«Воздушная смазка» днища катера для уменьшения трения о воду

Все чаще среди любителей и профессиональных катеростроителей можно слышать разговоры о повышающей скорость хода судна «воздушной смазке» днища. Предлагается, например, использовать для этой цели выхлопные газы двигателей, устанавливать дополнительные компрессоры, устраивать «ловушки» для встречного потока воздуха и направлять его под катер. Все эти предложения основываются на идее создания тонкой воздушной пленки, снижающей трение обшивки корпуса о воду.

Во время проведенной в редакции встречи с учеными (отчет о ней под названием «У границ возможного» был напечатан в №20) об этом пути снижения сопротивления воды движению судна коротко уже говорилось. Заканчивая встречу, мы договорились с ее участниками — вернуться к затронутым проблемам и рассмотреть их более подробно.

Сегодня мы предоставляем слово А. С. Павленко и С. Б. Соловью, которые продолжат начатый разговор.

---

История вопроса

Первые предложения по применению воздушной смазки на судах появились сто с лишним лет назад. Так, еще в 1865 г. об этом писал Скотт Рассел в книге «Современные системы морской архитектуры». Упоминал об этом и другой известный ученый-кораблестроитель Вильям Фруд. Практически же первая попытка воплощения идеи «превращения поверхности, соприкасающейся с водой, в поверхность, соприкасающуюся с воздухом» — веществом, гораздо менее плотным и вязким, была сделана в 1882 г. знаменитым шведским инженером-изобретателем Лавалем. Он получил в Англии соответствующий патент и построил опытный катер с подачей воздуха под днище через трубы. Положительного эффекта, однако, Лавалю достигнуть не удалось.

В 1887 г. инженер-механик С. Тимохович сделал заявку на выдачу ему привилегии на «способ уменьшения трения судов о воду и прилипания ее к их поверхности». Его идея заключалась в подаче на подводную часть корпуса воздуха или водо-масляной эмульсии через специально устроенные трубы, схема расположения которых варьировалась в зависимости от формы, назначения и размерений судна.


В США первая привилегия на применение подобного же способа была выдана в 1911 г. Американский инженер Д. Мур предложил подавать воздух под днище специальной формы. Судно должно было иметь треугольную в плане форму; днище, плоское в носовой и средней части по длине судна, постепенно превращалось в обратно-килеватое («морские сани») в корме. Воздух должен был поступать под корпус по выведенным на палубу трубам — через отверстия в днище, снабженные специальными козырьками-дефлекторами. Автор считал, что при глиссировании судна разрежение, создаваемое дефлекторами, будет вызывать естественный подсос воздуха под днище.

В 20—50-х годах к идее «воздушной смазки» обращались многие исследователи. У нас в СССР этим вопросом занимались Л. М. Лапшин, Н. Н. Кабачинскин, Л. Г. Лойцянскнй. К. К. Федяевскин и другие ученые.

По предложению Л. М. Лапшина воздух должен был нагнетаться специальной установкой, а препятствовать утечке его к бортам должны были поставленные вдоль днища бруски. В 1924 г. на реке Ливенке Л. М. Лапшин начал эксперименты с грубой моделью мелкосидящего плоскодонного речного судна размерами 2,5x0,22x0,02 м, а в дальнейшем продолжал опыты на 25-метровом дощанике. Подвод воздуха под днище дал общее уменьшение сопротивления примерно на 20%.

Упомянем также опыты Н. Н. Кабачинского с моделями, имевшими днище специальной формы — с выемкой типа «воздушного колокола». Эти эксперименты, проводившиеся в Горьковском индустриальном институте в 1936 г., показали снижение общего сопротивления за счет подвода воздуха под днище на ~17%, а сопротивления трения на ~30%.

Первые испытания натурных судов с «воздушной смазкой» были проведены двумя годами позже. В ходе этих опытов удалось снизить полное сопротивление специально оборудованной деревянной баржи длиной 25 м на 22,6%; кроме того, был установлен важный факт зависимости эффективности поддува от расхода воздуха. Во время экспериментов 1957 г. [1] подвод воздуха под днище стальной сухогрузной баржи серийной постройки обеспечил увеличение скорости хода примерно на 6,5%, что соответствует уменьшению сопротивления на -20%.


