Обводы быстроходных катеров

В первом выпуске была опубликована статья Л. М. Кривоносова «Обводы, сопротивление, скорость хода и мощность глиссирующих судов», в которой рассматривались общие вопросы проектирования быстроходных катеров. В помещаемой ниже статье В. Н. Аладъина приводятся дополнительные соображения по выбору обводов катеров, главным образом, с точки зрения обеспечения их ходкости на волнении.

---

Наибольшее распространение для любительской постройки получили остроскулые катера, рассчитанные на глиссирование или плавание в переходном к глиссированию режиме.

Как известно, при глиссировании вес катера почти полностью уравновешивается гидродинамической подъемной силой, благодаря чему судно всплывает и скользит по поверхности воды (рис. 1). Днище катера работает аналогично крылу самолета, однако в отличие от крыла, подъемная сила в этом случае возникает только за счет появления избыточного давления на нижней поверхности. Для глиссирования характерны ходовой дифферент на корму (угол атаки днища) и перепад гидродинамического давления по днищу в продольном и поперечном направлениях. Последнее обстоятельство вызывает интенсивное растекание воды поперек днища, причем у бортов и транца вода выбрасывается из-под днища в виде струй и брызг.

В создании гидродинамической подъемной силы участвует обычно лишь кормовая половина корпуса, обводы которой специально проектируются с расчетом на глиссирование. Носовая часть днища входит в контакт с водой периодически, при колебаниях дифферента, что может быть вызвано или волнением, или неустойчивостью движения (дельфинированием). В этих случаях днище подвергается сильным ударам, поэтому обводы носовой части проектируются исходя из соображений максимального уменьшения ударных нагрузок на волнении. Важной задачей при проектировании глиссирующего катера является обеспечение устойчивости на курсе, поворотливости и всхожести на волну.


Раньше считалось, что мореходное судно (рис. 2) обязательно должно быть круглоскулым. Однако обводы днища с круглой скулой для глиссирующих катеров малоприемлемы. Дело в том, что при отсутствии острой скулы струи воды из-за поперечного перетекания поднимаются гораздо выше и сильно замывают борта, что приводит к необходимости увеличения мощности механизмов, так как на подъем воды и преодоление трения воды о борта требуется дополнительная энергия. Кроме того, скругление скулы даже под небольшим радиусом вызывает увеличение ходового дифферента на корму. Поэтому круглоскулые обводы для глиссирующих катеров находят лишь ограниченное применение и, в большинстве случаев, в сочетании с остроскулыми обводами в кормовой части корпуса, с использованием продольных реданов, брыз-гоотбойников и т. п.

На остроскулых катерах кромки скулы в кормовой части и у транца должны быть обязательно острыми (рис 3) Иногда на транце закрепляется металлический угольник или пластина, кромка которой запиливается для резкого отрыва струй воды от корпуса.

Целесообразно по всей длине скулы устанавливать отбойный брус из твердых пород дерева или из металлического угольника (рис. 4). Отбойный скуловой брус лучше выполнить с небольшим углом наклона нижней кромки вниз (приблизительно 10—15°), благодаря чему носовая волна не сможет подняться выше скулового бруса, а будет отбрасываться вниз. Брызгообразование при этом уменьшается, мореходные качества улучшаются, а, кроме того, несколько увеличиваются гидродинамические подъемные силы на днище.

Скругление кромки скулы допустимо только у V-образных катеров, рассчитанных на режим плавания, т. е. в тех случаях, когда остроскулая форма выбрана лишь по технологическим соображениям. Обводы таких катеров обычно отличаются большой килеватостью (порядка 35—40° против 2—10° для глиссирующих остроскулых катеров).


Основные типы обводов быстроходных катеров показаны на рис. 5, 6. Кроме того, для морских катеров применяются комбинированные (или компромиссные) обводы. Кормовая часть таких корпусов для обеспечения максимальной скорости выполняется остроскулой, а носовая часть для улучшения мореходных качеств имеет округлые шпангоуты. Переход от остроскулых обводов к круглоскулым осуществляется либо в районе мидель-шпангоута, либо несколько дальше в нос (рис. 7).

