Парусный катамаран на подводных крыльях «Андромеда»

Яхты 1980 года... Какими они будут? Над этим все чаще задумываются конструкторы и инженеры. И хотя недавно яхтсмены отметили уже 250-летие со дня создания первых яхт-клубов и столетие первой океанской гонки, по-настоящему конструкция и парусное вооружение яхт начали развиваться только в последние 50 лет. Это развитие справедливо связывают с появлением первых самолетов и совершенствованием теории авиационного крыла. Сейчас уже никто не берется оспаривать общность гидроаэромеханики яхты и аэродинамики самолета, и именно на этой общности строят свои новые проекты яхтенные конструкторы.

В самом деле, достаточно посмотреть на яхтенные паруса, которые все больше приближаются к профилю крыла самолета. А на буерах жесткие паруса-крылья уже прочно вошли в жизнь. Такие же изменения можно заметить и в подводной части яхтенных корпусов — киль на современных яхтах отделился от руля и также стал эффективным крылом, снабженным даже элероном, Посмотрите на такую яхту сбоку и вы убедитесь в поразительном сходстве ее корпуса с фюзеляжем самолета, киля — с несущим крылом,, руля — с хвостовым стабилизатором.

До сих пор принцип крыла использовался на яхтах для создания движущей силы (парус) и противодействия дрейфу (киль). Но теперь конструкторы стараются сделать так, чтобы те же крылья помогли резко увеличить скорость яхт. А это возможно в том случае, если удастся поднять корпус судна из воды в воздух, избавиться от большой смоченной поверхности. Тогда энергия ветра, затрачивавшаяся ранее на преодоление трения корпуса о воду и создание бесполезных волн, освободится и будет целиком использована для развития все большей скорости.

Итак, снова союзником конструктора становится подводное крыло. Только теперь оно работает не в горизонтальной плоскости, как киль, противодействуя дрейфу, а в вертикальной, — поднимая корпус над водой. Более того, уже удается совместить обе функции в одном, и том же подводном крыле, избавиться от тяжелого фальшкиля.

Двум судам — прообразам крылатых яхт будущего— посвящаются публикации в этом номере. Характерно, что в обоих случаях конструкторы предпочли использовать многокорпусные суда: катамаран и тримаран. Есть две причины такого выбора. Прежде всего, на боковых корпусах можно достаточно широко разнести подводные крылья, поэтому подъемная сила, возникающая на подветренном крыле, имеет достаточно большое плечо, чтобы открепить яхту. Узкие и легкие корпуса испытывают малое сопротивление воды; отрыв их от воды происходит на меньшей скорости, чем у однокорпусного судна. В то же время судно имеет достаточный подводный объем, чтобы действительно оставаться судном и нести полезную нагрузку, а не быть схематичной его моделью (об одной такой модели — гидроаэрокрыле, построенном американцем Б. Смитом, рассказывалось в 14 номере сборника).


Нельзя не отдать должное Ю. Чабану, И. Матвееву и их товарищам из ЦКБ по судам на подводных крыльях, впервые в нишей стране построившим парусное судно на подводных крыльях и получившим обнадеживающие результаты. Хочется пожелать им дальнейших успехов и достижения в ближайшие годы 40 узлов — заветного рубежа скорости под парусами на воде.

---

Кажется парадоксальным, что под парусами можно ходить со скоростью, превосходящей скорость ветра. Однако это так. И если до последнего времени обгонять ветер считалось привилегией ледовых яхт — буеров, то теперь это делают и яхты плавающие, правда не обычные, а например, поставленные на подводные крылья.

Летом 1967 г. многие горьковчане с удивлением наблюдали за тем, как небольшая яхта под парусом с завидной скоростью пересекала рейд, обгоняя теплоходы. Необычное судно, неизменно вызывавшее большой интерес и речников, и особенно яхтсменов, было первым в нашей стране парусным катамараном на подводных крыльях «Андромеда».

Основные данные катамарана

Наибольшая длина, м	5,75
Длина по КВЛ, м	5,30
Ширина по палубе, м	2,60
Ширина корпуса по КВЛ, м	0.56
Осадка корпуса, м	0,19
Вес судна в сборе, кг	180

Мы пишем «было» потому, что этот катамаран погиб при пожаре. В настоящее время его создатели — члены общественного конструкторского бюро при ЦКБ по судам на подводных крыльях — строят новый, усовершенствованный крылатый катамаран, но, очевидно, для читателей сборника представляет интерес и уже накопленный опыт в области исследования ходовых качеств подобных судов, и краткое описание «Андромеды».

Площадь парусности катамарана (рис. 1) 25 м² (грот — 19,5 и стаксель — 5,5). Корпуса судна имели остроскулые обводы в носу и почти плоское днище в корме. Каждый корпус был разделен водонепроницаемыми переборками на три отсека.

