Методика расчета и проектирования аэросаней: от требований до компоновки

Процесс создания аэросаней начинается с инженерного расчета ключевых параметров, которые определяют их ходовые и эксплуатационные свойства. Основой для таких расчетов служат тактико-технические требования (ТТТ). В качестве примера рассмотрим проект, где требования формулируются следующим образом:

Исходные требования к проекту

1. Машина должна демонстрировать высокую проходимость в условиях средней сложности (например, по рыхлому снегу).
2. Полезная нагрузка, помимо водителя, должна составлять 100 кг.
3. Конструкция предполагает закрытый, утепленный и звукоизолированный корпус с комфортным салоном и легким доступом.
4. Запас хода на одной заправке — не менее 100 километров.

Исходя из этих условий, можно перейти к поэтапным расчетам.

Ключевые параметры и формулы

Проходимость аэросаней количественно оценивается коэффициентом качества «К». Для серийных моделей его значение обычно составляет 0,24. Этот коэффициент связывает тяговое усилие воздушного винта (Т) и полный ходовой вес машины (C1x):

К = Т / C1x

Из этой формулы можно выразить и другие величины: Т = C1x · К или C1x = Т / К.

Тяговое усилие винта зависит от мощности двигателя (N, в л.с.) и удельной тяги, которая для подобных конструкций принимается равной 3,5 кг/л.с.:

Т = N • 3,5

Выбор двигателя и расчет весов

Часто конструкция создается под уже имеющийся двигатель. Для одноместных аэросаней (рис. 1) достаточно мотора мощностью 10–12 л.с., для двухместных — от 20 л.с. В нашем примере рассмотрим двигатели типа М-61, М-62 или К-750 мощностью 28 л.с. Для увеличения ресурса в расчетах используют 85% от номинальной мощности: 0,85 * 28 ≈ 24 л.с.

РИС. 1. ОДНОМЕСТНЫЕ АЭРОСАНИ ПРОСТЕЙШЕГО ТИПА ПОД МОТОР 11-13 Л. С. (ИЖ-49; ИЖ-56 И Т. П.).

Рассчитываем тягу: Т = 24 • 3,5 = 84 кг.
Находим полный ходовой вес: C1x = Т / К = 84 / 0,24 = 350 кг.

Влияние материала лыж на характеристики

Исходная формула не учитывает сопротивление движению, которое сильно зависит от материала подошвы лыж. Использование современных материалов с низким коэффициентом трения (например, пластиков) позволяет увеличить допустимый вес машины при сохранении того же коэффициента качества «К». Коэффициенты трения различных материалов о снег приведены в таблице (за единицу принята углеродистая сталь).

Таблица 1: Коэффициенты трения материалов о снег

Применение, например, полиэтилена (коэффициент 0,735) позволяет пересчитать ходовой вес: C1x = 350 / 0,735 ≈ 476 кг.

Вес самой конструкции обычно составляет около половины от ходового веса. Принимаем его равным 50%: 476 * 0,5 = 238 кг.

Полезная нагрузка (водитель 80 кг, пассажир 80 кг, груз 20 кг) составит 180 кг.
Таким образом, на топливо и масло остается: 476 - (238 + 180) = 58 кг.

С учетом аварийного запаса (10%) и веса масла (5%) расчетный вес горючего составит около 50 кг.

Расчет дальности хода и скорости

Дальность хода зависит от режима работы двигателя и расхода топлива. Усредненный часовой расход для нашего примера составляет примерно 8 кг/час. С запасом топлива в 50 кг двигатель может работать около 6 часов.

Если исходить из заданной в ТТТ дальности в 100 км, то минимально необходимая средняя скорость составит 100 / 6 ≈ 16,5 км/ч. Однако практика показывает, что реальная средняя скорость аэросаней такого класса находится в диапазоне 35–40 км/ч. При скорости 35 км/ч возможная дальность хода возрастает до 35 * 6 = 210 км, что значительно превышает первоначальные требования.

Определение основных геометрических размеров

Воздушный винт и ширина: Для увеличения тяги выгодно использовать винт большего диаметра. При наличии редуктора можно установить винт диаметром до 2 метров. Габаритная ширина машины должна быть на 50–100 мм больше диаметра винта, то есть около 2050 мм.

Лыжи: Рекомендуемое удельное давление на снег — 600 кг/м². При весе 476 кг общая площадь лыж должна быть 476 / 600 ≈ 0,8 м². Для трехлыжной схемы площадь одной лыжи составит 0,8 / 3 ≈ 0,267 м². При длине лыжи 1,65 м ее ширина будет равна 0,267 / 1,65 ≈ 0,162 м (162 мм).

Колея и база: Колея (расстояние между осями лыж) составит 2050 - 162 ≈ 1890 мм. Для хорошей устойчивости соотношение колеи к базе (расстоянию между осями передней и задней лыж) должно быть около 0,65. Следовательно, база равна 1890 / 0,65 ≈ 2900 мм (округляем до 3 м).

Клиренс и высота установки двигателя: Дорожный просвет (клиренс) должен быть не менее 300 мм. Высота оси двигателя над землей рассчитывается так: радиус винта (1 м) + клиренс (0,3 м) + зазор между винтом и корпусом (0,05 м) = 1,35 м (1350 мм).

Компоновка и центровка

Получив основные размеры, приступают к компоновочному чертежу (рис. 2). Ключевая задача — обеспечить низкое расположение центра тяжести (ЦТ) для устойчивости. Желательно, чтобы ЦТ по высоте не превышал половины колеи. По длине ЦТ должен располагаться так, чтобы нагрузка на три лыжи была равномерной (примерно по 159 кг каждая).

РИС. 2. КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЦЕНТРОВКИ ДВУХМЕСТНЫХ АЭРОСАНЕЙ С МОТОРОМ МОЩНОСТЬЮ 28 Л. С. (М = 61; М = 62 и пр.). ЗАНУМЕРОВАННЫМИ ТОЧКАМИ ОБОЗНАЧЕНЫ ЦЕНТРЫ ТЯЖЕСТИ ОТДЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ И НАГРУЗОК ПО ВЕСОВОЙ ТАБЛИЦЕ 2.

Для точной центровки составляется весовая сводка (Таблица 2) и выполняется расчет положения ЦТ относительно условных осей X-X и Y-Y (Таблицы 3 и 4). Это позволяет проверить, как меняется балансировка машины при полной загрузке и при минимальной (только водитель и мало топлива).

Таблица 2: Весовая сводка (пример)

Таблица 3: Расчет центровки (фрагмент)

Координаты центра тяжести всего аппарата вычисляются делением сумм СХ и СУ на полный вес. В данном примере ЦТ расположен на расстоянии 1848 мм от оси Y-Y и 751 мм от оси X-X.

На основе всех проведенных расчетов формируется итоговая таблица основных характеристик, которая дает полное представление о будущей машине, ее возможностях и эксплуатационных ограничениях.

И. ЮВЕНАЛЬЕВ, Москва