Обводы глиссирующих судов
Развитие современного катеростроения неразрывно связано с совершенствованием катерных механических установок и широким применением стеклопластика для изготовления корпусов. За последние 20 лет были созданы легкие мощные быстроходные двигатели внутреннего сгорания, позволившие вывести на режим глиссирования достаточно мореходные и комфортабельные катера. Удельная масса стационарных бензиновых двигателей средней мощности от 75 до 180 кВт (100—250 л. с.) составляет 2,3—2,8 кг/кВт, а мощных подвесных моторов — 1,2—2,2 кг/кВт. Благодаря применению угловых поворотно-откидных колонок двигатели занимают в корпусе гораздо меньше места, чем установки с угловыми реверс-редукторами или с прямой передачей на гребной винт.
Использование синтетических смол холодного отверждения для формования корпусов лодок и катеров позволило строить корпуса практически любых обводов, в наибольшей степени удовлетворяющих требованиям гидродинамики, мореходности и комфортабельности.
В 60‑е—70‑е годы конструкторы малых катеров стремились создать такие корпуса, которые позволили бы полностью реализовать имеющийся в большинстве случаев запас мощности для поддержания высокой скорости в условиях волнения. Отмеченные выше факторы, а также поиски оптимальных форм обусловили появление большого разнообразия типов обводов глиссирующих катеров. Коротко рассмотрим особенности наиболее распространенных из них.
Корпуса малой килеватости. При постоянной нагрузке и в условиях гладкой воды максимальным гидродинамическим качеством при глиссировании обладает корпус с абсолютно плоским днищем, если, конечно, ширина по скуле и положение центра тяжести обеспечивают устойчивое движение без дельфинирования и с оптимальным дифферентом. Величина гидродинамического качества может достигать K = 10.
Именно это и обусловило широкое применение плоскодонных корпусов в начальный момент развития глиссирующих судов. Высокое гидродинамическое качество обеспечивало выход на глиссирование при сравнительно малой мощности двигателя относительно водоизмещения. Однако с увеличением мощности двигателей и скоростей катеров выявились существенные недостатки плоскодонных обводов.
Основной из них — это сильные удары корпуса о волну. При встрече с волной подъемная сила на днище катера вследствие увеличения угла атаки мгновенно подрастает в несколько раз, корпус может взлетать над поверхностью воды. В следующий момент, при падении на воду, катер получает сильный удар в днище. Сила удара пропорциональна квадрату вертикальной скорости в момент встречи днища с поверхностью воды, которая в свою очередь зависит от скорости хода, водоизмещения катера и длины волны. Величина ударных перегрузок может достигать 10g и даже более (под перегрузками понимается отношение ускорения, получаемого центром тяжести судна, к ускорению свободного падения тела g = 9,81 м/с², другими словами, отношение силы удара к массе катера).
Ударные нагрузки и ускорения не только отрицательно влияют на экипаж, но и могут стать причиной разрушения конструкций корпуса или срыва двигателей с фундаментов.
Наиболее эффективный путь снижения ударных перегрузок — это увеличение угла килеватости днища. При его увеличении, например, с 0 до 10° сила удара снижается более чем в 1,5 раза.
Другим недостатком плоскодонного корпуса является чувствительность к расположению центра тяжести и соотношению нагрузки и ширины днища, которое оценивается коэффициентом динамической нагрузки
| CB = | D | . |
| 1/2ρ · v²B |
При неудачном выборе этих элементов судно легко переходит в режим дельфинирования (см. стр. 40).
Наконец, плоскодонные глиссирующие суда сильно сносит вбок при поворотах на полной скорости. Легкие гоночные мотолодки при этом нередко опрокидываются. Этот недостаток можно устранить, если установить плавники-стабилизаторы или снабдить корпус наклонными участками днища близ скул («скошенными» скулами).
Отмеченные недостатки ограничивают применение плоскодонных (и с малой килеватостью днища) глиссирующих корпусов в основном на гоночных мотолодках, рассчитанных на скорости до 50 км/ч и используемых на акваториях, закрытых от волн. Применяются они и на речных мотолодках и катерах при большой удельной нагрузке на единицу мощности двигателя.
Корпуса с «закрученным» днищем (рис. 27). Для снижения ударных перегрузок при глиссировании на волне днищу придают ту или иную килеватость. Наиболее сильные удары приходятся на носовую часть корпуса, поэтому заостряют в основном носовую треть днища, оставляя в корме глиссирующий участок малой килеватости. Примером таких обводов «закрученного» типа являются корпуса катеров «Амур» и новых модификаций «Казанки» (см. рис. 109 и 149). Такие корпуса отличаются более комфортабельным ходом на волнении, чем корпуса с малой килеватостью, но не позволяют развить высокие скорости. Так как плоское днище работает под малыми углами атаки (до 4°), длина смоченной поверхности корпуса оказывается слишком большой и с повышением скорости площадь этой поверхности не уменьшается. Благодаря быстрому росту гидродинамической подъемной силы в начальный период движения кривая сопротивления катера с «закрученным» днищем имеет плавный подъем с невысоким «горбом», для преодоления которого требуется сравнительно небольшая удельная мощность. Поэтому подобные обводы предназначены для катеров, рассчитываемых на переходный режим движения или глиссирование при V > 8 √L км/ч.