Применительно к тихоходным водоизмещающим судам метод «воздушной смазки» к настоящему времени теоретически разработан достаточно полно и с 1965 г. вводится в практику отечественного судостроения. Подробный обзор опубликованных работ по этому вопросу можно найти в монографии [1]. Отметим, что Для тихоходных судов характерно создание относительно тонких воздушных пленок (каверн) на плоских участках днища при малых расходах воздуха. На таких судах с большой относительной длиной возможно применение системы последовательно расположенных воздушных каверн.

Прежде чем перейти к обзору способов применения «воздушной смазки» на быстроходных катерах, напомним, что судостроители обычно разделяют полное сопротивление воды движению судна (R) на две составляющие — сопротивление трения (R_тр), обусловленное вязкостью воды и шероховатостью обшивки, и остаточное сопротивление (R_ост), определяемое энергией, затрачиваемой на создание волн и преодоление сопротивления формы.

У самых тихоходных судов основную долю в полном сопротивлении составляет трение. С повышением скорости резко увеличивается доля волнового сопротивления, если только судно не будет выведено на глиссирование — скольжение по поверхности воды. Глиссирующее судно практически не поднимает волны; естественно, основную долю (до 60—80%) его полного сопротивления, так же как и у тихоходных судов, составляет сопротивление трения [7]. Ясно, что наибольший эффект снижение сопротивления трения дает на судах или тихоходных, о чем говорилось выше, или самых быстроходных — глиссирующих; на судах «среднескоростных» доля сопротивления трения относительно мала, если даже удастся уменьшить его наполовину, это снизит величину полного сопротивления лишь незначительно.


Первая по времени работа в области практического использования подачи воздуха под днище (аэрации днища) на быстроходных катерах была выполнена Д. М. фон Томамхулом. В 1916 г. он построил для австрийского флота торпедный катер — первый глиссер с «воздушной смазкой». Воздух под днище нагнетался центробежным вентилятором; область воздушной прослойки ограждалась бортовыми стенками — снегами и поперечным реданом. При мощности двигателей 480 л. с. катер показал скорость 40 узлов, однако дальнейшего развития эта удачно начатая работа не получила.

В конце 20-х — начале 30-х годов в СССР под руководством проф. В. И. Левкова были построены быстроходные катера с подачей воздуха в пространство между двумя глиссирующими корпусами. При высокой скорости движения (до 73 узлов) эти катера не были свободны от таких недостатков, как низкая мореходность, интенсивная забрызгиваемость, плохая управляемость на малых ходах.

Во время второй мировой войны интересные исследования по поддуву воздуха для повышения скорости хода торпедных катеров проводились в Японии. Было замечено, что при подаче воздуха под днище моделей катеров, движущихся в переходном режиме¹, значительно уменьшается волнообразование и, как следствие, падает волновое сопротивление. Материалы этих опытов после войны оказались утерянными и лишь в начале 60-х годов в научно-исследовательском институте прикладной механики Университета Кюсю работы в том же направлении были возобновлены.

В 1964 г. японский исследователь Курихара Митинори в серии статей [8] опубликовал результаты проведенных им экспериментальных исследований возможности снижения сопротивления глиссера за счет подачи воздуха. Использовались модели очень малых размеров (длиной менее метра) с упрощенными обводами, которые в ходе испытаний изменялись установкой клиньев и заменой скегов. Как видно из приводимого графика, подача воздуха дала существенный эффект.

Митинори получил также патент на предложенный им «способ уменьшения волнового сопротивления» [9], который, по мнению автора, может обеспечить снижение сопротивления на еще большую величину — до 50%. Следует, однако, иметь в виду, что полученные этим ученым высокие результаты могли в существенной мере быть обусловлены масштабным эффектом, т, е. комплекс немоделировавшихся физических явлений мог оказаться слишком обширным.


В конце 1967 г. были опубликованы сведения о работах, проводимых в этом же направлении в США [12] — в научно-исследовательском и опытно-конструкторском центре ВМС. Путем изменения обводов днища, установки реданов и подачи в зареданную область выхлопных газов удалось снизить мощность, необходимую для движения катера «Dynaplane» с заданной скоростью, приблизительно на 50%.

