Водоизмещающе-глиссирующие обводы и оптимальная форма корпуса судна

Речь пойдет о малотоннажных судах, при движении которых важную роль играют волновое и вихревое сопротивления. По-новому анализируются особенности гидродинамических процессов, определяющих сопротивление движущегося судна, а значит и оптимальную форму его корпуса, отличающуюся от общепринятой. Корпус судна в этом случае должен включать в себя, во-первых, широкую глиссирующую лыжу; во-вторых, погруженную хорошо обтекаемую водоизмещающую часть большого относительного удлинения. Первое минимизирует волновые, а второе — вихревые потери.

В №166 "КиЯ" показано, что корпус водоизмещающе-глиссирующего (ВГ) судна¹, состоящий из нижней водоизмещающей части большого относительного удлинения (L/B)_Н≥10 и верхней глиссирующей лыжи приблизительно той же длины L_B, но большей ширины B_B>B_Н, может быть чисто глиссирующим² (при B_В>>B_Н→O) или полностью водоизмещающим (при B_В=B_Н). Выбирая отношение (B_Н/B_В), можно задать желаемую степень глиссирования. При (B_Н/B_В)≈1/3 такой корпус (при тех же скорости движения и водоизмещении) требует в 2.2-2.4 раза меньшую буксировочную силу, чем водоизмещающее судно обычных обводов (при L/B≈3.5) в области переходных скоростей, когда Fr=V/√gL>0.45, где V (м/с) — скорость судна; g=9.8 м/с²; L (м) — длина корпуса по ватерлинии. Однако в статье недостаточно полно раскрыты процессы, определяющие преимущества ВГ судов. Покажем, что обтекание подводной части корпуса при наличии глиссирующей лыжи качественно отличается от обтекания корпуса обычного судна.

Чтобы тело с минимальным сопротивлением двигалось в воде, оно должно быть хорошо обтекаемым. Конкретная форма сечения такого симметричного "веретенообразного" тела задается как функция B(x/L) и может иметь вид двуугольника. Его обтекание происходит весьма плавно. При L/B_max≈10÷15 достигается минимальное значение его коэффициента сопротивления ζ=R/ωq_∞ (где R(Н) — сила сопротивления; Q (м²) — площадь смоченной поверхности тела; q_∞=ρV_∞/2 (Па) — скоростной напор набегающего потока. Для тела, плавающего под водой, принимается



где коэффициенты ζ_тр и ζ_ф характеризуют сопротивления трения и формы (вихреобразования).

Изменение удлинения в пределах L/B_max≈10÷15 почти не меняет коэффициент сопротивления. Поэтому значения L/B_max≥6÷8 также можно считать близкими к оптимальным.

Однако для судов, плавающих по поверхности воды, такая форма корпуса оказывается неудовлетворительной, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, в этом случае, кроме сопротивления трения и формы, возникает значительное волновое сопротивление ζ_в, которое отсутствовало при движении под водой. Появляется также сопротивление воздуха ζ_возд. Поэтому сила сопротивления судна R(H), плавающего по поверхности воды, равна


Во-вторых, оптимальные значения L/B_max≈10÷15 (и даже L/B_max≥6÷8) оказались слишком велики для большинства судов из-за низкой обитаемости, остойчивости, мореходности. Удлинение L/B≥10 практически реализовано лишь в гребных гоночных лодках, а также небольших лодках, используемых в ряде районах мира. Обычно по эксплуатационным требованиям приходится занижать удлинение корпуса по сравнению с оптимальным значением. Для "Катти Сарк" L/B=75.5/13.4=5.5. У современных катеров L/B=(2.6÷3.8); реже L/B=(3.8÷4.5).


Разберемся в этом подробнее. При обтекании тела, пересекающего поверхность воды, непосредственно вдоль его поверхности происходит изменение давления, вызывающее образование поверхностных волн. Повышенное давление у носовой части вызывает пучность волны, а область разрежения (максимального у миделя) — ее впадину. Волны на ряде важных режимов движения уносят значительную часть энергии. Это — волновые потери. Энергия волн пропорциональна квадрату их амплитуды. Амплитуда уменьшается, если давление изменяется менее резко. С этой целью заостряется носовая часть судна. Но и в этом случае при относительной скорости Fr≥0.5 волновое сопротивление современных малотоннажных судов составляет 60-65% и более.

