Universitatea din Craiova

Facultatea de Inginerie Electrică

Secția: Echipamente și Instalații pentru Aviație

LUCRARE DE LICENȚĂ

HOVERCRAFT BIROTOR

Coordonator Absolvent

Conf.dr.ing. Octavian Preotu Militaru Cristian Daniel

Craiova 2015

2

CUPRINS

Cuprins................................................................................................................2

1. Generalități despre hovercraft......................................................................3

1.1. Introducere............................................................................................................3

1.2. Istoric și dezvoltare...............................................................................................4

1.3. Tipuri de hovercraft..............................................................................................4

1.4. Elemente componente ale hovercraftului.............................................................5

2. Construcția unui hovercraft..........................................................................7

2.1. Forțele ce apar pe navă.........................................................................................7

2.2. Rolul pernei de aer............................................................................................... 8

2.3. Propulsia hovercraftului.......................................................................................9

2.3.1. Noțiuni de calcul al elicei......................................................................9

2.4. Controlul hovercraftului.....................................................................................15

3. Determinarea parametrilor constructivi....................................................22

3.1. Construția structurii............................................................................................22

3.1.1. Determinarea poziției centrului de greutate.................................................27

3.2. Alegerea motorizării pentru propulsie și sustentație...........................................29

3.3. Schema constructivă pentru controlul hovercraftlui...........................................32

3.4. Alți parametri......................................................................................................35

4. Analiză și concluzii finale.............................................................................36

4.1. Analiza realizării practice...................................................................................36

4.2. Concluzii finale...................................................................................................39

BIBLIOGRAFIE..................................................................................................................40

3

1. GENERALITĂȚI DESPRE HOVERCRAFT

1.1. Introducere

Un hovercraft este un vehicul care plutește deasupra solului sau peste zăpadă ori apă, pe o

pernă de aer. De asemenea este cunoscut ca un vehicul pe pernă de aer (air cushion vehicle-

ACV), fiind o navă capabilă să călătorească peste uscat, apă sau gheață și alte suprafețe,

ambele la aceeași viteză. El operează prin crearea unei perne la presiune mare a aerului dintre

carena vasului și suprafața pe care o traversează sau staționează vehiculul. Această pernă este

formată dintr-o fustă flexibilă ce se umflă la furnizarea de debit de aer în interiorul acesteia.

Hovercrafturile sunt vase hibride operate de un pilot. Locațiile care nu sunt ușor accesibile

vehiculelor terestre din cauza fenomenelor naturale, sunt cele mai potrivite pentru

hovercrafturi [1,3,8].

Astăzi hovercraftul este utilizat în comun pentru:

transport specializat în terenuri dezastruase (calamitate);

de către trupele militare ale pazei de coastă;

aplicații de supraviețuire și operațiuni de căutare;

transportarea de trupe militare;

identificarea câmpurilor minate;

oferă o mulțime de perspective creative cum ar fi, cursele și croazierele;

servicii de transport civil și cargo.

Versiuni foarte răspândite au fost utilizate la transportul tancurilor, soldaților și

echipamentelor mari în teren și mediu ostil. În zone fluviale, acolo fiind o mare și importantă

nevoie de un sistem de transport care ar fi rapid, eficient, sigur și cu costuri reduse. Timpul

scurs pentru transferul încărcăturii de la un vehicul de sol la o barcă este mai mare dar cu

ajutorul unui hovercraft, nu este nevoie de acest transfer de marfă întrucât el operează pe

ambele suprafețe, pe pământ și apă. Se spune că acesta este mai rapid decât o barcă cu aceleași

specificații care face livrări de servici la timp. Acesta este în totalitate o amfibie și are unele

abilități, conferite de perna de aer, să călătorească peste suprafețe mai puțin perfecte. Ca

furnizor de propulsie acesta folosește elice aeriene, elice acvatice, jeturi de apă care

4

propulsează aeroglisorul înainte, întrucât vehiculele cu pernă de aer pot fi capabile să atingă

viteze mai mari decât vasele sau multe vehicule terestre cu aceleași dimensiuni [1,8].

Fig 1.1

Avantajele hovercraftului:

poate funcționa deasupra apei, pământului, gheții și celorlalte suprafețe;

generează zgomot neglijabil similar unui camion sau unei bărci de mare viteză;

este mult mai manevrabil decât o barcă;

este echivalent costurilor de operare ca la bărcile convenționale de aceeași viteză și

încărcătură utilă;

este ușoară în proiectare, fabricare și operare.

1.2. Istoric și dezvoltarea hovercraftului

1. Prima apariție a unui astfel de hovercraft, al unui proiect de felul acesta a fost creat în

anul 1716 de către inginerul Emmanuel Sweberg de origine suedeză, dar neavând

susținere, proiectul cu nava sa nu s-a realizat.

2. În 1870, inginerul britanic Sir John Thorkycraft a realizat o serie de prototipuri pentru

a vedea efectele pernei de aer, după această realizare mai mulți ingineri au încercat să

confecționeze o astfel de navă.

5

3. În 1955, inginerul Cristopher Cockerell, un inginer britanic care a obținut brevetul de

inventator al unui astfel de vehicul. El a realizat două astfel de prototipuri pe care le-a

donat armatei.

4. În 1956, același inginer a construit un hovercraft de o singură persoană cu care a

traversat canalul Mânecii în 1959 dintre porturile Dover și Calais.

5. În 1962, acest tip de vehicul a fost utilizat pe post de feribot pe o distanță de peste 30

km [1,5,8].