Отличительными чертами разработанных этим центром катеров являются наличие на днище стреловидного поперечного редана, кормовой стабилизирующей поверхности (транцевой плиты) и ряда коротких продольных реданов-брызгоотбойников в зоне носовой границы смоченной поверхности. Форма днища перед реданом, найденная теоретическим путем, исходя из условия получения максимальной подъемной силы на наименьшей площади, имеет сложную кривизну. Отмечается, что в каждом конкретном случае необходимо заново находить линию изгиба днища в зависимости от веса, размерений и скорости хода катера.

В одном из номеров журнала «Air Cushion Vehicles» за 1964 г. [10] опубликовано любопытное сообщение любителя-водномоторника Дж. Тейлора о постройке им двух мотолодок с поддувом воздуха под днище. Одна из них (длиной около 4,3 м) испытывалась с подвесным мотором мощностью 20 л, с., причем на вентилятор, подававший воздух под днище, работал отдельный 2.5-сильный двигатель «Клайтон». С одним человеком на борту лодка достигла скорости 20 узлов; Тейлор отмечает улучшение при этом ее мореходных качеств. Затем на ту же лодку поставили 18-сильный «Эвинруд» и другой вентилятор, приводимый во вращение более мощным 4.5-сильным двигателем. Скорость возросла до 30 узлов.


Известно, что мотолодка Тейлора представляла собой глиссирующий катамаран. Воздух подавался под днище между корпусами. С носа и с кормы воздушная полость ограждалась подвижными заслонками, причем кормовая заслонка использовалась одновременно и для регулировки дифферента. По этой же схеме спроектирована и 4-5-местная мотолодка «UD-2 Dynacraft», впервые продемонстрированная на Международной лодочной выставке 1964 г. компанией «Юнион Дайнемикс» и предназначенная для серийного выпуска и широкой продажи. Основное отличие от лодки Тейлора состоит в том, что с боков воздушная полость ограждена не глиссирующими корпусами, а развитыми снегами. Вентилятор приводится во вращение 9-сильным двухтактным двигателем «Уиллерс». Может быть применен любой подвесной мотор мощностью от 18 до 50 л. с. Длина этой пластмассовой мотолодки ~4,5 м; ширина ~1,8 м; водоизмещение 340 кг. Во время пробега Лондон — Челси «UD-2» показала среднюю скорость 29 узлов, а максимальная скорость при мощности двигателя 50 л. с. доходила до 40 узлов.

Как видно из приведенного краткого обзора, применяются две основные схемы использования принципа аэрации днища:

1) подача воздуха за поперечный редан;
2) подача воздуха в пространство между несущими корпусами катамарана.

Приводим ниже результаты исследования первой из двух названных схем.

Аэрация днища глиссирующих катеров за счет подачи воздуха за поперечный редан

Эффективность каких-либо мер по снижению сопротивления трения для быстроходных глиссирующих катеров можно оценить по рис. 1. Рассмотрение приводимых кривых дает основание для вывода, подтверждаемого и данными работы [7], что снижение сопротивления трения, причем в довольно широком диапазоне относительных скоростей, эффективно на сравнительно узких катерах. На катерах же с L/B<4 при Fr_Δ>3 это не дает заметных результатов.

Переходя к рассмотрению сущности аэрации днища как средства снижения сопротивления трения, отметим, что всем известные катера с поперечными реданами, получившие распространение в довоенные годы, есть не что иное как суда с естественной аэрацией днища. За реданом образуется полость, сообщающаяся с атмосферой в месте выхода редана к скулам либо через специальные вентиляционные трубы с верхней палубы (рис. 2, а). Действие поперечного редана (отметим, что рассматриваемую схему иногда называют двухреданной, считая, вторым реданом кромку транца; в нашей же статье мы будем использовать обычно применяемую терминологию) заключается главным образом в уменьшении смоченной поверхности днища, поэтому свободное поступление воздуха в зареданную область является обязательным условием: иначе вода «прилипнет» к днищу непосредственно за реданом и смоченная поверхность не уменьшится.

Вес реданного катера А уравновешивается подъемными гидродинамическими силами, возникающими на редане (Y₁) и рабочем участке кормовой части днища (Y₂). Однако для каждой заданной скорости движения катера существуют предельные значения подъемных сил, которые могут быть получены на реданах. Если вес катера будет превышать эти значения, катер либо совсем не выйдет на режим глиссирования, либо пойдет с увеличенным дифферентом на корму и, следовательно, с меньшей скоростью.

