Размерения и обводы водоизмещающего катера

В последние годы у нас в стране и за рубежом вновь пробудился интерес любителей отдыха на воде к тихоходным, но зато и наиболее экономичным водоизмещающим моторным судам. Повышение эксплуатационных расходов, сложности с приобретением бензина на берегах большинства наших рек заставляют многих владельцев глиссирующих мотолодок и катеров держать свои суда большую часть сезона на приколе либо использовать их с заведомо маломощными и не соответствующими корпусу моторами, приспосабливать паруса. Не случайно же поднялись в цене «неторопливые» лодки со старенькими четырехтактными двигателями серии «Л» и с различными дизелями. Не случаен и стабильный поток поступающих в редакцию «КиЯ» писем читателей с одним и тем же вопросом: когда начнет поступать в торговую сеть водоизмещающая мотолодка «Вишера»? Многих привлекает возможность совершать на ней комфортабельные плавания под мотором «Ветерок» при относительно умеренном расходе горючего — до З8 л на 100 км пути. Увы, почему-то этой лодке так и не суждено было дойти до потребителя: в серийном производстве «Вишера» не освоена.

К сожалению, вообще промышленность не может предложить ни одного водоизмещающего катера с экономичным стационарным двигателем. Объясняется это очевидной и простой причиной: двигатели мощностью 6—40 л. с., приспособленные для установки на лодки, моторостроителями не выпускаются. В пору повального увлечения высокими скоростями на легких глиссирующих лодках с новыми тогда подвесными моторами мощностью 20—25—30 л. с. перестали пользоваться спросом уже стоявшие на конвейере менее мощные «СМ-255Л», «СМ-500Л», «Луч»; более десяти лет назад все эти лодочные двигатели были сняты с производства.

Неудивительно, что теперь судостроителям-любителям приходится не только создавать катера своими руками, но и самостоятельно же приспосабливать для работы на этих катерах случайные двигатели общего применения — старые «пускачи» тракторных дизелей, моторы от переносных электростанций, компрессоров, помп и т. п.


Как бы то ни было, а сегодня экономичные, комфортабельные водоизмещающие катера строятся и эксплуатируются на многих бассейнах страны. Не всегда, к сожалению, построенный самостоятельно и по собственному проекту катер оправдывает надежды строителя. Дело в том, что грамотно спроектировать водоизмещающее судно нисколько но проще, чем быстроходное, а эта истина далеко не так уж очевидна.

Во многих городах уже забыты столь популярные лет 20—25 назад «аксайхи», «финки», «каюки» и другие лодки местных типов, обводы и размерения которых вырабатывались в течение ряда десятилетий как оптимальные для плавания именно в данном водоеме на веслах, под парусами и маломощными моторчиками. Самодеятельные судостроители часто копируют «новомодные» модели дюралевых и пластмассовых лодок, которые рассчитаны не на водоизмещающий и даже не на переходный режим, а на чистое глиссирование— движение с гораздо большей скоростью, которую можно достичь лишь с двигателем во много раз большей мощности, чем ставятся на эти катера в надежде на экономию горючего.

Подчеркнем: экономический эффект можно получить только в том случае, если корпус катера будет построен с учетом гидродинамики именно неторопливого плавания. Рассмотрим его особенности.¹

Обычная глиссирующая лодка, например «Прогресс», скользит по воде, не касаясь ее форштевнем, расходящиеся от бортов волны вырываются из-под днища где-то у середины длины корпуса, а весь транец, начиная от днища, не замывается водой. При меньшей скорости тот же корпус садится в воду на всю длину киля, осадка увеличивается, дифферент на корму уменьшается — транец оказывается погруженным в воду. Изменяется и характер обтекания корпуса водой. Лодка становится плохо обтекаемой: перед тупым, не рассчитанным на такой режим движения носом поднимается бурун; за вдавленным в воду транцем образуются завихрения и область с пониженным давлением, которая как бы «засасывает» лодку назад. На преодоление этих появившихся с падением скорости сил сопротивления движению лодки тратится определенная (и немалая) часть упора гребного винта. Суммируясь с увеличенным сопротивлением трения обшивки о воду (ведь смоченная площадь стала гораздо больше!), эти силы даже на самой малой скорости движения потребляют значительную часть мощности, развиваемой двигателем.


С повышением скорости все большую роль начинают играть затраты мощности на создание целой системы волн, образующихся у корпуса движущегося судна. Причина возникновения этих волн легко объяснима: в прилегающих к движущемуся корпусу слоях воды происходят изменения давления, свободная поверхность жидкости под действием этих сил давления деформируется — поднимается в зонах с повышенным давлением, и опускается там, где оно оказывается ниже статического.

