Vazdušno ležište

Očigledno je da se lebdeće vozilo takvog tipa može primeniti samo na specijalno profilisanim i obrađenim putevima ili šinama, a kao lebdeće vozilo koje se kreće po svim terenima ne može se koristiti.

Komorna šema. Po ovoj šemi ventilator potiskuje vazduh u komoru ispod lebdećeg vozila u kojoj se stvara natpritisak. Rastojanje ivica komore od tla određuje visinu lebdenja lebdećeg vozila. Hidrodinamički parametri komorne šeme (dinamički pritisak, protok i snaga ventilatora) određuju se vrlo prosto i mogu se koristiti za ocenu drugih lebdećih vozila pri istim uslovima.

Slika 6. Komorna šema lebdećeg vozila

Danas je najviše rasprostranjena strujna (tzv. mlaznička) šema. Na osnovu te šeme, koju je razradio Kokerel 1956. godine u Engleskoj, Englezi su napravili eksperimentalni »Hoverkraft«, koji je u julu 1959. godine prešao kanal Lamanš. Po istoj šemi napravljen je najveći broj drugih eksperimentalnih vozila.

Slika 7. Strujna (mlaznička) šema lebdećeg vozila

Natpritisak pod lebdećim vozilom stvara se i održava pomoću strujne zavese, koja se obrazuje pri isticanju vazduha kroz procep mlaznik na periferiji lebdećeg vozila. Interesantno je podvući, da je u datom slučaju našla novu primenu poznata ideja vazdušne zavese koja se koristila ranije kod raznih industrijskih objekata i u metalurgiji za izolaciju otvorenih vrata, ložišta i slično.

Kod strujne šeme lebdećih vozila, pored osnovne sile pritiska vazduha na dance, postoji još reaktivna sila uzgona struje vazduha koji ističe. Ova pojava predstavlja razlog za posebnu pažnju koja se posvećuje ispitivanju ovakvih šema lebdećih vozila. Može se pokazati da strujna šema u poređenju sa komornom šemom pri istim uslovima zahteva upotrebu ventilatora sa većim dinamičkim pritiskom, manjim protokom i manjom snagom. Znači, pri zadanoj težini, gabaritima i visini lebdenja najmanji utrošak snage zahteva lebdeće vozilo strujne šeme.

Poznat je veliki broj raznih strujnih šema od kojih su osnovne navedene na slici 8.

Slika 8. Razne strujne šeme lebdećih vozila

Najprostoja komorna šema (1) je data kao specijalan slučaj jednostrujne šeme (2) pri povećavanju perifernog mlaznika do veličine gabarita celog vozila. Kinetička energija struje vazduha koja ističe ispod vozila u šemi (1) i (2) (u suštini sav koristan rad ventilatora) u potpunosti se rasipa u okolni prostor.

Kod recirkulacione šeme (3) struja koja ističe deli se na dva dela. Jedan deo vazduha, kao i u šemi (1) i (2), ističe napolje, drugi, međutim, ide pod vozilo, odakle ga uzima dopunski - recirkulacioni ventilator i opet se koristi za stvaranje struje. U određenim uslovima obezbeđuje se smanjenje opštih utrošaka (gubitaka) snage na pokretanje ventilatora i protoka vazduha koji ističe ispod vozila (ova okolnost ima suštinskog značaja za smanjenje dizanja prašine i prskanja). Postavljanje recikulacionog ventilatora može se izbeći stavljanjem recirkulacione ejektorske šeme (3a), kod koje se recirkulacija vazduha ostvaruje pomoću ejektora koji radi na osnovnom toku vazduha.

Šeme (2) i (3) služe kao osnovni elementi šema složenijih lebdećih vozila. Dvostrujna šema (4) ima dva ventilatora ili jedan sa dva toka. Kod šeme (4a) spoljna struja se obrazuje pomoću ejektorskog dejstva unutarnje struje. Dvostrujna šema (5) je sa recirkulacijom spoljne struje. U zavisnosti od parametra ova lebdeća vozila mogu raditi u dve varijante: sa kružnom recirkulacijom (ucrtana strelica) i bez nje; labirintska šema (5a) u ovom slučaju nema ventilatora spoljne struje. Dvostrujna šema (6) sa recirkulacijom unutrašnje struje; ejektorska varijanta (6a). Dvostruka recirkulaciona šema (7); dvostruka ejektorska šema (7a).

