По обводам корпуса скутеры и глиссеры не имеют никаких ограничений. Мотолодки и катера должны иметь обводы без изломов по батоксам и шпангоутам, за исключением изломов на скулах и транце.
Все суда, кроме судов неограниченной категории, должны иметь поршневой двигатель и гребной винт. Внутри каждого типа суда делятся на классы.
За последнее время советские спортсмены и конструкторы спортивных мотосудов создали много удачных конструкций, краткий обзор которых дается в этой статье.
Скутеры, мотолодки, глиссеры, катера. Скутеры являются самыми быстроходными судами с подвесными моторами. Как правило, все современные скутеры строятся по трехточечной схеме, наиболее целесообразной при высоких скоростях движения. Ее основное преимущество по сравнению с известной двухреданной схемой состоит в том, что кормовая несущая площадка при движении встречает практически невозмущенный поток, благодаря чему снижается сопротивление. Улучшается в этих условиях и работа гребного винта. Наличие разрезного переднего редана, разнесенного в виде поплавков (спонсонов) по бортам, повышает остойчивость скутера и дает возможность использовать в тоннеле, образованном между поплавками, давление встречного воздушного потока для создания дополнительной подъемной силы (аэродинамической).
Отношение ЦВ таких скутеров обычно около 2; ширина несущей площадки каждого поплавка составляет 0,25—-0,3 ширины кормовой площадки. Углы атаки в пределах 2,5—3,5°; кормовая площадка днища имеет нулевую килеватость.
Для обеспечения остойчивости на повороте скутеры имеют скос скулы в носовой (в зоне поплавков) и в кормовой частях.
За спонсонами на скутерах новейших конструкций обычно располагается отсекатель, который предотвращает замыкание краев кормовой площадки струями, отходящими из-под поплавков, а также способствует увеличению аэродинамической подъемной силы.
Скутеры оборудуют штурвальным управлением и сектором газа с автоматическим сбросом-. Гонщик располагается в кокпите,, стоя на коленях, что обеспечивает уменьшение аэродинамического сопротивления и позволяет лучше демпфировать толчки, возникающие при движении.
Корпус скутера обычно изготовляется из дерева с фанерной обшивкой, которая крепится к набору на водостойком клее (ВИАМ Б-3) и заклепках. Толщина обшивки 3—4 мм по днищу и 1,5—2 по палубе.
Ниже приведены чертежи скутера «Резвый» (под мотор с рабочим объемом 175—250 см3) конструкции ЦМК ДОСААФ, на котором была впервые в СССР достигнута рекордная скорость — 100 км/час с мотором 250 см3.
Однако скутеры трехточечной схемы с расположением гонщика на коленях имеют заднюю центровку и по мере роста скорости движения приобретают опасную тенденцию к взлетам при встречном ветре или движении на волне. Известны случаи, когда скутеры взлетали в воздух на высоту до 6 м, что, конечно, небезопасно для гонщика.
Причина этих опасных взлетов состоит в том, что из-за разнесенных поплавков носовая часть скутера обладает значительной парусностью. При прыжках по волне возможно увеличение угла атаки и возникновение значительной аэродинамической подъемной силы, приложенной к носовой части днища. При заднем расположении центра тяжести и, следовательно, значительной величине плеча эта сила приводит к появлению опрокидывающего момента.
Стремясь избежать этого недостатка, конструкторы скутеров идут по пути создания судов с передней центроекой. В таких конструкциях гонщик размещается в кокпите лежа на животе, а кокпит начинается почти сразу от носа скутера.
При размещении гонщика лежа одновременно понижается положение центра тяжести, повышается остойчивость, сокращается мидель и до минимума снижается вероятность взлета судна.
Дальнейшее развитие конструкции скутеров с передней центровкой идет по линии усовершенствования и аэродинамической формы судна.