В качестве материалов для изготовления обшивки, набора и двутавровых балок соединительного моста применены легкие сплавы Д16 и АМг-61, причем все соединения выполнены клепаными. Шпангоуты сделаны из уголка 15X15X1, продольные связи — из уголка 20X20X1,5. Толщина обшивки 0,8 мм.


Посередине моста размещен поворотный шверт (также из легкого сплава) симметричного профиля с относительной толщиной 9%. Относительная толщина рулей, навешенных на корпуса, составляла 5%.

Крыльевое устройство

Анализ таких присущих катамарану качеств, как значительная начальная остойчивость и возможность несения большой площади парусности наводит на мысль, что при использовании на таком судне подводных крыльев можно добиться еще большего увеличения скорости.

Исходя из общих методов проектирования крыльевых систем [1] и, разумеется, с учетом специфики парусного движителя, для катамарана были рассчитаны и сконструированы носовая и кормовая крыльевые системы, основные элементы которых приведены в таблице. Крыльевые устройства выполнены сварными: носовое — из алюминиево-магниевого сплава, кормовое — из нержавеющей стали. Стойки крыльев на палубе закреплены на осях, а в районе скулы установлены специальные защелки, что позволяло при необходимости (например, при подходе к берегу) поднимать крылья из воды.

Крыльевая схема спроектирована из условия обеспечения устойчивого движения судна на скоростях до 50 км/час и характеризуется следующими значениями гидродинамического качества: максимальным K=13,5 и в момент выхода на крылья K=8,8.

Гидроаэродинамические расчеты

Очевидно, что основное отличие парусного судна на подводных крыльях от обычного состоит в том, что тяга движителя является величиной переменной, так как работа паруса зависит от направления и силы ветра; кроме того, необходимо учитывать действие силы дрейфа. Приняв для упрощения рассматриваемой задачи допущение о малости углов дрейфа и крена, проанализируем тяговые возможности парусного вооружения катамарана, определив, тем самым, целесообразные пределы использования на нем подводных крыльев.

Известные из аэродинамики соотношения [2], [3] позволяют выразить силу тяги Т и дрейфа D через подъемную силу Y и силу аэродинамического сопротивления X паруса (рис. 2) следующими зависимостями:



где С_у, С_х — коэффициенты подъемной силы и сопротивления;
С_T, С_D — коэффициенты силы тяги и дрейфа;
ρ — массовая плотность воздуха;
S — площадь паруса (обозначения остальных величин показаны на рис. 2).

Рассматривая скоростной треугольник, сторонами которого являются скорость вымпельного ветра V_В скорость истинного ветра V_И и скорость движения судна V, напишем уравнение связи скоростей:


откуда нетрудно получить зависимости для определения направления и величины вымпельного ветра:


Графически зависимость относительной скорости вымпельного ветра от относительной скорости движения и курсового угла истинного ветра, определяемая этими выражениями, представлена на рис. 3.

Совокупность уравнений (1)—(5) при известных аэродинамических характеристиках парусного вооружения позволяет вычислить силы тяги и дрейфа для любых заданных значений V и q.


Аэродинамические характеристики парусного вооружения катамарана приняты по данным [4]. Для иллюстрации проведем расчет сил тяги и дрейфа, развиваемых парусным вооружением катамарана при V=1; q=90° и V_И=4,5 м/сек (сила ветра 3 балла).

1. Курсовой угол вымпельного ветра:


2. Скорости вымпельного ветра:


3. Определение коэффициентов сил тяги и дрейфа С_T и C_D при известном значении α+γ производится по полярам парусов графическим способом (рис. 4). После соответствующего построения при α+γ=45° получим: для стакселя С_Tст=0,87; C_Dст=1.20; для грота С_Тгр=0,74; C_Drp=1,03.

4. Значения аэродинамических сил:


Изложенным способом были проведены расчеты сил тяги и дрейфа в диапазоне курсовых углов от 30° до 150° (через каждые 30°) и для относительных скоростей 0,5—2,0. По полученным результатам построены графики (рис. 5 и 6).

Из полученных зависимостей можно видеть, что в диапазоне ходовых курсовых углов (по отношению к ветру) с ростом скорости движения тяга паруса растет, но одновременно и еще в большей степени увеличивается сила дрейфа. Очевидно, возможность движения катамарана с какой-либо заданной скоростью V при курсовом угле q определяется условием, чтобы сопротивление движению не превосходило величины тяги, но одновременно необходимо обеспечить и остойчивость судна.


