Чтобы лучше были понятны особенности этой схемы, расскажем о том, как она создавалась.
После завершения спортивного сезона 1982 г. в нашу водно-моторную секцию, уже имеющую некоторый опыт проектирования скоростных судов, не сговариваясь, обратились одновременно три ведущих спортсмена — упомянутые ленинградцы и москвич м.с.м.к. С. Жиров. Вопрос у них был один и тот же: как решить проблему продольной устойчивости движения современных судов с аэродинамической разгрузкой?
Всем давно уже стало ясно, что от решения этой проблемы зависят и безопасность гонщика на воде, и дальнейшие успехи в борьбе за скорость. Все понимали, что фантазировать на эту тему можно сколько угодно, но единственным критерием оценки любой из высказанных идей может быть только проверка построенного судна в гонке. Всякий такой эксперимент требует, однако, больших затрат — усилий, времени, материальных средств. А если опыт будет неудачен? А ведь неудачен он может оказаться и совсем не «по вине» главной идеи — чего-то не учли, о чем-то просто не подумали. Эти соображения и сомнения и заставили нас резко сократить объем фантастических решений. Все пришли к единому выводу: новое судно должно быть опробовано уже в следующем спортивном сезоне, а для этого оно должно как можно меньше отличаться от уже хорошо проверенных схем. Было принято и второе решение: первостепенное значение имеет именно безопасность спортсмена!
Выбор схемы
После этого можно было переходить к выбору конкретной схемы. Например, классическая «трехточка». Устойчива. Но ведь от нее не зря отказались. Сначала ее стали переводить в режим движения с отрывом спонсонов и «воздушной смазки», а затем — в режим аэродинамической разгрузки. Чем же плоха «трехточка» с аэродинамической разгрузкой? Немореходна. Сильнейшие удары на волнении, сразу же — ощутимый прирост сопротивления корпуса. Неудовлетворительная управляемость. Стоит на повороте чуть побольше держать скорость, чуть покруче повернуть «баранку», и наружный спонсон, глубоко зарываясь в воду, резко разворачивает корпус — сноп воды, переворот!
Всем хорош «обычный» катамаран, но продольная устойчивость его движения обеспечена только в узком диапазоне углов атаки тоннеля (днища моста). Гонщик, как эквилибрист, большую часть внимания затрачивает на удержание лодки от взлета — приходится постоянно балансировать своим весом и «играть» ручкой газа. Правда, можно несколько повысить продольную устойчивость, подбирая продольную профилировку моста, изменяя расположение продольных реданов на корпусах, положение и форму кормового обтекателя. На классических катамаранах этот обтекатель подводной части мотора оказался необходимым для предотвращения замывания корпуса редуктора и обеспечения фиксированной величины погружения диска гребного винта. Во всяком случае, конструкторы старались выполнить эту центральную лыжу таким образом, чтобы она на расчетной скорости только слегка скользила или даже вообще не касалась поверхности воды.
А если сделать центральную лыжу по всей длине тоннеля и заставить ее работать? Пусть катамаран глиссирует не на двух точках, а на трех. И эти три точки разнести по длине так, чтобы создать в корме устойчивую опору летящему крылу.
Сделали набросок. Но ведь это что-то напоминает. Причем что-то очень знакомое. Тримаран? Нет, там, конечно, тоже три корпуса, но работают они не так. Мелькнула догадка: трехкилевые сани! Сани Уффа Фокса и еще одно, уже чисто гоночное судно — катер «Хейнекен-М», фотография которого была помещена в «КЯ» №57.
Так и появились наши гоночные «сани Уффа Фокса».
А правильное ли это решение? На страницах «Катеров и яхт» публиковалось много проектов судов, имеющих примерно ту же схему обводов. Печатались восторженные отзывы о мореходности, маневренности, динамике построенных катеров, но, к сожалению, большинству их самодеятельных конструкторов так и не удалось перешагнуть рубеж скорости в 40 км/ч.
