О выборе профиля стоек и подводных крыльев

Для предотвращения подсоса воздуха к подводным крыльям в литературе имеются рекомендации о применении стоек с тупой задней кромкой.

В то же время в книгах по гидроаэродинамике рассматриваются в основном авиационные профили крыла с «тупой» передней кромкой.

Объясните причину такого расхождения. Какие скорости при выборе крыла с тупой кромкой являются критическими? Имеется ли более пространная информация о мерах борьбы с подсосом воздуха к крыльям по стойкам?

Подмеченное вами расхождение технических рекомендаций является только кажущимся. К вопросам движения судов на подводных крыльях (ПК), как и ко многим другим явлениям, нельзя относиться столь догматично. Применение того или иного профиля несущего крыла определяется не только скоростью движения, ио и конкретными условиями работы крыльев.

При движении в безграничном потоке воды или воздуха, действительно, наиболее широко применяют крылья и стойки с авиационным профилем сечений. Характерной геометрической особенностью авиационного профиля является утолщенная скругленная и слегка приподнятая входящая (передняя) кромка. Наибольшая толщина профиля располагается на расстоянии 30—40% длины хорды от входящей кромки.

Крыло с авиационным профилем имеет высокое гидродинамическое качество, т. е. развивает большую подъемную силу по отношению к силе лобового сопротивления. Эпюра разрежения на засасывающей поверхности профиля имеет резко выраженный пик близ «иосика» (рис. 1).

Авиационные профили различных типов, широко применяемые в самолетостроении, в судостроении используются только для рулей и кронштейнов, расположенных относительно глубоко под ватерлинией. Можно также их использовать для автоматически управляемых глубоко-погруженных ПК, если они не кавитируют. Однако такие катера строятся очень редко, а у любителей, вероятно, их нет совсем.


Большинство катеров строится с жестко закрепленными неуправляемыми ПК, с небольшой рабочей глубиной погружения. Регулирование их подъемной силы осуществляется за счет влияния близости свободной поверхности воды, а также за счет изменения погруженной площади крыльев.

Главными особенностями работы ПК вблизи границы раздела двух сред — воды и воздуха являются следующие.

1. Плотность воды в 800 раз превышает плотность воздуха, поэтому получить заданную величину подъемной силы можно, используя крыло гораздо меньшей площади, чем это было бы необходимо при работе его в воздухе. Из-за уменьшения площади крыла нагрузка на нем резко возрастает и для обеспечения прочности ПК приходится крепить к корпусу большим количеством стоек. Это снижает гидродинамическое качество и повышает вероятность прорыва атмосферного воздуха к засасывающей поверхности крыла.

2. Влияние свободной поверхности воды на гидродинамические характеристики ПК начинает сказываться при глубине погружения, примерно равной хорде крыла. С приближением к поверхности происходит значительное уменьшение подъемной силы крыла. Благодаря этому осуществляется саморегулирование подъемной силы при всплытии или погружении крыла в случае изменения скорости катера или появления крена: при изменении величин подъемной силы на концах мало-погруженного крыла при крене создается восстанавливающий момент, стремящийся выровнять крыло. Это свойство используется как одно из средств обеспечения остойчивости крылатых судов на ходу.

В реальных условиях на засасывающую поверхность крыла может проникать атмосферный воздух. При этом разрежение на ней снимается и устанавливается атмосферное давление. Это явление обычно сопровождается срывом потока с засасывающей поверхности крыла и ее оголением. Подъемная сила мгновенно уменьшается почти в два раза, и крыло «проваливается». После погружения в воду подъемная сила на крыле восстанавливается, и оно опять начинает всплывать, приближаясь к поверхности воды. И если не приняты специальные меры, то описанное явление будет периодически повторяться, вызывая неустойчивость движения всего катера.


Атмосферный воздух может попадать на ПК непосредственно со свободной поверхности воды при их недостаточном заглублении или при значительном волнении, а также по наклонным стабилизаторам и стойкам, крепящим крылья к корпусу и пересекающим поверхность воды.

3. На больших скоростях движения возникает кавитация подводных крыльев. На засасывающей стороне профиля образует я полость — каверна, давление в которой понижается до давления насыщенных паров воды. Это облегчает прорыв воз духа с поверхности в каверну, вызывающий «провалы» крыльев и неустойчивость движения катера.

В этих условиях авиационная профилировка ПК абсолютно неприемлема. У таких профилей имеется ярко выраженный пик разрежения на засасывающей поверхности, что способствует периодическому прорыву атмосферного воздуха. Кавитация еще более усугубит данное явление. Наклонные стабилизаторы и стойки с авиационным профилем поперечного сечения, пересекающие поверхность воды, имеют повышенное волновое сопротивление при сильном брызгообразовании. На высоких скоростях движения обтекание стоек становится отрывным — с отслоением потока воды почти от самого носика крыла.

Обеспечить устойчивое движение катера на малопогруженных ПК возможно только при использовании тонких острокромочных профилей сегментного типа. Такие профили хотя и обладают более низким гидродинамическим качеством, чем авиационные, но имеют, однако, равномерную, почти прямоугольную, эпюру разрежения на засасывающей стороне (рис. 1). Благодаря этому существенно уменьшается вероятность прорыва к ней атмосферного воздуха. Острые кромки ПК и их стоек не создают пиков разрежений и способствуют уменьшению волнового сопротивления и брызгообразования.

С целью дальнейшего уменьшения опасности проникновения воздуха на засасывающую поверхность рекомендуется входящие кромки стоек по возможности смещать относительно носика крыла таким образом, чтобы наибольшая толщина стойки оказалась бы за кормовой кромкой крыла на 50—100 мм (рис. 2). За тупым срезом кормовой части стойки образуется устойчивая воздушная каверна с повышенным (атмосферным) давлением. Сопротивление стойки при этом уменьшается.

Еще одним средством предотвращения прорыва атмосферного воздуха к крылу по стойкам и по засасывающей стороне наклонных стабилизаторов является установка на них противовоздушных шайб (рис. 3).

Дополнительные рекомендации по выбору профилировки подводных крыльев и по предотвращению попадания воздуха на них можно найти в книгах «Транспортные суда на подводных крыльях» (В. И. Блюмин и др. М., Транспорт, 1964), «Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания (Б. А. Колызаев и др. Д., Судостроение, 1980) и др.