1.3. Tipuri de hovercraft

În acest subcapitol vom face o clasificare grosieră a acestor aeroglisoare, deoarece nu

există o ierarhizare strictă a acestora. În funcție de misiunile pe care le desfășoară și pentru

care a fost creat îl putem clasifica în cele ce urmează după mai multe criterii cum ar fi:

după misiunile pe care le realizează:

hovercraft civil;

hovercraft militar;

hovercraft de căutare-salvare;

hovercraft pentru sporturi nautice;

hovercraft pentru agrement etc.

după numărul motoarelor de sustentație:

cu un motor;

cu două motoare;

cu mai mult de două motoare;

mixt (motorul de propulsie furnizează și sustentație în același timp).

după numărul motoarelor de propulsie:

cu un motor;

cu două motoare;

cu mai mult de două motoare;

mixt (motorul de propulsie furnizează și sustentație în același timp).

după modul de realizare a controlului :

cu o derivă;

cu două derive;

cu trei derive;

controlul diferențial al motoarelor (valabil pentru cele cu peste două motoare).

6

Un hovercraft în funcție de misiune poate fi realizat combinând unele din criteriile

constructive de clasificare menționate mai sus, de aceea nu putem spune că avem o clasificare

strictă a acestor vehicule [1,3,8].

1.4. Elemente componente ale hovercraftului

În general un aeroglisor este alcătuit din următoarele componente principale ce intră în

construcția acestuia. Acestea sunt enumerate și evidențiate în figura de mai jos (Fig 1.2[8]):

Fig 1.2

1. Motoare de propulsie (echipate cu elice aeriene);

2. Motoare de sustentație (echipate cu elice aeriene sau ventilatoare);

3. Structura aeroglisorului;

4. Direcția;

5. Cabina de pilotaj (a echipajului de conducere);

6. Cabina pasagerilor;

7. Fusta flexibilă;

8. Perna de aer a hovercraftului;

9. Presiunea de aer furnizată de către ventilatoare pernei de aer;

10. Legături mecanice cu arbori între motoare.

7

2. CONSTRUCȚIA UNUI HOVERCRAFT

2.1. Forțele ce apar în timpul funcționării pe navă

În anumite situaţii forţele elastice şi de inerţie sunt adesea însoţite şi de forţe în special

de natură aerodinamică care pot provoca vibrații forţate în structura navei. Dacă forţele care

însoțesc vibrațiile sunt periodice şi frecvența egală cu frecvenţa de vibraţie proprie, se produce

fenomenul de rezonanţă caracterizat prin amplitudini mari dacă amortizarea este foarte slabă

și amplitudini mici dacă amortizarea este foarte puternică. Fenomenul de bătăi apare în

situaţia în care diferenţa dintre frecvenţa vibraţiilor proprii şi frecvenţa forțelor periodice este

mică. Efectul de flutter apare în anumite părţi ale navei şi este caracterizat prin vibrații cu o

amplitudine crescătoare, produse datorită forţei curentului de aer. Aceste vibrații apar în

special în zona ampenajului. Acesta se poate diminua în special prin măsuri de proiectare şi

evitarea atingerii vitezei critice a curentului de aer provenit de la elice. Acest efect poate

produce ruperea părților componente, dacă nu se iau măsuri de ameliorare, care sunt,

realizarea unor racorduri între ampenaj şi celulă, modificarea frecvenței proprii de vibraţie a

ampenajului pentu a ieşi în afara valorii de rezonanță prin utilizarea unor greutăți montate la

extremitățile ampenajului vertical şi cel orizontal. În timpul exploatării hovercraftului se

efectuează controale periodice în zonele cele mai solicitate care au concentratori de tensiune.

Alte forţe care acționează asupra navei sunt cele care solicită structura de rezistență şi pot fi

clasificate în funcție de natura fizică: forțe de suprafață şi forțe masice.

Forţele de suprafață sunt în general forţe exterioare care acționează asupra

hovercraftului dar sunt dependente de masa acestuia. Din această categorie fac parte sarcini de

manevră, forțe aerodinamice, sarcini de rafală, forţe de tracțiune provenite de la motoare.

Forţa de tracţiune provenită de la motor este necesară pentu înfrângerea rezistenței

aerodinamice care apare în timpul deplasării. Această forţă de tracțiune este preluată de restul

navei prin intermediul unor suporți care fixează motoarele pe structura de rezistenţă. Forţa de

rafală apare datorită atmosferei care uneori este perturbată de curenți de aer alternanți sau

laterali față de planul longitudinal al navei. Forţele masice sunt datorate în acord cu denumirea

masei aeronavei din care fac parte greutatea proprie și forţa de inerție. Forţele masice sunt

distribuite respectând legea de distribuire a masei cu un punct de palicare al rezultantei în

centrul de greutate al navei [2,5,7].

8

2.2. Rolul fustei și a generatorului de portanță

Hovercraft-ul se bazează pe o pernă de aer constant pentru a susține o plutire, ridicare

adecvată. Aerul evacuat de la elicea motorului amplasată orizontal umflă perna de aer a navei,

asta în cazul în care este un motor doar pentru generarea de aer fustei. Putem avea și alt caz

unde motorul ce realizează propulsia furnizează și un debit de aer fustei hovercraftului.

Volumul de aer furnizat pernei de sub structura navei oferă sprijinul necesar ridicării navei,

dar și a greutăților distribuite pe navă deasupra structurii.

Fusta este plasată sub structura navei date pentru a conferi izolarea aerului sub

presiune, un echilibru mai bun și să permită navei să traverseze mai multe tipuri de teren. În

imaginea de mai jos (Fig 2.1 [1]) este reprezentată generarea umflării fustei cu aer sub

presiune, iar în Fig 2.2 [3] moduri constructive și de poziționare a fustei [1,8,12,14].

