Теоретически идея П. Пейна нам понравилась сразу: смелость и оригинальность решений, и в то же время — строгое использование законов гидродинамики, но с самого начала нас не покидала уверенность, что мы столкнемся с неожиданностями. Было ясно, что поведение катера со столь необычными обводами будет существенно отличаться от поведения традиционных судов известных нам типов. Да и сам автор, рассказывая о создании «Морского ножа», не скрывал многочисленные трудности, с которыми пришлось столкнуться при доводке первых катеров (см. сборник №59).
Дать объективную оценку катера, отличающегося, в первую очередь, повышенными мореходными качествами, по нашему мнению, можно только при испытаниях в условиях реального волнения достаточно крупной самоходной управляемой модели.
При выборе размерений модели «Ножа» мы исходили из следующих соображений:
- на борту ее должны находиться как минимум два человека (водитель и наблюдатель), а также приборы, необходимые для получения объективных данных о движении;
- размеры модели должны соответствовать реальным условиям испытаний, чтобы не создавались трудности при их проведении (мы учитывали, что в условиях Невской губы волнение высотой свыше 1 м — явление редкое, а кроме того, обеспечение испытаний при волнении более 1 м вызывает организационные трудности — требует использования достаточно большого и в то же время быстроходного обеспечивающего судна и т. п.);
- испытания модели должны быть проведены в возможно более широком диапазоне водоизмещений, положений центра тяжести по длине и скоростей движения, а для этого при ограниченной мощности двигателя требуется, чтобы вес корпуса был минимальным, а моторная установка — легкой;
- конструкция модели и движительная установка должны позволять достаточно просто проводить те или иные изменения, необходимые как при доводке модели, так и при проверке влияния на ходовые качества различных вариаций формы и размеров отдельных элементов корпуса.
Поставленным требованиям наиболее полно отвечала деревянная модель 4-метровой длины с подвесным мотором. Исходя из имеющейся мощности подвесного мотора «Москва-30Э» и условия достижения требующейся скорости хода 45—50 км/ч, предельное водоизмещение модели должно было составить 350—400 кг.
Обводы «Морского ножа» образованы плоскими и коническими поверхностями и поэтому легко разворачиваются на плоскость. Это позволило изготовить корпус модели из 3-миллиметровой фанеры. Достаточно большой изгиб обшивки борта и наличие мощного продольного ребра — реверсора позволили отказаться от бортового поперечного набора. В отличие от катеров П. Пейна, на которых брызгоотражатели-реверсоры были накладными, на нашем «Ноже» они выполнены заодно с корпусом в виде продольного уступа по борту.
Зная о плохой остойчивости катеров с обводами «Морского ножа» на стоянке, мы выгородили балластную водяную цистерну объемом около 0,12 м3. Эта мера обеспечила удовлетворительную начальную остойчивость модели. При начале разгона (на скорости 2—3 м/с) вода из цистерны выходит через отверстия в транце, а при снижении скорости цистерна заполняется снова.
В конце мая 1977 г. модель была готова, и мы начали испытания.
Использованная при испытаниях измерительная аппаратура включала: скоростемер (трубка-датчик скоростного напора с манометром), электромеханический тахометр, дифферентометр пузырькового типа.
Первый же выход принес неожиданности. Валкая на стоянке модель при разгоне приобретала остойчивость и шла без крена, но на скорости 35—40 км/ч на тихой воде появлялись увеличивающиеся с дальнейшим повышением скорости крен на левый борт и продольное раскачивание. При движении на волне высотой 0,2—0,3 м — при замывании борта выше реверсоров — крен исчезал, но продольное раскачивание не уменьшалось.
Как было затем выяснено, крен модели возникал из-за ее бокового дрейфа, который вызывался такими причинами, как реактивный момент и появление боковой силы при работе гребного винта, недостаточная жесткость амортизаторов подвески мотора (допускающая смещение оси гребного винта по отношению к ДП), снос модели под действием ветра. Любопытно, что кренящий момент, возникающий по перечисленным причинам, достаточно велик, а спрямление смещением грузов к противоположному борту желаемого результата не дает: модель, не задерживаясь в прямом положении, переваливается на другой борт. Значительно эффективнее спрямляет модель ввод ее в циркуляцию, дрейф от которой компенсирует дрейф на прямом курсе, однако движение модели при этом не прямолинейно, а положение равновесия довольно неустойчиво.