Бортовые лыжи классических саней Фокса имеют поперечный редан и теоретически должны двигаться каждая на двух точках. Имеющийся опыт проектирования корпусов с поперечными реданами подсказывает, что правильный выбор углов атаки этих глиссирующих участков днища полностью определяется формой волновой ямы за реданом, которая, в свою очередь, зависит как от углов атаки, продольной и поперечной профилировки редана, так и от удельной гидродинамической нагрузки на редан, и от относительной скорости движения судна. Правильность выбора всех этих характеристик может подтвердить только эксперимент.
Но, может быть, эту классическую схему саней Фокса можно упростить — не делать, например, поперечных реданов на бортовых лыжах? В этом случае оставалось загадкой, что будет с маневренностью и мореходностью на высоких и очень высоких скоростях, а ведь выступающих на скутерах А. Берницына и С. Жирова интересовали скорости 140—150 км/ч.
И вот принято решение. Схему решено проверить сначала на более простом — менее быстроходном, чем скутер, судне; на мотолодке класса SB-350. (На всякий случай решили строить корпус, отвечающий требованиям и «старшего» класса SC-500).
Мотолодка
Для объективного сравнения ходовых качеств новой трехкилевой лодки с традиционными катамаранами длину ее (3,8 м), ширину (1,75 м) и площадь тоннеля приняли такими же, как на катамаранах. Свод тоннеля (точнее — своды обоих тоннелей) имеет слегка вогнутый продольный профиль (стрелка прогиба 30 мм.) Ходовой угол атаки (8—8,5°) оптимален по аэродинамическому качеству для крыла с удлинением 0,3 и очень близок к критическому углу потери продольной устойчивости на обычных катамаранах. Высота отрыва крыла от поверхности воды в корме на установившемся режиме движения — 170 мм; это на 40 мм больше, чем у катамаранов. Но за счет развитой центральной лыжи воздушный поток в корме имеет несколько большее поджатие, суммарная величина поперечной площади воздушных просветов осталась той же.
По расчетам, аэродинамическая подъемная сила, возникающая на скорости 90 км/ч, получилась выше, чем на выбранном для сравнения катамаране SB-350 А. Берницына (благодаря несколько большим углу атаки и суммарной площади сводов трннелей). Абсолютная величина аэродинамической подъемной силы оказалась приблизительно равна 67 кгс (против 45 кгс на сравниваемой мотолодке).
Гидродинамические подъемные силы, возникающие на обоих глиссирующих поверхностях бортовых корпусов и на центральной лыже, распределялись поровну.
Ходовые углы атаки глиссирующих пластин были равны 4,5°; центр тяжести расположен на расстоянии 1,25 м, а поперечные реданы на бортовых корпусах — на 0,8 м от кормового среза. Эти размеры были определены исходя из условия сохранения продольной устойчивости судна при неожиданно резком увеличении угла атаки свода тоннеля до 14—15°, при котором бортовые корпуса отрываются от воды, а вес мотолодки уравновешивается только аэродинамическими силами, возникающими на мосту, и подъемной силой на центральной лыже.
Днищевые пластины обоих корпусов в корму от редана приподняты на 100 мм выше ОП; это не расчетном режиме движения препятствует их замыванию. Для удержания воздушного давления в тоннелях за реданами, в плоскости внутренних стенок корпусов установлены бортовые скеги.
Выбранная схема «трехкилевых» обводов позволила получить достаточно высокую жесткость конструкции даже без установки поперечного набора; это позволило снизить вес корпуса до 47 кг.
Испытания новой мотолодки начались в апреле 1983 г. На транец был навешен «Спорт-350», имеющий мощность (по замерам) 30 л. с.