В таких случаях можно «разгрузить» реданы, нагнетая воздух под давлением выше атмосферного в каверну (воздушную полость) между ними (рис. 2,6). При этом происходит перераспределение нагрузок: уменьшаются значения Y₁ и Y₂ за счет появления подъемной силы Y₃, действующей на участке днища между реданами. Если обозначить избыточное давление воздуха в полости ΔР, то будет несложно оценить воспринимаемую воздушной полостью часть иеса катера, численно равную Y₃=ΔРΩ_п, где Ω_п — площадь воздушной полости.

На редан, как правило, приходится основная нагрузка — до 80% водоизмещения. При подаче воздуха в зареданную область давление повышается равномерно по всей площади Ω_п днища, поэтому редан и кормовой участок днища разгружаются на одинаковую величину ΔY=½Y₃. Ясно, что при этом редан разгрузится относительно меньше, чем кормовой участок днища, и, следовательно «равновесие» нарушится, катер приобретет дифферент на корму, при котором появляется опасность разрушения воздушной прослойки.

Препятствовать увеличению дифферента можно, уменьшив угол атаки редана с тем, чтобы снизить возникающую на нем подъемную силу.

Реданный катер глиссирует на двух участках днища, расположенных один за другим (тандем), как показано на рис. 3,а. С ростом скорости или нагрузки перед входящими кромками этих участков происходит некоторый подъем уровня воды. При определенных значениях скорости, нагрузки и расстояния между глиссирующими участками редан вообще может оказаться на переднем склоне волны, которую гонит перед собой кормовой участок днища. Как уже указывалось, с ростом скоростей приходится уменьшать угол атаки редана α. Поэтому можно предположить, что на какой-то скорости он вообще станет равным нулю, т. е. редан расположится параллельно водной поверхности (рис. 3, б), перестанет работать как несущий элемент и будет лишь создавать дополнительное сопротивление.

Скорость движения, при которой угол атаки носового участка днища становится равным нулю, можно считать (в первом приближении) предельной для рассматриваемой схемы аэрации с повышенным давлением в воздушной полости.

Очень важно подчеркнуть, что нагнетание воздуха под днище приводит к выравниванию давлений и, следовательно, к снижению уже не только сопротивления трения, но и в некоторой степени — остаточного сопротивления, а именно волновой его части.

Реданы в рассматриваемой схеме служат и элементами, ограждающими зону создаваемого повышенного давления воздуха от атмосферы. В связи с этим форма реданов, как и продольных вертикальных ребер (скегов, бортовых килей), выбирается с таким расчетом, чтобы препятствовать утечкам воздуха из-под днища.

Уже отмечалось, что нагрузка на реданы с ростом давления в каверне уменьшается, и при некоторой скорости гидродинамическое давление на них может сравняться с давлением в воздушной полости.

Ясно, что тогда воздух начнет вырываться из-под кормового редана, а это приведет к резкому увеличению энергетических затрат на создание воздушной полости. Скорость движения, при которой начинается описываемое явление, и будет пределом применимости аэрации.

Бортовые кили, или скеги, должны полностью перекрывать длину межреданного пространства, а по высоте быть не меньше глубины воздушной полости, образующейся при ходе на тихой воде. Увеличение же высоты скегов, необходимое для плавания на волнении, определяется экспериментальным путем — на модели.

Отметим, что снизить сопротивление трения рассматриваемым способом аэрации можно только при условии образования устойчивой сплошной воздушной полости под днищем.

Если воздух подается в виде отдельных пузырей или водовоздушной эмульсии, то может получиться скорее обратный эффект, т. е. сопротивление возрастет [1]. Это можно объяснить тем, что скорость пузырьков воздуха, находящихся в потоке, не равна скорости течения жидкости. Движение пузырьков имеет сложный характер: они перемещаются не только вдоль, но и поперек потока, а при этом могут прилипать к поверхности тела. В результате обтекаемое тело получает как бы дополнительную шероховатость; поток воды обтекает уже не гладкое днище, а поверхность, на которой расположены дополнительные препятствия в виде пузырьков.

