Условимся морскими санями называть суда, днище которых представляет собой один свод, независимо от того, образуются ли очертания днищевых шпангоутов одной плавной линией или двумя прямолинейными ветвями, сходящимися в ДП; при движении днище в корме оказывается смоченным по всей ширине свода.
Термин катамаран будем относить к катерам, движение которых осуществляется на двух раздельных глиссирующих корпусах. Катера, днище которых образовано двумя сводами, будем называть тримаранами.
Теперь немного истории. Перед I мировой войной англичанин: Джон Торникрофт с щелью, отработки обводов катера береговой охраны провел испытания трех моделей: с обычным V-образным днищем, с вогнутыми (санными) обводами и с поперечными реданами. Испытания показали, что при водоизмещении, около 4 т. реданный катер должен развивать скорость около 34 узл., катер с санными обводами — 27,5, а катер с обычными обводами — лишь 24,5. Для дальнейшей разработки приняли реданный катер, однако потенциальные возможности саней также были продемонстрированы достаточно убедительно. Тогда же этими обводами начал заниматься Альберт Хикман; его морские сани имели прямолинейные ветви днищевых .шпангоутов с точкой схода на линии ДП (рис. 1). Очевидно, что при ходе на волнении, когда движение катера сопровождается ударами корпуса о воду, на вершине такого свода возникали большие напряжения; это приводило к расшатыванию набора и разрушению обшивки.
Сравнительно недавно англичанином Тилом была предложена (рис. 2) модификация обводов Хикмана, заключающаяся одновременно в изменении очертаний шпангоутов днища — они стали округлыми, что уменьшило концентрацию напряжений, и формы ватерлиний; на высокой скорости такой катер по существу превращается уже в глиссирующий катамаран.
Многие морские сани, например — подробно описанные в сборнике №7, имеют обводы, как бы промежуточные между корпусами Хикмана и Тила. В самые последние годы в США крупными сериями выпускаются пластмассовые прогулочные катера с несколько видоизмененными санными обводами, получившие название тримаранов. Примером применения подобных обводов в отечественной практике может служить катер А. М. Ваганова (см. №15).
В зарубежной печати периодически появляются все новые сообщения о постройке катеров со сложными обводами корпуса, резко отличающимися от. «традиционных», однако большинство таких сообщений носит откровенно рекламный характер. Что же касается количественных данных, которые подтверждали бы эффективность тех или иных обводов и могли использоваться для сравнения и выбора форм корпуса при проектировании, то до настоящего времени таких оценок, тем более основанных на результатах экспериментов, в печати нет. Данных по построенным катерам недостаточно и для статистического анализа.
В связи с этим представляют интерес результаты некоторых экспериментальных исследований и, в частности, испытаний пластин и моделей реальных корпусов, имеющих как санные и тримаранные, так и традиционные килеватые обводы.
Сначала были проведены буксировочные испытания серии схематизированных глиссирующих пластин с постоянной по длине килеватостью. В серию вошли 9 моделей с углами килеватости β = +20°, +15°, +10°. +5°, 0°, -5°, -10°, -15°, -20°, которые испытывались при постоянной скорости с переменной нагрузкой, так что коэффициент1 С в изменялся от 0,025 до 0,175. Положение центра тяжести по длине2 изменялось при этом в пределах Xg=0,35÷0,47.
Наличие моделей с положительной килеватостью и плоской позволило сравнить их характеристики с характеристиками обратно-килеватых пластин и в первом приближении сделать выводы о целесообразном диапазоне (по скорости и нагрузке) применения обводов типа морские сани.
Испытания позволили установить принципиальные различия в обтекании глиссирующих пластин с прямой и обратной килеватостью (рис. 3).
Около обычной килеватой пластины можно различить: брызговую пелену — струи, отбрасываемые вперед по ходу движения и к бортам; течение вдоль основной смоченной поверхности; бортовые струи, отбрасываемые назад и сходящиеся за транцем с образованием волновой впадины и брызгового фонтана.
При движении обратно-килеватой пластины картина иная. Прежде всего, нет столь характерных для глиссирующих пластин брызговых усов. Это объясняется тем, что брызговая пелена отбрасывается не в сторону, не наружу от борта, а к диаметральной плоскости, где, смыкаясь, обе системы брызг образуют одну обратную, по отношению к направлению движения пластины, брызговую струю, которая тут же разрушается. Остатки этой брызговой струи и некоторое количество воздуха, захватываемое при движении под днище, просасываются, формируя узкую (приблизительно 10—15% ширины пластины) пенную дорожку, вдоль ДП до самого транца. За транцем пенная дорожка постепенно рассеивается, образуя пенный след.
Отрыва потока от бортов на скулах не происходит. Сходящие с бортов струи при удалении от транца постепенно как бы закручиваются внутрь волновой впадины и затем, соударяясь, образуют фонтан. Выражение волновая впадина, строго говоря, не является в данном случае точным, так как поверхность, ограниченная сходящимися за кормой бортовыми струями, имеет сложную форму: выпуклую в средней части и понижающуюся, вогнутую по краям. Это объясняется тем, что при движении пластины с обратной килеватостью вода поднимается от бортов к ДП.
