Исследование гидродинамических характеристик саней Фокса

Целью исследования, результаты которого приводятся ниже, было получение по возможности объективных данных о гидродинамических характеристиках саней Фокса.

Прежде всего следует отметить, что суда, глиссирующие на нескольких несущих поверхностях малого удлинения, были известны и ранее. Это, например, глиссирующие катамараны, катера на гидролыжах. Сани Фокса, подобно всем многокорпусным катерам, рассчитаны на использование положительных свойств удлиненных глиссирующих поверхностей — высокой устойчивости движения, близости углов дифферента на высоких скоростях хода к оптимальным, хорошей мореходности.

Теоретическое определение сопротивления воды движению судов с корпусами, подобными морским саням Фокса, может производиться обычными методами [1], [2], построенными на основе использования данных серийных испытаний и систематических расчетов гидродинамических характеристик изолированных глиссирующих поверхностей малого удлинения. В получаемые при этом значения сопротивления или гидродинамического качества должны, однако, вводиться поправки на взаимовлияние лыж. Это взаимовлияние, как было показано в ходе экспериментов со схематизированными моделями глиссирующих катамаранов [3], может приводить как к увеличению, так и к падению гидродинамического качества. Наименее благоприятным оказывается такое расположение несущих поверхностей, при котором расстояние между ними, измеренное поперек судна, составляет 2,5—3 ширины одной из них.

Обращаясь к теоретическому чертежу саней Фокса [4], можно сказать, что из-за эффекта взаимовлияния качество всей системы из трех лыж будет приблизительно на 10% ниже качества изолированных глиссирующих поверхностей аналогичного удлинения.

Нами была испытана модель саней Фокса, изготовленная по теоретическому чертежу, приведенному в сборнике №43. Как видно из схемы (рис. 1), боковые лыжи модели имели поперечные реданы высотой h_p=0,3b (где b — ширина лыжи), расположенные на расстоянии L_p=0,5L от транца. Кроме того, дополнительно в кормовой части боковых лыж были сделаны отгибы длиной l_отг=3b и высотой h_отг=0,2b, благодаря которым в процессе испытаний удалось обеспечить движение модели с углами ходового дифферента, близкими к оптимальным. На внешних скулах бортовых лыж были установлены брызгоотбойники квадратного сечения (0,086X0,086).


Испытания проводились при водоизмещениях Δ, соответствовавших значениям коэффициента статической нагрузки С_Δ=0,090; 0,145; 0,200, и трех положениях центра тяжести по длине x_g=0,337; 0,388; 0,420. Верхний предел скорости буксировки v определялся как граница потери устойчивости движения.

Определялись сопротивление движению модели R и характеристики ее посадки. Построенные по данным эксперимента зависимости обратного качества ε от относительной скорости хода, характеризуемой числом Фруда по водоизмещению Fr_Δ, показаны на рис. 2.

На наиболее характерных для прогулочно-туристских судов скоростях хода Fr_Δ≈3÷3,5 качество саней Фокса находится в пределах 4÷5,5, т. е. не столь уж велико. По мере роста скорости качество интенсивно снижается и на скорости Fr_Δ=4 даже при наиболее благоприятном сочетании нагрузки и центровки не превышает ≈3. Это обстоятельство, а также тот факт, что при высоких скоростях хода углы дифферента саней Фокса оказываются заметно меньше оптимального, заставляют критически отнестись к принятой при оценке нагрузки саней в работе [4] величине качества; по-видимому, принятое значение 5,4 несколько завышено.

На рис. 3 сопоставлены сопротивления моделей морских саней Дж. Тила, тримарана и саней Фокса, отнесенные к сопротивлению модели традиционного остроскулого катера. Все модели [5] имели одинаковые габариты и испытывались при одних и тех же нагрузках С_Δ=0,2 и центровках x_g=0,35. Качество саней Фокса на максимальных скоростях хода оказалось почти в 1,5 раза ниже качества катеров с традиционными обводами. Вместе с тем, как видно из рис. 3, ни один из типов обводов, за исключением саней Фокса, не обеспечивает устойчивости движения при скоростях хода Fr_Δ≥4.


