Управляемость
Управляемостью называется качество судна, позволяющее ему следовать по заданному курсу или изменять направление движения по желанию экипажа. Для обеспечения этого качества каждое судно снабжается рулем; управляемым может считаться только такое судно, которое на перекладку руля реагирует определенным образом.
Управляемость объединяет два свойства судна — устойчивость на курсе и поворотливость. Устойчивость на курсе — это способность судна удерживать прямолинейное направление движения при действии на него различных внешних сил: ветра, волнения и т. п. Устойчивость на курсе зависит не только от конструктивных особенностей катера или яхты, но и от реакции рулевого на отклонение судна от курса — его «чутья» руля.
Поворотливостью называют способность судна изменять направление движения и описывать определенную траекторию под действием руля и движителей — гребного винта, если это моторный катер, и парусов, если судно движется под парусами.
Всегда желательно, чтобы судно было достаточно устойчиво на курсе, так как любое отклонение руля вызывает увеличение сопротивления воды движению. В то же время оно должно обладать хорошей поворотливостью для возможности маневрирования в тесных гаванях, при подходе к оказавшемуся за бортом человеку и т. п. В известной степени эти требования противоречивы: чем поворотливее судно, тем труднее удерживать его на курсе, и наоборот, чем легче судно удерживается на прямом курсе, тем труднее управлять им при маневрировании.
Управление малыми судами осуществляется с помощью руля, изменением направления действия упора гребного винта — на мотолодках с подвесными моторами и катерах с угловыми поворотно-откидными колонками, и изменением направления реакции водометных движителей. Руль является вертикально или наклонно расположенным гидродинамическим крылом, которое может быть установлено как под днищем, так и за транцем катера. При его перекладке на некоторый угол атаки на руле возникает гидродинамическая сила Q, одна из составляющих которой N толкает корму судна в сторону, противоположную перекладке руля (рис. 23). Другая составляющая R является дополнительным сопротивлением, замедляющим ход судна.
Рис. 23. Гидродинамические силы, действующие на руль и корпус катера при перекладке руля.
В начальный момент поворота центр тяжести судна (ЦТ) по инерции продолжает свое движение в прежнем направлении, хотя корпус оказывается уже развернутым на некоторый угол под действием руля. На боковую поверхность подводной части корпуса в носу начинает действовать повышенное давление воды. Под действием этого давления происходит дальнейший разворот корпуса вокруг вертикальной оси, проходящей через ЦТ судна.
Если закрепить руль в одном положении, то судно пойдет примерно по окружности, которая называется циркуляцией. Диаметр или радиус циркуляции является мерой поворотливости судна; чем больше радиус циркуляции, тем хуже поворотливость. По циркуляции движется только центр тяжести судна, корму выносит наружу. Одновременно судно получает дрейф, отчасти вызванный центробежной силой, отчасти — силой N, возникающей на руле. Поворотливость судна определяется в основном взаимным расположением трех точек: центра тяжести, центра приложения сил бокового сопротивления (ЦБС) и точки приложения движущей силы — упора винта. Большую роль играет N и ее удаление от ЦБС, так как эта сила и гидродинамические силы давления на наружную (по отношению к центру вращения судна) скулу в носовой части образуют поворачивающий момент. Во время поворота ЦБС не остается неподвижным, а перемещается вдоль корпуса в зависимости от обводов корпуса и даже конфигурации надводной части судна, от которой в значительной мере зависит управляемость в свежий ветер.
Отсюда нетрудно сформулировать условия, которым должно удовлетворять судно, обладающее хорошей поворотливостью. Важно, чтобы ЦБС располагался несколько в нос от ЦТ судна, то есть основная площадь погруженной части ДП располагалась в носовой части. Иногда приходится вырезать часть дейдвуда или киля вблизи кормы, чтобы улучшить поворотливость катера. На плоскодонных глиссирующих катерах и мотолодках, имеющих на ходу малую осадку носом, с этой же целью располагают в нос от ЦТ небольшой плавник; иначе судно при повороте сильно дрейфует наружу циркуляции и циркуляция малого радиуса оказывается невозможной. Этот недостаток в меньшей степени присущ катерам с обводами «глубокое V», снабженным продольными реданами.