Рис. 27. Обводы катера с «закрученным» днищем.
Суда с «закрученным» днищем при плавании на попутном волнении обладают рыскливостью. Причиной этого является дисбаланс в гидродинамических силах поддержания, действующих на заостренную килеватую носовую часть и плоский широкий участок днища в корме. При небольшом зарыскивании катера с курса на участки днища у форштевня начинает действовать сила, близкая по направлению к горизонтали и способствующая дальнейшему отклонению судна с курса. Подобный же эффект дает и крен, при котором сила, изменяющая курс судна, появляется со стороны накрененного борта.
На волнении проявляется и другой недостаток судов с «закрученным» днищем: при входе в волну вдоль заостренных обводов корпуса в носу вода поднимается вверх в виде брызговой пелены, срываемой ветром и отбрасываемой на палубу.
Построить корпус с подобными обводами технологически сложно, а его объем в носу получается весьма неудобным для использования в качестве складского помещения и особенно — для оборудования каюты.
Моногедрон. Корпус с постоянным углом килеватости днища от транца до миделя, равным 10—17° (рис. 28). Это наиболее распространенный в настоящее время тип обводов глиссирующих корпусов. Обводы технологичны при постройке корпусов из листовых материалов — металла или фанеры. Умеренная килеватость днища позволяет получить достаточно высокое гидродинамическое качество при приемлемых перегрузках на волнении. Иногда днище снабжается скуловыми брызгоотбойниками или короткими продольными реданами, которые способствуют уменьшению смоченной поверхности.
Рис. 28. Обводы корпуса глиссирующего катера типа «моногедрон»: а — оригинальные обводы; б — современный вариант.
Обводы типа моногедрон применяют при V < 15 √L км/ч и удельной нагрузке до 30 кг/л. с., т. е. в тех случаях, когда мощности двигателя может оказаться недостаточно для корпуса с обводами «глубокое V». По сравнению с корпусами с повышенной килеватостью днища, моногедрон имеет более высокую статическую остойчивость, поэтому такие обводы предпочитают для морских катеров в тех случаях, когда это качество играет важную роль (например, для комфортабельных моторных яхт, рыболовных катеров и т. п.).
«Глубокое V». Тип обводов глиссирующего корпуса с повышенной килеватостью днища (более 20°) от миделя от транца и продольными реданами, который применяется для быстроходных катеров, рассчитанных на V > 15 √L км/ч (рис. 29). Такие обводы обеспечивают комфортабельный ход на волнении с минимальной потерей скорости. Кроме того, данный тип обводов позволяет использовать всю мощность двигателей, устанавливаемых на легких мотолодках и катерах, без потери устойчивости движения или опасности разрушения корпусных конструкций. При повышении скорости в результате подъема корпуса из воды ширина смоченной поверхности днища с большой килеватостью постепенно уменьшается. Соответственно возрастает оптимальный угол атаки, при котором сопротивление воды является минимальным, — у килеватого корпуса он в 1,5—2 раза больше, чем у плоскодонного. Благодаря этому и смоченная длина килеватого катера оказывается меньше, чем у катера с плоским днищем. В итоге, несмотря на существенное снижение гидродинамического качества при увеличении угла килеватости днища до 20—23°, на корпусе с обводами «глубокое V» удается получить более высокую скорость, чем на корпусах с умеренной килеватостью. Благодаря почти одинаковыми поперечным профилям днища в носу и корме катера с обводами «глубокое V» отличаются хорошей устойчивостью при плавании с попутной волной, малым дрейфом на циркуляции и плавностью качки.
Рис. 29. Обводы типа «глубокое V»: а — вид на днище; б — корпус теоретического чертежа.
К недостаткам «глубокого V» следует отнести большое сопротивление в начальный момент движения и большие затраты времени на разгон до выхода на режим чистого глиссирования. Для улучшения стартовых характеристик и снижения «горба» сопротивления можно использовать транцевые плиты и продольные реданы на днище.
Другим недостатком является пониженная начальная остойчивость как на стоянке, так и на ходу. Для повышения остойчивости на стоянке иногда устраивают днищевые балластные цистерны, автоматически опорожняемые при выходе катера на расчетный режим (см. стр. 23). Для повышения ходовой остойчивости приходится увеличивать смоченную поверхность днища в корме, обрывая продольные реданы, на которых корпус глиссирует на расчетной скорости, на некотором расстоянии от транца. В результате этого смачиваются дополнительные участки днища и увеличивается ширина ватерлинии. Другой вариант — использование наделок-спонсонов, расположенных на ходу над водой и действующих при крене катера.