Первой областью повышенного давления является зона, прилегающая к форштевню. Здесь образуется гребень носовой волны — буруна. Под углом к направлению движения от форштевня расходятся волны, так и называющиеся расходящимися. На более высоких скоростях вдоль бортов становятся различимы поперечные волны; первый гребень их обычно расположен у самого форштевня. По мере удаления от форштевня корпус судна обычно становится шире; частицы воды в силу этого ускоряют свой бег, соответственно давление в слоях воды близ корпуса падает. Это .местное падение давления проявляется в виде впадины — подошвы волны, образующейся за наиболее широким сечением корпуса. Она дает начало кормовой поперечной волне.

За кормой можно также заметить вторую — кормовую — систему расходящихся волн.

Судостроители в расчетах ходкости судов часто используют не абсолютную, а относительную скорость судна, называемую числом Фруда


Здесь: v — скорость судна, м/с; g — 9,81 м/с² — ускорение силы тяжести; L — длина корпуса по ватерлинии, м.


Ниже мы увидим, что выбор этого выражения не случаен: в него входят те же величины, которые определяют длину волны при колебаниях поверхности воды. И каждому значению числа Фруда соответствует определенный и всегда постоянный характер волнообразования, обусловленный длиной волны.

Именно волны и в первую очередь— волны поперечные — на определенных скоростях обуславливают мощность, которую должен развить двигатель, чтобы катер достиг данной скорости. Энергия, затрачиваемая на создание и поддержание волн у корпуса судна при его движении, оценивается величиной волнового сопротивления. При относительной скорости Fr = 0,5 волновое сопротивление составляет 60—65% общей величины (суммы) сил сопротивления воды движению судна. Понятно поэтому, что конструктор при разработке проекта любого водоизмещающего судна должен уделить особое внимание снижению волнового сопротивления — придать корпусу форму (обводы) и размерения, оптимальные для заданной относительной скорости.

Количество энергии, поглощаемой поперечной волной, пропорционально длине волны λ и квадрату ее высоты. Между длиной волны и скоростью ее распространения существует зависимость


где π = 3,14, а остальные величины те же, что и в выражении числа Фруда.


Очевидно, что волны, создаваемые корпусом, движутся с той же скоростью, что и сам катер. Воспользовавшись приведенной зависимостью, можно вычислить длину волны для любой скорости лодки. Например, для скорости 6 км/ч длина волны всегда будет равна 1,78 м; для 8 км/ч — 3,16 м; 10 км/ч — 4,95 м; 12 км/ч — 7,10 м; 14 км/ч — 9,66 м; 16 км/ч — 12,64 м; 18 км/ч — 16,0 м.

Заметим, что длина волны не зависит от размерений судна (ведь в формуле нет величины LI). Когда, скажем, 300-метровый лайнер и 6-метровая лодка идут с одинаковой скоростью 14 км/ч, около их корпусов возникает поперечная волна одинаковой длины — 9,66 м. (Иное дело высота волны — она зависит от водоизмещения судна и около лайнера будет, конечно, много выше). Зато существенная разница есть в другом. Если на длине нашего лайнера укладываются 30 волн, то второй гребень носовой поперечной волны от 6-метровой лодки окажется уже почти в 4 м за ее кормой...

Другими словами, такой катер на скорости 14 км/ч будет подобен экипажу, пытающемуся въехать на холм, который отодвигается от него с той же скоростью. Катер приобретает при этом сильный дифферент на корму и обтекаться водой будет уже совсем не по тем плавным ватерлиниям, которые изображал конструктор. Потребуется намного увеличить мощность, подводимую к гребному винту, и придать кормовой части катера полные и плоскодонные обводы, чтобы гидродинамические силы приподняли корму и катер смог «въехать» на гребень.

На графике зависимости затрат мощности на гребном валу от скорости лодки эта область «подъема на холм» выражается в виде резкого подъема кривой вверх при числах Фруда около 0,45—0,52. А при Fr=0,9÷1,2 на кривой мощности появляется «горб», соответствующий максимуму сопротивления. Если судно окажется в состоянии преодолеть этот «горб», оно сможет продолжать движение на больших скоростях уже В новом режиме — на режиме глиссирования.