Радиус циркуляции зависит от скорости и водоизмещения судна, а также момента инерции относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ. Чем больше скорость, водоизмещение и длина судна, чем больше тяжелых предметов (двигатель, якоря и прочее оборудование) размещено в оконечностях судна, тем больше радиус циркуляции. Обычно его выражают в длинах корпуса судна. Судно обладает хорошей поворотливостью, если диаметр циркуляции его менее 3 длин корпуса; удовлетворительной — не более 5 длин.
При проектировании руля стремятся, чтобы при его отклонении от ДП создавалась достаточная поворачивающая сила при минимальном сопротивлении воды. Наибольшее распространение получили рули, спроектированные в виде крыла с аэродинамическим профилем поперечного сечения. Максимальная толщина профиля принимается обычно в пределах 8—12 % хорды и располагается на расстоянии 1/3 хорды от передней кромки руля. Площадь руля зависит от скорости судна, так как подъемная сила на нем прямо пропорциональна квадрату скорости. На парусных яхтах площадь руля составляет 8÷10 % погруженной площади ДП; на тихоходных водоизмещающих катерах — 2÷5 %; на глиссирующих — 1÷2 %. Для использования повышенной скорости потока воды, отбрасываемого назад гребным винтом, перо руля на катерах размещают за винтом на расстоянии 0,75 диаметра винта.
Эффективность руля будет выше, если его поместить под днищем судна. Это объясняется тем, что вода не перетекает через верхнюю кромку (эффект гидродинамической шайбы) и исключается возможность засасывания воздуха с поверхности воды на сторону разрежения при крутых поворотах на большой скорости (вследствие этого подъемная сила на руле падает, катер теряет управляемость). Это явление, иногда называемое вентиляцией, бывает на катерах с рулем, навешенным на транце, или на яхтах при сильном крене. Для устранения его полезно установить над верхней кромкой руля пластину, а на яхте — небольшой плавник, стабилизирующий поток перед пером руля (рис. 24).
Рис. 24. Средства борьбы с вентиляцией рулей; а — на катере с навесным транце рулем; б — на яхте с рулем, отделенным от киля.
1 — перо руля; 2 — антикавитационная пластина; 3 — плавник-скег руля.
На очень быстроходных катерах, у которых руль установлен под днищем, по слишком близко от транца, желательно срезать верхний угол пера под углом 15—20° (см. рис. 25, а). Благодаря этому срезу поток под днищем будет проходить до транца и препятствовать прорыву воздуха с поверхности к рулю. Кроме того, при резком повороте избыток давления на поверхности руля, обращенной вперед, может вызвать дифферент катера на нос с креном наружу циркуляции. При наличии среза этого можно не опасаться.
Важной характеристикой руля является его гидродинамическое удлинение (отношение квадрата высоты к площади пера). Руль с бо́льшим удлинением развивает бо́льшую поперечную силу при малом отклонении (угле атаки); при сравнительно же небольших углах атаки происходит отрыв потока от поверхности разрежения, в результате чего подъемная сила на руле резко падает. Например, при λ = 5 критический угол перекладки руля составляет 12°, а при λ = 1 — уже 30°. В качестве компромиссного решения используют такое: применяют рули с λ = 1,2÷2,0 для катеров и λ = 2÷2,5 — для парусных яхт.
Для повышения критического угла перекладки рекомендуется установить плавник — скег (см. рис. 24, б). Обычно угол поворота руля ограничивается 35°, причем перекладка его на такую величину целесообразна только на завершающей стадии поворота, когда корму начинает интенсивно выносить наружу циркуляции и фактический угол атаки руля по отношению к натекающему на него потоку воды становится меньше угла перекладки. В начальный момент поворота руль следует перекладывать на гораздо меньший угол — 15÷20°. Это способствует и меньшей потере скорости при изменении курса.
Оптимальной формой пера руля является трапециевидная с прямой или слегка скругленной нижней кромкой. Для уменьшения усилий на румпеле иногда применяют балансирные рули (рис. 25) с осью вращения, расположенной слегка в нос от точки приложения результирующей гидродинамического давления к профилю, то есть на расстоянии не более 25 % хорды профиля руля. В противном случае для возвращения руля в нормальное положение после перекладки потребуются слишком большие усилия, устройство балансирного руля оказывается нецелесообразным. Для быстроходных катеров коэффициент компенсации — отношение площади руля, расположенной впереди баллера к остальной его части — составляет 12—16%; для тихоходных катеров и яхт — 17—20 %.