Такой скутер, построенный коллективом Московского авиационного института, демонстрировался в Политехническом музее. Весь кокпит этого судна закрыт плексигласовым фонарем со сбрасывающейся крышкой. Применение прозрачного фонаря способствует улучшению аэродинамической формы корпуса, обеспечивает хороший обзор и позволяет разместить гонщика еще ниже.
Другим популярным типом судов с подвесными моторами являются мотолодки, использующиеся у нас главным образом с двухцилиндровыми моторами «Москва»». В связи с тем, что существующими правилами обводы мотолодок строго регламентированы, при постройке их особенное внимание уделяется гидродинамическому качеству.
Корпус мотолодки обычно проектируется как полуглиссер с V-образными обводами. В целях улучшения циркуляции на мотолодках часто делают скос скулы, образованной бортом и днищем.
Для повышения гидродинамического качества корпуса днищевые образования шпангоутов часто делают плоскими. В последнее время кормовые части линий батоксов по днищу делают с ярко выраженной выпуклостью, что позволяет лодке при некотором уменьшении качества (увеличенное «подлипание» и уменьшение угла атаки) двигаться без барса и дельфинирования (продольные колебания).
Появление продольных колебаний— весьма распространенное явление при использовании обводов лодок с прямыми кормовыми линиями батоксов по днищу.
Распространенные у нас деревянные спортивные двухместные мотолодки МА-250 достигают с форсированными подвесными моторами «Москва» скорости 40—44 км/час.
Наиболее быстроходными спортивными судами, не связанными никакими ограничениями в своем классе, кроме весовых, являются глиссеры.
В нашей стране наиболее широко развит самый младший класс глиссеров ГА-250, ограниченный весом судна с мотором в пределах 250 кг. В настоящее время при проектировании спортивных глиссеров четко определились два пути. Первый сводится к тому, что за основу берется корпус скутера с хорошими ходовыми качествами и мощный гоночный подвесной мотор с рабочим объемом 350 или 500 см3. По правилам мотор должен быть закреплен в корпусе глиссера стационарно, поэтому используется только его моторная (силовая) головка. Привод на винт осуществляется либо с помощью наклонного валопровода, проходящего сквозь днище, либо с помощью цилиндрического редуктора, вертикального валика и конической пары.
Последний тип трансмиссии используется при установке двигателя в кормовой части, причем в этом варианте часто используется и вся подводная часть подвесного мотора. Такое конструктивное решение не представляет собой большого интереса, так как по сути дела используется тот же корпус скутера с закрепленным стационарно подвесным мотором, причем все .преимущества подвесного мотора утрачиваются. Однако в силу того, что такое решение сравнительно просто и доступно, многие спортсмены делают свои глиссеры именно по этому типу.
Несмотря иа большие трудности в создании глиссеров указанного типа, предпочтителен именно второй путь; ои дает возможность широко использовать отечественные автомобильные двигатели, обладающие несравненно большими мощностью, надежностью и ресурсом, чем гоночные подвесные моторы.
Среди отечественных спортивных глиссеров представителем этого направления может служить глиссер «Спутник II» с корпусом ЦМК-17. В первенстве Советского Союза 1961 года иа судие такого типа с двигателем автомобиля «Волга» завоеваны две призовые медали. О применении подвесных моторов иа глиссарах старших весовых категорий вообще говорить не приходится, так как подвесные моторы, имеющие мощность 30—60 л. с., не в состоянии конкурировать с более мощными двигателями автомобильного или авиационного типа, которые устанавливают на глиссерах этих категорий.
Как Показывает опыт зарубежных спортсменов, в классе глиссеров только на специальных корпусах удается достичь скоростей порядка 150— 200 км/час. В качестве примера такого глиссера приведен теоретический чертеж глиссера «Летучий Берлинец II» (ГДР) весовой категории 350 кг, на котором установлен мировой рекорд скорости на длинную дистанцию (125,69 км/час). Глиссер оборудован 4-цилиндровым двигателем мощностью 180 л. с. и весом 160 кг. Его характеристики:
- длина ...... 3,8 м;
- ширина ...... 2,0 м;
- осадка ...... 0,35 м;
- вес судна (с мотором) ..... 314 кг
Глиссер построен по трехточечной схеме с усовершенствованными аэродинамическими формами и по конструкции сходен с корпусом ЦМК-17. Совершенно очевидно, что использование на упомянутом выше корпусе ЦМК-17 более мощного двигателя позволит существенно поднять скорость его хода.