Условия для преодоления «горба» и перехода на режим глиссирования хорошо известны: это большая удельная мощность двигателя (не менее 35 л. с. на каждую 1 т водоизмещения) и специальные обводы корпуса. Однако сегодня нас интересуют гораздо более низкие скорости, соответствующие режиму водоизмещающего плавания, а не глиссирования. Это та область графика, где кривая потребной мощности еще только начинает свой крутой подъем вверх, т. е. относительная скорость не превышает значений Fr = 0,38÷0,42. Здесь, если по-прежнему говорить о 6-метрозом катере, каждый дополнительный километр скорости требует увеличения мощности двигателя в 1,5 и даже более раз.


Следовательно, ограничивающее условие мы можем сформулировать так: наш водоизмещающий катер должен плыть не на одном гребне поперечной волны, а минимум на двух гребнях соседних волн. Другими словами, длина волны, образующейся на расчетной скорости движения, должна быть не более длины судна по ватерлинии.

Если теперь обратиться к приведенным выше цифрам, характеризующим зависимость длины поперечной волны от скорости катера, можно сделать вывод, что наш катер длиной 6 м может идти на двух и более гребнях со скоростью до 11 км/ч, катер длиной 8 м — до 12,5 км/ч и т. д. Для движения с такими скоростями требуются всего 3,5—4 л. с. мощности на каждую 1 т водоизмещения, т . е. в 8—10 раз меньше, чем для движения в режиме глиссирования!

Влияние длины на скорость можно иллюстрировать таким примером. Были построены две спасательные шлюпки, на которых поставили одинаковые дизеля «4ЧСП 8,5/11» мощностью по 23 л. с. Шлюпка «СШАМ22» вместимостью 22 чел. имела длину по ватерлинии 6,5 м и водоизмещение около 4 т. Вторая шлюпка «СШПМ90» была 90-местной, имела длину 10 м и втрое большее водоизмещение — 12 т. Однако на испытаниях с полной нагрузкой шлюпки показали, как ни покажется странным, практически одинаковую скорость: «СШАМ22» — 12,1 км/ч, а «СШПМ90» — 11,5 км/ч. Теперь разгадка нам уже ясна! Первая шлюпка имела крайне невыгодное соотношение длины корпуса и длины волны, образующейся на скорости около 12 км/ч, — шла на одном гребне. А вот на 10-метровой длине «СШПМ90» укладывались два гребня, она шла без дифферента в оптимальном и наиболее экономичном режиме водоизмещающего плавания.

Удачное соответствие размерений скоростям можно обнаружить и на выработанных практикой лодках местных типов: чаще всего они строятся длиной не менее 5,5—7 м. Большие, тяжелые рыбачьи лодки неожиданно оказываются удивительно легкими на ходу — при гребле даже при сравнении с 4-метровыми прогулочными шлюпками.

Словом, располагая маломощным двигателем следует строить водоизмещающую лодку такой длины, чтобы при реально достижимой скорости избежать ее плавания на одном гребне волны!

Обратимся теперь ко второму параметру, от которого зависят высота волны и величина волнового сопротивления,— к водоизмещению судна. Чем меньше водоизмещение D, тем меньше и волновое сопротивление, и трение обшивки о воду, поскольку меньше погруженный объем и смоченная поверхность (для круглоскулого катера смоченную поверхность можно определить по формуле Гроота


Судостроители и здесь часто используют для сравнения не абсолютную величину водоизмещения, а связывают его с длиной по ватерлинии, получая так называемую относительную длину


Этот параметр зависит от материала и конструкции корпуса, веса двигателя, насыщенности катера оборудованием, запаса горючего, пассажировместимости и т. п. Для каютных прогулочно-туристских катеров нормальной конструкции (из дерева), эксплуатирующихся в водоизмещающем режиме, средние значения l = 5÷5,2. При облегченной конструкции корпуса с обшивкой из фанеры или двойной диагональной l = 5,6. Если относительная длина менее 5, это свидетельствует о том, что конструкция корпуса слишком тяжела или катер перегружен оборудованием. А лишняя нагрузка потребует дополнительных затрат мощности двигателя и горючего, такой водоизмещающий катер не будет экономичным и при сравнительно малых скоростях плавания.

Большое влияние на волновое сопротивление оказывает распределение водоизмещения по длине катера. При низких скоростях, о которых идет речь, высота волн, образующихся у корпуса судна, зависит от полноты его оконечностей. Чем больше подводный объем, сосредоточенный у фор- и ахтерштевня, тем выше поднимаются гребни поперечных волн. Поэтому на водоизмещающих судах и носовую и кормовую оконечности необходимо делать сравнительно острыми, концентрируя основной подводный объем вблизи миделя.