Для формирования и поддержания воздушной полости необходимы соответствующая профилировка днища в районе срыва потока и в области замыкания полости (каверны), а также правильный выбор таких параметров, как нагрузка (вес катера), положение центра тяжести по длине, расход воздуха. При этом перечисленные параметры тесно связаны друг с другом и с геометрическими характеристиками днища. Для выявления основных закономерностей, определяющих значения этих параметров и воздействие аэрации днища на гидродинамические характеристики быстроходных катеров, были проведены экспериментальные исследования систематической серии глиссирующих поверхностей с подачей воздуха под днище.

Испытывалась серия плоско-килеватых глиссирующих пластин 1 с углами килеватости 6. изменяющимися от —20° до +20°, при FrΔ=2,5÷4,0. Таким образом охватывался широкий диапазон применяемых обводов катеров — от «глубокого V» до «морских саней» в наиболее характерной для глиссирующих судов области относительных скоростей. Удлинение пластин L/B=3 и положение редана по длине не изменялись, но высота редана (см. схему модели на рис. 4) варьировалась в пределах 0,002—0,02 В. Для предотвращения утечки воздуха в плоскости бортов были установлены кили (скеги). В процессе испытаний изменялись также центровка и расход воздуха.

Эффективность аэрации оценивалась путем сопоставления замеренных величин сопротивления с сопротивлением тех же пластин, но без подачи воздуха, без боковых килей и реданов. Ниже приводятся графики (рис. 5—16), построенные по результатам испытаний и позволяющие судить о влиянии перечисленных выше параметров на эффективность аэрации.

Использованы следующие обозначения:


Максимальное повышение качества при аэрации (рис. 5) достигается, как и следовало ожидать, на плоской пластине (Β=0°) и составляет около 19% при С_В=0,07, уменьшаясь до 12% при С_В = 0,13. Испытания показали, однако, что возможно образование воздушных полостей и на килеватых поверхностях, причем вогнутая форма днища (обратная килеватость) в принципе несколько более предпочтительна. То, что при испытаниях повышение качества на обратно-килеватых пластинах оказалось на ~2% меньше, чем на пластинах с выпуклыми шпангоутами, объясняется отрицательным влиянием боковых килей-скегов, без которых вполне можно обойтись, так как их роль выполняют скуловые образования корпуса. Отметим, что установка килей на обратно-килеватых пластинах привела к увеличению сопротивления трения и, как следствие, падению качества, особенно заметному при малых нагрузках (до 20% при С_В=0,07).

Оценка влияния положения центра тяжести по длине производилась (рис. 6) в диапазоне χ_g=0,35÷0,45. Перемещение ЦТ сказывается более резко при малых нагрузках, причем выгоднее носовая центровка.

Рис. 7 показывает, что существует некоторое оптимальное значение расхода; поддув с большим расходом приводит лишь к падению качества.

Зависимости, приводимые на рис. 8, дают основание для вывода о том, что наиболее эффективны реданы минимальной высоты — менее 1% В. (на катере «Dynaplane» высота редана составляет примерно 1,5% В).

Важнейшей характеристикой судов с аэрацией днища является длина каверны, которая в значительной степени зависит от формы редана и его угла атаки по отношению к поверхности воды.

Задача определения длины каверны за реданом заданной высоты и формы теоретически решена. В первом приближении длина каверны может быть оценена в зависимости от давления в ней по формуле, полученной в результате рассмотрения задачи об обтекании плоского уступа потоком невязкой невесомой жидкости:


При k→0, т. е. когда давление в полости приближается к давлению на бесконечности, формула принимает вид:


Для оценки влияния высоты редана и давления в зареданной полости на длину последней можно использовать также кривую, рассчитанную по указанным формулам и показанную пунктиром на рис. 9. Подчеркнем, что даже незначительный отгиб днища на редане приводит к существенному увеличению длины каверны.

Для поддержания максимальной длины каверны необходимо управлять характером ее замыкания при помощи каких-либо устройств, управляющих положением реданов. В описываемых испытаниях исследовалась (рис. 10—16) эффективность применения для указанной цели как транцевой плиты, так и крыла при постоянной высоте редана h_ред=0,01В и изменении С_В от 0,01 до 0,18 в диапазоне Fr_Δ=2,8÷4,0. Было выбрано крыло (см. рис. 4, б) с относительной толщиной профиля 6%, причем положение его по высоте изменялось в ходе испытаний.