Непременной деталью корпуса «глубокое V» являются продольные реданы — призмы треугольного сечения с горизонтальной нижней гранью и острой свободной кромкой (рис. 30). Главный эффект реданов заключается в отсечении от днища потоков воды, растекающихся от киля к бортам. В результате их действия уменьшается смоченная поверхность корпуса, на реданах создается дополнительная подъемная сила; в совокупности это повышает гидродинамическое качество корпуса.
Рис. 30. Продольные реданы: а — схема расположения реданов по ширине корпуса; б — вид на днище катера без реданов; в — действие реданов на том же днище.
1 — поверхность днища, не смачиваемая водой; 2 — скуловой брызгоотбойник; 3 — продольные реданы; 4 — поперечный поток воды; 5 — смоченный участок днища.
Благодаря продольным реданам осуществляется автоматическое регулирование ширины днища в зависимости от скорости судна. На малых скоростях катер глиссирует на полной ширине днища с уменьшенной удельной нагрузкой, которая оптимальна для данной скорости. По мере разгона гидродинамическая подъемная сила растет, катер уменьшает осадку. При этом крайние участки днища, прилегающие к скулам, выходят из воды, глиссирующая поверхность ограничивается крайней к скуле парой реданов. Благодаря этому сохраняется оптимальная величина коэффициента CB, несколько снижается «горб» кривой сопротивления.
Продольные реданы повышают остойчивость катера, демпфируют бортовую и продольную качки. На ходу при резком крене на реданах накрененного борта возникает дополнительная подъемная сила, которая препятствует дальнейшему увеличению крена. Продольные реданы существенно повышают устойчивость судна на курсе и в то же время сокращают радиус циркуляции. Это происходит благодаря работе боковых вертикальных граней реданов, которые при боковом смещении — дрейфе от ветра, волны или на повороте, действуют подобно килю.
Положительные качества реданов начинают проявляться лишь при достаточно высоких скоростях — V > 12 √L км/ч. На малой скорости и при разгоне катера сопротивление воды вследствие увеличенной смоченной поверхности днища с реданами оказывается выше, чем у катера с гладким днищем. Кроме того, их эффективность зависит от угла килеватости днища. Если он менее 10°, устройство продольных реданов нецелесообразно.
Скорость поперечного потока у плоского днища относительно невелика, поэтому миновав скулу, вода резко поднимается почти вертикально вверх. Если на ее пути параллельно скуле под днищем установить продольный редан, то вырывающиеся из-под него струи вновь коснутся днища в непосредственной близости от вертикальной грани редана. У килеватого днища скорость поперечного потока достаточно высокая, поэтому струи вырываются из-под скулы или продольного редана под углом к вертикали; чем больше угол килеватости, тем больше и отклонение потока от вертикали. При угле килеватости днища около 20° струи воды покидают кромку редана практически под таким же углом.
На каждой половине днища обычно устанавливают по два (при ширине днища 1,4—1,6 м) или по три (при ширине 2—2,5 м) редана. Расстояние ближайших к скуле реданов от ДП судна рассчитывается в зависимости от нагрузки и скорости катера. Реданы по всей длине корпуса — от форштевня до транца — целесообразны в том случае, если можно обеспечить глиссирование катера на ширине, ограничиваемой данными реданами. В противном случае реданы в кормовой части днища только повышают сопротивление воды. Обычно до транца доводят только крайние к скуле реданы, а остальные, которые эффективно работают только на границе днища и воды на полном ходу, обрывают на том или ином расстоянии от днища. На мотолодках с умеренной килеватостью днища, развивающих скорость около 40 км/ч, можно устанавливать короткие (по 0,5—0,8 м) реданы-брызгоотбойники в носовой части корпуса.
Естественно, правильная работа реданов возможна только при их острой наружной кромке, поэтому на деревянных катерах реданы изготовляют из твердых пород древесины или прикрепляют к их рабочим граням металлические полосы. В средней части корпуса и корме реданы располагают параллельно килю. В носовой части их лучше свести к форштевню, чтобы избежать слишком крутого подъема вверх (по батоксам): в противном случае при всходе катера на волну реданы будут оказывать тормозящее действие. К слову сказать, существует и негативный эффект продольных реданов на высокоскоростных судах: при встречной волне корпус получает довольно жесткие удары вследствие концентрации давления на плоских поверхностях реданов.
