Не всегда, однако, крылатые катера, построенные любителями, оказываются удачными. Чаще всего причиной разочарования строителей таких катеров становится неправильный выбор крыльевого устройства, его расположения и размеров крыльев. Иногда такие неудачи служат основой и для неправильной оценки крыльев вообще.
Так, например, В. В. Кузнецов утверждает: «На таких реках, как Нева, где водная поверхность редко остается спокойной, лодки с подводными крыльями вряд ли найдут широкое распространение; на волне лодка будет зарываться, крылья будут только снижать скорость». Далее автор цитируемой статьи приводит пример с товарищем, который «выйдя на Неву из Ижоры, убедился в бесполезности крыльев и совсем снял их».
Такие выводы, конечно, мало обоснованы, да и пример с Невой нехарактерен. На этой реке быстрое течение и ветер преимущественно встречных направлений образуют на быстринах и ниже мостов крутые высокие волны, которые затрудняют движение лодок на крыльях.
Горьковчане, киевляне и любители из других городов с успехом ходят на крылатых лодках при высоте волны до 0,25—0,35 м и считают, что глиссирующие мотолодки в этих условиях ведут себя значительно хуже.
Очень важно правильно выбрать размеры крыльев, определить их расположение на лодке и установить оптимальный угол атаки. Это позволит избежать разочарования после проделанной большой работы и сократит время доводки крыльев.
Прежде всего, нужно убедиться, что лодка пригодна для установки подводных крыльев. Зная мощность Ые двигателя и водоизмещение лодки D, можно при помощи графика (рис. 1) проверить целесообразность установки крыльев. На графике проведены ограничивающие линии, соответствующие скоростям движения 40 и 70 км/час. При скорости лодки ниже 40 км/час размеры и вес крыльевого устройства получаются очень большими; при скорости более 70 км/час на крыльях возникает кавитация, движение становится неустойчивым. Преодолеть эти явления любителю обычно не под силу, поэтому нужно рассчитывать на скорости в пределах 40—70 км/ч ас. Если на графике точка А, соответствующая заданным водоизмещению и мощности, находится между ограничивающими линиями, то подводные крылья на лодке будут целесообразны. Если точка А лежит ниже прямой V=40 км/час, необходимо увеличить мощность либо уменьшить водоизмещение. Расположение точки А выше прямой v ~ 70 км/час свидетельствует об имеющемся резерве мощности, реализовать который для увеличения скорости хода лодки будет технически трудно. По расположению точки А между ограничивающими прямыми можно приближенно оценить скорость, соответствующую заданным водоизмещению и мощности.
Оценив таким образом скорость лодки υ, можно приступить к выбору элементов крыльевого устройства. Для малых судов, предназначенных для плавания по внутренним водным путям, целесообразно применение наиболее простых по конструкции плоских малопогруженных крыльев. Для улучшения остойчивости катера носовому крылу можно придать небольшую V-образность (с углом от 2 до 4° к горизонтали).
Доля веса судна, приходящаяся на носовое и кормовое крылья (подъемная сила крыльев), определяется по формулам (рис. 2):
где Рн и Рк — подъемная сила носового и кормового крыльев соответственно;
χн и χк — отстояние середины носового и кормового крыла от какой-либо точки;
χg — отстояние ЦТ судна от этой же точки.
Нагрузка между крыльями должна распределяться поровну или с превышением нагрузки на носовое крыло на 5—6%; исходя из этого и следует выбирать положение крыльев по длине лодки.
После определения нагрузки на крылья приступают к расчету геометрических элементов крыльевого устройства. Для этого следует задаться величиной коэффициента подъемной силы Су. Величина Су для носового крыла применительно к рассматриваемому диапазону скоростей движения обычно принимается в пределах 0,15 : 0,25, причем меньшие значения соответствуют большим скоростям. Зная Сун, площадь носового крыла Sн можно определить по формуле:
где ρ — массовая плотность воды (102 кг сек2/м4);
υ — скорость движения, м/сек.