Установка управляющих устройств позволяет получить каверны, занимающие почти все зареданное пространство (рис. 10) и имеющие плавный характер замыкания. Попутно отметим, что при очень малых нагрузках (С_В=0,05) и малых углах дифферента за реданом и при отсутствии аэрации образовывалась естественная воздушная полость, т. е. пластина с реданом и транцевой плитой работала как обычный реданный глиссер. Испытания показали (рис. 13), что отклонения транцевой плиты, близкие h_отг=0,012, оптимальны; площадь воздушной полости в данном случае зависит линейно от относительного расхода воздуха.

Из рис. 14 можно видеть, что по мере приближения крыла к пластине эффективность аэрации возрастает, хотя и остается ниже, чем при использовании транцевой плиты. При одинаковых расходах воздуха и скорости движения транцевая плита позволяет получить площадь воздушной полости на 15—20% большую, чем при установке подводного стабилизирующего крыла.

Проведенные исследования показали, что аэрация днища быстроходных катеров с ограждающими устройствами в виде реданов и вертикальных скегов по бортам является достаточно эффективным средством снижения сопротивления и в принципе может использоваться в практике судостроения.

Диапазон относительных скоростей, в котором аэрация по рассмотренной схеме наиболее эффективна, должен определяться при проектировании конкретного катера.

В ходе испытаний схематизированных моделей существенное снижение сопротивления было получено лишь при Fr_Δ=3,2÷3,5, однако возможно некоторое дальнейшее увеличение предельных скоростей за счет совершенствования формы ограждающих устройств и выбора более рациональных способов подачи воздуха под днище.

К числу недостатков рассмотренной схемы аэрации нужно отнести и необходимость применения специальных стабилизирующих устройств.

В одном из ближайших номеров сборника мы познакомим читателей с более совершенной схемой аэрации днища с применением ограждающих устройств в виде глиссирующих бортовых скегов и не контактирующих с водой носовых и кормовых захлопок.

Литература

• 1. А. М. Басин. А. И. Короткин, Л. Ф. Козлов, Управление пограничным слоем судна. «Судостроение», Л-д, 1968 г.
• 2. Ю. Ю. Бенуа и др.. Основы теории судов на воздушной подушке, «Судостроение». Л-д, 1970 г.
• 3. Л. М. Рыжов. К вопросу уменьшения сопротивления судна путем подвода воздуха под его днище. Труды ГИИВТа, т. VIII. 1940 г.
• 4. М. Л. Басин, И. Т. Егоров, Н. И. Исаев, Е. А. Крамарев, Ю. М. Садовников, Особенности применения газообразных сред с целью изменения гидродинамических характеристик твердых тел, движущихся в жидкости. Аннотации докладов II Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. Изд-во АН СССР, 1964 г.
• 5. Ю. М. Садовников, И. И. Исаев. Исследование возможности создания искусственных каверн на глиссирующих поверхностях, Труды НТО СП. вып. 88. 1967 г.
• 6. А. С. Павленко, Аэрация несущих поверхностей глиссирующих судов. Труды НТО СП. вып. 124. 1969 г.
• 7. М. М. Буньков. Сопротивление трения быстроходных глиссирующих катеров. Труды НТО СП, вып. 88. 1967 г.
• 8. Курихара Митинори, Глиссирующие суда, «Bull. Res. Just. Appl. Mech» 1961 № 23, 24.
• 9. Курихара Митинори, Способ уменьшения волнового сопротивления. Яп. патент, кл. 84В4 № 18910, опубл. 19.08.63.
• 10. Тауlor-iMеdhuгst. L. Developing an Airlift Runabout, «Air-Cushion Vehicles», dec. 1961, v. 5, № 30.
• 11. Rоbert R.Rоdwell, Driving the Dvnacrait, «Air-Cushion Vehicles» dec. 1964, v. 5 № 30.
• 12. Dynaplane design for Planing Craft. «Shipbuilding and Shipp Rec».. 1967. 110 № 12. (см. также «Новая конструкция скользящих поверхностей глиссирующих катеров», Экспресс-информация. «Судостроение», сб. № 45, 1967 г.; реф. 213).

Примечания

1. Переходным (от водоизмещающего плавания к глиссированию) режимом принято называть движение со скоростями, соответствующими Fr_Δ=1÷3.