Комбинированные обводы с гидролыжей. Вариант глиссирующего корпуса с узкой центральной частью днища малой килеватости (или плоской) и наклонными боковыми участками (рис. 31). Ширина центрального участка, или гидролыжи, выбирается таким образом, чтобы на полной скорости судно глиссировало на нем, как на пластине, а наклонные участки днища смачивались водой только при крене или же встрече с волной. Кромки гидролыжи являются продольными реданами, поэтому вышесказанное о влиянии угла килеватости справедливо для данного типа обводов: желательно, чтобы угол наклона бортовых участков днища к основной плоскости составлял около 20°. Дополнительными продольными реданами снабжаются и наклонные участки днища для отсечения от них брызговой пелены при вхождении корпуса в волну.
Рис. 31. Глиссирующие обводы днища с гидролыжей.
Смоченная поверхность гидролыжи имеет вид вытянутого вдоль корпуса прямоугольника. Благодаря этому корпус обладает большей устойчивостью глиссирования и меньшей чувствительностью к изменению дифферента и положения центра тяжести, по сравнению с плоскодонным судном, имеющим малое соотношение L/B. В результате катера и мотолодки с гидролыжей, снабженные достаточно мощным двигателем, способны развить более высокую скорость, чем при обычных обводах с малой килеватостью днища, обладают большей комфортабельностью при ходе против волны, имеют малый радиус циркуляции. Эти преимущества, однако, утрачиваются, если нагрузка оказывается слишком большой для данной мощности двигателя и судно глиссирует при увеличенной осадке. Естественно, что вследствие малой ширины катера с гидролыжей являются валкими на стоянке и могут раскачиваться на ходу.
Одним из вариантов обводов с гидролыжей является «Морской нож», предложенный американским конструктором. П. Пейном (рис. 32). Глиссирующая пластина на днище имеет вид треугольника с углом при форштевне 15°, а борта плавно расширяются к палубе, образуя в корме своеобразное аэродинамическое крыло. В целом корпус катера с его заостренным и подрезанным форштевнем напоминает лемех плуга. Вогнутые поверхности бортов снабжены брызгоотбойниками-реверсорами, которые отсекают воду, уменьшая смоченную поверхность корпуса. Одновременно на реверсорах создается дополнительная подъемная сила, благодаря чему гидродинамическое качество достигает достаточно большой величины (до 10,5). Реверсоры улучшают также приемистость катера и динамическую остойчивость на ходу.
Рис. 32. «Морской нож».
Оптимальным ходовым дифферентом для «Ножа» является такой, при котором основание форштевня лишь слегка касается поверхности воды. В этом случае глиссирующая площадка погружена в воду на всю длину: при прохождении сквозь волну и изменении дифферента длина смоченной поверхности изменяется мало, соответственно здесь не возникает пиковых значений подъемной силы, как на корпусе традиционного типа. Поддерживать правильный дифферент помогают транцевые плиты, управляемые с поста водителя.
«Морской нож» позволяет развивать довольно высокую скорость на волнении без чрезмерных ударных перегрузок. Например, 6‑метровый катер такого типа, оснащенный 188‑сильным двигателем с угловой колонкой, на волне высотой 1 м развивал скорость около 80 км/ч. При этом величина перегрузок, замеренных в носовой части, оказалась в среднем в 10 раз ниже, чем на катере с обводами «глубокое V» таких же размерений.
Важным элементом «Ножа» является наклонный носовой транец, благодаря которому исключается зарывание носовой части катера в волну.
Несмотря на высокие мореходные качества, обводы типа «Морской нож» имеют ряд недостатков: низкую статическую остойчивость на стоянке, недостаточный объем корпуса для размещения пассажиров и т. п. Кроме того, реализовать положительные качества обводов можно только при достаточно высокой удельной мощности двигателя — нагрузка не должна превышать 5 кг/л. с. (6,75 кг/кВт).
Разновидностью судна на гидролыже является корпус с обводами, запатентованными англичанами Рексом и Вуди Блеггами (рис. 33). Основная часть корпуса имеет узкую гидролыжу и необычно большую килеватость днища — 45°. Для повышения остойчивости корпус снабжен боковыми поплавками — спонсонами, расположенными в кормовой трети длины и имеющими при килях несущие глиссирующие поверхности в виде гидролыж. Все три гидролыжи расположены на одной высоте, так что при движении судно глиссирует на центральной лыже и двух широко разнесенных по бортам спонсонах, которые имеют несколько больший угол атаки. В случае крена, возникающего, например, на циркуляции, и воду входит спонсон со стороны крена и мгновенно возросшая на нем подъемная сила выпрямляет судно. Судно обладает достаточной остойчивостью и на стоянке, когда необходимый восстанавливающий момент образуется при погружении спонсона в воду.
Рис. 33. Обводы мореходного глиссирующего катера, запатентованного Рексом и Вуди Блеггами.