Реданные обводы в основном используются для гоночных глиссеров, при проектировании которых основное внимание уделяется получению высокой скорости хода, а мореходные качества и удобства команды имеют второстепенное значение. Применение реданных обводов для туристских катеров нецелесообразно, так как уже при небольшой зыби пассажиры будут испытывать сильную и неприятную тряску.

Катере с обводами типа «морские сани» обладают довольно хорошими мореходными качествами при высокой скорости хода. При движении катера на режиме глиссирования тоннель днища заполняется смесью воды и воздуха, которая создает подушку, смягчающую удары о воду. Скольжение на воздушной подушке снижает сопротивление трения, а своды тоннеля значительно уменьшают брызго- и волнообразование. «Морские сани» легко всходят на волну без зарывания и без сильных ударов днищем о воду.

Наличие тоннеля и фактически двух корпусов уменьшает рысканье «морских саней» при значительном волнении, когда обычные остроскулые катера становятся трудноуправляемыми. К главным достоинствам таких обводов, по сравнению с обычными остроскулыми, следует отнести также улучшение остойчивости катера.

Обводы остроскулых глиссирующих катеров имеют несколько разновидностей, при выборе которых приходится отдавать предпочтение ходовым или мореходным качествам (рис. 8).


Глиссирующие катера с абсолютно плоским днищем строятся очень редко, хотя такое днище и выгодно для получения наибольшей гидродинамической подъемной силы, легко поддается гидродинамическому расчету, просто в постройке. Редкое использование плоских обводов (и только для речных катеров) объясняется тем, что такое днище уже при небольшой волне испытывает неприятные и вредные для прочности корпуса сильные удары о воду. Кроме того, плоскодонные катера обладают плохой поворотливостью и после отклонения руля дрейфуют в сторону, противоположную перекладке руля. Все эти недостатки сводят на нет отмеченные выше преимущества.

Катера с плоско-килеватым днищем имеют удовлетворительную мореходность, так как сила удара при встрече днища с волной значительно смягчается килеватостью. Килеватость днища одновременно приводит и к некоторому увеличению смоченной поверхности в кормовой части корпуса, что, конечно, увеличивает его сопротивление движению. При увеличении угла внешней килеватости от 0 до 20° относительное сопротивление R/D возрастает примерно на 25—30%, а при угле килеватости около 40° глиссирование прекращается и катер переходит в режим плавания. Поэтому килеватость днища у транца принимается обычно минимально допустимой по соображениям мореходности. Для речных катеров этот угол обычно равен 2—4°, для катеров озерного плавания увеличивается до 7÷10°, а на гоночных океанских катерах достигает 20°. По мере перехода от транца к миделю и дальше в нос килеватость плавно увеличивается. Резкие изменения углов килеватости вдоль корпуса считаются вредными, так как это приводит к закручиванию потока воды, омывающего днище, к увеличению сопротивления корпуса, а следовательно, и затрачиваемой мощности. Килеватость мидель-шпангоута обычно на 3—7° больше, чем на транце.


Днище океанских гоночных катеров, наоборот, выполняется без изменения угла килеватости от транца до миделя (обводы «моногедрон»), Килеватость ветвей носовых шпангоутов должна быть в пределах 25—30°, а на катерах повышенной мореходности 35—50°.

Обводами типа «моногедрон», или цилиндрическими, называют обводы с неизменными по длине катера шириной по скуле и углом килеватости. В этом случае все шпангоуты примерно от миделя до транца имеют совершенно одинаковые очертания и устанавливаются на одной высоте над основной. Катера с обводами «моногедрон» обладают удовлетворительной мореходностью и поворотливостью; постройка их значительно проще.

Килеватое днище, по сравнению с плоским, имеет следующие недостатки: меньшую гидродинамическую подъемную силу, большее сопротивление и больший ходовой угол дифферента. Недостатком плоско-килеватых обводов является и повышенное брызгообразование.

Большое распространение для быстроходных катеров получили обводы с изогнуто-килеватой формой днища (рис. 9). Такие обводы создают большую гидродинамическую подъемную силу, чем плоско-килеватые, уменьшают сопротивление корпуса благодаря снижению брызгообразования; катер идет мягче на волнении. Зато постройка корпуса катера с изогнуто-килеватыми обводами значительно сложнее, чем с плоско-килеватыми.