Рис. 25. Балансирные рули: а — подвесной обтекаемый руль на быстроходном катере; б — пластинчатый руль на катере водоизмещающего типа.
Сказанное выше о форме подводной части ДП, которая обеспечивает хорошую поворотливость, в обратном смысле можно применить при рассмотрении устойчивости судна на курсе. Если ЦБС расположен в корму от ЦТ, конфигурация подводной части ДП близка к прямоугольнику, имеется развитый киль-стабилизатор в кормовой части, то судно обладает хорошей устойчивостью на курсе, иногда — в ущерб его поворотливости. Определенное значение имеет дифферент на корму, а на глиссирующих катерах — наличие продольных реданов на днище. Если судно имеет крен, то, поскольку точка приложения результирующей силы сопротивления воды оказывается смещенной в сторону накрененного борта, эта сила вместе с упором гребного винта создает момент, поворачивающий судно в сторону крена. Таким образом, требуется постоянная перекладка руля, однако это приводит к некоторому снижению скорости. На глиссирующем катере, особенно с большой килеватостью днища, появлению крена способствует работа гребного винта: катер получает крен в сторону, противоположную направлению вращения винта. Это явление заметно, например, у лодок с подвесным мотором «Вихрь», имеющим винт правого вращения. При выходе в плавание «налегке» — с одним водителем, чаще всего располагающимся по левому борту, лодка получает довольно значительный крен на левый борт. Разумеется, крен, уводящий судно в сторону от курса, необходимо ликвидировать.
Для повышения устойчивости на курсе глиссирующие катера, имеющие высокий надводный борт и развитые надстройки, снабжают килями-стабилизаторами, простирающимися обычно до выхода из корпуса гребного вала и препятствующими сносу с курса при сильных боковых ветрах. Крен, возникающий под действием бокового ветра, целесообразно ликвидировать с помощью управляемых транцевых плит, отклоняя на необходимый угол атаки плиту у накрененного борта.
В некоторых случаях управляемость малых судов, оснащенных подвесными моторами или угловыми поворотно-откидными колонками, недостаточно удовлетворительна. Это происходит на малой скорости — при маневрировании в гаванях, проходе каналов и шлюзов, при ловле рыбы на дорожку. Чтобы улучшить управляемость таких судов, за рубежом применяют съемные рули, прикрепляемые к антикавитационной плите мотора или колонки сразу за гребным винтом.
Рис. 26. Средства улучшения поворотливости малых судов, оснащенных подвесными моторами или угловыми колонками: а — съемный руль; б — «Раддерсэйф»; в — «Раддерсэйф» на полном ходу лодки.
Простейшая конструкция такого руля состоит из литого алюминиевого пера 1, снабженного прорезью для надевания на антикавитационную плиту и утолщением 2 с отверстиями для двух стяжных болтов 3 (рис. 26, а). Спереди на корпус редуктора надевается скоба 4, в которой через отверстия проходят стяжные болты. Таким образом руль надежно крепится к мотору без каких-либо сверлений в корпусе редуктора; при необходимости его можно быстро снять.
Другая конструкция руля — «Раддерсэйф», представляет собой две параллельные пластины 5, соединенные вместе болтами 8 и прикрепленные к горизонтальным осям 6, расположенным на основании, которое при помощи винтов закреплено к антикавитационной плите мотора. Благодаря тому, что пластины оказываются расположенными в реактивной струе воды, отбрасываемой лопастями гребного винта, они служат весьма эффективным рулем при любой скорости лодки.
Особенностью конструкции являются небольшие участки 7, расположенные в нижней пластине поперек набегающего потока воды. С увеличением скорости лодки под действием гидродинамического давления на эти участки пластины поднимаются вверх, а после того как будет достигнута определенная скорость, почти полностью выходят из воды — по ее поверхности скользят только участки пластин у их нижних кромок (рис. 26, в).
Благодаря применению съемных рулей удается существенно уменьшить радиус циркуляции лодок с подвесными моторами и предохранить винт от повреждений, особенно на заднем ходу.