Предлагаемая статья знакомит читателей с амфибийными1 легкими катерами на воздушной подушке (ЛКВП), также весьма популярными за рубежом. Авторы надеются, что этот материал, основанный на данных по более чем 70 типам подобных катеров зарубежной постройки, будет полезен читателям, в том числе и судостроителям-любителям.
ЛКВП, к которым обычно относят катера вместимостью до пяти человек и полным водоизмещением до 1500 кг, появились в начале 70-х годов в Англии — стране, являющейся родиной амфибийных судов с гибким ограждением воздушной подушки по всему периметру корпуса. Первые годы ЛКВП выпускались в единичных экземплярах либо очень небольшими сериями; среди них было много чисто экспериментальных катеров. Немало интересных конструкций было создано и любителями — энтузиастами нового вида транспорта. На первых порах к этой технике относились как к экзотическому новшеству, мало пригодному для использования в практических целях. Однако по мере повышения эксплуатационных качеств и надежности ЛКВП отношение к ним стало меняться.
К настоящему времени амфибийные катера не только завоевали признание у любителей прогулок и спортсменов-водномоторников, но и все более широко применяются как персональное транспортное средство, выполняют гидрографические, экологические и другие исследования на мелководье, несут полицейскую и спасательную службу. Благодаря воздушной подушке, создаваемой нагнетаемым под днище катера воздухом, и применению воздушных движителей ЛКВП не имеют прямого контакта с опорной поверхностью и могут одинаково легко двигаться над водой, над сушей, льдом и снегом. Скорость ЛКВП над водой составляет 60— 80 км/ч, а у некоторых катеров достигает и 110—120 км/ч. Малые ЛКВП имеют, как правило, небольшой вес и удобную для транспортировки конструкцию и поэтому могут перевозиться на легком трейлере или даже на верхнем багажнике автомобиля.
По данным на 1989 г., проектированием и постройкой ЛКВП занимается более 30 фирм Англии, США, Франции, Австралии, Канады, Японии и других стран. Разработано и испытано около 130 типов ЛКВП, причем некоторые из них строятся очень большими сериями. Так, американская компания «Скат Ховеркрафт Инк» выпускает до 4000 катеров типа «Скат-II» в год.
Малые ЛКВП вместимостью один — два чел. и полным водоизмещением до 500 кг, используемые любителями, составляют примерно 60 % общего числа всех типов ЛКВП, созданных за последние десять лет. Большие катера водоизмещением 1200—1500 кг ориентированы, в основном, на использование в служебных целях.
Рост интереса к «летающим» катерам-амфибиям закономерно привел к созданию специализированных общественных объединений. Так, в Англии уже в 1972 г. был организован клуб любителей амфибийных катеров на воздушной подушке, целью которого является не только проведение соревнований, но и пропаганда новой техники, помощь владельцам ЛКВП и тем, кто желает сам разработать и построить такой аппарат.
Под эгидой этого «Ховерклуба» регулярно проводится чемпионат страны, включающий шесть — семь встреч в разных ее районах. Гонки проводятся в трех классах ЛКВП с двигателями рабочим объемом цилиндров более 500, от 250 до 500 и менее 250 см3. Трассы гонок могут быть различными, но обязательно включают не только водную, но и сухопутную часть; аппараты участников демонстрируют не только скоростные и маневренные качества, но и способность преодолевать препятствия и уклоны, болотистые участки и т. д. От гонщиков требуются мастерство управления ЛКВП и знание трассы, отличная подготовка техники. Такие соревнования неизменно привлекают большое число зрителей.
Несколько позднее появились подобные объединения любителей ЛКВП и в других странах, в том числе в Австралии, Канаде, Франции, ФРГ, США, Японии, Новой Зеландии и т. д. Создана Европейская федерация, объединяющая клубы европейских стран.
Учитывая отсутствие каких-либо систематизированных данных по ЛКВП в отечественной литературе, приведем основные характеристики ряда типичных современных катеров ведущих зарубежных фирм и коротко рассмотрим существующие тенденции.
Отметим, что к настоящему времени достаточно стабилизировался архитектурно-конструктивный облик ЛКВП: закрытая палубой носовая часть, кокпит для размещения водителя и пассажиров в средней части, двигатель и движительный комплекс в корме. Большинство катеров имеет открытый кокпит, в плохую погоду закрываемый легким съемным тентом. Лишь наиболее комфортабельные катера (вместимостью три — пять чел.) оборудуются закрытыми рубками.