Изогнуто-килеватые обводы можно рекомендовать для всех типов быстроходных катеров, особенно для больших туристских, предназначенных для длительных переходов по крупным рекам, озерам и водохранилищам.

Необходимо подчеркнуть, что для обеспечения хороших мореходных качеств катера очертания надводной части носовых шпангоутов не менее важны, чем обводы подводной части. Необходим достаточный развал шпангоутов носовой части в сочетании с изломом борта, брызгоотбойными брусьями или уступами (рис. 10). Последние препятствуют слишком высокому подъему носовой волны и уменьшают забрызгивание палубы при боковом ветре.

Кроме очертаний шпангоутов, на мореходные и ходовые качества катеров оказывает большое влияние положение скулы, которое, естественно, зависит от килеватости шпангоутов. Положение скулы на корпусе особенно важно для малых и средних скоростей хода, когда катер еще не полностью вышел из воды.


Расстояние от точки пересечения линии скулы с ватерлинией катера в состоянии покоя до транца должно составлять 75—80% расчетной длины по скуле (рис. 11). Начиная с этой точки линия скулы должна идти в нос в виде плавной кривой, поднимаясь достаточно высоко у форштевня. Если ватерлиния пересекает линию скулы слишком близко к форштевню, то, несмотря на хорошую скорость на полном ходу катера в режиме глиссирования, он будет зарываться и заливаться носовой волной на малых и средних скоростях. Из-за полных образований носовой оконечности и погруженной скулы катер будет толкать перед собой волну (рис. 12), которая высоко замывает борта. При наличии даже незначительного волнения такая носовая волна может захлестнуть и палубу, что крайне опасно для малых катеров и мотолодок с небольшой высотой надводного борта.

Точно так же недопустим (для глиссирующих катеров) изгиб кормовой части скулы в обратном направлении, т. е. подъем линии скулы к транцу. Гидродинамическое давление в корме при этом резко падает, и корпус будет «засасывать», что приведет к увеличению дифферента на корму, снижению скорости и потере устойчивости хода.

В плане линия скулы ограничивает днище как глиссирующую пластину, определяя его форму. Ширину транца по скуле лучше принять несколько менее, чем по мидель-шпангоуту; это поможет избежать замывания бортов в кормовой части. Сужение скулы в корме следует выполнить плавно в пределах B_тр/S = 0,80÷0,90.

Ходкость и мореходные качества катеров зависят также и от ходового дифферента. Угол ходового дифферента не должен превышать 1—1,5° для глиссирующих катеров и 1,5—2,5° для катеров, рассчитанных на переходный режим. При большем дифференте увеличивается сопротивление, ухудшается устойчивость на курсе. Излишний дифферент катера может быть уменьшен путем отгиба вниз кормовой части днища (рис. 13). Благодаря такому отгибу скорость потока воды в этом районе днища уменьшается, в результате возрастает гидродинамическое давление и катер выравнивается. Отгиб днища у транца 1 на катерах с кормовой центровкой позволяет увеличить скорость хода на 10—15%.

Попутно следует заметить, что отношение расчетной длины к ширине для глиссирующих катеров должно составлять L/B = 2÷3, а для катеров, рассчитанных на переходный режим движения, L/B = 2,4÷3,6. Уместно упомянуть здесь об удельной нагрузке и центровке катера, величина которых, помимо обводов, существенно влияет на скорость быстроходных катеров. Для глиссирующих катеров удельная нагрузка должна быть равна 20—25 кг/л. с. (не более), а для катеров переходного режима колеблется от 25 до 50 кг/л. с. (не более 60 кг/л. с.) Чем меньше удельная нагрузка, тем большую скорость может развить катер.

Центр тяжести глиссирующего катера при полной его нагрузке должен отстоять от транца на 36÷41% расчетной длины L. При относительной центровке, соответствующей х = (0,33÷0,36) L, на днище катера в кормовой части следует выполнить отгиб, величина которого f обычно определяется опытным путем. Относительная центровка катеров переходного режима обычно соответствует величине х = (0,38÷0,45) L.