Fig 2.1

9

Fig 2.2

2.3.Propulsia hovercraftului

Propulsia este realizată astfel, în funcție de tipul constructiv al hovercraftului așa cum

vom descrie în continuare.

Dacă avem un hovercraft cu un singur motor, atunci acesta furnizează și umflarea

pernei dar și tracțiunea acestuia. Aerul nefiind direcționat în totalitate către fustă, este

propulsat în spate furnizând tracțiunea înainte a navei. Mărimea elicei, rotațiile pe minut (rpm)

ale motorului și raportul ridicare/tracțiune sunt parametri informativi pentru forța de tracțiune.

O conductă de tracțiune canalizează aerul spre elice ce poate oferi o creștere stimulată cu

15%. Factorul limitator al tracțiunii este existența debitului de aer direcționat înapoi la

furnizarea aerului presurizat pentru perna de aer și ridicare. Prin urmare, viteza de înaintare

este limitată dar întreținută. Tipul acesta de hovercraft este prezentat în figura de mai jos(Fig

4).

La un hovercraft care are motoare separate unul pentru tracțiune și altul pentru

generarea ridicării pernei de aer, atunci limitarea privind viteza de înaintare dispare, iar ca

parametri de interes avem: puterea motorului, mărimea elicei, etc [1,3,14].

10

2.3.1.Noțiuni de calcul al elicei

Transformarea energiei de rotație a rotorului motor în forță de tracțiune se face prin

intermediul elicei. Elicea la rândul ei prin mișcarea de rotație crează o forță de înaintare prin

aer numită forță portantă ce generează tracțiunea. Secțiunea transversală a unei elice

(Fig2.3.[11]) de hovercraft este de fapt, o secțiune ori un profil care generează portanță putând

fi studiată ca orice alt profil aerodinamic, cum ar fi aripa [4,11].

Fig. 2.3. Elementele caracteristice ale unei elice de tracțiune.

Dacă elicea se rotește în sensul acelor de ceasornic atunci când este privită din spate

reacția care apare asupra navei este aceea de a se roti la rândul său spre dreapta.

Acest efect giroscopic este cel mai des întâlnit la turaj și putere ridicată a motorului.

Efectul giroscopic depinde de masa elicei și modul în care este distribuită ea pe toată suprafața

palelor, dar și cât de repede se rotește elicea care duc în final, la un moment de inerție.

Elicea în general transformă energia de rotație a motorului în forță de tracțiune pentru

deplasarea navei. Caracteristicile constructive nu sunt foarte diferite față de cele ale unei

aeronave. În general este alcătuită din pale și un butuc de susținere a acestora de axul motor,

acestea putând fi observate în Fig 2.4. de mai jos [11] dar și în restul figurilor nenumerotate.

11

Fig. 2.4. Caracteristici geometrice ale palelor:

Diametrul elicei (Δ) – diametrul descris de la vârful palelor:

Forma în plan a unei pale :

Grosimea profilului secțiuni:

Principiul de funcționare al unei elice

12

u = viteza tangențială de rotație;

w = viteza rezultantă a acționării;

V = viteza de înaintare;

α = incidența profilului, secțiune prin pală;

Fa = forța totală aerodinamică ce acționează pe profil;

Fz = forța de tracțiune;

þ = viteza de rotație;

Necesitatea torsionării palei în lungul razei

Caracteristici aerodinamice:

- Pasul geometric (H) – este distanța parcursă de un punct situat pe pală, la o rotație

completă pe o direcție axială și în lipsa alunecării.

- Pasul real (Hr) – distanța pe care o parcurge un punct situat pe pală la o rotație

completă pe direcția de înaintare în aer în prezența alunecării sau α ≠0.

H = pas geometric;

13

Hr = pas real;

∂ = alunecare;

n = turația elicei;

Hr = H - ∂; H = 2 π R tgα ; H = V / n (V = viteza și n = turația).

Clasificarea elicelor:

dupa numărul palelor;

după sensul acționării;

elicea tractivă care se află în fața hovercraftului;

elice propulsive care se află în spatele hovercraftului, care sunt și cele mai folosite

după modul de fixare a palelor;

elice cu pas fix;

elice cu pas variabil automat sau manual;

după materialele folosite (cu pale din lemn, dural, mase plastice sau fibre);

și elicele speciale care pot fi:

a) reversibile, care sunt proiectate și montate la un unghi negativ și au rolul de a frâna

nava;

b) coaxiale, care se rotesc în sens opus și se află pe același ax și au rolul de a diminua

efectul primei elice care crează un cuplu în sensul de rotație.

Mișcarea elicei

Viteza de rotație: Dacă hovercraftul este în staționare, mișcarea secțiunii elicei este

pur și simplu rotativă. Viteza de rotație este mai mare cu cât secțiunea se află mai în dreapta

pe pală, de asemenea cu cât turajul elicei este mai mare cu atât este mai rapidă viteza de

rotație a secțiunii elicei respective ca în Fig.2.5 [11].

Fig. 2.5 Viteza secțiunii la o elice depinde de turajul elicei dar și de raza acesteia.

14

Pe masură ce nava se deplasează secțiunea elicei va avea o viteză de rotație dar și una

de înaintare. Unghiul de înclinare al palei este acela format din planul de rotație, unghiul și

viteza rezultată a palei elicei.

Mișcarea elicoidală

Atunci când viteza de rotație cu cea de înaintare se combină, elicea urmează un traseu

în spirală prin aer numit elicoid, Fig 2.6 [11].