Четвертый тип судов, входящий в спортивную классификацию СССР, — катера. Корпуса катеров должны иметь плавные обводы, аналогичные мотолодкам. Катера различаются по классам в зависимости от размеров, веса судна и рабочего объема двигателя.
В СССР наиболее распространены катера типа К-02, оснащенные автомобильным двигателем «Москвич-407». В форсированном варианте мощность этого двигателя достигает 50—55 л. с. и обеспечивает' скорость хода катера до 60 км/час.
Однако отсутствие налаженного промышленного выпуска быстроходных катеров вынуждает многих любителей и спортсменов самостоятельно строить такие суда, а так как постройка катера сложнее сооружения мотолодки или скутера, то, естественно, многих на этом пути постигают неудачи. Одним из наиболее подходящих для самостоятельного выполнения является катер «Синичка», разработанный в Центральном морском клубе ДОСААФ.
Двигатели спортивных судов. Среди двигателей, применяемых на спортивных судах, наибольший интерес представляют гоночные подвесные моторы. Это, в подавляющем большинстве, двухтактные моторы с литровой мощностью до 180 л. с., работающие на бензине или спиртовом топливе.
Факторами, предопределяющими конструктивную схему и компоновку такого двигателя, являются число цилиндров, их расположение, выбранная система всасывания и вид продувки. Обычно такие двигатели выполняются одно- и двухцилиндровыми и имеют возвратно-петлевую продувку с двумя или тремя продувочными каналами. В связи с тем, что наддув в подобных двигателях запрещен, в качестве продувочного насоса используется кривошипная камера.
Управление впуском горючей смеси в картер осуществляется с помощью поршневого всасывания или специального золотникового устройства, приводимого во вращение от коленчатого вала. Поршневое всасывание по сравнению с золотниковым обладает тем недостатком, что имеет симметричную фазу впуска. Однако в течение долгого времени применение различны конструкций вращающихся золотников было менее эффективно, чем поршне вое всасывание, вследствие больших вентиляционных потерь на впуске. Наиболее удачным оказался плоский вращающийся золотник, например конструкции А. Циммермайа (ГДР), появившийся в последние годы.
Теперь большинство гоночных двухтактных двигателей имеет именно такой золотник на впуске.
В течение последних лет монополия западногерманской фирмы «Кениг», являющейся основным поставщиком гоночных моторов на мировом рынке, была нарушена. В ГДР было налажено серийное производство одно цилиндровых гоночных двигателе «Дельфин R-175», которые поступай и в СССР.
В 1961 г. в СССР на скутере с мотором «Дельфин R-175» на километровой дистанции была достигнута скорость 82,853 км/час и тем самым был установлен новый рекорд страны.
В 1962 г. по решению ЦК ДОСААФ СССР начато освоение отечественных одноцилиндровых гоночных двигателей «Ураган-175», разработанных на базе конструкции двигателя «Циммерман» (ГДР), образец которого был передан советским спортсменам его конструктором Даниэлем Циммерманом.
Двигатель «Ураган-175» является чрезвычайно перспективным, поскольку в конструкции его воплощены новейшие достижения и опыт отечественного и зарубежного моторостроения.
Для мотора «Ураган-175» особенно характерны очень широкие фазы газораспределения, применение плоского золотника на впуске, повышение эффективности продувки за счет повышения сжатия смеси в полости картера, использование трехканальной продувки и смещенной камеры сгорания.