По площади крыла определяются ширина (хорда) b и длина (размах) крыла l. Рекомендуется применять крылья, имеющие прямоугольную форму в плане (рис. 3), так как они обладают высокими гидромеханическими характеристиками и обеспечивают судну достаточную остойчивость.
Гидромеханические характеристики крыла повышаются с увеличением относительного размаха крыла λ=l/b, поэтому размах крыла назначается максимально возможным из конструктивных соображений. Для удобства эксплуатации лодки размах крыла l назначают таким образом, чтобы крыло не выходило за габарит ширины корпуса. Однако от этого правила следует отказаться, если оказывается, что λ<4. При выборе размаха крыла необходимо также учитывать его прочность и жесткость.
После выбора размаха носового крыла lн определяется его хорда (ширина):
Выбор элементов кормового крыла производится в том же порядке, но с учетом некоторых особенностей. Величина Сук назначается в пределах 0,2÷0,3 и должна быть несколько больше Сун. Размах кормового крыла lк можно принять меньшим, чем у носового (lк≈0,75lн), чтобы кормовое крыло разместилось в волновом следе от носового крыла. Зазор между днищем и кормовым крылом должен быть достаточно большим, чтобы не сказывалось неблагоприятное взаимодействие крыла и корпуса при выходе судна на крылья.
Количество стоек, крепящих крылья к корпусу, выбирается по соображениям прочности крыльевого устройства. На каждом крыле не должно быть более 3—4 стоек, так как с увеличением их числа существенно увеличивается сопротивление воды движению судна. Ширина стойки обычно меньше хорды крыла и несколько увеличивается в месте крепления к крылу (рис. 4).
Высота стоек определяется в зависимости от погружения крыльев, подъема корпуса над водой (клиренса) и ходового дифферента. Для небольших катеров на расчетной скорости эти величины колеблются в пределах:
Высота подъема корпуса над водой назначается в указанных пределах в зависимости от размеров катера и условий эксплуатации.
При выборе высоты кормовой стойки следует учитывать изменение относительного погружения кормового крыла из-за влияния носового крыла. Если мощность двигателя передается на винт при помощи наклонного вала, высота кормовой стойки должна быть такой, чтобы угол наклона гребного вала (рис. 5) был не более 15°. В этом случае сначала определяют высоту кормовых стоек, а уже затем по дифференту и погружениям носового и кормового крыльев определяют высоту стоек носового крыла.
Рекомендуется применять крылья сегментного профиля. Относительная толщина профиля δ (отношение толщины, δ к хорде b) выбирается в пределах 5—7%. Относительные координаты профиля приведены на рис. 6.
Обводы корпуса катера на крыльях принципиально не отличаются от обводов глиссирующего судна. Иногда может оказаться целесообразным увеличить подъем килевой линии и килеватость шпангоутов в кормовой части. Вследствие этого уменьшается подъемная сила на кормовой части днища, и ускоряется выход лодки на крылья.
После выбора геометрических элементов крыльевого устройства, а также уточнения водоизмещения и положения ЦТ судна производится гидродинамический расчет крыльевого устройства и гребного винта.
При расчете определяется угол атаки крыла в зависимости от нагрузки, конструктивных элементов и погружения. Этот расчет является приближенным, поэтому угол атаки крыла уточняется при доводочных испытаниях катера. Для этого нужно предусмотреть возможность изменения угла атаки крыльев; после окончательного подбора угла атаки положение крыла жестко фиксируют. Неплохо, если угол атаки крыла можно будет регулировать в процессе эксплуатации в зависимости от нагрузки, высоты волны и т. п.
Коэффициент подъемной силы крыла связан с его конструктивными элементами, углом атаки а и погружением следующей зависимостью:
Входящие в эту формулу величины γ и χ определяются по рис. 7 и 8 в зависимости от относительного погружения h и относительного размаха крыла λ;
Δα0 — величина уменьшения угла нулевой подъемной силы при приближении профиля к свободной поверхности определяется по формуле:
α0 — угол нулевой подъемной силы профиля (выраженный в радианах, он численно равен относительной толщине профиля при небольших относительных толщинах).