Ejektorske recirkulacione šeme principijelno se ničim ne razlikuju od odgovarajućih ventilatorskih. U odnosu na njih imaju praktično preimućstvo. Konstruktivno su jednostavnije, jeftinije za pravljenje i imaju veliki vek rada u zaprašenom recirkulacionom toku. U isto vreme, ejektori u vezi sa specifičnostima svoga radnog procesa zahtevaju povećane gubitke snage u poređenju sa ventilatorima.

Šeme (8) i (8a) dobivene su pri recirkulaciji spoljne struje ka unutrašnjosti. Međutim,  recirkulacijom unutrašnje struje ka spoljašnosti dobijena je šema (9). Šema (9a) omogućuje da se ostvari automatska recirkulacija samo sa jednim osnovnim ventilatorom i bez ejektora.

Na kraju, za veće brzine kretanja kao efektivna se pokazala šema klizećeg krila (slika 9). Kod ove šeme silu uzgona stvara natpritisak ispod krila (čija je maksimalna vrednost jednaka dinamičkom pritisku okolnog vazduha u odnosu na lebdeće vozilo koje se kreće), kao i razređenje koje je nad njim. Vozilo se pokreće pomoću elise koja je ugrađena na trupu. Model takvog vozila je napravio i ispitao finski naučnik Kaario 1935. godine.

Slika 9. Šema klizećeg krila lebdećeg vozila

Moguće su takođe i međušeme lebdećih vozila date na slici 10.

Slika 10. Međušeme lebdećih vozila

Po šemi slika 10a na dancetu vozila postoji niz komora koje su postavljene jedna do druge i koje obrazuju labirintsko zaptivanje, koje doprinosi povećanju pritiska u centru lebdećeg vozila i približava komornu šemu ka šemi vazdušnog ležišta. Poznat je takođe niz drugih pokušaja da se usavrši komorna šema pomoću postavljanja raznih mehaničkih zaptivača, naročito za veće brzine kretanja.

Strujna šema lebdećeg vozila sa mlaznikom velike širine (slika 10b) bliska je komornoj šemi. Sve u osnovi statičke šeme (slika 5, 6, 7 i 9) pri kretanju dobijaju osobine klizećeg krila, u početku samo zbog stvaranja aerodinamičke sile uzgona, u vezi sa razređenjem na gornjem delu lebdećeg vozila, a zatim zbog probijanja okolnog vazduha u vazdušni jastuk.

Po šemi slike 10b, koju možemo smatrati međušemom između strujne šeme (slika 3) i šeme klizećeg krila (slika 9), ventilator koji koristi dinamički pritisak (slobodne struje), struje koja naleće stvara njegovu perifernu zavesu samo sa bočnih strana i pozadi lebdećeg vozila, koja se obrazuje pri kretanju sa računskom brzinom. Pri malim brzinama kretanja i u statičkim uslovima otvara se specijalan ventil na prednjem delu aparata i zavesa se obrazuje sa svih strana. Po šemi slika 10b vozilo se pokreće pomoću reakcije struje koja izlazi nazad.

Sama konstrukcija lebdećih vozila je specifična, pa njihovo razumevanje zahteva detaljniju studiju. Da bi se donekle mogao shvatiti sistem rada, razmotriće se samo njihove osnovne šeme.

Prvi model komornih lebdećih vozila je napravljen po šemi na slici 11a. Klipni motor pokreće ventilator (kod manje savršenih šema elisu) koji stvara pritisak pod lebdećim vozilom. Ventilator u isto vreme vrši i hlađenje motora.

Slika 11. Konstruktivne šeme lebdećih vozila

Zbog velikog utroška vazduha, koji je potreban za stvaranje vazdušne zavese, stavljanje jednog centralnog ventilatora i organizacija tokova vazduha kod strujnih lebdećih vozila izaziva značajnije konstruktivne teškoće. Zbog toga se primenjuju dva, tri pa čak i pet odvojenih ventilatora.