Очень удачная компоновка, а также конструктивная простота выгодно отличают этот двигатель от остальных навесных конструкций.
Как уже было сказано ранее, двигатель может работать и на метиловом спирте. Спиртовое топливо, имеющее более высокую теплоту парообразования, испаряясь, понижает температуру смеси, повышая тем самым весовой заряд засасываемой свежей смеси, что увеличивает мощность двигателя.
В качестве смазки используется касторовое масло, добавляемое в метиловый спирт в соотношении 1 : 20.
При диффузоре, карбюратора диаметром 30 мм производительность главного жиклера для спирта составляет 230—250 см3/мин, а при работе на бензине 130—140 см3/мин.
На впуске установлен плоский вращающийся золотник, выполненный из стали 65Г. Золотник имеет вырез, который соответствует принятой фазе впуска. Золотник не фиксируется в осевом направлении на валу и может самоустанавливаться при работе.
Компоновка двигателя с нижним расположением золотника является чрезвычайно конструктивно удачной и технологически, целесообразной.
Продувка двигателя возвратно-петлевая, трехканальная. Основные продувочные каналы расположены под углом 120°. Эти два продувочных канала выполняют основные функции при очистке цилиндра от продуктов сгорания, а также и при заполнении его свежей смесью. При отсутствии третьего канала во время работы двигателя под днищем поршня (в картере) образуется постоянная горячая газовая подушка из непродутой свежей смеси, которая способствует перегреву, а иногда даже приводит и к прогару днища поршня. Поэтому на двигателе «Ураган-175» и введен дополнительный короткий третий канал, который способствует улучшению продувки в целом, а также повышает надежность работы поршня, удаляя при продувке перегретую смесь из-под днища.
В целях повышения эффективности продувки цилиндра свободное пространство картера значительно уменьшено и степень сжатия в картере в момент открытия продувочных каналов составляет Ек = 2.
При продувке потоки смеси из двух основных продувочных каналов направляются на заднюю стенку цилиндра и поднимаются к головке. Головка цилиндра сферическая с дополнительной смещенной сферой. Наличие смещенной сферы позволяет отклонить поток смеси к оси цилиндра и лучше продуть центральную мертвую (застойную) зону, а также способствует лучшей турбулизации смеси. При подходе поршня к ВМТ между днищем поршня и основной сферой образуется узкая щель, из которой смесь вытесняется в дополнительную сферу, что Приводит к завихрению смеси.
Турбулизация в камере сгорания повышает скорость сгорания и увеличивает полноту сгорания. Выпускное окно — одно, широкое, прямоугольной формы; посередине оно. имеет перемычку, исключающую возможность западания поршневого кольца и его поломку.
Выпускной канал соединен с мегафоном, предназначенным для повышения мощности за счет колебаний столба газов, находящихся в тракте двигателя и выпускного трубопровода, улучшающим процесс очистки и наполнения цилиндра. Мегафон изготовлен из нержавеющей стали 1Х1ВН9Т, толщиной 0,5 мм.
В связи с большим, числом оборотов двигатель, как указывалось . выше, имеет широкие фазы газораспределения.
Продолжительность впуска 192°; начало открытия — 52° после НМТ. Продолжительность выпуска — 189°. Продолжительность основной продувки — 132°. Продолжительность дополнительной продувки — 129°.
Коленчатый вал двигателя состоит из трех частей: верхней щеки, шатунного пальца и нижней щеки. Шатун — двутаврового сечения. Верхняя и нижняя головки шатуна собраны на игольчатых подшипниках. Коренные опоры коленчатого вала имеют шариковые подшипники. Поршень имеет всего лишь одно стальное поршневое кольцо, что уменьшает трение в гильзе цилиндра. Ухудшения компрессии вследствие сокращения числа колец до одного не происходит, так как двигатель работает на очень высоких числах оборотов.
