Суда обоих упомянутых в заголовке статьи типов относятся к той категории, которую сейчас принято называть судами с аэродинамической разгрузкой. Если глиссирующим катерам традиционных форм поток встречного воздуха оказывает лишь дополнительное сопротивление, называемое аэродинамическим, то, воздействуя на корпуса трехточечных или двухкорпусных глиссеров, тот же встречный поток создает аэродинамическую подъемную силу, которая помогает корпусу судна выходить из воды, снижая тем самым общее сопротивление движению.
Таким образом, при правильном учете взаимодействия всех сил, действующих на гоночное судно, аэродинамическая сила выступает в роли союзника, обеспечивая наиболее полное использование мощности двигателя, достижение максимально возможной скорости хода и безопасность гонщика.
Однако та же аэродинамическая подъемная сила может быть и врагом. Как известно, большая часть аварий гоночных судов происходит от потери устойчивости движения, когда судно, выведенное из состояния установившегося движения какой-либо случайной силой, не возвращается к нему, а опрокидывается или зарывается в воду. За один 1971 г. в результате аварий на водно-моторных соревнованиях в США погибло 8 гонщиков и свыше 800 получили травмы. Причиной примерно 10% общего числа аварий была потеря поперечной устойчивости — переворот судна через скулу. Около 75% всех аварий с катамаранами и 10% аварий с трехточечными глиссерами составили случаи потери статической продольной устойчивости, когда судно задирало нос и в результате резкого возрастания при этом аэродинамической подъемной силы опрокидывалось через транец; 70% аварий с «трехтонками» и 10% аварий с катамаранами составили случаи дельфинировання — потери динамической продольной устойчивости.
Эти цифры наглядно демонстрируют важность обеспечения устойчивости движения. Ясно, что лишь при устойчивом движении не только мощность двигателя, но и внимание гонщика целиком отдаются борьбе за скорость. Сразу же уточним, что ниже, говоря о скорости хода, мы будем иметь в виду расчетную скорость судна, которая, естественно, отличается от фактической. В разности этих скоростей заложено все то, что трудно учесть конструктору и что делает водно-моторные гонки спортом: мастерство водителя, погодные условия, обстановка на дистанции. Фактическая скорость может быть как меньше, так и больше теоретической, когда, например, искусство гонщика позволяет правильно использовать благоприятные условия на акватории.
Некоторые рекомендации
Известный английский конструктор Джон Тил, оценивая возможности современных материалов при постройке катера длиной около 5,5 м, дает следующее соотношение. Если вес корпуса трехслойной конструкции (стеклопластик — пенопласт — стеклопластик) принять за единицу, то при равной прочности корпус из фанеры и дерева будет весить больше на 8%, из легкого сплава — на 28%, из стеклопластика — на 50%. Анализ лучших отечественных конструкций дает близкие результаты.
Наиболее подходящими материалами для постройки гоночных судов в наших условиях можно считать: для обшивки — авиационную фанеру малых толщин; для заполнения отсеков плавучести и повышения общей прочности и жесткости — пенопласты различных марок; для изготовления набора — дерево в рейках. Оклейка фанерной обшивки одним слоем стеклоткани на эпоксидной смоле — широко распространенный и оправдавший себя прием увеличения общей прочности и обеспечения герметичности корпуса. Отдельные, наиболее нагруженные узлы или балки иногда имеет смысл выполнять из алюминиевых сплавов. Обтекатели всех видов предпочтительно делать фанерными или трехслойной конструкции: это наименее нагруженные узлы, хотя и требующие надежного крепления. (Желательно, чтобы на гоночном судне, рассчитываемом на скорости 100 км/ч и выше, не было выступающих частей, не прикрытых обтекателями; это касается и самого гонщика.) Таким образом, в целом представляется наиболее целесообразной композитная конструкция.
Вес одного кубического метра объема корпуса трехточечного глиссера или катамарана для лучших образцов составляет около 22—24 кг. В то же время удельный вес корпусов с обводами глубокое V может быть существенно ниже — иногда 9—10 кг/м3. При одинаковых главных размерениях наименьший вес имеют круглоскулые корпуса с обводами глубокое V, затем (в порядке возрастания) идут остроскулые корпуса с обводами глубокое V, плоскодонные глиссеры, катамараны и трехточечные корпуса. Об этом, следует помнить, принимаясь за проектирование судна в тех классах, где нет весовых ограничений, а запас мощности невелик. Там же, где мощности хватает, важнее всего добиваться достижения наивысшего качества судна. На гоночные суда действуют как аэро-, так и гидродинамические подъемные силы и силы сопротивления. Соответственно различают аэродинамическое и гидродинамическое качества, но мы пока будем иметь в виду общее качество — отношение суммы обеих подъемных сил к сумме обоих сопротивлений.