Fig 2.6

Mișcarea elicoidală a elicei

Unghiul de atac al elicei este unghiul format dintre linia de coardă a secțiunii palei

elicei și curentul de aer relativ, iar unghiul de atac împreună cu unghiul de înclinare formează

unghiul palei. Atunci când hovercraftul înaintează fiecare secțiune a palei elicei va avea

aceeași componentă a vitezei de înaintare. Pentru o elice cu același unghi al palei pe toată

lungimea unghiului de atac s–ar modifica în funcție de distanța de la axul elicei iar tracțiunea

nu s-ar produce foarte eficient iar pala ar putea fi ineficientă lângă vârf, Fig 2.7 [11].

15

Fig 2.7. Elemente caracteristice ale unei elice în mișcare

La fel ca la alte suprafețe portante există un unghi de atac la care elicea are cea mai

bună eficiență. Vârful elicei este partea care se va mișca cel mai repede deoarece viteza de

înaintare este suprapusă pe viteza de rotație. Numai o mică porțiune a elicei este eficientă în

producere de tracțiune și anume, porțiunea aflată la 60% și 90% a razei vârfului, iar cea mai

bună tracțiune este la 75% din raza vârfului [4,5,7,9].

2.4. Controlul hovercraftului

Deoarece un hovercraft necesită efecte similare de fricțiune și rezistență ca o barcă sau

mașină, direcția trebuie să fie apropiată. Controlul navei este asigurat de către derive, ele fiind

sursa principală pentru a controla direcția navei și sunt componenta principală din sistemul de

direcție care poate realiza acest lucru.

Hovercraftul proiectat are un ampenaj vertical și unul orizontal. Acesta are dispus pe

ampenajul vertical două suprafețe direcționale mobile.

Acestea au rolul de a direcționa fileurile de aer provenite de la motoarele de tracțiune și ajută

la realizarea virajelor în jurul axei de girație.

Profilul aerodinamic ales pentru realizarea direcțiilor este unul de tip NACA format din patru

cifre caracterizate astfel:

prima cifră este săgeata maximă , , în care sunt specificate patru valori 0,2,4,6 ;

a doua cifră reprezintă poziția maximă fa în zeci de procente;

16

a treia cifră împreună cu ultima cifră reprezintă grosimea relativă maximă , în

procente.

Profilul ales este unul de tip NACA 0009 în care caracteristicile aerodinamice sunt

următoarele:

Re=3 610 ;

1[ ]z

x

dc

dc grd=1,110;

Cz max=1,25;

[ ]grd =0;

0Cx =0,0052;

Cm=0;

Fig. 2.8 Distribuția forței portante la diferite unghiuri de atac pentru profilul NACA

0009 [5].

17

Forțele care acționează în timpul manevrelor de viraj sunt forțele ce iau naștere atât pe

profilul direcției, cât și al derivei, și se vor însuma într-un punct numit centru de presiune, care

la rândul ei crează o forță, numită forță totală aerodinamică Ft sau Fa. Variația centrului de

presiune are o mare importanță în calculul echilibrării hovercraftului, în care forța totală

aerodinamică Ft se va schimba în funcție de unghiul de incidență care apare în timpul

mișcării direcțiilor.

Centrul de presiune se schimbă spre bordul de atac al profilului la unghiuri cuprinse

între 020 - 015 , iar la unghiuri între 015 - 00 , se deplasează de bordul de atac al profilului

direcției, reprezentate în Fig.2.9 [11].

Fig 2.9. Schimbarea centrului de presiune în funcție de unghiul de atac

Virajul este o schimbare de direcție în plan orizontal pe o traiectorie curbă iar forțele

care acționează în viraj sunt următoarele:

Fzo = G;

Fzv = Fr, sau, pe componente;

Fcf = Fcp, unde Fzv = forța portantă în viraj;

Fcf = forța centrifugă;

Fcp = forța centripetă;

Fr = rezultanta între G și Fcf;

18

Fcf=2G V

g r ;unde

G

g=m=> Fcf=

2mv

r unde r este raza de viraj.

Forța centrifugă este direct proporțională cu masa navei, cu pătratul vitezei și invers

proporțională cu raza de viraj.

Viteza necesară unui viraj corect al hovercraftului este definită astfel:

Vv=2 1 1

cos

G

S zv unde 0

0

2 1Gv

S P Cz

=>Vv = 0V

1

cos.

Cu cât unghiul de înclinare se mărește, cu atât viteza în viraj va crește iar forța centrifugă

va crește și ea treptat.

Raza efectuării unui viraj corect este definită astfel:

cf cpF F ; 2

cf

G vF

g r

sin sin tancp zv

GF F

=>

2 2

tan _tan

G v vG r

g r g

unde

g=9,81m/s care este accelerația gravitațională.

În realitate apar situații când virajul nu este executat corect și va fi executat derapat cu o rază

mai mare decât cea inițială.

19

Fig 2.10 Distribuția forței portante pe profilul NACA 0009[5]

Calculul forței portante ce apare pe ampenajul vertical în timpul executării manevrelor de viraj

este următorul Fig.2.10 [11]:

P= 2

2zSV C

(formula generală, forța portantă );

- densitatea aerului;

S – suprafața profilului respectiv;

V - viteza curgerii aerului pe profil;

zC - coeficient adimensional de portanță;

P=2 max max

2

zdC S SSV

d S S

unde

Smax – suprafața ampenajului vertical și orizontal;

20

S – suprafața ampenajului vertical;

Suprafața ampenajului vertical este 0,42 m la direcție și 0,42m la derivă și 0,21m ampenaj

orizontal.

maxS =0,63m;

P=1,23kg 2 0,63 0,630,42 10

0,21 0,21

zdc

d

La bracarea direcțiilor pe profil apar următoarele forțe:

2

2a

VF SCa

(Kgf);

Această forță mai este compusă din următoarele:

2

2x

VF SCx

(forță de rezistență la înaintare);

2

2z

VF SCz

(forța portantă);

2 2 2

z axF F F => 2 2

a zxF F F

La unghiuri de incidență nule pe intradosul și pe extradosul profilului vor exista depresiuni

care se vor anula neexistând în final forță portantă pe acesta, și va acționa doar forța de

rezistență la înaintare XF [9,10,11].