Но при движении по поверхности воды не следует ее "вспахивать", подобно плугу, лучше скользить по ней. Более эффективный способ предотвращения образования поверхностных волн иллюстрирует известный пример. Полное ведро с водой трудно нести, не расплескав воду, из-за образования волн. Но стоит положить на поверхность воды легкий круг из фанеры, и образование волн прекратится: полное ведро легко донести, не расплескав воды. Это как раз и происходит при обтекании ВГ судна, корпус которого состоит из двух частей: верхней, имеющей широкую гидролыжу, и нижней водоизмещающей (подводной) части — в виде двуугольника большого относительного удлинения. Лыжа является экраном, предотвращающим генерацию волн подводной частью корпуса: под водой волны существовать не могут. Отсюда следует, что волновые потери не являются принципиально неизбежными. Кроме того, использование широкой глиссирующей лыжи, имеющей в плане форму, близкую к прямоугольнику³, позволяет выполнить подводную часть оптимального удлинения и формы без ухудшения функциональных характеристик судна. Это снижает сопротивление формы. Проследим, как это происходит (рис. 1).

Минимальную поверхность Ω (и сопротивление трения) при заданном объеме имеет сфера. Однако общее сопротивление (трения и формы) при движении под водой имеет веретенообразное тело того же объема, хотя поверхность его значительно больше.


Судно, плавающее на поверхности воды, будет иметь максимальный водоизмещающий объем, если подводная часть его будет полусферой. Продольное "растяжение" полусферы также уменьшит суммарные потери трения и формы. Использование гидролыжи еще увеличит поверхность судна, но исключит волновые потери. При этом удается еще более увеличить удлинение водоизмещающей части корпуса и его полноту. Последнее до сих пор оставалось незамеченным. Форма корпуса ВГ судов является законченной с физической точки зрения.

Главные размерения глиссирующей лыжи выбираются из условий обитаемости. Но лыжа предотвращает генерацию волн, экранируя поверхность воды от влияния изменений давления, возникающих при деформации потока воды водоизме-щающей частью корпуса. Эта деформация практически происходит лишь на расстояниях порядка В_Н, считая по направлению нормали к обшивке корпуса. Поэтому для предотвращения образования волн достаточно, чтобы лыжа "нависала" над нижней частью корпуса на величину порядка В_Н(х/L). Конечно, если L/B корпуса очень велико (у гоночных гребных лодок или некоторых катамаранов L/B≈20÷30), вихревое и волновое сопротивления малы, и использование гидролыжи теряет актуальность. Однако при L_Н/B_Н≈7÷13 гидролыжа позволяет получить удобные размерения верхней части корпуса при весьма малых вихревом и волновом сопротивлениях.

Например, если выполнить подводную часть в виде двуугольника с L_Н/B_Н=7.5 при B_В/B_Н=3, для верхней части корпуса получим L/B_В=2.5, что не превосходит удлинения современных маломерных судов.

Таким образом, из трех видов сопротивления — ζ_тр, ζ_ф и ζ_в — ВГ обводы позволяют значительно снизить второе и третье. Воздушное сопротивление ζ_возд (парусность корпуса) ВГ судна уменьшается за счет использования внутреннего объема подводной части корпуса. Это делает ВГ корпус оптимальным для малотоннажных судов (моторных и парусных) по основным показателям, таким как минимальное сопротивление движению (при заданной скорости и водоизмещении), остойчивость, обитаемость (при минимальных габаритах), максимальное сопротивление дрейфу (при минимальной осадке), стоимость и технологичность изготовления.


В определенном смысле ВГ суда являются компромиссом между надводными и подводными судами. Их удобно использовать для обзора подводного пространства, если на подводной части корпуса (под глиссирующей лыжей) установить иллюминаторы и освещение, а верхнюю часть корпуса использовать как прогулочную палубу.