Interesantno konstruktivno rešenje je realizovano kod engleskog lebdećeg vozila »Kušenkraft« CC-1 (slika 11b i 12). To vozilo ima oblik kruga. Po krugu, neposredno nad mehanizmima, postavljeni su periferni ventilatori, koji se kreću pomoću frikcione ugaone predaje (pomoću automobilskog točka). Za stvaranje vuče koriste se horizontalne elise. Kao i kod bilo koje letelice, kod lebdećeg vozila veliki značaj ima težina motora. Postavljanje lakšeg motora, čak i ako ima veću specifičnu potrošnju goriva, može da bude celishodnije sa gledišta potrošnje goriva na jedinicu puta. Sa te tačke gledišta, za lebdeće vozilo nesumnjivu perspektivu imaju gasoturbinski i posebno dvoprotočni vazdušno-reaktivni motori. Jedna od mogućih šema primene takvog motora na lebdeće vozilo je pokazana na slici 11c.

Slika 12. Lebdeće vozilo »Kušenkraft« CC-1 (Cushioncraft)

Spoljnji pritisak vazduha se, kroz lopatični prstenasti difuzor, usmerava u periferni mlaznik. Gasovi osnovnog protoka koriste se za stvaranje potiska u reaktivnom mlazniku, čija se površina reguliše. Osa postavljenog motora je horizontalna. Da bi se maksimalno koristio dinamički pritisak slobodne struje vazduha pri kretanju lebdećeg vozila, postavljen je profilisani uvodnik. U tom cilju periferni mlaznik na prednjem delu aparata, kao i na šemi slika 11c, ima površinu koja se može regulisati.

Osnovni parametri lebdećih vozila

Osnovni parametri najpoznatijih lebdećih vozila dati su u tabeli 1. Lebdeća vozila čiji su gabariti isti kao gabariti automobila imaju relativno male mase (do 800 kg) i male visine lebdenja (do 30 mm). Od parametra koji služe za procenu u tabeli 1 dati su:

Bezdimenziona visina lebdenja:

gde je:
O - obim lebdelice po periferiji komore,
F - površina vozila (površina danceta na koju deluje natpritisak), 
h - visina lebdenja nad terenom.

Specifično opterećenje:

jednako pritisku u jastuku komornog aparata težine G.

Specifična snaga:

gde je P snaga neophodna za rad ventilatora.

Za najkarakterističnija lebdeća vozila ovi parametri se kreću u sledećim granicama:

h = 0,15-0,50
Pk = 51 -122 kg/m2
P = 67 -  212 KS/tona

Pri projektovanju postoji tendencija ka povećanju specifičnog opterećenja do 255 kg/m2.

Radi upoređenja, podvucimo da kod savremenih helikoptera parametar Pk, koji se naziva opterećenje na površinu diska rotora, predstavlja 10,2 - 25,5 kg/m2, a specifična snaga P_SP = 173,5 - 253 KS/t.

Iz ovoga sledi, da pri jednakoj težini već prva opitna lebdeća vozila imaju, na primer, dva puta manju snagu motora i zauzimaju četiri puta manju površinu, tj. imaju dva puta manje gabaritne dimenzije nego helikopter.

Kod automobila specifična snaga P_SP = 10-80 KS/t, tj. daleko manja nego kod lebdećeg vozila. Pri ovome, treba imati još u vidu da automobilski motor retko razvija maksimalnu snagu, dok u isto vreme kod lebdećih vozila, pri kretanju na računskoj visini lebdenja, motor mora raditi maksimalnom snagom.

Naročito je nepovoljno poređenje gabarita lebdećih vozila sa gabaritom automobila. Za teretne automobile parametar Pk je reda 1002 kg/m2. čemu odgovaraju približno 3-4 puta manji gabariti od gabarita lebdećeg vozila iste težine.

O velikom interesovanju koje se javlja za lebdeća vozila možemo suditi na osnovu eksperimentalnih vozila. O tome takođe svedoče meterijali konferencije održane 1960. godine na Prinstonskom univerzitetu (SAD).