21

Fig 2.11. Distribuția presiunilor pe profil la incidență nulă.

La unghiuri de incidență pozitivă distribuția presiunilor pe profil se modifică iar forța

portantă crește foarte mult.

Fig 2.12 Distribuția presiunilor pe direcție la bracare

22

Fig 2.13. Distribuția fileurilor de aer la bracarea direcțiilor

3. DETERMINAREA PARAMETRILOR CONSTRUCTIVI

În cazul de față se va proiecta un hovercraft cu două motoare de tracțiune și unul de

sustentație având ca și control două derive pentru realizarea mișcării de girație.

3.1. Construcția structurii

Pentru partea practică la construcția hovercraftului au fost alese materiale ușoare și cu

rezistență mare la torsiune și rupere.

Pentru confecționarea celulei navei a fost ales ca material, polistiren extrudat de 2cm

grosime. Lungimea maximă este de 110 cm, înalțimea de 40 cm iar lățimea maximă de 60cm.

Două plăci de polistiren extrudat au fost suprapuse, iar între ele au fost puse 10 profile tot din

polistiren pentru a asigura rezistența între cele două plăci. Aceste profile au rolul de a asigura

și direcționarea aerului care provine de la elice spre exteriorul celulei unde se află fusta, care

crează presiunea și forța necesară ridicării pe verticală. O altă componentă din navă este batiul

de susținere al motoarelor. Acestea sunt în număr de trei, două se află în partea din spate și au

23

rolul de a susține motoarele pentru deplasarea înainte. Acesta a fost ușurat cât de mult posibil

pentru a micșora greutatea navei dar și pentru a o echilibra față de centrul de greutate (CG).

Batiul numărul trei se află aproape de centrul de greutate și susține motorul care asigură

sustentația hovercraftului. La fel ca primul, acesta a fost ușurat. Amândouă au fost

confecționate din profile din lemn de brad, fiind la rândul său foarte ușor dar și rezistent și cu

o ușoară elasticitate. Elementele de susținere au fost lipite cu rășină epoxidică. În figurile de

mai jos vor fi date vederile navei executate cu ajutorul programului Google SkethUp 2014

[5,6,9,10].

NOTĂ!!! În Fig 3.7.a. este reprezentată mișcarea hovercraftului în jurul axelor

triedrului navei cu originea punctului O aplicată chiar în centrul de greutate al

hovercraftului. Având în vedere că nava se mișcă în mediul bidimensional vom avea mișcare

și control doar în jurul axei Oz, această mișcare generată în jurul axei verticale fiind

denumită ca o mișcare de girație. Controlul este asigurat pe această axă de către bracarea

celor două direcții ce sunt plasate în curentul de aer al motorului. Datorită faptului că

hovercraftul nu își desfășoară misiunile într-un mediu tridimensional, acesta nu are mișcări

de tangaj și de ruliu care să fie controlate de niște suprafețe de comandă. De aceea, nu vor fi

reprezentate în imaginea menționată mai sus.

Fig 3.1. Vedere de sus

24

Fig 3.2. Vedere din stânga

Fig 3.3. Vedere din dreapta

25

Fig 3.4. Vedere din față

Fig 3.5. Vedere din spate

Ampenajul vertical și cel orizontal au fost construite tot din polistiren extrudat.

Acestea sunt în număr de două și au fost profilate pentru a asigura o curgere cât mai bună a

aerului provenit din motoare. Acestea au lungimea verticală de 21cm și cea orizontală de 9cm.

Derivele au o lungime de verticală de 24 cm și cea orizontală de 7cm. Derivele au rolul de

susținere a direcțiilor, de direcționare a aerului către acestea dar și stabilizarea pe timpul

virajului. Prin acționarea comenzilor asupra navei se produc momente ale unor forțe în raport

cu centrul de greutate al acesteia. În general, aceste forțe sunt datorate unor momente de

natură aerodinamică ce acționează asupra suprafețelor de comandă. În Fig.3.6. și Fig 3.8.

avem o schemă de ansamblu a întregii nave proiectată în același program de proiectare [5,12].

26

Fig 3.6.

Oz

Ox

Oy

Giratie

Fig 3.7a.

27

Fig 3.7c.

28

În figura 3.8. este reprezentată schema tehnică de ansamblu a hovercraftului cu cele trei vederi

principale.

Fig 3.8.

3.1.1. Determinarea poziției centrului de greutate

Principala problemă a determinării centrului de greutate al hovercraftului revine la

calculul poziției centrelor de greutate ale echipamentelor aflate pe platforma respectivă, cât şi

la centrul de greutate la fiecare ansamblu din structura navei. De asemenea, se poate

determina centrajul navei utile la diferite variante de încărcare. Prin distribuția centrului de

greutate corect depind parametri de funcționare corecți ai hovercraftului în staționare și în

timpul funcționării acestuia. Prima etapă a determinării centrului de greutate, calculele se

dezvoltă sistematic alcătuindu-se devizul de greutăți, care cuprind în prima fază, de

29

proiectarea greutăților ipotetice ale părților componente, împărțirea navei care se face prin

figuri geometrice cunoscute şi agregatele care alcătuiesc nava. Se trece la completarea

tabelului de centraj care pentru hovercraftul proiectat este redat mai jos. Din punct de vedere

matematic, poziția centrului de greutate se determină prin aplicarea formulelor de mai jos:

𝑋𝐶𝐺 =𝛴𝐺𝑖𝑌𝑖

𝛴𝐺𝑖; 𝑌𝐶𝐺 =

𝛴𝐺𝑖𝑋𝑖

𝛴𝐺𝑖; 𝑍𝐶𝐺 =

𝛴𝐺𝑖𝑍𝑖

𝛴𝐺𝑖;

Nr.

crt.