Испытания не подтвердили сложившегося у многих приверженцев морских саней мнения о том, что сопротивление трения этих судов снижается благодаря просасыванию воздуха от носовой оконечности к транцу. В ходе испытаний не удалось наблюдать явления, сходного по характеру с так называемой «воздушной смазкой» или с процессом образования под сводом воздушной подушки. Ссылки в ряде публикаций на отдельные пузыри воздуха, доходящие до транца, не могут служить основанием для далеко идущих выводов о возможном снижении сопротивления трения.
Увеличение гидродинамического качества К на обратно-килеватых пластинах (имеющее место, кстати сказать, далеко не всегда, как это показано ниже), по мнению авторов, можно скорее объяснить наличием эффекта, аналогичного наблюдаемому на плоской пластине при установке скуловых шайб, т. е. увеличением эффективного размаха несущей поверхности, а также действием реакции от соударения сходящихся в ДП струй.
На рис. 4 приведены зависимости обратного гидродинамического качества, или коэффициента глиссирования3, от коэффициента динамической нагрузки. При относительной центровке Хg = 0,36 и 0,42 особенно четко заметно, что существует некоторое определенное для каждого угла килеватости значение СВ, меньше которого выгодны обычные обводы, выше — обратно-килеватые. Зависимость критического СВ от угла килеватости β и зоны применимости килеватости различного характера приведены на рис. 5 для центровок Хg = 0,36 и 0,42. В зонах выше кривых морские сани будут иметь преимущество, ниже — преимущество на стороне традиционных обводов.
Оптимальные значения ψ для обратно-килеватых пластин, соответствующие минимуму кривой ε(СВ). несколько больше, чем у пластин с обычной килеватостью (рис. 6). Следует отметить, что высказанное утверждение относится только к оптимальным значениям угла дифферента.
При одинаковом значении СВ угол ходового дифферента пластины с обратной килеватостью оказывается меньше, чем с прямой. Это кажущееся противоречие объясняется тем, что зона максимального гидродинамического качества обратно-килеватых пластин существенно смещена на рассматриваемых графиках (особенно при Xg = 0,36 и 0,42) вправо. в область больших нагрузок и, следовательно, больших, по сравнению с обычными плоско-килеватыми пластинами, углов ходового дифферента.
Зона, в которой обратно-килеватые пластины обладают преимуществом, может быть существенно расширена установкой скуловых накладок (рис. 3. в).
Как уже отмечалось, при движении обратно-килеватой пластины обычно не происходит отрыва потока от бортов на скулах; из-за возникающего замывания бортов площадь смоченной поверхности оказывается приблизительно на 10—12% больше, чем у обычных килеватых пластин, движущихся с отрывом потока на скулах. Благодаря же установке скуловых накладок, отсекающих поток от бортов, смоченная поверхность пластины с обратной килеватостью существенно уменьшается и становится практически такой же, как у пластины с прямой килеватостью.
Эффективность действия скуловых накладок зависит как от формы их поперечного сечения, так и от нагрузки пластины. Наиболее выгодны (при β=-10°) накладки, ширина которых составляет 5% ширины основного днища; их установка дает наибольший эффект в диапазоне нагрузок, характерном для катеров весом до 1,5 т, эксплуатируемых при скоростях около 40—45 км/час. При СВ>0,12 накладки положительного эффекта не дают.
Оптимальное значение угла скоса накладок γ составляет приблизительно 20°, причем вариации в пределах 10—20° мало сказываются на гидродинамическом качестве пластины. Опыты показали, что при правильном выборе ширины и угла скоса накладок на обратно-килеватых пластинах можно получить более высокое К, чем на пластинах с положительными углами килеватости, во всем рассмотренном диапазоне изменения СВ.
Результаты испытаний систематической серии плоско-килеватых глиссирующих пластин могут использоваться при проектировании — для выбора характера килеватости катера, если заданы его габариты и вес, и для определения (в первом приближении) гидродинамических характеристик проектируемых судов как с обводами типа морские сани, так и с традиционными килеватыми корпусами.
Следующим этапом было исследование гидродинамических характеристик моделей катеров с обратно-килеватыми обводами, приближающимися к реальным, и сопоставление их с данными по традиционным катерам. Результаты представлены в безразмерном виде — как зависимости ε от числа Фруда4 FrΔ при различных коэффициентах СΔ и относительной центровке Xg.
Исследовались две серии из трех моделей каждая.
В первую серию входили два корпуса с упрощенными обводами типа морские сани, различающиеся формой шпангоутов, и остроскулый килеватый катер тех же габаритов (рис. 7).