При равных условиях наивысшее качество имеют глиссеры трехточечной конструкции, затем плоскодонные глиссеры, катамараны, остроскулые и круглоскулые килеватые катера с продольными реданами, однако с ростом скорости плоскодонные глиссеры со второго места постепенно переходят на последнее.
Многих гонщиков волнует вопрос о практической применимости определенных конструктивных типов спортивных судов для конкретных скоростей. Общие выводы, которые могут помочь при решении этого вопроса, таковы.
Для скоростей свыше 60 км/ч корпуса с малым удлинением смоченной поверхности (глубокое V, катамараны) становятся гидродинамически выгоднее плоскодонных, так как на высоких скоростях могут сохранять наивыгоднейшие углы атаки при наибольшем значении качества без потери устойчивости; трехточечная же схема выгоднее и тех и других.
Там, где вес судна не является вопросом первостепенной важности, суда с аэродинамической разгрузкой оказываются выгоднее глубокого V и плоскодонных корпусов. Уже при скорости 60 км/ч мост катамарана площадью около 3 м2 создает подъемную силу 10—20 кг. На скоростях же порядка 100 км/ч и выше аэродинамическая подъемная сила может достигать величины 30 и более кг на 1 м2 несущей поверхности. В этом случае становится выгодным (в определенных пределах) увеличение размеров судна, поскольку несущая способность аэродинамической поверхности уже превосходит собственный вес конструкции.
Аэродинамическая профилировка несущей поверхности на большинстве судов выполнена в виде обтекаемых сечений.с относительной толщиной 5—8% и высотой среза кормовой части 100—300 мм. Опыт, постройки экранопланов дает основание считать, что для определенных режимов движения имеет смысл применять более толстый профиль (10—12%), а для многих и обтекаемую кормовую кромку. Профиль продольного сечения предпочтительно выбирать из числа тех, у которых центр давления (точка, где приложена аэродинамическая сила) и аэродинамический фокус (точка, где прикладывается дополнительная сила при изменении угла атаки) имеют возможно более кормовое расположение.
Правильная центровка глиссера — одно из важнейших условий успеха. У трехточечного глиссера, как известно, центр тяжести обычно располагается несколько в корму от окончания спонсонов. При этом возможны три положения аэродинамического фокуса (перечислены от худшего случая к лучшему): впереди спонсонов; между спонсонами и центром тяжести; в корму от центра тяжести. В последнем случае судно наиболее устойчиво и не подвержено опасности опрокидывания через транец.
Расстояние между центром тяжести и расположенным в корму от него аэродинамическим фокусом определяет запас устойчивости глиссера. Чтобы обеспечить достаточную величину этого запаса, применяются следующие мероприятия:
- носовая кромка несущей аэродинамической поверхности отодвигается (в приемлемых пределах) назад;
- ширина кормовой части корпуса делается соразмерной ширине носовой части;
- устанавливаются дополнительные горизонтальные стабилизаторы в корме;
- центр тяжести сдвигается в нос.
Достаточный запас устойчивости необходим еще потому, что вблизи экрана аэродинамический фокус профиля заметно смещается в корму (по сравнению с положением на том же профиле, но на большем удалении от экрана). Когда случайная сила (волна, порыв ветра) подбросит глиссер в воздух, смещение аэродинамического фокуса в нос с одновременным увеличением угла атаки может стать причиной опрокидывания через транец; если же запас устойчивости был заведомо достаточным, судно приводняется относительно комфортабельно.
Расчет трехточечного глиссера
Пример расчета дается в табличной форме (табл. 1).
Чтобы рассчитать трехточечный глиссер, нужно в строчки и графы таблицы вписать соответствующие данные, выполнить простейшие математические вычисления, а затем на миллиметровке построить график, подобный показанному, и определить посадку судна. По результатам строки (51) — «полный момент» для рассматриваемого примера построен график (рис. 6), из которого видно, что судно на расчетном режиме будет идти с углом атаки чуть более 3°.
Возможны случаи, когда суммарное сопротивление судна при всех заданных углах атаки окажется больше (или меньше) упора винта на расчетной скорости. Это значит, что судно должно рассчитываться на меньшую (большую) скорость.
Если кривая полного момента не пересекает ось во всем диапазоне углов атаки, это значит, что судно будет изменять угол атаки в сторону уменьшения полного момента, пока момент не станет равным нулю.
Может оказаться, что кривая полного момента будет иметь четко выраженный минимум. Это значит, что в области углов атаки от этой точки и больше судно на данной скорости будет неустойчиво и требуются меры по изменению центровки.