Первые впечатления и А. Берни-цына и Н. Евдокименкова были примерно такими: «В этом корпусе что-то есть». Сразу выяснилось, что нельзя, как на катамаране, «оттягиваться» от баранки в корму, сильно разгружая корпуса-спонсоны (при этом новая мотолодка, как и должно быть, проявляла тенденцию к опасным полетам, увеличивая дифферент). Когда же центр тяжести судна находился в расчетной точке (на 0,5 м дальше в нос, чем на катамаранах), мотолодка, по словам Н. Евдокименкова, «шла, как танк», и он смело, не снижая скорости, проходил через высокие кильватерные волны от идущих мимо катеров; при этом дифферент мотолодки практически не изменялся. Не изменялись ни дифферент, ни скорость при ходе лодки по ветру и против.
Несколько другие цели преследовал А. Берницын: его в первую очередь интересовали маневренные качества нового корпуса. На первом же выходе он стал делать поворот за поворотом, не «сбрасывая газ» и все круче поворачивая баранку. Выйдя на берег, Андрей твердо сказал: «Будем строить такой скутер».
Были, однако, и неприятные моменты. На высоких скоростях на тихой воде неожиданно появлялась бортовая раскачка; максимальная скорость не превышала 85—87 км/ч, т. е. оказалась ниже расчетной.
Причиной раскачки оказалось разделение тоннеля центральной лыжей на два отдельных воздушных канала. Это ухудшило поперечную стабилизацию корпуса. При случайном крене давление воздуха в одном из каналов — открытом со стороны борта — падало, в другом, напротив, повышалось; корпус стремился резко противодействовать увеличению крена, при дальнейшем движении картина повторялась, но лодка так же резко кренилась уже на другой борт.
Сложнее было разобраться с недобором скорости. Ход рассуждений был примерно таким.
Аэродинамическое качество (отношение аэродинамической подъемной силы к силе сопротивления воздуха) хорошо спроектированного свода тоннеля (моста) катамарана не превышает 3,8—4,0. А гидродинамическое качество глиссирующих поверхностей, работающих при оптимальных углах атаки и оптимальных удельных нагрузках, вдвое больше — равно 8—9. В соответствии с этим мы проанализировали распределение общего сопротивления сравниваемых мотолодок. Общее сопротивление катамарана складывается из 12 кгс аэродинамической составляющей и 15 кгс — гидродинамической. У нашей новой трехкилевой мотолодки наоборот: большее значение имело аэродинамическое сопротивление (17 кгс) и несколько меньшее — гидродинамическое (12,5 кгс).
Стремление получить возможно большую величину подъемной аэродинамической силы автоматически (ведь аэродинамическое качество изменилось мало) привело к соответствующему росту аэродинамического сопротивления. Общая сумма аэро- и гидродинамических составляющих сопротивления оказалась равной 29,5 кгс, т. е. больше, чем у сравнимого катамарана. Это увеличение общего сопротивления, составляющее примерно 5 % величины тяги гребного винта, и приводило теперь к 5 %-ному падению скорости новой лодки.
После такого анализа было принято решение совершенствовать аэродинамические характеристики корпуса — добиваться снижения сопротивления ценой потери какой-то доли подъемной силы.
Начали с экспериментов по устранению раскачки. Чтобы открыть доступ воздуха в тоннели (и выход из них), укоротили скеги за реданами бортовых корпусов: срезали по 400 м с кормы. Раскачка полностью исчезла. Следующий шаг — срезали скеги полностью. Стрелка манометра уверенно передвинулась на одно деление вверх — скорость возросла, но Н. Евдокименкову пришлось грудью лежать на баранке: следовало срочно восстанавливать нарушенную центровку. Уменьшили несущую площадь нашего воздушного крыла и одновременно сдвинули в корму точку приложения аэродинамической подъемной силы — срезали по 400 мм от носовой кромки сводов тоннелей. Стрелка манометра перевалила за 3,2 атм, что соответствовало расчетной скорости 90 км/ч.
Испытания продолжались в течение всего спортивного сезона. Выявились и новые недостатки схемы. Например, обнаружилось, что резкий поворот при одновременном резком «сбросе газа» может привести к крену на наружный борт (с зарыскиванием внутрь поворота) и даже перевороту.