Графически распределение подводного (погруженного) объема по длине корпуса представляется в виде строевой по шпангоутам. Основанием для этого графика служит длина по ватерлинии, а ординатами, откладываемыми вверх на каждом шпангоуте, площади шпангоутов в определенном масштабе.

Для тихоходных катеров и яхт типичные кривые строевой по шпангоутам в носу и корме — вогнутые; с ростом скорости, когда проявляется тенденция к дифференту на корму, в кормовой части эта кривая обычно становится притупленной, а в носу — выпуклой.

Площадь строевой по шпангоутам (с учетом масштаба длины и площадей) равна водоизмещению судна; положение центра тяжести ее совпадает по длине с положением центра подводного объема — центра величины, а коэффициент полноты площади, ограниченной строевой — равен призматическому коэффициенту полноты водоизмещения


где А — погруженная площадь мидель-шпангоута, м².

Зная этот коэффициент, можно судить о распределении водоизмещения по длине корпуса, даже не прибегая к построению строевой: чем выше значение φ, тем полнее обводы оконечностей данного корпуса.

Испытания моделей судов в опытовых бассейнах показали, что волновое сопротивление сильно зависит от призматического коэффициента и в связи с этим каждой относительной скорости соответствует оптимальное значение ф. Ориентировочные цифры для рассматриваемого диапазона скоростей таковы. Для числа Фруда 0,297 значение φ = 0,53; 0,327—0,54; 0,357—0,58; 0,386—0,62; 0,426—0,64; 0,446—0,66; 0,475—0,68; 0,505—0,69.

Величина коэффициента φ находится, как уже отмечалось, и в прямой зависимости от обвода мидель-шпангоута— более килеватому обводу соответствует большее значение φ.

Упомянем и еще одну зависимость — между коэффициентами общей полноты δ, призматическим коэффициентом φ и коэффициентом полноты мидель-шпангоута β:


Все эти соотношения необходимо учитывать при разработке обводов будущего катера. Поэтому-то конструкторы-профессионалы начинают проектирование нового судна с самого подробного ознакомления со всеми данными похожих судов-прототипов, тщательно анализируют опыт их эксплуатации. Это позволяет избежать многих ошибок.

Главным путем уменьшения волнового сопротивления при конструировании водоизмещающего катера является снижение давления воды в месте встречи потока с корпусом, т. е. у форштевня². Здесь важную роль играет заострение ватерлиний — угол входа корпуса в воду, измеряемый между касательной к ватерлинии и диаметральной плоскостью. При самых низких скоростях, когда волновое сопротивление невелико (Fr = 0,20), этот угол может быть довольно большим — до 25°. Однако с повышением относительной скорости до 0,25 необходимо его уменьшить до 18°, а при Fr более 0,30 — даже до 12—10°. Правда, при этом нельзя забывать, что слишком вытянутые и «впалые» ватерлинии могут вызвать большой подъем носового буруна и «прилипание)) его к обшивке; в свежий ветер и при качке брызги от него будут забрасываться на палубу.

Имеет важное значение и форма сечения самого форштевня. Увеличение высоты носового буруна и заметное перемещение его вперед неизбежно вызывает сечение, близкое к прямоугольнику, или скругление по слишком большому радиусу. Желательно, чтобы в районе ходовой ватерлинии штевень был заостренным — имел минимальный радиус скругления.

Остроту носовых обводов в подводной части и у КВЛ необходимо компенсировать достаточным развалом бортов у палубы, а также использованием на бортах брызгоотбойников, отсекающих бурун от бортов; иначе в свежую погоду судно будет зарываться носом в волну, поднимать много брызг.

Важен также достаточный наклон форштевня вперед: благодаря этому демпфирующий килевую качку момент будет нарастать плавно, не тормозя движения катера.

Чтобы добиться необходимого носового заострения ватерлиний, самый большой по площади шпангоут — мидель-шпангоут — обычно приходится несколько смещать в корму от середины длины корпуса.

Велика и роль обводов кормовой части корпуса, которая сводится, в первую очередь, к поддержанию правильного дифферента на скоростях, соответствующих отрыву второго гребня поперечной волны от кормы. Для самых тихоходных судов оптимальна острая корма типа применяемой на каноэ, крейсерская или вельботная корма, при которой вода обтекает корпус по плавным траекториям и смыкается за ахтерштевнем без образования завихрений. Корпус с острой кормой имеет примерно одинаковые объемы оконечностей и идеален для плавания на волне — обладает устойчивостью на курсе, легко управляется. Недаром такие обводы предпочитают для морских рыболовных судов и спасательных шлюпок.