Возвращаясь к рис. 2, можно отметить, что качество саней Фокса может быть заметно повышено смещением центра тяжести в корму, однако при этом увеличивается вероятность потери устойчивости движения.

Заметным преимуществом сани Фокса обладают лишь в переходном режиме. В диапазоне чисел Фруда Fr_Δ<3, представляющем значительный интерес для строителей туристских катеров, предназначенных для длительных переходов с умеренными скоростями, суда с обводами Фокса испытывают существенно меньшее сопротивление, чем суда с обводами любого другого из рассмотренных типов.

При экспериментах исследовалось также и поведение моделей на встречном регулярном волнении. Перегрузки от вертикальных ускорений на модели саней оказались значительно меньше, чем на других моделях. Этим подтверждается предположение о том, что в натурных условиях катера с обводами Фокса имеют достаточно мягкий ход на волнении. Прирост сопротивления, а следовательно, и падение скорости хода при движении модели саней в условиях регулярного волнения, также оказались незначительными (испытания проводились в достаточно широком диапазоне высот волн, охватывающем наиболее вероятные при эксплуатации 5—6-метрового катера значения).

Реализация положительных свойств саней Фокса связана с необходимостью преодоления ряда трудностей, наиболее серьезной из которых является правильный подбор и установка движителей. Брызговые струи, срывающиеся с несущих лыж при движении с большими скоростями, заполняют кормовую часть тоннелей, что создает оптимальные условия для работы высокооборотных полупогруженных винтов. Однако опыт использования этих движителей на гоночных судах позволяет утверждать, что низкие значения к. п. д. на малых и средних оборотах и малая величина упора на переходных режимах движения делают полупогруженные винты непригодными для туристских катеров с умеренными и большими нагрузками. Использование же обычных винтов в данном случае потребует применения удлиненных колонок, сопротивление которых заметно снизит и без того не слишком высокое качество саней.


Суммируя сказанное, отметим, что основной целью создания рассмотренного типа обводов было, очевидно, обеспечение устойчивости движения высокоскоростных гоночных судов как в условиях тихой воды, так и на волнении. Можно сделать вывод, что эта цель Уффа Фоксом достигнута.

Литература

• 1. Я. И. Войткунский, Р. Я. Першиц, И. А. Титов. Справочник по теории корабля. Судпромгиз, Л., 1960.
• 2. Л. М. Кривоносов. О гидродинамике многокорпусных глиссирующих судов. Сб. «Катера и яхты», №14, 1968.
• 3. А. С. Павленко, С. Б. Соловей. Исследование гидродинамических характеристик глиссирующих катамаранов. Сб. «Катера и яхты», №59, 1976.
• 4. Сани Фокса — успехи и неудачи. Сб. «Катера и яхты», №53, 1975.
• 5. А. С. Павленко, С. Б. Соловей. Гидродинамика морских саней Сб. «Катера и яхты», №23, 1970.
• 6. Морские сани Уффа Фокса. Сб. «Катера и яхты», №43, 1973.

От редакции

Отметим, что это — первая попытка с научной точки зрения рассмотреть особенности обводов морских саней Фокса. Некоторые выводы авторов следует, по нашему мнению, принимать с известной осторожностью: испытываемая ими модель имела значительные отступления от оригинального проекта У. Фокса. Так, зареданные участки боковых лыж имели такой же конструктивный угол атаки, как и дореданные, как и центральная лыжа. Отгиб вниз несущих поверхностей боковых лыж у транца повышал гидродинамическое качество в переходном режиме и существенно ухудшал его на высоких скоростях хода, приближая границу той зоны скоростей, в которой начинает теряться устойчивость движения.