К большому огорчению, мотор зачастую подводил Н. Евдокименкова во время самых ответственных соревнований. С уверенностью можно сказать только то, что благодаря новому корпусу спортсмен улучшил свои скоростные показатели по сравнению с предыдущим сезоном на 3-4 км/ч.
Скутер
К моменту начала нашей работы над скутером (конец 1982 г.) наибольшее распространение в гоночных классах получили корпуса фирмы «Даниш» (традиционная «трехточка») и очень удачные трехточечные же корпуса постройки ЦКТБ ДОСААФ. Советским спортсменам были известны и в некоторой степени уже опробованы ими и скутера-катамараны; одним из характерных представителей двухкорпусных скутеров является, например, корпус фирмы «Рюкна», описанный в статье С. Жирова в №93 «КЯ».
Анализ аэродинамики этих типичных корпусов показал, что и площади тоннелей (около 3,5 м2) и их относительное удлинение (около 0,23) для «трехточки» и катамарана примерно одинаковы. Ходовой угол атаки крыла — свода тоннеля — на «трехточке» примерно в 2 раза меньше, чем на катамаране «Рюкна», однако величины подъемной аэродинамической силы, возникающей на своде тоннеля, для обоих сравниваемых типов корпусов очень близки: разница в углах атаки компенсируется подъемом кормовой кромки свода тоннеля над поверхностью воды (если для «трехтонки» относительная высота подъема тоннеля около 0,01, то для катамарана она приближается к 0,025). Как показывают расчеты, на всех этих судах аэродинамическая подъемная сила на скорости 150 км/ч составляет около 130 кгс. На долю глиссирующих элементов (днищевых лыж спонсонов «трехтонки», корпусов катамарана) с учетом подъемной силы, возникающей на частично погруженном гребном винте (порядка 10 кг) приходится лишь около 50 кгс.
Если придерживаться традиционных размерений существующих скутеров, то корпус с обводами новой трехкилевой схемы может выглядеть так, как показано на приводимом эскизе. По сравнению с «трехтонками» и катамаранами, несколько уменьшена общая площадь (и соответственно аэродинамическая подъемная сила) тоннеля; его длина сделана меньше на 30 %, что привело и к повышению аэродинамического качества тоннеля примерно на 25 %. Положение центра тяжести и поперечных реданов на бортовых корпусах определено из расчета обеспечения продольной устойчивости и предотвращения взлета скутера.
Экспериментальный корпус с некоторыми небольшими изменениями рассмотренной схемы был построен в июле прошлого года. Работа проводилась по договору о творческом содружестве, заключенному между ЦКТБ ДОСААФ и яхт-клубом Лен. ВМБ при активном участии А. Берницына.
Как всегда, из-за хронической нехватки времени первые испытания построенного скутера пришлось проводить прямо в гонках. Конечно, победителей не судят; в конце концов все закончилось очень хорошо, и А. Берницын выиграл эту встречу в Каунасе, однако только его мастерство обеспечило благополучный исход испытаний. А то, что гонщик впервые сидел за рулем нового скутера, было хорошо заметно. Лучший результат, показанный тогда в классе ОВ, был равен 103 км/ч, что на 7 км/ч превышало лучший результат того же А. Берницына, показанный весной 1983 г. на I этапе Личного чемпионата СССР в г. Грозном, где он выступал на «трехточке».
В конце сентября были проведены испытания корпуса с мотором старшего класса «Кениг-500», т. е. в классе ОС. Максимальная скорость, зарегистрированная по прямой, составила около 160 км/ч, на кольцевой трассе — 111 км/ч.
Конечно, у нового скутера есть и недостатки. Например, он «раскачивается» в повороте, зарываясь боковым корпусом; недостаточно устойчив на курсе. Такие трудности почти всегда возникают в процессе создания нового. Но это как раз то, на что при разработке проекта обратили мало внимания. Главная цель, кажется, достигнута. Работа над доводкой схемы продолжается.