Возможно и применение транцевой кормы, но при условии, что плоская часть транца начинается выше KBJ1, а ходовая ватерлиния и в корме достаточно заострена. Такой вариант обеспечит хорошее обтекание корпуса в сочетании с такими преимуществами транцевой кормы, как большая площадь палубы и наличие полезного объема корпуса в корме, увеличение восстанавливающего момента при большом крене. Транец в этом случае должен иметь значительную килеватость, а батоксы круто подниматься вверх над КВЛ.

При более высоких скоростях (Fr>0,30) корма должна иметь плавучесть, достаточную, чтобы противодействовать дифференту, увеличивающемуся с повышением скорости. При Fr = 0,30 целесообразна транцевая корма с килеватостью днища около 14° и погружением нижней точки транца примерно на 8% максимальной осадки корпуса. При Fr = 0,40 лучшие результаты можно получить с более плоскими обводами кормы — с килеватостью транца около 6° и его погружением до 20% осадки катера. Линии батоксов с повышением скорости должны становиться все более прямыми и приближаться к горизонтали.

На морских катерах и промысловых судах обводы с широким погруженным в воду транцем применяют крайне неохотно: на волнении проявляется дисбаланс между объемами носа и кормы. Волна легко поднимает широкую и полную корму, а одновременно узкий нос глубоко погружается в воду. Судно при этом резко зарыскивает, сходя с попутной волны, может развернуться лагом к волне; управлять таким катером нелегко. При ходе против волны транцевые катера обладают неприятной качкой, жестко шлепают кормой о воду.

Для речных катеров применение транцевой кормы оправдано повышением остойчивости за счет более полной ватерлинии, хотя и связано с увеличением смоченной поверхности.

Чем больше отношение длины L к ширине В по ватерлинии, тем более острыми получаются обводы корпуса, тем меньше его волновое сопротивление. Однако увеличивая L/В, нельзя забывать и другой жизненно важный фактор — поперечную остойчивость. Катер не должен опрокидываться при любых экстремальных условиях эксплуатации — при плавании на большой волне, рывках при буксировке другим судном, случайном перемещении к борту людей и т. п. Поэтому большинство водоизмещающих катеров длиной 6—12 м строят с отношением длины к ширине в пределах L/B = 3,5÷4,75; при этом чем короче катер и меньше его водоизмещение, тем относительно более широким он должен быть для обеспечения безопасности плавания. Только в отдельных случаях (например, у лодок типа «дори», имеющих большой развал бортов в надводной части) L/B может превысить 5.

При постройке водоизмещающих катеров получили наибольшее распространение круглоскулые обводы корпуса. В то же время накоплен положительный опыт эксплуатации большого числа катеров с упрощенными остроскулыми обводами, построенными с фанерной или металлической обшивкой. К их проектированию применимы все рассмотренные выше общие соображения, но дополнительно конструктор должен тщательно отработать положение острых кромок скул. Важно, чтобы они пересекли ватерлинию под сравнительно небольшим углом к горизонтали как в носовой части, так и в корме; иначе в месте входа скул в воду образуются значительные завихрения, существенно повышающие сопротивление воды движению судна. Можно понизить сопротивление почти до уровня, характерного для круглоскулых катеров, сделав корпус с несколькими скулами —-с гранеными обводами. В этом случае часть скул располагают полностью под водой, а часть — над водой, чтобы ходовую ватерлинию скулы не пересекали.

Если проектируется корпус с упрощенными обводами — с одной скулой, то на форштевне линию скулы следует поднять на такую высоту над КВЛ, чтобы получить шпангоуты с возможно большей килеватостью днища и угол входа ватерлиний в воду, равный 12—20°. На проекции «бок» теоретического чертежа линия скулы в корме у корпусов, рассчитанных на плавание с Fr = 0,3 и менее, должна выходить из воды и подниматься вверх у транца лодки; при Fr = 0,4 она должна касаться ватерлинии у транца и погружаться в воду при больших скоростях. Только на глиссирующих катерах линия скулы должна быть горизонтальной на всем протяжении от миделя до транца.

Примечания

1. В принципе, об этом уже не раз писалось в журнале (см. например, «КЯ» №1, №18, №26, №51). Однако ряд читателей просили повторить содержание этих публикаций с учетом современных тенденций и применительно к водоизмещающим судам меньшей длины — не более 6—8 м.

2. На крупных судах, плавающих с образованием нескольких поперечных волн на длине корпуса, стараются использовать для этой цели явление интерференции — сложения носовой и кормовой волны.