Сравнение катеров различных конструкций, как правило, удобнее осуществлять в относительных единицах. Так, длина катеров L (без выступающих частей) обычно лежит в пределах 2,4—6,5 м. Значения же относительной длины L/∛
На одно-, двухместном катере спортивного назначения для водителя и пассажира устанавливаются сиденья мотоциклетного типа упрошенной и облегченной конструкции. Катера большей вместимости оборудуются более удобными креслами, размещаемыми поперек корпуса.
Ширина катера В определяется по принятому соотношению L/B, зависящему (рис. 2) от расчетной относительной скорости — числа Фруда по длине:
где V — скорость катера, м/с; g = 9,81 м/с2.
С увеличением числа Фруда отношение L/B уменьшается от 2,5 до 1,5. Такой характер зависимости обусловлен взаимосвязью между соотношением длины и ширины, скоростью катера и сопротивлением движению.
Габаритная высота ЛКВП, измеряемая от днищевых опор («башмаков») до верхней точки жесткой конструкции, определяется размерами насадки движительного комплекса и составляет 1—2 м.
ЛКВП являются транспортными средствами с относительно высокой энерговооруженностью N/D = (75÷150) л. с./т.
Информация об изображении
Рис. 3. Зависимость удельной энерговооруженности ЛКВП от полного водоизмещения
Это объясняется необходимостью затрачивать до 30—40% мощности двигателей N на статический подъем аппарата над экраном (поверхность воды, земли и т. п.) и применением воздушных движителей, имеющих существенно меньший пропульсивный КПД, чем традиционные катерные водяные движители.
Рис. 3. Зависимость удельной энерговооруженности ЛКВП от полного водоизмещения
Зависимость удельной энерговооруженности от полного водоизмещения приведена на рис. 3, из которого видно, что большие значения соответствуют малым катерам водоизмещением до 500 кг, поскольку относительная скорость у них больше. С ростом водоизмещения величина удельной энерговооруженности падает.
По зарубежным данным, наиболее подходящими для установки на ЛКВП являются двухтактные двигатели воздушного охлаждения мощностью до 50 л. с., а также карбюраторные четырехтактные автомобильные двигатели (как воздушного, так и жидкостного охлаждения) мощностью от 30 до 100 л. с. В зависимости от мощности и типа двигателя расход топлива при движении на спецификационной скорости составляет от 7 до 20 л/ч. Объем топливных баков выбирается исходя из требуемой автономности (не более 3—5 ч) с учетом грузоподъемности катера.
Один из наиболее важных элементов ЛКВП — это движительно-нагнетательный комплекс (ДНК), обеспечивающий движение катера и создание воздушной подушки (ВП). На ЛКВП применяются совмещенные или раздельные ДНК.
Совмещенный ДНК (рис. 4, а) представляет собой расположенный в кольцевой насадке многолопастной вентилятор, причем большая часть нагнетаемого им воздуха (≈2/3) идет на создание воздушно-реактивной струи, обеспечивающей нужный упор, а оставшаяся меньшая часть через специальный воздуховод, расположенный за вентилятором в насадке, — на создание ВП. Диаметр такого вентилятора составляет от 0,6 до 1,2 м, число лопастей — от 5 до 20. Материалом может служить легкий алюминиевый сплав или пластмасса типа полипропилена. Целесообразно применение съемных лопастей, что позволяет легко заменять их в случае поломки или износа.
Раздельный ДНК (рис. 4, б) включает один или два тяговых воздушных винта и отдельный нагнетатель, подающий воздух в ВП. Привод винтов и нагнетателя может быть либо от одного общего, либо от автономных двигателей.
Для повышения тяговых характеристик и уменьшения шумности воздушные винты устанавливаются, как правило, в насадках диаметром до 1,1 м. Нагнетатели в таких ДНК могут применяться как осевые (диаметром до 0,6 м), так и центробежные (диаметром до 0,9—1,0 м); мощность для их работы требуется в пределах от 9 до 20 л. с.
Для передачи мощности от двигателей к ДНК наиболее приемлемы зубчатые или клиновые ремни: это достаточно простая, надежная и, главное, легкая передача.
Более 70% построенных ЛКВП имеют совмещенный ДНК и соответственно около 30% — раздельный. Преимущество первого заключается в относительной простоте конструкции и удобстве размещения, что для легких КВП, а тем более — аппаратов любительской постройки, особенно важно.
Информация об изображении
Рис. 6. Зависимости пропульсивного качества от числа Фруда по водоизмещению
Важным элементом конструкции ЛКВП является гибкое ограждение (ГО) воздушной подушки. Ограждая ВП по всему периметру, ГО значительно снижает расход воздуха из подушки, в том числе при преодолении препятствий и на волнении, а также позволяет поднять корпус выше над водой, что уменьшает сопротивление движению и таким образом снижает необходимую мощность двигателей. На ЛКВП применяются ГО двух основных типов: двухъярусные, представляющие собой монолитную конструкцию со съемными навесными элементами (сегментами) нижнего яруса, и просто сегментные ГО (рис. 5).