Ansamblu Greutate

[kg]

xi [m] yi[m] zi[m] ΣGixi

[m]

ΣGiyi

[m]

ΣGizi

[m]

1 Dreptunghi sus 0,2 0,35 0,225 0,08 0.7 0,45 0,04

2 Trapez sus 0,75 0,83 0,225 0,08 0,6225 0,1688 0,015

3 Cerc 0,02 0,55 0,225 0,02 0,7 0,45 0,16

4 Acumulator 0,2 0,35 0,11 0,01 0,6225 0,1688 0,06

5 Acumulator 0,2 0,35 0,36 0,01 0,0040 0,11 0,045

6 Servomecanism 0,07 0,10 0,11 0,02 0,7 0,22 0,02

7 Motor

tracțiune

0,08 0,20 0,225 0,25 0,525 0,54 0,015

8 Motor

sustentație

0,175 0,55 0,225 0,04 0,07 0,077 0,014

9 Motor

sustentație

0,175 0,55 0,225 0,04 0,07 0,077 0,014

10 Dreptunghi jos 0,2 0,35 0,225 0,02 0,07 0,45 0,04

11 Trapez jos 0,75 0,83 0,225 0,02 0,6225 0,1688 0,015

Forța de greutate este determinată de câmpul gravitațional asupra navei, forța de greutate

reprezentând suma componentelor greutăților.

𝐹𝑔 = 𝛴𝑖=1𝑛 𝑚𝑖𝑔𝑘 = −𝛥𝑘

Această forță acționează în centrul de greutate al navei sau corpului care este proiectat,

indiferent de destinația acestuia. Centrul de greutate este definit de coordonatele 𝑋𝑖 , 𝑌𝑖, 𝑍𝑖 , ce

sunt raportate la sistemul de referință xOyz. În funcție de destinația navei, calculul se

efectuează în mai multe variante de încărcare ale acesteia. În mod ideal ar fi ca centrul de

greutate să fie poziționat chiar în centrul lui Ox sau în apropierea acestuia. În continuare, vom

calcula coordonatele centrului de greutate. Pentru calculul coordonatelor centrului de greutate

se folosesc relațiile momentului static ale greutății faţă de planurile yOz, xOz și xOy. Se

consideră nava care are deplasamentul ce acţionează în centrul de greutate. Greutățile 𝑞𝑖

30

reprezintă componentele deplasamentului. Coordonatele centrului de greutate se calculează cu

relaţia g g g X Y Z. În urma calculelor efectuate s-a determinat poziția centrului de greutate pe

axele Oxyz. Metoda de calcul pentru aflarea poziției centrului de greutate al hovercraftului a

fost determinată împărţind hovercraftul în mai multe figuri cunoscute. Coordonatele centrului de

greutate al hovercraftului au fost determinate prin implementarea relațiilor lui 𝑋 ; 𝑌𝐶𝐺 ; 𝑍𝐶𝐺

utilizând programul Matlab prezentat în Anexa 1. În urma calculelor efectuate cu programul

menționat, în Anexa 1 s-au aflat coordonatele centrului de greutate exprimate în metri având

valorile următoare [5,6,9,10] :

𝐶(𝑥𝐶𝐺 , 𝑦𝐶𝐺 , 𝑧𝐶𝐺) → 𝐶𝐺𝐻(0,7550; 1,9125; 0,1700)

Anexa 1

%Coordonatele centrului de greutate

x=[0.35 0.83 -0.02 0.35 0.35 0.10 0.20 0.55 0.55 0.35 0.83];

y=[0.225 0.225 -0.55 0.11 0.36 0.11 0.225 0.225 0.225 0.225 0.225];

z=[0.02 0.08 -0.225 0.01 0.01 0.02 0.25 0.04 0.04 0.02 0.02];

m=[ 0.2 0.075 -0.02 0.2 0.15 0.07 0.08 0.175 0.175 0.2 0.75];

g=10;

for i=1:11

G(i)=m(i)*g;

Gx(i)=G(i)*x(i);

Gy(i)=G(i)*y(i);

Gz(i)=G(i)*z(i);

Xcg=Gx(i)+x(i);

Ycg=Gy(i)+y(i);

Zcg=Gz(i)+z(i);

end

3.2. Alegerea motorizării pentru propulsie și sustentație

Motorul de tracțiune este motor electric de tip outrunner care este potrivit pentru

modele cu greutate până la 1400g cu un raport greutate – putere, deosebit de bun pe timpul

funcționării. Acesta funcționează la un curent maxim de 30A timp de 1minut. Greutatea unui

motor este de aproximativ 75g fără elice. Curentul de eficiență maximă este cuprins între 16-

28A, iar turația este de 1250 rpm/volt. Aceste tipuri de motoare funcționează fară ajutorul

unui redactor. Elicea recomandată pentru ele este de 9X6, 10X5, 11X4, iar regulatorul de

turație (ESC) este de 30A. Motorul este redat în Fig.3.9 dat de firma producătoare.