Для уменьшения смоченной поверхности при плавании на волнении на днище корпуса и спонсонов предусмотрены широкие продольные брызгоотбойники, на которых создается дополнительная подъемная сила. Они демпфируют продольную качку, служат дополнительными глиссирующими поверхностями в момент выхода на расчетный режим движения, снижая «горб» сопротивления.
Катера с обводами братьев Блегг весьма мореходны. Они способны поддерживать высокую скорость на взволнованном море при различных курсах относительно волны. Узкие поверхности центральной гидролыжи и спонсонов пронзают волну, не получая при этом сильных ударов. Определенный эффект аэродинамической разгрузки создается благодаря сводчатым тоннелям между основным корпусом и спонсонами. Встречный поток воздуха, смешиваясь с водяной пылью, подтормаживается в тоннелях; благодаря повышению здесь давления часть массы корпуса поддерживается аэродинамически, что способствует демпфированию ударов корпуса о волну.
Морские сани Уффа Фокса. Запатентованные английским конструктором Уффа Фоксом трехкилевые обводы глиссирующего катера также являются вариантом судна на гидролыжах, обладающего повышенной остойчивостью (рис. 34). Три лыжи, ширина которых не превышает 1/10 общей ширины днища, простираются по всей длине корпуса и переходят в форштевни. Благодаря тому, что при сходе с попутной волны в гребень следующей погружаются сразу все три лыжи, исключается зарыскивание, которое имеет место у катеров с обводами «глубокое V».
Рис. 34. Морские сани Уффа Фокса.
Бортовые лыжи, помимо того, что способствуют созданию подъемной силы, являются скегами, отражающими брызги, вырывающиеся из-под средней лыжи, а также придают судну высокую остойчивость. Близ миделя на этих гидролыжах имеются поперечные реданы, благодаря которым уменьшается смоченная поверхность самих гидролыж и повышается устойчивость движения.
Своды боковых тоннелей выполняются с постоянным радиусом скругления; центральная часть корпуса имеет угол килеватости днища до 30°.
Испытания моделей с обводами Фокса показали, что при глиссировании вырывающиеся из-под лыжи потоки воды оказывают сильное влияние на гидродинамические характеристики корпуса; они могут как повышать, так и снижать гидродинамическое качество. Наименее благоприятным оказывается такое расположение несущих поверхностей, при котором расстояние между ними, измеренное поперек судна, составляет 2,5—3 ширины одной из них. Вследствие эффекта взаимовлияния гидролыж качество саней Фокса оказывается примерно на 10 % ниже, чем изолированных глиссирующих поверхностей того же удлинения.
Как и для других типов обводов с гидролыжами, для саней Фокса важное значение имеет достаточно высокая удельная мощность двигателя. В переходном к глиссированию режиме сопротивление саней Фокса оказывается ниже, чем у корпуса с обводами «глубокое V», поэтому сани быстрее выходят на глиссирование и развивают высокую скорость при полной нагрузке. Небольшие ударные перегрузки при плавании саней на волнении и высокая остойчивость обусловили применение этого типа обводов для различного рода транспортных катеров.
Изогнуто-килеватые обводы («крыло чайки»). В настоящее время могут рассматриваться как переходный тип глиссирующего корпуса от килеватых обводов к тримарану. Их особенностью являются выпуклость при киле и скругленные отгибы днища вниз у скулы (рис. 35). При встрече с волной в воду входит сначала выпуклая часть днища, затем площадь удара постепенно увеличивается, поэтому корпуса с обводами «крыло чайки» отличаются от малокилеватых судов более мягким ходом на волне. Отгибы днища вниз у скулы дают такой же эффект, как и скуловые брызгоотбойники: благодаря им и за счет поперечного потока повышается гидродинамическое давление вблизи скул, что в известной степени компенсирует потерю гидродинамического качества вследствие увеличения килеватости днища. Отгибы скулы способствуют также повышению ходовой остойчивости судна.
Рис. 35. Корпус глиссирующей мотолодки «Гамма» с изогнуто-килеватыми обводами («крыло чайки»).
Тримараны. Корпуса этого типа появились в конце 50‑х годов. Иногда этот тип обводов называют «кафедралами», трехкилевыми морскими санями» или двухтоннельными судами. Отличительной особенностью всех существующих видов тримаранов являются основной корпус, имеющий обводы «глубокое V» (или изогнуто-килеватые), и два боковых спонсона меньшего объема; очертания палубы в плане близки к прямоугольнику (рис. 36). Назначение спонсонов — повысить остойчивость катера на ходу и на стоянке, избавить судно от рыскливости при ходе на попутном волнении. Спонсоны выполняют таким образом, чтобы на стоянке они были погружены примерно на половину осадки основного корпуса, а на ходу бо́льшая часть их поднималась над поверхностью воды. В случае крена в воду входит значительный объем спонсона, возникающая на нем дополнительная сила поддержания создает восстанавливающий момент. Благодаря тому, что спонсоны параллельны по всей длине катера, а не сужаются подобно скулам корпуса традиционного типа, остойчивость тримарана намного выше. Кроме того, при крене на ходу к статической восстанавливающей силе прибавляются еще гидродинамические силы, возникающие на наружной наклонной поверхности входящего в воду спонсона, как на обычной глиссирующей пластине, расположенной под некоторым углом атаки.