В целях уменьшения давления поршня на стенку цилиндра при рабочем ходе кривошипный механизм дезаксирован на величину 6 мм. На двигателе применено зажигание от магнето. В настоящее время для высокооборотных двигателей большое распространение получило батарейное зажигание, однако сложность эксплуатации его на воде и ненадежность (аккумуляторы, проводка) делают магнето более удобным. К тому же основной недостаток магнето — слабая искра на запуске — с использованием мощных магнитов в известной мере устранен. Магнето компактно, имеет небольшой вес, допускает быструю замену запасным при выходе из строя.
Привод магнето осуществляется от маховика, на который напрессована ведущая шестерня. Ведомая шестерня — текстолитовая. Магнето — одноискровое с приводом от коленчатого вала (1:1).
Крутящий момент двигателя передается через рессору на вертикальный вал подводной части и далее — через коническую пару шестерен с передаточным отношением 13:15 — на горизонтальный вал, на котором укреплен полупогруженный гребной винт с переменным аксиально-радиальным шагом. Корпус подводной части тщательно отполирован для уменьшения сопротивления при движении.
Двигатель имеет водяное охлаждение. Вода подается от скоростного напора через отверстия, имеющиеся в передней части корпуса подводной части.
Среди двухцилиндровых гоночных двигателей наибольший интерес представляют «Кеннг-250» и «ПРАГК и 3» (III и IV). «Кениг-250» представляет собой высокооборотный двигатель с поршневым всасыванием. При рабочем объеме 248 см3 двигатель развивает более 32 л. с. при 9500 об/мин. Скутеры с двигателями такого типа на километровой дистанции достигают скорости 100 км/час и более.
Среди отечественных конструкций следует остановиться на гоночных двигателях, построенных спортсменами Волгоградского клуба «Трактор». В течение трех лет они своими силами спроектировали и построили гоночные двигатели четырех типов с рабочим объемом 175, 250 и 350 см3, известные под маркой «ПРАГК и 3». В соревнованиях на первенство СССР 1961 года волгоградские спортсмены, выступавшие исключительно на своих двигателях «ПРАГК и 3», завоевали две медали — одну золотую и одну серебряную, — опередив многих спортсменов, выступавших на всемирно известных двигателях «Дельфин» и «Кеннг». Исходным базовым двигателем для создания «ПРАГК и 3» (III и IV) послужил двигатель «ПРАГК и 3-1». Это одноцилиндровый двухтактный мотор, с зажиганием от магнето М-24А. Рабочий объем цилиндра 174 см3 при диаметре 0 = 60,5 и ходе поршня S = 60,5 мм. Мощность двигателя 20 л. с. при 8500 об/мин. Впуск рабочей смеси осуществляется с помощью плоского вращающегося золотника, установленного на верхней опоре коленчатого вала. Продувка — возвратно-петлевая, двухканальная. На двигателе установлен отечественный карбюратор К-285 с увеличенным до 26 мм диаметром диффузора. Коленчатый вал установлен на шариковых н роликовых подшипниках.
Коленчатый вал и шатун изготовлены из стали 18ХНВА, поршень кованый из алюминиевого сплава АК-4. Гильзы цилиндра — из стали ЗВХМЮА с азотированной поверхностью.
Привод к магнето — шестеренчатый. Так е общих чертах выглядит базовый двигатель, который непрерывно усовершенствуется волгоградскими спортсменами - конструкторами. Работа ведется в двух направлениях. Первый путь —увеличение числа цилиндров и изменение рабочего объема каждого из них, в результате чего и созданы 250-кубовый «ПРАГК и 3-111» н 350-кубовый «ПРАГК и З-IV». Второй путь — увеличение коэффициента наполнения. Для этого был поставлен второй золотник и сделан второй впускной канал в нижней половине картера. Так, в частности, был создан двигатель «ПРАГК н 3-11» (рабочий объем 175 см3). Сейчас уже существует двигатель «ПРАГК и З-V» с улучшенной продувкой цилиндра благодаря введению третьего продувочного канала. Кроме того, в этом двигателе уменьшены потерн на трение: бронзовая втулка поршневого пальца в верхней головке шатуна заменена роликовым подшипником. Эти изменения позволили поднять число оборотов коленчатого вала до 10 000 об/мин.