Для устранения отмеченного явления пришлось заменить резиновые амортизаторы подвески мотора жесткими бобышками, а в корме под днищем установить небольшой килек.
Продольное раскачивание, очевидно, вызывалось излишней площадью реверсоров; при обрезке их по ширине и длине продольные колебания при водоизмещении 320—370 кг исчезли. При меньших нагрузках, однако, устойчивость движения оставалась невысокой и могла быть улучшена только более существенной переделкой обводов.
Добившись устойчивого движения модели, мы приступили к выполнению намеченной программы исследований. С конца июля до начала сентября было пройдено около 1,5 тыс. км. Удалось выполнить замеры для определения сопротивления модели при водоизмещении от 280 до 370 кг (верхнее значение оказалось предельным по условиям выхода на глиссирование), проверить влияние угла установки реверсоров относительно днища, получить достаточно объективные данные о поведении «Ножа» на волнении.
Испытания подтвердили высокие мореходные и маневренные качества «Морского ножа». При скорости входа в поворот 45—47 км/ч минимальный диаметр циркуляции составляет 2—3 длины, а конечная скорость после разворота на 180° падает до 35—37 км/ч. Поворот сопровождается глубоким устойчивым внутренним креном около 20°. При плавной циркуляции диаметром 150—200 м модель дельфинирует.
Мореходные испытания проводились при различном характере волнения. Можно сказать, что поведение «Морского ножа» на волнении больше всего напоминает поведение СПК с V-образными крыльями; условия пребывания пассажиров на нем значительно комфортабельнее, чем на сравнимых глиссирующих катерах с обводами глубокое V. Комфортабельность нашей модели вполне обеспечивалась при движении на всех курсовых углах к волне (как на ветровом волнении, так и на «топчее») до высоты 0,4 м; эта величина даже несколько выше, чем для моделей СПК тех же размерений.
На волнении большей высоты поведение модели существенно зависит от направления движения относительно волны. Наиболее характерны режимы движения против волны и по волне. Движение против волны высотой 0,7 м при 3%-ной обеспеченности или высотой 0,5 м при 20%-ной обеспеченности — устойчивое, без значительного продольного раскачивания и торможений (скорость около 45 км/ч). В районе днищевой пластины ощущаются резкие удары, однако на корпус модели они почти не передаются. Потери скорости при ходе на волнении по сравнению со скоростью на тихой воде практически нет. Интенсивное замывание реверсоров и участков борта существенно увеличивают ходовую поперечную остойчивость.
Поведение модели при движении по волне той же высоты значительно изменяется. При встрече с наиболее крупной волной скорость падает до 30 км/ч, причем торможение сопровождается увеличением дифферента. При прохождении через вершину волны модель, разгоняясь, проваливается носом в подошву следующей волны и при этом опять-таки происходит резкое кратковременное торможение. В следующий момент форштевень модели быстро выходит из воды; если при этом модель не встречает новой большой волны, происходит разгон до скорости около 40 км/ч и движение модели приобретает устойчивый характер (подобный движению против волны), который сохраняется до встречи с одной — двумя волнами большей высоты. В связи с достаточно часто чередующимися торможениями модель не успевает разгоняться до максимальной скорости, ее скорость не превышает 40 км/ч. Удары в днище при движении по волне значительно слабее.
Прохождение одиночных волн высотой до 0,7 м (от теплоходов и катеров) вне зависимости от направления протекает достаточно мягко, без ударов, торможений и изменения дифферента.
В процессе испытаний была уточнена и предельная для нашей моде-пи высота волны. Встреча с метровой волной привела к тому, что палуба вошла в воду и а кокпит попало не менее 40—50 л. Вероятно, это нежелательное явление могло быть предотвращено увеличением площади носового транца и объемов корпуса в районе форштевня, однако требуемые для проверки действенности этих мер переделки корпуса во время испытаний 1977 г. выполнить не удалось.
В то же время необходимо подчеркнуть, что за все время испытаний, за исключением двух случаев встречи с метровой волной, палуба не забрызгивалась, в кокпит вода не попадала.
Испытания подтвердили высокое гидродинамическое качество обводов П. Пейна. Выпи получены значения сопротивления модели при нескольких величинах водоизмещения и двух углах установки реверсоров относительно днищевой пластины. (Размеры днищевой пластины были приняты: длина — 2225 мм, ширина на транце 660). При всех условиях испытаний кривые сопротивления имеют характерный «горб» на скорости 3—3,5 м/с, после чего сопротивление заметно уменьшается.