Поскольку на ходу без крена спонсоны оказываются над водой, они практически не вносят существенных изменений в гидродинамику основного корпуса. Как и в случае обводов «глубокое V», глиссирование осуществляется на кормовой части днища, так что в ходовых качествах тримаран преимуществ не имеет. Однако помимо лучшей остойчивости и мореходных качеств на волне, тримаран предоставляет конструктору гораздо больше возможностей в планировке внутреннего расположения. Необходимое оборудование здесь удается разместить в корпусе меньших размерений, чем например, на катере с обводами «глубокое V», и при равной мощности двигателя получить известный выигрыш в скорости.
Основные разновидности современных тримаранов представлены на рис. 36. Тип а предпочтителен при постройке корпуса из листовых материалов — металла или фанеры. Явно выраженные тоннели в носовой части переходят в корме в плоско-килеватое днище с горизонтальными участками у скул. Тип б — комбинация «глубокого V» с бортовыми спонсонами, имеющими клиновидные поперечные сечения. В месте перехода наклонной наружной грани спонсона в почти вертикальны» борт сделан уступ-брызгоотбойник. Спонсоны иногда обрываются, не доходя примерно 1/3 длины корпуса до транца, так как в корме они неоправданно увеличивают смоченную поверхность, мешают использовать энергию потоков воды, растекающихся от киля к бортам. Продолжением спонсонов близ транца являются горизонтальные брызгоотбойники или продольные реданы. Тип в — обводы «Бостонского китобоя», послужившие прототипом для создания большого числа модификаций. Применены выпукло-килеватые шпангоуты. Борта в носовой части имеют наклонные участки — скосы для улучшения поворотливости. Чтобы ограничить подъем воды и брызг, вырывающихся из-под скоса, на борту сделан уступ-брызгоотбойник, идущий по всей длине корпуса. Вблизи шп. 7 наклонный участок борта заканчивается поперечным реданом; дальше в корме скула скруглена по радиусу. Можно предположить, что это придает катеру оптимальный дифферент на корму при довольно высокой скорости и обеспечивает выход воздуха из тоннелей к бортам. Выпуклость днища у транца предотвращает подток воздушных пузырей к лопастям гребного винта, особенно вероятный при поворотах катера.
Рис. 36. Обводы типа «тримаран»: а — корпус с обшивкой из фанеры; б — корпус из стеклопластика; в — «Бостонский китобой».
На основном корпусе «Бостонского китобоя», как и на других типах тримаранов, предусмотрен продольный редан, отсекающий воду от днища и направляющий ее под кили спонсонов, которые расположены выше основной линии.
Тримараны, обладая высокими мореходными качествами, все же подвергаются значительным ударным перегрузкам при ходе на волне, особенно если о гребень волны ударяется широкая носовая часть, на которой имеются плоские поверхности.
«Морские сани». Вариант глиссирующего корпуса со сводчатым днищем (с «обратной» килеватостью) и параллельными, не сходящимися в носу бортами, изобретен в начале XX века американским конструктором А. Хикманом (рис. 37). Благодаря двум килям, имеющим сходство с полозьями саней, обводы и получили свое название.
Рис. 37. Корпус типа «морские сани».
Параллельные борта придают «морским саням» повышенную поперечную остойчивость. Два длинных киля и погруженные в воду вертикальные борта способствуют хорошей устойчивости судна на курсе. При плавании на волнении проявляется и такое важное качество саней, как хороший «продольный баланс» корпуса, под которым понимается распределение ширины и площади ватерлинии, а также килеватости днища по длине корпуса. При плавании косым курсом к попутной волне «морские сани», обладая большими объемами и шириной корпуса в носу, хорошо противостоят крену и дифференту, не зарыскивают с риском опрокидывания на полной скорости.