Сопоставляя (см. рис. 5) зависимости тяги и сопротивления движению (составленного из буксировочного сопротивления и поправок на влияние дрейфа и волнения), можно сделать вывод, что уже при ветре 3 балла тяговые возможности парусного вооружения позволяют, — но только при q=90°, — преодолеть горб сопротивления и обеспечить движение на крыльях. При ветре же 4 и 5 баллов диапазон курсовых углов, обеспечивающих выход на крылья, значительно увеличивается.

При расчете аэродинамических сил считалось, что судно выходит на крылья и движется в крыльевом режиме без крена. Допуская, что крен 3—5° не оказывает существенного влияния на аэродинамические характеристики парусного вооружения, можно ориентировочно считать, что восстанавливающий момент крыльевой системы (135 кгм при крене θ=3° и V=11 м/сек) и откренивающий момент, создаваемый экипажем, способны компенсировать кренящий момент от силы дрейфа D=120 кг. Тогда по рис 6 можно найти предельные скорости движения катамарана. Так, при ветре силой 3 балла он может идти более чем в два раза быстрее ветра. При 4 баллах предельная скорость катамарана будет в 1,6 и при 5 баллах примерно в 1,5 раза выше скорости ветра; это соответствует скорости движения 35—45 км/час!

Таким образом, повышение скоростей ограничивают не тяговые возможности парусов, а возможности противодействия кренящему моменту от сил дрейфа.

Наличие значительного запаса по тягам оправдывает принятые нами упрощения при оценке дополнительных составляющих сопротивления, обусловленных влиянием дрейфа и крена, а главное — позволит на высоких скоростях хода нести паруса с несколько растравленными шкотами, что хотя и не обеспечит оптимального соотношения сил тяги и дрейфа, но существенно уменьшит кренящий момент.

Испытания катамарана и некоторые выводы

Прежде всего следует отметить, что эксплуатация нашего катамарана была недолгой. В сущности это были пробные выходы. Пожар на водной станции, где стояла «Андромеда», прервал эксперименты.

Во время первых выходов уточнялись установочные углы атаки крыльев. При ветре 1,5—2 балла катамаран выходил только на носовые крылья; при ветре 3—4 балла уже удавалось идти с полным отрывом корпуса от поверхности воды. Скоростные возможности катамарана мы успели оценить лишь на сравнительных испытаниях при ходе параллельными курсами с катером КС. При движении на крыльях в бакштаг катамарану удавалось обгонять катер; это позволяет считать, что была достигнута скорость несколько более 40 км/час. Добавим, что при этом катамаран шел практически без крена.

При приведении судна к ветру, т. е. уменьшении курсовых углов, кренящие моменты значительно возрастали, а появление крена приводило к срыву крыльевого режима. Следует отметить, что носовые крылья в значительной степени стабилизировали движение на волнении. Катамаран даже в частичном крыльевом режиме проходил волны без резких ударов и зарываний. В водоизмещающем состоянии катамаран управлялся нормально, но при ходе на крыльях управляемость несколько ухудшалась.

Таким образом, несколько пробных выходов катамарана подтвердили целесообразность использования подводных крыльев для достижения высоких скоростей движения на парусном судне. Однако, как следует из сопоставления сил тяги, дрейфа и сопротивления, качественно подтвержденного испытаниями, движение катамарана на крыльях было возможно лишь в определенном диапазоне курсовых углов по отношению к ветру.

Последнее обстоятельство позволяет сделать в сущности очень простой, но важный в практическом отношении вывод: крыльевые устройства парусных яхт обязательно должны быть легко убирающимися — поворотными или съемными. Тогда на лавировке или плавании при слабом ветре яхта с поднятыми крыльями практически не будет отставать от обычных яхт, а на благоприятных курсах движение в крыльевом режиме обеспечит ей значительное преимущество в скорости.

Применение подводных крыльев на двухкорпусном судне представляется нам более перспективным, чем при имевших ранее место опытах с однокорпусными яхтами. Расположение крыльев на разнесенных корпусах катамарана обеспечивает значительный восстанавливающий момент при крене; для достижения этой же цели на однокорпусном судне крылья приходится разносить по бортам на специальных консолях, что усложняет и утяжеляет конструкцию. На катамаране проще (в конструктивном отношении) решается задача подъема крыльев; более эффективно используется вес экипажа и корпуса с целью создания откренивающего момента.

Литература

• 1. В. И. Блюмин, Л. А. Иванов, М. Б. Масеев, Транспортные суда на подводных крыльях, «Речной транспорт», 1961.
• 2. Н. В. Григорьев, Вопросы теории буера с жестким крылом, «Катера и яхты», № 5.
• 3. П. С. Иванов, О выборе гидродинамического профиля жестких буерных парусов, «Катера и яхты», №3.
• 4. Ю. С. Крючков, В. И. Лапин, Парусные катамараны, Судпромгиз, 1963.