Рис. 6. Зависимости пропульсивного качества от числа Фруда по водоизмещению
Амфибийность и, в первую очередь, допустимая высота препятствий, преодолеваемых катером, определяется высотой ГО. Независимо от типа ограждения, рекомендуемая для ЛКВП высота ГО составляет 0,25—0,35 м. Допустимая при этом высота волнения, как показывает практика, может быть примерно в 2 раза больше, т. е. достигать 0,5—0,6 м.
Выбор типа ГО заметно влияет на ходкость ЛКВП, которая характеризуется величиной (см. рис. 6) пропульсивного качества
Заметим, что для ЛКВП с двухъярусным ГО величина η=2,0÷3,5, а катеров с сегментным ГО η=1,4÷2,3, т. е. несколько ниже. Вместе с тем (см. рис. 2) для ЛКВП с сегментным ГО область характерных значений L/B заметно шире, чем для катеров с двухъярусным ограждением.
Сегментное ГО относительно проще в изготовлении и ремонте, а также дешевле, что немаловажно для строителей и владельцев любительских ЛКВП. По этим причинам оно и применяется на большинстве зарубежных ЛКВП водоизмещением до 0,5 т (около 25% построенных типов катеров). На катерах большего водоизмещения преобладает ГО двухъярусного типа.
При изготовлении ГО предпочтение отдается нейлону с двухсторонним неопреновым покрытием. Такой материал имеет вес не более 600 г/м2 и разрывное усилие около 200 кгс на полоску шириной 50 мм.
Корпус ЛКВП может иметь предельно простую форму с плоскими обводами днища и бортов. Основное требование к его конструкции — минимальный вес при достаточной прочности. В качестве материала применяются стеклопластики, морская фанера, легкие алюминиевые сплавы, а для надувных корпусов с жестким алюминиевым каркасом — синтетические ткани. Можно отметить, что для изготовления ЛКВП водоизмещением до 500 кг легкие сплавы практически не применяются; фанерные корпуса более характерны для катеров постройки 70-х годов и в последнее время не встречаются.
Стеклопластиковые корпуса имеют более 60% всех типов зарубежных ЛКВП. Отметим, что существенной экономии веса стеклопластик не дает. Можно оценивать массу конструкции ЛКВП при помощи коэффициента К, представляющего отношение водоизмещения катера порожнем к условной площади его корпуса:
Для корпусов ЛКВП, построенных из различных материалов, значения К укладываются в достаточно узкий диапазон характерных величин (рис. 7). При отсутствии более полных данных приведенный график может быть использован для приближенной оценки «весовой отдачи» применяемого материала и конструкции корпуса в целом.
Информация об изображении
Рис. 8. Зависимость коэффициента утилизации водоизмещения по полезной нагрузке
Широкое использование стеклопластика, особенно для серийной постройки небольших однотрехместных катеров, объясняется, в первую очередь, технологичностью этого материала. Как правило, такие корпуса собираются из двух формуемых по отдельности частей — верхней и нижней с соединением на фланцах болтами. Свободные объемы корпуса заполняются пенополистиролом, что обеспечивает запас плавучести до 200%; с этой же целью могут применяться и надувные емкости.
Рис. 8. Зависимость коэффициента утилизации водоизмещения по полезной нагрузке
Конструкторы современных моделей ЛКВП не обходят вниманием и синтетический материал на базе высокопрочного кевлара; есть примеры использования этого дорогостоящего материала как в отдельных элементах конструкции, так и для формования корпуса в целом.
Всемерное снижение веса корпуса (как и других элементов ЛКВП), учитывая затраты значительной доли мощности на подъем катера, является крайне желательным, поскольку позволяет увеличить полезную нагрузку при заданном водоизмещении. Для современных катеров значения коэффициента утилизации водоизмещения по полезной нагрузке
Несколько слов об управлении ЛКВП. Для управления по курсу необходимы аэродинамические вертикальные рули (от одного до шести), устанавливаемые в воздушной струе за кольцевыми насадками движителей. Изменение положения руля осуществляется при помощи рулевой колонки в виде штурвала либо руля мотоциклетного типа. Здесь же размещаются и органы управления режимом работы двигателя и ДНК.
Как видим, конструкция ЛКВП в целом не отличается большой сложностью; удачно спроектированные катера достаточно просты в управлении и обслуживании. И, по-видимому, опытным любителям вполне по силам самостоятельная постройка такого легкого катера.
Примечания
1. В отличие от неамфибийных скеговых СВП, которые в данной работе не рассматриваются.