Брызги, поднимаемые носовой частью, отражаются вниз от поверхности вогнутого тоннеля, а широкая палуба предотвращает зарывание носом в волну. При некоторых определенных соотношениях размеров волны и корпуса воздух в тоннеле «саней» начинает оказывать демпфирующий эффект, смягчая удары волны о днище. У «саней» больших размеров более плавная бортовая качка, чем у обычных катеров. Определенные сложности представляет размещение на «морских санях» движителя. Встречный поток воздуха, попадающий в тоннель, проходит под днищем до самой кормы и воздействует на лопасти гребного винта, начинающего работать в условиях поверхностной аэрации. Поэтому на больших «санях» применялись частично погруженные гребные винты, имеющие специальную форму. При установке подвесного мотора на «санях» требуется большее погружение оси гребного винта, чем на обычных лодках; рекомендуется и кормовая центровка судна. Используется также смещение оси подвесного мотора в сторону от ДП. При одновинтовой установке на своде тоннеля в ДП рекомендуется устанавливать клин толщиной 12—20 мм и шириной 1,2 диаметра винта, отводящий аэрированную воду от винта. На волне, длина которой превышает длину катера, «морские сани» получают сильные удары в носовую часть свода тоннеля, что заставляет снижать скорость. Другими недостатками обводов этого типа является большой радиус циркуляции и малый объем корпуса в носовой части, затрудняющий его использование для размещения пассажиров и других целей.
Глиссирующие катамараны. Как мы уже говорили, не всегда удается реализовать высокое гидродинамическое качество катеров с плоским и широким днищем. Одна из причин — потеря устойчивости движения катера при достижении им наивыгоднейшего ходового дифферента. Часто приходится мириться с тем, что фактические углы атаки на расчетной скорости значительно ниже оптимальных и составляют 1—2°. Следовательно, и гидродинамическое качество не достигает своего максимума и в редких случаях превышает K = 4,5.
Одна из возможностей повышения качества — это существенное уменьшение ширины глиссирующего участка днища, при котором судно может глиссировать устойчиво и с бо́льшим углом атаки. Чем больше по сравнению с шириной днища длина смоченной поверхности и, следовательно, расстояние от транца до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил давления, тем выше скорость, при которой возможна потеря устойчивости. Именно это свойство и используется в конструкции современных глиссирующих катамаранов, которые обладают рядом преимуществ перед однокорпусными судами. Во-первых, для смягчения ударов при ходе на волнении днищу катамарана можно придать бо́льшую килеватость, чем однокорпусному катеру, остойчивость которого резко падает при увеличении килеватости. Во-вторых, благодаря тому, что воздух проходит с большой скоростью по тоннелю между корпусами катамарана, на платформе (особенно если ей придать продольный профиль крыла) создается аэродинамическая подъемная сила, которая воспринимает часть нагрузки судна. В результате аэродинамической разгрузки уменьшается осадка и смоченная поверхность корпуса, повышается скорость.
Гидродинамическое качество оказывается выше качества однокорпусного глиссера лишь при сравнительно малых расстояниях Bк между корпусами, определяемых соотношением 2B0/Bк > 0,75 (значению 2B0/Bк = 1 соответствуют сдвинутые вплотную корпуса, а значению 2B0/Bк = 0 — корпуса, разнесенные на бесконечно большое расстояние, при котором один корпус не влияет гидродинамически на другой; Bк — ширина одного корпуса). При 2B0/Bк = 0,4 качество катамарана оказывается минимальным, т. е. это самая невыгодная компоновка катамарана. С уменьшением расстояния между корпусами судно позже выходит на режим глиссирования. Кривые сопротивления катамарана имеют два «горба». Катамараны выходят на глиссирование при значительно более высокой (примерно в 1,5 раза) скорости, чем однокорпусные катера. Ширина корпусов катамарана оказывает существенное влияние на сопротивление воды. При относительном удлинении корпуса L/B0 = 16 и менее катамаран становится очень чувствителен к изменению нагрузки: при ее увеличении гидродинамическое качество падает. Узкие корпуса с отношением L/B0 = 17÷25 к нагрузке менее чувствительны.
Рис. 38. Обводы корпуса гоночного катамарана.
Подобные двухкорпусные обводы используются в основном для высокоскоростных гоночных судов, развивающих скорости 100—150 км/ч. При такой скорости существенное значение имеют аэродинамические силы, которые возникают на нижней поверхности соединительного моста, имеющего большую площадь. С одной стороны, следует использовать аэродинамическую силу, возникающую на ней, чтобы разгрузить корпуса и уменьшить сопротивление трения обшивки о воду. С другой, необходимо учитывать, что на волне угол атаки этой поверхности к набегающему потоку воздуха окажется чрезмерным и судно будет опрокинуто аэродинамической силой через транец (это нередко происходит в гонках скутеров и мотолодок с катамаранными обводами). На скоростях порядка 100 км/ч и выше аэродинамическая сила может достигать 30 кгс и более на 1 м² несущей поверхности моста.
Чтобы обеспечить продольную устойчивость движения легкого катамарана под действием дополнительных аэродинамических сил и моментов, мостик приходится смещать ближе к транцу корпуса. Его продольное сечение выбирают из числа таких аэродинамических профилей, у которых центр давления и динамический фокус (точка приложения дополнительной силы при изменении угла атаки) имеют кормовое расположение. Чаще всего используют обтекаемый клиновидный профиль с относительной толщиной 5—8 % и высотой среза кормовой части 100—300 мм. Однако опыт дает основание считать, что для скоростей движения 60—80 км/ч целесообразно применять более толстый профиль (10—12 %) и во многих случаях кормовую кромку делать обтекаемой.