Значения коэффициентов θ1 и θ2 определяются по рис. 9 и 10 в зависимости от относительного погружения крыла Н.
α — гидродинамический угол атаки крыла определяется как (рис. 11):
где α' — установочный угол атаки, ψ — дифферент катера.
Если теперь ввести обозначения:
то для определения установочного угла атаки получим формулу:
При расчетах по вышеприведенным формулам углы выражаются в радианах. 8се эти формулы справедливы для расчета носового крыла.
Для расчета кормового крыла необходимо учесть влияние на его обтекание носового крыла.
Это влияние заключается в понижении уровня воды на величину Δhк и в появлении скоса потока Δαк в районе кормового крыла. Впадина за носовым крылом может быть приближенно представлена в виде синусоиды (рис. 12). Величины α и d определяются при помощи графиков (рис. 13 и 14), на которых представлены относительные величины α = α/bнCy и d = d/bн в функции от числа Фруда Fr:
где g = 9,81 м/сек2 — ускорение силы тяжести.
Величины α и d получаются умножением значений, снятых с графиков, соответственно на bнСу и bн.
Уменьшение погружения в районе кормового крыла:
а угол скоса потока:
где L — расстояние между крыльями.
В дополнение к сказанному выше о выборе места расположения кормового крыла следует заметить, что расстояние L желательно выбирать таким образом, чтобы кормовое крыло на расчетной скорости находилось на восходящей ветви профиля волны (см. рис. 12); это приводит к повышению гидродинамических качеств судна.
Расчет гребного винта для катера на подводных крыльях принципиально выполняется так же, как для обычных судов, но необходимо учесть некоторые специфические особенности работы винта на катере с подводными крыльями.
Кривая сопротивления воды движению катера на подводных крыльях на скорости, предшествующей выходу на крылья, имеет горб (максимум) сопротивления. Точке минимума сопротивления соответствует полный отрыв корпуса от воды. Точка, соответствующая расчетной скорости хода на крыльях, располагается за минимумом сопротивления. Гребной винт, проектируемый для данных условий, должен обеспечивать достижение катером заданной скорости и преодоление горба сопротивления.
Кривая сопротивления строится на основании результатов буксировочных испытаний модели судна. Проектант-любитель обычно не имеет возможности проведения таких испытаний, поэтому сопротивление катера можно приближенно определить по величине гидродинамического качества судна К. Для любительского катера следует принимать К=10÷12. Сопротивление катера определяется по формуле:
После того как величины υ, D и R определены, расчет винта производится по имеющимся для этой цели диаграммам. При этом следует иметь в виду, что на наклонном гребном валу винт работает в условиях косого обтекания. При отсутствии кавитации учет косого обтекания можно произвести, если вместо поступи винта:
где п — число оборотов винта, принимать при расчете винта величину:
где φ — угол наклона гребного вала к горизонтальной плоскости;
λ1 — поступь нулевого упора.
После того как подобран винт, удовлетворяющий условиям движения на эксплуатационной скорости, необходимо проверить возможность преодоления горба сопротивления. Приближенно можно считать, что на режиме выхода на крылья К=3÷5.
Винт должен быть проверен на кавитацию одним из известных способов; при этом запас на кавитацию следует увеличивать, так как в косом потоке кавитация наступает раньше. Для предотвращения кавитации гребные винты следует выбирать с большим дисковым отношением Θ = 0,7÷1.
Если оказывается, что избежать кавитации нельзя, необходимо произвести расчет с учетом влияния кавитации на гидродинамические характеристики. Метод расчета гребного винта с учетом влияния кавитации изложен, например, в книге Э. Э. Папмеля «Практический расчет гребного винта».