Ova kratka razmatranja pokazuju da su lebdeća vozila na savremenom nivou razvitka, po svojim osnovnim parametrima, bliže helikopterima, nego nadzemnim vozilima i brodovima, te ih treba razmatrati kao letelice vezane za površinu tla. Drugi, praktično ne manje važan problem predstavljaju poteškoće u vezi sa stvaranjem prašine i prskanjem, što utiče na okolne predmete i ljude i što pri maloj brzini kretanja otežava osmatranje puta vozaču.

Tabela lebdećih vozila sa osnovnim parametrima (K-Komorna šema, S-Strujna šema)

Može se sa sigurnošću reći da će navedeni i neki drugi drugostepeni problemi naći uspešno rešenje uz uslov celishodne primene lebdećih vozila.

Metode stvaranja vuče

Kod prvih lebdećih vozila za horizontalno kretanje korišćen je vazduh koji ventilator potiskuje u vazdušni jastuk ili u rezervoar. Ovaj vazduh se ispušta kroz specijalan mlaznik i na taj način daje potisak (slika 13a).

R = (W-V) Q_c

gde je: 

W - stvarna brzina isticanja vazduha
V - brzina lebdećeg vozila,
Q_c  - stvarni protok vazduha kroz mlaznik.

Slika 13. Uprošćene šeme stvaranja vuče lebdećih vozila

Kao primer može se videti da za savlađivanje uspona 10°, kod komornog tipa lebdećeg vozila osnovnu snagu treba uvećati za 30%, dok kod strujnog tipa lebdećeg vozila za savlađivanje istog uspona osnovnu snagu treba uvećati za 60%. Tako znatno povećanje snage kod strujnog tipa može se objasniti time, što je osnovna snaga potrebna za stvaranje jastuka manja u odnosu na komorni tip lebdećeg vozila.

Kada se sve ovo uzme u obzir i ima u vidu daleko jednostavnija konstrukcija komorne šeme, onda je jasno zašto komorna šema nije odbačena.

Kod nekih novijih modela lebdećih vozila, analogno aerosankama ili gliserima, koristi se jedna ili nekoliko elisa (slika 13b), koje pokreće već postojeći motor ili specijalni motor. U tom slučaju se dobijaju nešto bolje karakteristike lebdećih vozila. Osnovni nedostatak elisa su njihovi veliki gabariti, koje određuje računsko specifično opterećenje po:

Da bi se smanjili gabariti lebdećih vozila, celishodno je primenjivati kanalisane elise ili ventilatore (slika 13b).

Kod kanalisanih ventilatora usmereni aparat, koji se postavlja iza radnog točka, obezbeđuje aksijalni izlazak vazdušne struje, zbog čega za razliku od obične elise, opterećuje lebdeće vozilo reaktivnim momentom.

Korišćenje reakcije gasova osnovnog gasoturbinskog motora (slika 13d) u ekonomskom pogledu je blisko slučaju kod koga se koristi reakcija specijalnog motora za vuču. Međutim, ima neka preimućstva u sposobnosti manevrisanja i pri forsiranju putem dogorevanja dopunskog goriva u reaktivnom mlazniku.

Primena turboreaktivnih motora je najmanje ekonomična, ali omogućuje stvaranje najveće vuče u slučaju zadanih gabarita.

Statistička stabilnost lebdećih vozila

Pri ustaljenom pravolinijskom kretanju simetričnog lebdećeg vozila nad horizontalnim terenom moraju biti zadovoljene tri jednačine ravnoteže ravanskog sistema sila od kojih prva određuje potrebnu vučnu silu:

R = X + K

gde su:
K - sila reaktivnog otpora, 
X - aerodinamička sila otpora.

Drugi potreban uslov je da je uzgon jednak težini vozila;

R_Z = G

Poslednji uslov je: suma svih momenata jednaka je nuli:

ΣΜ = 0

Ovaj se uslov, pri zadanom položaju lebdećeg vozila, može zadovoljiti promenom položaja težišta (tj. linije dejstva sile težišta). U tom cilju, možemo, na primer, raspodeliti gorivo u rezervoarima između prednjeg i zadnjeg dela ili postaviti specijalni teret za balansiranje.