Для гоночных катамаранов характерно отношение длины к общей ширине в пределах 2,3—2,9. Вертикальный клиренс (расстояние нижней поверхности моста от воды) принимается равным 4—5% длины моста (рис. 38). Угол внешней килеватости глиссирующей пластины днища как правило составляет около 10°, а ее ширину можно приблизительно вычислить по формуле
где B — ширина пластины, м; D — полная масса катамарана с запасом горючего и экипажем, кг; v — расчетная скорость движения, м/с.
В качестве прогулочных судов и катеров народнохозяйственного назначения глиссирующие катамараны широкого распространения не получили. Это объясняется тем, что сложно обеспечить прочность соединительного моста при больших размерах судна; днище моста приходится высоко поднимать над поверхностью воды, чтобы избежать ударов волн в его нижнюю поверхность. В результате этого надстройки получаются увеличенной высоты, что приводит к повышенному воздушному сопротивлению. Недостатком катамаранов является резкая килевая качка при движении с малой скоростью, а также большая площадь гавани, которую занимает на стоянке двухкорпусное судно.
Реданные обводы. Отличаются наличием поперечного (или стреловидного) уступа — редана, делящего днище на два глиссирующих участка: основной, расположенный непосредственно перед реданом, и участок у транца. Положение поперечного редана обычно выбирается таким образом, чтобы на основной участок приходилось от 60 до 90 % массы катера. Благодаря тому, что глиссирующие участки имеют большее гидродинамическое удлинение и почти в 2 раза меньшую смоченную поверхность, чем у обычных катеров, на скоростях движения более 15 √L км/ч реданные катера обладают более высоким гидродинамическим качеством, а устойчивость движения меньше зависит от положения центра тяжести.
Рис. 39. Обводы реданных катеров: а — традиционного типа; б — со стреловидным реданом (типа «Эйрслот»)
Ранее реданные катера считались немореходными, так как днище близ редана, расположенного посредине корпуса, выполнялось совершенно плоским, редан имел большую высоту (равную обычно 1/20 ширины днища), отсутствовали устройства для регулирования дифферента в зависимости от погодных условий. Такие катера сильно ударялись о встречную волну даже при ее малой высоте, так как редан получал удар сразу по всей ширине днища.
В последние годы получили применение обводы со стреловидными реданами на корпусах повышенной килеватости (рис. 39). Существуют реданы как с прямой, так и с обратной стреловидностью (в первом случае вершина находится ближе к форштевню относительно точек пересечения редана со скулами). Стреловидная форма редана позволяет значительно снизить перегрузки катера на волнении, поскольку площадь и сила гидродинамического удара, начиная с вершины редана, нарастает более плавно, чем в случае перпендикулярного килю редана и малой килеватости днища.
Рис. 40. Катер с обводами типа «тридин».
Существуют современные модификации корпусов с двумя и большим числом реданов, например типа «тридин», разработанный в США Р. Хантом и Р. Коббсом (рис. 40). Часто реданные катера снабжают средствами для регулирования ходового дифферента — управляемыми транцевыми плитами или стабилизирующим крылом, что позволяет в зависимости от обстановки регулировать ходовой дифферент катера и перераспределять величину нагрузки между несущими участками днища.
Круглоскулые обводы. Для глиссирующих катеров применяются крайне редко. Причину этого нетрудно понять, посмотрев на эпюру распределения давления поперек днища (см. рис. 18, а). На острых кромках скулы при глиссировании возникает перепад гидродинамического давления. Если давление по всей ширине днища постоянно, то обеспечивается наивысшая поддерживающая способность днища на единицу смоченной поверхности. Однако если кромки скруглены, то более плавным становится и перепад давления у скул. Вода не отрывается от кромки скулы, а поднимается вверх по корпусу и замывает борта. Чем больше радиус округления скулы, тем больше потери гидродинамической подъемной силы. Поэтому круглоскулые обводы применяют чаще для катеров, рассчитываемых на умеренные скорости — переходный режим при V ⩽ 10 √L км/ч. Корпус дополняют скуловым брызгоотбойником (на пластмассовых корпусах он формуется вместе с обшивкой), уменьшающим замывание скуловых участков днища. Иногда применяют комбинированные обводы — в носовой части корпус выполняют с обводами круглоскулого типа, а в корме делают глиссирующий участок с острой скулой.
Основным достоинством круглоскулых катеров при плавании на волнении являются менее жесткие удары волны в днище и более плавная качка, чем это испытывают остроскулые катера.