Наивысшее значение гидродинамического качества K=10 было получено на тихой воде для наибольшего водоизмещения D=370 кг при угле установки реверсоров относительно днища — 5,5°. При меньших значениях водоизмещения максимальное гидродинамическое качество существенно снижается (K=8 для D=280 кг); проявление этой закономерности приводило к тому, что предельно достижимая скорость при уменьшении водоизмещения не возрастала, а практически оставалась неизменной. К сожалению, нам не удалось получить данные по сопротивлению модели для больших нагрузок: при водоизмещении более 370 кг тяги даже самого легкого винта не хватало, чтобы преодолеть горб сопротивления и разогнать модель до режима глиссирования.
Низкое качество нашего «Морского ножа» на скорости выхода на глиссирование было неожиданным результатом. Пытаясь выяснить пути снижения сопротивления при разгоне за счет уменьшения удельной нагрузки на днище, мы провели замер сопротивления полностью разгруженной модели, буксируемой другим катером. Как и следовало ожидать, гидродинамическое качество при глиссировании упало до 4, а при разгоне — осталось почти без изменения.
Любопытно, что сопротивление при разгоне значительно уменьшается при крутой левой циркуляции (напомним, что на моторе «Москва-30» гребной винт имеет правое вращение). Этим явлением мы часто пользовались для ускорения разгона при предельном водоизмещении, делая сразу после отхода от бона крутой левый поворот. Обычно для разгона было достаточно выполнить 3/4—1½ оборота.
Вероятно, сопротивление на «горбе сопротивления» полностью определяется формой ватерлиний корпуса, имеющих при нормальном положении модели форму треугольника и приводящих к повышенному сопротивлению формы и волнообразования. Из-за значительного крена и дрейфа при циркуляции форма и площадь ватерлинии существенно изменяются и становятся ближе к ватерлиниям обычного глиссирующего катера, что несколько уменьшает волнообразование и, следовательно, сопротивление на этом режиме.
Увеличение отрицательного угла установки реверсоров не дало ожидаемого результата. При движении модели на максимальных скоростях угол атаки днищевой пластины равен 5,5—6°, т. е. в исходном варианте реверсоры, установленные относительно днища под углом — 4,5°, имеют угол атаки около +1,5°.
Пытаясь проверить предложенную П. Пейном идею использовать дополнительную тягу реверсоров, образующуюся при отклонении брызговых струй, мы увеличили угол между реверсорами и днищем до 8,5° путем установки новой днищевой пластины. При этом ходовой угол атаки реверсоров уменьшился до —2,5°, однако из-за чрезмерного увеличения расстояния от поверхности воды до брызгоотражателей, существенно уменьшившего их эффективность, гидродинамическое качество модели не увеличилось, а упало.
Во время всех испытаний положение центра тяжести по длине выбиралось оптимальным из условия обеспечения минимального сопротивления и продольной устойчивости движения. Оптимальное расстояние от кормового среза днища до центра тяжести составляло 0,73 м. Смещение ЦТ в нос на 4—5 см приводило к заметному падению скорости из-за входа нижней точки форштевня в воду и замывания при этом дополнительных участков борта. Смещение ЦТ на те же 4—5 см в корму несколько увеличивало скорость, одна, ко при этом появлялось продольное раскачивание модели, а удары в днище на волнении становились сильнее.
Конечно, еще нельзя утверждать, что, проведя 40-часовые испытания небольшой модели, мы полностью ознакомились со всеми положительными и отрицательными сторонами катеров со столь необычными обводами, но в целом мы пришли к определенному выводу. Предложенные П. Пейном обводы быстроходного катера действительно обладают неоспоримыми достоинствами — высокой мореходностью и маневренностью, хорошими скоростными качествами, простотой и технологичностью и могут использоваться для катеров различного назначения. В то же время корпуса с обводами «Морского ножа» (особенно при малых размерениях) обладают пониженной вместимостью из-за того, что объемы неудобны для использования. В нашей модели, имеющей длину 4 м и ширину на транце 1,8 м, могли (без особого комфорта) разместиться только два человека. Это нас, правда, не удивляло: ведь «Нож» Пейна при длине 6,1 м вмещал только троих!
Существенным затруднением при проектировании и эксплуатации катеров подобного типа является и жесткое требование к положению ЦТ по длине и высоте.