31

Fig. 3.9. Motorul folosit pentru propulsie

Motorul numărul doi și trei sunt motoare electrice de tip outrunner care sunt potrivite

pentru modele cu greutate de maxim 3000g. La aceste tipuri de motoare curentul de eficiență

maximă este de 25-30A, iar cel maxim de 43A pentru cel mult 60 secunde. Elicea

recomandată este de 11X8, 12x7, 9X6, iar regulatorul de turație de minim 40A. Greutatea

unui motor este de 175g, iar rotația este de 1000 rpm/volt.

Funcționarea optimă a motoarelor este ineficientă dacă nu este utilizat un regulator de turație

(ESC). Acest regulator de turație este folosit la toate trei motoarele. Acestea sunt de 40A

fiecare. Greutatea lor este de 22g. Acestea pot funcționa în regim maxim de 43A timp de 10

secunde. Acest tip de regulator are un răspuns foarte bun și liniar pentu accelerare și la fel are

un răspuns foarte bun la orice intrare de semnal.

32

Fig 3.10. Regulator de turație

Acumulatorii (ca cei din Fig 3.11) folosiți sunt de tip lipo cu trei celule în serie de 11,1v și un

curent de 2700mah. Aceste tipuri de acumulatoare sunt cele mai folosite datorită eficienței

mari și fiabilității. Acestea au o greutate mult mai mică față de acumulatorii de aceeași

capacitate. Greutatea unui acumulator este de 188g. Curentul maxim de descărcare este de

70A continuu și de 130A pentru maxim 10 secunde.

Fig 3.11. Acumulator de tip litiu polimer

33

Pentru funcționarea cât mai precisă a direcțiilor s-a folosit un servomecanism de tip

Futaba S3003. Acest tip de servomecanism este foarte robust, compact, fiabil și oferă un cuplu

de 3.2Kg/cm. Acesta este foarte rezistent la vibrațiile apărute în timpul deplasării

hovercraftului pe aproape orice fel de teren. Masa maximă este de 37g, tensiunea nominală

este de 4,7V și o viteză de 0,17secunde/45 iar la o tensiune de 6 V oferă un cuplu de 3Kg/cm,

acesta este reprezentat în Fig 3.12.

Fig 3.12. Servo-actuator de tip Futaba S3003

3.3. Determinarea turației minime necesare elicei de tracțiune

Transformarea energiei de rotație a motorului în forță de tracțiune se realizează prin

intermediul elicelor. Acestea au fost alese diferit pentru necesitățile hovercraftului. Prima

elice, cea de sustentație a fost aleasă cu diametrul de 9 inch /23cm și pasul de 6 inch /15cm cu

diametrul axului de 6.2mm. Cea de-a doua elice, cea de tracțiune este de 9 inch/23cm și pasul

de 4,5 inch cu diametrul axului de 6.2mm. Aceste tipuri de elice au fost atent alese astfel

obținându-se efort minim și putere foarte mare în această aplicație. Acest lucru se datorează

materialelor plastice ranforsate care ajută foarte mult atunci când este nevoie de turație

ridicată.

Una din componentele importante ale navei pe lângă motor este elicea de propulsie.

Aceasta se află în partea din spate a navei montată de axul motorului de tracțiune. O elice

poate fi denumită propulsivă dacă este folosită pentru producerea lucrului mecanic de

34

înaintare, iar forţa pe care o produce este de împingere sau de tracţiune. În cazul unei elice de

tracţiune, curentul incident este generat de deplasarea navei, deci aerul are o mișcare relativă,

rezultă că forța de tracțiune T și momentul M sunt produse de reacțiunea aerului asupra

palelor elicei. Proiecția T este produsă pe direcția de deplasare a navei și forței aerodinamice F

iar momentul M este produs de componenta lui F pe direcţia de deplasare şi în același timp

tangenta la traiectoria elicoidală a punctului de pală considerată. Tracțiunea furnizează forţa

necesară propulsiei navei prin fluid iar momentul trebuie echilibrat de cuplul motor.[2]

Forţa de rezistență la înaintare şi portanţă se reduc la axa elicei formând forţa de

tracţiune şi cuplul la ax, care reprezintă componentele axiale ale torsului forțelor de reacţiune

ce acţionează asupra elicei. Forţele care acţionează asupra aerului au aceeași mărime dar în

sens contrar, şi produc un “suflu” care trece prin suprafața descrisă de palele elicei în mișcare

şi are câmpul mișcării modificat de aceste forțe. Acțiunea directă a forței axiale conduce la o

presiune sporită imediat în spatele elicei şi la o presiune scăzută în față.[7,2].

Eficiența elicei de propulsie depinde de volumul de aer, rotația acesteia pe unitate de

timp, puterea motorului, dar şi de densitatea mediului, în cazul acesta fiind vorba de densitatea

aerului.

𝑇 =𝜋

4𝐷2 𝑣 +

𝐷𝑣

2 𝜌𝐷𝑣;

unde: T – tracțiunea elicei [N];

D – diametrul elicei [m];

V – viteza de curgere la intrare[m/s];

Dv – viteza suplimentară produsă de elice [m/s];

𝜌 - densitatea fluidului [kg/𝑚3];

unde densitatea aerului este [ ρ = 1.225 kg/m³].

Se cunosc următoarele valori:

M = 2,2kg(masa);

Pa = 1,01325x105 N/ m

2 ;

h = 5*102

m (înălţimea ridicare hovercraft);

= 1,23kg/m3(densitate aer);

r = 10*102

m(raza elicei);

Qies = V2*Pe*h .

Tracţiunea elicei este definită de formula:

35

𝑇 = 𝛿 ∗ 𝑄𝑖𝑛𝑡 − 𝑉𝑖𝑛𝑡 =𝛿

2𝐶𝑡 ∗ 𝜋𝑟

2(𝜔𝑟2) ;

unde Ct (coeficient de tracţiune Ct=0,313);

𝐴𝑝

𝐴= 𝐶𝑍0

unde Ap (suprafaţa tuturor palelor);

-viteza unghiulară a elicei care se calculează după ce se cunoaște tracțiunea elicei.