Гребные вннты. В качестве движителей спортивных судов используются исключительно гребные винты как полу-погруженного, так и погруженного типа.
Полупогруженные винты применяются главным образом на быстроходных скутерах и обеспечивают прирост скорости на 10—15% по сравнению с погруженными винтами. Это двухлопастные высокооборотные винты с аксиально-радиально-переменным шагом (средний шаг от 180 до 250 мм). Шаг винта постепенно возрастает по радиусу от корня к краю лопастей, причем у края он на 20—30% больше, чем у корня. По сечению лопасти шаг также переменный: у передней кромки он меньше, чем у задней, на 10—15%. Таким образом, лопасть имеет выпукло-вогнутый профиль.
Относительная толщина профиля на относительном радиусе R/Rвинта = -0,6 очень небольшая и достигает 4—5%. Максимальная толщина профиля отстоит от носика на 50—60%. Лопасти очень узкие и дисковое отношение не превосходит 0,3—0,4.
Преимущества полупогруженных гребных винтов перед погруженными состоят в том, что, изменяя величину погружения, можно легко вывести двигатель по числу оборотов на режим максимальной мощности. При этом уменьшаются также площадь сечения подводной части и ее сопротивление. Геометрические размеры гребных винтов весьма невелики. Так, полупогруженный винт подвесного гоночного мотора «Кениг-250» имеет диаметр 142 мм и средний шаг несколько более 200 мм; передаточное отношение на винт 1:1.
Полупогруженный винт мотора «Дельфин-175» имеет диаметр 155 мм, средний шаг около 200 мм, редукцию на винте 13:15. Величина погружения таких винтов достигает 0,6—0,8 их диаметра. Наряду с этим на катерах, глиссерах и мотолодках все еще находят применение и обычные погруженные винты. Это также двухлопастные винты аксиально - радиально - переменного шага, но с более широкими лопастями и дисковым отношением 0,5—0,6.
В целях сокращения сопротивления выступающих частей (кронштейнов, вала и т. д.) винты устанавливают с таким расчетом, чтобы верхняя кромка отстояла от днища на 30—80 мм.
Для судов с очень большими скоростями хода (например, глиссеры старших весовых категорий) применяют суперкавитирующие гребные винты.
Прн больших скоростях движения и высоких числах оборотов гребного вала скорости обтекания на засасывающей стороне лопасти столь значительны, что наступает кавитация. В первой стадии кавитационная полость охватывает часть засасывающей стороны лопасти гребного винта. При этом наблюдается разрушение поверхности лопасти (эрозия). Во второй стадии кавитационная полость захватывает всю засасывающую поверхность лопасти и уходит за ее пределы. Винты, работающие в таком режиме, называют суперкавитирующими. При этом использование профилей некавитнрующих винтов дает очень плохие результаты. Поэтому суперкавитирующие винты имеют геометрию, сильно отличающуюся от принятой для некавитирующнх винтов.
Наилучшие результаты дают клювообразные или клиновидные профили, имеющие тупую заднюю кромку.
Материалы для изготовления гребных винтов должны обладать высоким пределом прочности при удовлетворительной вязкости и упругости. Винты изготовляют из высокопрочных бронз (δβ = 73—78 кг/мм2; δ = 10—15%) или, все чаще, из нержавеющих сталей (например 1Х14НД). Заготовку получают прецизионным литьем по выплавляемой модели.
Дпя определения скорости движения, часто необходимого при испытаниях судна или двигателя, а также при подборе гребных винтов большинство спортивных судов оснащают заборником полного давления и соединенным с ним манометром. Скорость движения определяется в зависимости от скоростного напора. Для перевода давления в скорость используется тарировочный график υ=f(Р).