Sve rečeno može se primeniti i na složeniji problem određivanja sila - u slučaju kada je vozilo nagnuto na jednu stranu. Radi ilustracije, sa slike 14 može se videti poređenje stabilnosti raznih šema lebdećih vozila u odnosu na njihovo propinjanje ili ljuljanje. Pretpostavlja se da je na svim datim šemama otklanjanje od horizontalnog položaja ravnoteže izazvano samo parom spoljnih sila, čiji je momenat M.

Kod komorne šeme (slika 14a) nagib lebdećeg vozila dovodi do povećanja protoka vazduha udesno i odgovarajuće stvaranje reaktivne sile R, koja ili mora biti uravnotežena na neki način, ili će izazvati kretanje vozila u levo.

Slika 14. Šema statičke stabilnosti lebdećih vozila

Da bi se ocenila stabilnost lebdećeg vozila, potrebno je uzeti u obzir kretanje vazduha pod njim (odnosi se na sve šeme na slici 14). U slučaju komorne šeme, pri naklonu lebdećeg vodila, sa njegove desne strane brzina postaje veća a pritisak manji, nego sa leve strane. U saglasnosti sa ovim na dnu lebdećeg vozila stvara se momenat sila čiji je smer suprotan smeru spoljnjeg momenta M, što svedoči o stabilnosti komornog sistema.
Navedeno rasuđivanje može se primenjivati pri ograničenim visinama lebdenja i uglovima naklona lebdećeg vozila. U slučaju izrazite visine lebdenja, osnovnu ulogu počinje da igra suprotan efekat. Pri naginjanju pokazanom na slici 14a, ispod desne ivice lebdećeg vozila, duž njegovog puta, brzina vazduha se smanjuje a pritisak raste, što dovodi do gubitka stabilnosti komornog sistema. Da bi se ovo izbeglo, prave se višekomorna lebdeća vozila.

Naklon lebdećeg vozila jednostrujne šeme (slika 14b) dovodi do toga da se leva struja deli. Jedan deo vazduha ide pod lebdeće vozilo i ističe ispod desne strane. Kao rezultat isticanja veće struje desno, kao i kod šeme slika 14a, stvara se reaktivna sila usmerena u levo. Pritisak u prostoru ispod vozila prestaje da bude konstantan i raste duž struje, tj. desno postaje veći nego levo. Moment sila pritiska sabira se sa spoljnim momentom. Otklon lebdećeg vozila raste, tj. jednostrujna šema je nestabilna. Sa približavanjem leve strane lebdećeg vozila tlu, pritisak u izlaznom preseku raste i na kraju se postiže položaj stabilne ravnoteže, pri kojem moment sila pritiska i reaktivnih sila raste sa porastom naklona lebdećeg vozila, uravnotežujući spoljni moment M. Zbog navedenog efekta porasta pritiska u izlaznom preseku mlaznika, jednostrujna šema (slika 10a) postaje stabilna u horizontalnom položaju vozila.

Da bi se obezbedila stabilnost lebdećeg vozila, koriste se dopunski mlaznici, čija je namena ista kao i namena podele prostora komornog tipa na veći broj komora. Najprostija šema (slika 14c) ima dopunski mlaznik stabilnosti koji se nalazi duž produžne ose lebdećeg vozila. Pri horizontalnom položaju lebdećeg vozila ova struja se deli na dva jednaka dela. Pri naginjanju datom na slici 14, centralna struja se povija održavajući u levoj komori pritisak veći nego u desnoj, što obezbeđuje stabilnost lebdećeg vozila pri malim naklonima.

LITERATURA
1. Interavia br. 6/1962.
2. Flight, godišta 1962. i 1963.
3. John P. Campbell, Vertical take off landing aircraft, Njujork 1964.
4. G. J. Stepanov, Gidrodinamičeskaja teorija apparatov na vozdušnoi poduške, Moskva 1963.