Formula tracţiunii elicei devine:

𝑇 = 1.23 ∗ 1.01325 ∗ 105 − 10 =1.23

20.313 ∗ 3.16 ∗ 𝑟2 𝜔𝑟2) => 28.3𝑁

unde viteza unghiulară

𝜔 = 1 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑒 = 2𝜋rad/min=>n rot 2𝜋 n rad/min 12000rpm-2𝜋12000rad/min=

2𝜋120001

60=

𝜋12000

30

𝜔 =𝜋12000

30=>12000=

30𝜔

𝜋, 𝜔 = 20 000rad/min.

Puterea dezvoltată de motor este următoarea:

P=U I =11Vx20A=220W

Randamentul elicei este dat de formula:

T V

= P int

= >unde , P eng = putere motor

ENG

Randamentul elicei propulsive devine:

= 28,3 10

=91%

220

Acest randament al elicei a fost luat în calcul atunci când hovercraftul este în

sustentaţie, adică atunci când presiunea este egală cu greutatea [4,5,6,11].

36

Fig 3.12. Elicea folosită la motoarele electrice

3.4. Schema constructivă pentru controlul hovercraftului

În figura de mai jos vom avea schema electrică care realizează controlul hovercraftului

prin bracarea celor două direcții dar și prin controlul celor trei motoare.

Fig 3.13 Schema electrică a hovercraftului

Schema electrică este formată din următoarele componente:

1,2,3 – Motoare electrice;

4,5,6 – Regulatoare de turație;

7 – Receptor;

8 – Servo-actuator;

9,10 – Acumulatori.

4. ANALIZĂ ȘI CONCLUZII FINALE

4.1. Analiza realizării practice

În acest capitol vom arăta prin intermediul imaginilor realizarea practică a navei după

schema creată în programul de proiectare. Realizarea practică a reieșit conform planurilor de

proiectare. În continuare avem reprezentată în imaginile de mai jos funcţionarea elicei de

sustentaţie a hovercraftului în următoarele situații: În Fig 4.1. și 4.2. întâlnim situaţia în care

37

elicea de sustentaţie se află în staţionare, ceea ce înseamnă viteză de rotaţie nulă, fusta

hovercraftului nu se umflă, iar în Fig 4.3. este prezentată funcţionarea motorului de sustentaţie

ducând la umflarea fustei.

Fig 4.1. Vederea generală a dispunerii rotoarelor de sustentație.

38

Fig 4.2. Vederea generală a dispunerii rotoarelor de sustentație și a elicei de propulsie.

Fig 4.3.Vederea laterală cu fusta de sustentație umflată.

39

4.2. Concluzii finale

În urma calculelor efectuate şi a rezultatelor acestora, partea practică nu a întâmpinat

probleme în realizarea sa.

Materialele utilizate nu au fost la standardele așteptate dar cu toate astea, modelul de

hovercraft s-a comportat foarte bine după finalizarea și încercarea sa.

La sustentaţia fără motor de tracţiune nava nu are tendinţe de înclinare.

La deplasarea pe sol aceasta se comportă bine atât la viteză mică, cât şi la viteză mare.

Există în viraj un comportament cu o ușoară tendință de derapaj.

În urma calculelor de dimensionare şi centraj, nava are performanţe conform calculelor

efectuate.

Design-ul hovercraftului respectă scara 1:1 aşa cum a fost proiectat în programul

Google Sketchup.

Cu un al doilea motor de sustentație putem spune că avem o redundanță în ceea ce

privește sustentația deoarece la defectarea unuia dintre ele, hovercraftul își poate

continua mișcarea.

40

BIBLIOGRAFIE

[1] Amiruddin, A. K., Sapuan, S. M. and Jaafar, A. A. “Development of a hovercraft

prototype with an aluminium hull base” International Journal of the Physical Sciences

Vol.6(17),pp.4185-4194,2September,2011;

[2] Berbente, C., Perju, R., Aeronautică, Editura Didactică și Pedadogică București,

1984;

[3] Divyesh Dave, Vimal Patel, Dhrumil Parikh, Sachin Prajapati, Sumaiya Patel

“Working Model of Remote Controlled Hovercraft”;

[4] Dumitrescu, H., Georgescu, A., Calculul elicei, Editura Academiei Române

București, 1990;

[5] Florea, Al. “Hovercraft cu un motor de sustentație și două suprafețe direcționale”

Universitatea din Craiova, Facultatea de Inginerie Electrică, Proiect de licență, 2014;

[6] Niță, M., M., Avioane și rachete concepte de proiectare, Editura Militară,

București 1985;

[7] Niță, M., M., Patraulea, R., Sîrbu, A., Mecanica aeronavelor, Institutul Politehnic

București,1984;

[8] Okafor, B., E., „’Development of a Hovercraft Prototype’’. Department Mechanical

Engineering, University of Technology, Owerri-Nigeria. International Journal of Engineering

and Technology Vol3, March 2013;

[9] Preotu, O., Construcția aeronavelor, Reprografia Universității din Craiova,

2001;

[10] Preotu, O., Construcția și calculul aeronavelor, Editura Tehnică București,

2001;

[11]*** http://aeroclubulbrasov.ro/;

[12]*** http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/Navele-pe-perna-de-aer15589.php;

[13]*** http://ro.wikipedia.org/wiki/Pernopter;

[14]*** http://www.scritub.com/diverse/FLOTABILITATEA-NAVEI74174.p.