Сначала все корпуса были испытаны при одинаковых условиях (Xg=0,37 и СΔ=0,28); полученные зависимости приведены на рис. 8. Из этого графика следует, что в диапазоне FrΔ=2,5÷3,8 корпус 1 испытывал меньшее сопротивление движению, чем корпус традиционных обводов. Диапазон выигрыша для корпуса 2 оказывается значительно уже (FrΔ=2,8÷3,5). Это можно, по-видимому, объяснить тем, что на плоском участке днища корпуса 1 развивается большая подъемная сила, чем на обратно-килеватом днище корпуса 2. В режиме плавания и в переходном режиме, в районе горба кривой сопротивления, более выгодны традиционные обводы, испытывающие меньшее сопротивление формы.
Для корпуса 1, который, очевидно, следует признать лучшим из первых трех рассмотренных, дополнительно исследовалось влияние изменения положения центр_а тяжести (рис. 9). На скорости FrΔ=3,5 изменение Xg с 0,36 до 0,43 приводит к падению К на 14÷15%, что, как показал ориентировочный расчет, для катера весом в I г выражается в уменьшении скорости примерно на 3 км/час. Условия же перехода через горб сопротивления при этом оказываются более благоприятными.
Основная модель второй серии (рис. 10) — корпус 4 — выполнена по теоретическому чертежу морских саней, разработанных В. Аладьиным. Для сравнения в серию был введен и корпус 5 с обводами типа тримаран, полученный путем модификации морских саней Аладьина в тех же габаритах. Третьим и в этой серии был катер с обычными остроскулыми обводами, близкий по размерам и характеристикам к двум названным. Результаты испытаний моделей второй серии представлены на рис. 11 и 12.
Очевидно (рис. 11), что изменение нагрузки приводит лишь к незначительному изменению максимальной величины гидродинамического качества (минимум ε), причем тримаран оказывается более чувствительным к изменению нагрузки. С другой стороны, увеличение нагрузки сопровождается увеличением угла ψ и, как следствие, смещением зоны максимального К в область более высоких скоростей. Угол ходового дифферента, соответствующий максимальному К, составляет для 4 корпуса 5—5,5°, а для 5 корпуса 6°, что несколько выше оптимальных значений для катеров с традиционными обводами. Сказанное находится в полном соответствии с выводами, основанными на результатах испытаний серии плоско-килеватых пластин.
Анализ рис. 12 позволяет сделать вывод о том, что для морских саней и тримарана наиболее приемлемый диапазон Xg=0,40÷0,45. При дальнейшем смещении ЦТ в корму можно добиться более высокого К, однако при этом резко возрастает сопротивление в районе горба и потеря устойчивости наступает на значительно меньших скоростях.
В целом можно сказать, что морские сани подвержены влиянию изменения центровки в несколько меньшей степени, чем катера традиционных обводов, и могут эксплуатироваться со значительными отклонениями от среднего значения водоизмещения в сторону перегрузки без существенного падения К и скорости.
Фотографии всех трех моделей второй серии на ходу представлены на рис. 13. Скорость движения во время съемки соответствовала FrΔ=3,9. Снимки хорошо показывают характер брызгообразования при движении морских саней и их преимущества в этом смысле перед обычными катерами. При испытаниях на санях и тримаране были установлены брызгоотбойники, расположение и работа которых также хорошо видны на фото. Благодаря их установке можно в режиме глиссирования (за горбом кривой сопротивления) повысить К приблизительно на 10% (рис. 14). Для катера весом в 1 т это дает увеличение скорости движения на 2÷2,5 км/час.
В ходе испытаний авторами была сделана попытка оценить величину скорости, при которой катера начинают терять устойчивость — дельфинировать. Оказалось, что эта критическая скорость для морских саней и корпуса традиционных обводов практически одинакова.
Проведенные испытания моделей, конечно, еще не достаточны для каких-либо принципиальных обобщений и абсолютных выводов и не позволяют пока предложить строго обоснованный анализ, охватывающий всевозможные комбинации форм обводов, нагрузок, центровок, удлинений и т. д. Многие вопросы, связанные с проектированием катеров типа морские сани, ждут своего решения. Достаточно для примера упомянуть лишь один из них — вопрос мореходности. Во всех публикациях последнего времени повторяются восторженные восклицания по поводу высокой мореходности саней, но нет никаких количественных данных.
Авторы будут весьма благодарны читателям, интересующимся затронутыми проблемами, за отзывы и любые сведения о морских санях и тримаранах, построенных любителями.
Примечания
1. Коэффициент динамической нагрузки по ширине:
где D — весовое водоизмещение, кг;
ρ — плотность воды, кг•сек2/м4;
υ — скорость движения, м/сек;
В — ширина глиссирующей поверхности, м.
2. Относительная центровка:
где Xg — отстояние ЦТ от транца, м;
L — расчетная длина глиссирующей поверхности, м.
3. Гидродинамическое качество К глиссирующего катера (пластины) — отношение весового водоизмещения D к сопротивлению R. Обратное качество (коэффициент глиссирования, удельное сопротивление):
4. Число Фруда по водоизмещению:
где υ — скорость катера, м/сек;
g — ускорение силы тяжести; g=9,81 м/сек2;
Δ — объемное водоизмещение катера, м3;
где D — вес катера, т;
γ — удельный вес воды, т/м3.
Коэффициент статической нагрузки по ширине:
где В — ширина днища, м.