Как можно улучшить скоростные качества катамарана? Один из действенных способов — установка подводных крыльев особого типа, использование которых на однокорпусных катерах нецелесообразно (из-за потери остойчивости, трудностей крепления, увеличения габаритов, ухудшения условий швартовки и т. д.).
Крылья проектируются с таким расчетом, чтобы на всех скоростях корпус катамарана не отрывался от поверхности воды. Крылья, имеющие вид плоских или килеватых пластин, устанавливаются между корпусами и благодаря этому удачно вписываются в общую конструкцию катера, не ухудшая его эксплуатационных качеств, и, кстати, воспринимают часть усилий, приходящихся на конструкцию соединительного моста катамарана.
Для правильного использования таких крыльев необходимо ясно представлять себе особенности течения потока между корпусами быстроходного глиссирующего катамарана. Уточним, что речь идет о катамаранах с плоскими (без скулы) и вертикальными (или с развалом не более 10—15°) внутренними бортами корпусов, поскольку именно этот вариант наиболее целесообразен при применении крыльев между корпусами. (При иных обводах поток между корпусами носит сложный нестационарный характер, высота волн возрастает и условия работы крыльев существенно ухудшаются).
При движении катамарана под его мостом — между корпусами — возникает зона повышенных давлений; вода, растекаясь к вертикальным внутренним бортам корпусов, создает между ними характерную систему цилиндрических волн. При малых скоростях подъем воды, дающий начало ряду небольших волн, образуется в носовой части. При увеличении скорости этот начальный подъем воды увеличивается и преобразуется в длинную волну с подошвой около миделя катера. С дальнейшим ростом скоростей начальный подъем воды, увеличиваясь по высоте, все больше смещается в корму катера и, наконец, в пределах его длины остается только область вершины волны.
Вода в области вершины этой мощной волны между корпусами поднимается выше уровня невозмущенной поверхности настолько, что может замывать мост катамарана. Вызванное этим увеличение смоченной поверхности бортов в значительной мере и обуславливает повышение сопротивления катамаранов по сравнению с однокорпусными катерами (помимо того, что смоченная поверхность увеличивается из-за наличия внутренних бортов самих по себе).
За движущимся мало погруженным подводным крылом всегда наблюдается впадина. Эта особенность и позволяет добиваться такого наложения впадин от крыльев на вершины образующихся между корпусами волн, при котором сопротивление катамарана существенно снижается за счет уменьшения волнообразования и площади смоченной поверхности. При соответствующем выборе числа и расположения крыльев можно добиться даже общего опускания уровня воды между корпусами.
Крылья, обладающие более высоким гидродинамическим качеством, чем глиссирующее днище корпуса катамарана, воспринимают часть нагрузки катера; этим достигается дополнительное уменьшение смоченной поверхности и, следовательно, снижение сопротивления трения.
Для определения возможных путей улучшения скоростных качеств быстроходных катамаранов были проведены испытания серии моделей. Корпуса моделей различались формой обводов и удлинением, а между корпусами варьировалось количество и расположение крыльев.
Одна из моделей с остроскулыми обводами внешних бортов и плоскими вертикальными внутренними бортами имела длину между перпендикулярами — 2,7 м, ширину корпуса по скуле на миделе — 0,3 м; расстояние между внутренними бортами 0,45 м (относительный клиренс
где xg — отстояние ЦТ модели от транца, м.
Устанавливаемые на этой модели крылья с хордой 150 мм имели острокромочный сегментный профиль относительной толщиной 0,06. Во всех случаях крылья ставились горизонтально на уровне киля с нулевым углом атаки к основной линии.
Испытания показали, что переход от однокорпусной модели (образованной путем соединения корпусов катамарана) к катамарану без крыльев приводит к увеличению сопротивления при FrΔ>2,0. Установка крыльев позволяет практически во всех случаях уменьшить сопротивление катамарана, а при соответствующем подборе количества и расположения крыльев — добиться снижения сопротивления и по сравнению с однокорпусной моделью. Использование крыльев позволяет существенно влиять на ходовой дифферент моделей, в частности, уменьшая его изменение с изменением скорости хода.
В диапазоне наиболее полно исследованных скоростей до FrΔ=3,0 наилучшие результаты показала модель с тремя крыльями, установленными на расстояниях 2,43; 1,42 и 0,15 м от транца. Влияние крыльев на свободную поверхность воды приводило к почти полному исключению волнообразования; внутренние борта оголялись вплоть до килевой линии. Эффективным оказался и вариант с двумя крыльями на расстояниях 2,43 и 0,15 м от транца. Снижение сопротивления по сравнению не только с катамараном без крыльев, но и с однокорпусной моделью, начиналось с FrΔ≈1,0, причем в первом случае (три крыла) оно достигало ~35—40%, а во втором (два крыла) ~25—30%.
При более высоких скоростях из-за всплывания катера условия работы подводных крыльев ухудшаются, так как они приближаются к свободной поверхности воды; появляется опасность их оголения, особенно при волнении. Для таких скоростей может оказаться оптимальным иное расположение двух крыльев или даже использование одного крыла, хотя на низких скоростях оба эти варианта дают меньший выигрыш в сопротивлении.
Для каждого конкретного катера количество и расположение крыльев следует подбирать индивидуально, учитывая следующие соображения.
Профиль крыла должен быть обязательно острокромочным. Можно применить профиль, аналогичный упомянутому выше или рекомендованный в статье Э. А. Афрамеева, В. В. Вейнберга «Проектирование и расчет подводных крыльев» в сборнике №3, 1964 г.
Устанавливать крылья необходимо как можно ниже, — чтобы не возникала опасность их оголения; на расчетной скорости погружение не должно превышать 0,5—1,0 хорды — в противном случае эффект влияния крыльев на возникающие между корпусами волны резко уменьшается.
Подбор числа крыльев надо производить на построенном катамаране. После изучения картины волнообразования между корпусами при одном носовом крыле устанавливается второе крыло, а затем, если нужно, третье. Каждое новое крыло устанавливается сразу же за подошвой волны от предыдущего крыла; этим достигается эффект опускания уровня свободной поверхности между корпусами. Чрезмерное количество крыльев может привести к увеличению сопротивления. Как правило, установка более трех крыльев оказывается нецелесообразной.
Длина впадины за подводным крылом, расположенным между корпусами катамарана, прямо пропорциональна скорости, а величина опускания уровня воды зависит не только от скорости, но и от подъемной силы, развиваемой крылом, и погружения крыла (увеличение погружения, естественно, ведет к уменьшению величины опускания). В соответствии с этим установочные углы атаки крыльев должны быть возможно большими, но при условии обеспечения их плавного, без срывов, обтекания. Оптимальные по гидродинамическому качеству углы атаки на ходу составляют 3—7°, После подбора крыльев на расчетной скорости должна быть проведена проверка их работы на промежуточных скоростях.
При подборе числа и расположения крыльев желательно контролировать изменение сопротивления движению катера или скорости хода при одинаковом числе оборотов винта, нагрузке и положении ЦТ.
Необходимо проверить поведение катера и на волнении, обратив внимание на обтекание крыльев, срывы потока с них и брызгообразование.
Примечания
1. Подробнее о гидродинамических характеристиках катамаранов по сравнению с однокорпусными катерами можно прочитать в сборнике №70.