Кабрирующий момент (задирающий нос) считается положительным, а пикирующий — отрицательным.
Графики Сy, Сx и Сm построены на основании продувки модели трехточечного глиссера, показанной на рис. 7. Чем ближе (по форме) к этой исходной модели рассчитываемый глиссер, тем точнее учитываются для него аэродинамические характеристики.
Расчет катамарана
Теоретические основы расчета гидродинамики катамаранов были разработаны Клементом в Тейлоровском опытовом бассейне. Рекомендуемая методика использует как эти данные Клемента при расчете гидродинамических сил, так и данные Шеффера, Кокса, Гартуайта для расчета аэродинамических сил. Графики аэродинамических коэффициентов построены по результатам продувки классического корпуса Молинари вблизи экрана.
На высоких скоростях (120—150 км/ч) катамараны по значению качества уступают только трехточечным глиссерам, но в гонках на акваториях, где предъявляются более жесткие требования к мореходности, могут оказаться предпочтительнее их.
Основные характеристики катамаранов зависят в первую очередь от расчетной скорости.
Чем больше скорость, тем уже глиссирующие пластины, тем меньше площадь, угол атаки и относительная толщина моста, тем больше вертикальный клиренс.
Для катамаранов гоночных классов (в отличие от трехточечных глиссеров, схемы которых очень разнообразны) характерны довольно устойчивые значения основных соотношений и параметров.
Отношение длины к ширине обычно бывает в пределах 2,3—2,9.
Относительная толщина моста меняется от 12—15% у судов, рассчитанных на скорость 60 км/ч, до 4—5% у судов, рассчитанных на 150—170 км/ч. Для продольного сечения моста предпочтительны безмоментные профили или профили, у которых с увеличением угла атаки центр давления смещается назад.
Вертикальный клиренс обычно принимается равным 4—5% длины моста (большие значения соответствуют более высоким расчетным скоростям).
Угол внешней килеватости глиссирующей пластины, как правило, около 10°.
Ширина глиссирующей пластины одного корпуса может быть приближенно вычислена по формуле:
где В — ширина пластины;
D — гоночный вес катамарана (с мотором, запасом топлива и гонщиком), кг;
V — расчетная скорость, м/с.
Смещение центра тяжести в корму при малых мощностях облегчает достижение наивысшей скорости, однако допустимо лишь до известных пределов (об этом уже не раз упоминалось в сборнике). Здесь стоит добавить следующее. С точки зрения продольной устойчивости центровка катамарана сложнее, чем трехточечного глиссера, поскольку центр тяжести всегда располагается ближе к транцу, чем центр аэродинамического давления.
Для обеспечения устойчивости движения катамарана рекомендуются следующие мероприятия:
- смещение ЦТ в нос;
- уменьшение ширины глиссирующих пластин (при условии достаточного запаса мощности);
- уменьшение расчетного я ходового углов атаки моста;
- применение специальных профилей моста;
- уменьшение (в допустимых пределах) площади моста, особенно его носовой части;
- оперативное управление углом установки подвесного мотора.
Приводится (табл. 2) пример расчета гоночного катамарана класса SC-500, сконструированного Ю. А. Зиминым. Чтобы выполнить расчет другого катамарана, нужно его исходные данные подставить в эту же таблицу и выполнить указанные расчеты.
Затем, как показано на рис. 13, на графике строится кривая сопротивления катамарана (на основании строки 30). Участок между точками пересечения кривой сопротивления с прямой упора винта (72 кг) определяет диапазон углов атаки, при которых возможно движение со скоростью, не меньше расчетной.
Для катамарана Ю. А. Зимина, как видно по графику, это углы от 4,8° до 5,9°. Если бы винт при скорости 20 м/с обеспечивал упор 73 кг, диапазон углов увеличился бы от 3,8° до 6,8°. При этом на углах атаки в диапазоне 4°—6,5° судно могло бы иметь расчетную скорость более 20 м/с
Если линия упора проходит ниже кривой сопротивления (например, в нашем случае 71 кг), это означает, что расчетная скорость недостижима и нужно вести расчет на меньшую скорость.
Литература
- 1. Питер дю Кейн. Быстроходные катера. «Судпромгиз», 1960.
- 2. Е. P. Klement. Graphs for predicting the ideal high-speed resistance of planing catamarans. International Shipbuilding Progress, XI, 1962, vol. 9. № 99, pp. 464—177.
- 3. R. L. Schaffer. C. G. Cox, R. L. Gaгihwaite. An engineering approach to hydroplane design. A1AA. Paper № 72—608.