В 1998 г. были изготовлены две небольшие (L=55 см) модели; одна — из твердого пенопласта (долбленая) с последующей шлифовкой поверхности и покрытием ее эпоксидной смолой, имела шлюпочные обводы при L/B≈3.5. Вторая — из жести — имела ВГ обводы (в соответствии с описанной в №166 "КиЯ"). Удлинение водоизмещающей части корпуса составляло L/B_Н≈ 9.7; B_В/B_Н=3. Статическая осадка второй модели соответствовала плоскости ее гидролыжи. Загрузка мелкой галькой первой модели обеспечивала одинаковое водоизмещение моделей. Модели лесками, перекинутыми через блоки, подвешивались на перекладине, закрепленной на форштевне дизельного катера вблизи поверхности воды. Другие концы лесок присоединялись к двум идентичным, параллельно расположенным пружинкам. Начиная со скорости 1 м/с, различие в растяжениях пружин быстро увеличивалось и достигало максимума (отличаясь примерно в 2.5 раза) при скорости около 1.7 м/с. При дальнейшем увеличении пружина первой модели "зашкаливала". Скорость катера оценивалась по числу оборотов двигателя. Обращала внимание большая устойчивость движения второй модели при увеличении скорости: она как бы "прилипала" к поверхности воды.

Когда данная статья находилась в редакции, в Интернете появилась информация о том, что в Венеции в 2002-2004 г. построен "водоизмещающий глиссер", рассматриваемый как "принципиально новая концепция в судостроении". Обводы этого судна полностью соответствуют предложенным в упомянутом патенте РФ № 2132795 от 1996 г. и описанию в "КиЯ" 1998 г.

На сайте приводятся данные испытаний ВГ судна водоизмещением 13.5 т, L=14.45 м, В_В=4.9 м, В_Н=1.2 м с двигателем мощностью 280 кВт, предлагается видеоклип о его постройке и испытаниях. Дается сравнительный график зависимости потребляемой мощности водоизмещающих, глиссирующих судов и данного ВГ судна от скорости (рис. 2). Отмечается, что на переходных режимах (от 9 до 19 уз) ВГ судно достигает значительно больших скоростей. Эксплуатационные расходы и стоимость главного двигателя снижаются на 30%. Отмечаются преимущества ВГ судов, подтверждающие изложенное в "КиЯ"№166 (1998):


Минимизация сопротивления:

• полное сопротивление снижается особенно в области "горба сопротивления", по сравнению с судами обычных типов;
• уменьшаются требования к мощности главного двигателя и существенно экономится топливо;
• увеличивается радиус автономного плавания при том же запасе топлива;
• повышаются скорости в области переходных режимов по сравнению с водоизмещающими и глиссирующими судами;
• радикально снижается амплитуда распространяющихся волн, что существенно уменьшает вымывание русла. Это отвечает более строгим инструкциям по охране окружающей среды; муниципалитет Венеции подготовил решение об использовании только ВГ судов.

Мореходные качества:

• высокая курсовая устойчивость и низкий дрейф;
• увеличенный объем киля и низкий центр тяжести обеспечивают высокую остойчивость и уменьшают качку. Низкое расположение главного двигателя, батареи аккумуляторов, топливных баков в подводной части создает большой поперечный момент инерции;
• выше маневренность и скорость в штормовом море, чем у обычных глиссирующих судов.

Экономия при постройке и улучшение обитаемости корпуса:

• требуется менее дорогой двигатель для достижения той же скорости;
• становится значительно больше места, пригодного к использованию (двигатель, батарея, баки и т.п. находятся в киле). Место над глиссирующими поверхностями используется более эффективно;
• форма корпуса обеспечивает высокую жесткость при облегчении набора. Сообщается о патентовании в США, Японии и о строительстве 40-метровых ВГ судов для Мексиканского залива (США).

Из рис. 2 следует, что ВГ суда наиболее эффективно перекрывают весь диапазон скоростей — от нулевых до Fr=1. Ожидается существенное увеличение скоростей парусных ВГ судов. Никакого физического объяснения особенностей механизма обтекания корпуса, которыми обусловлена эффективность ВГ судов, зарубежные материалы не содержат.

Автор уверен, что в предлагаемом направлении следует искать пути совершенствования, по крайней мере, малотоннажных судов и будет рад любой аргументированной критике в адрес своих идей, а также помощи в их реализации.

Примечания

1. См. также патенты РФ № 2132795 (1996 г.) и 2148518 (1999 г.) ВГ судов. Описание зарубежного ВГ судна см. также в немецком журнале "Skipper" № 8 за 2004 г., стр. 42-43, статья "Verdrangender Gleiter" ("Водоизмещающий глиссер"). По-видимому, первые зарубежные публикации по ВГ судам относятся к 2002 г.

2. Под глиссированием понимается скольжение по поверхности воды, в том числе и с нулевым углом атаки.

3. Носовое заострение верхней части корпуса может отсутствовать (как у саней Фокса); оно необходимо лишь при наличии штормовых волн.