Быстроходный реданный катер «Пэйсеттер»

Перед известными английскими гидромеханиками Е. Клементом и В. Уильямсоном исследовательский центр компании «Бритиш Петролеум» поставил весьма нелегкую задачу: спроектировать быстроходный катер специально для испытаний движителей различных типов. Катер должен был развивать скорость 130—160 км/ч и иметь при этом минимальное сопротивление движению.

Проектанты уже имели готовый и испытанный прототип — катер типа «Динаплан» (см. «КЯ» №14). В процессе разработки проекта нового катера, названного «Пэйсеттер», они дополнительно применили ряд новшеств, позволивших не только достичь заданных высоких скоростей, но и получить приемлемую мореходность.

Сравнительно узкий и длинный корпус катера общей массой 3 т снабжен стреловидным реданом. Близ транца установлено разрезное подводное несущее крыло, угол атаки которого регулируется водителем в зависимости от состояния акватории (волны), нагрузки и скорости судна. На расчетном режиме (свыше 130 км/ч) в контакт с поверхностью воды входят только небольшой участок днища перед реданом — основная глиссирующая поверхность — и крыльевые стабилизаторы.

На основной глиссирующей поверхности создается гидродинамическая подъемная сила, равная 90% массы катера. Остальные 10% приходятся на кормовые крылья.

У передней границы основной глиссирующей поверхности действует максимальное гидродинамическое давление, а в месте пересечения этой границы со скулой из-под днища вырываются мощные брызговые струи. Важно было так выбрать форму и положение глиссирующей поверхности, чтобы ее передняя граница пересекала скулу впереди рабочей кормовой кромки редана; в противном случае брызговая пелена, отрываясь от редана, попадала бы в зареданную часть днища, увеличивая сопротивление движению.


При первоначальных расчетах рабочие кормовые кромки стреловидного в плане редана были прямолинейными и сходились у киля под острым углом (60°). В процессе эксперимента от прямолинейности кромок пришлось отказаться по двум причинам. Во-первых, при мгновенных повышениях скорости появлялась вероятность пересечения рабочей кормовой кромки редана брызговой струей; во-вторых, в центральной части потока за реданом возникал высокий волновой гребень. Для предотвращения этого по данным испытаний модели была принята криволинейная форма рабочей кромки редана.

Чтобы исключить возможность ошибок, исследователи провели испытания модели разработанной ими глиссирующей поверхности в опытовом бассейне при оптимальном угле атаки 4° и соответствующей натурному катеру нагрузке. При этом была обнаружена интересная особенность примененных обводов: в диапазоне 100—145 км/ч (для натуры) с ростом скорости сопротивление воды движению модели существенно снижалось. Известно, что гидродинамическое давление на днище растет пропорционально квадрату скорости. Следовательно, чтобы поддерживать у поверхности катер постоянного веса, с повышением скорости площадь несущей поверхности должна уменьшаться (если, конечно, угол атаки ее не изменяется). Поскольку ширина днища постоянна, в данном случае уменьшение смоченной поверхности происходит за счет уменьшения ее длины; глиссирующая поверхность перед реданом приобретает вид стреловидного крыла с большим удлинением, что и обеспечивает повышение гидродинамического качества (т. е. отношения подъемной силы к силе сопротивления).

Основная глиссирующая поверхность днища перед стреловидным реданом, работающая с углом атаки 4°, сопрягается с поверхностью днища в носу, которая на ходу также имеет угол атаки, равный 2°. Благодаря этому носовой участок днища встречается с водой с меньшими вертикальными ускорениями и, следовательно, корпус испытывает менее жесткие удары.


Продольный профиль кормовой части днища определялся профилем волнового следа за реданом, который удалось зафиксировать при испытаниях модели.

Для обеспечения устойчивого глиссирования катера расчетная ширина днища у редана не должна была превышать 1,53 м. Однако такой узкий катер имел бы низкую остойчивость и недостаточный объем внутренних помещений, необходимых для размещения оборудования и экипажа. Поэтому корпус был спроектирован с двойной скулой — с увеличением ширины у палубы. Угол наклона участка обшивки между днищем и бортом был выбран так, чтобы поток, срывающийся с нижней скулы, не смачивал выше расположенный участок борта.

Чтобы уменьшить смоченную поверхность корпуса при ходе на волнении, на днище предусмотрен целый комплекс вспомогательных реданов, уступов и брызгоотбойников.

Впереди основной глиссирующей поверхности установлены обычные продольные реданы — отражатели брызг (по три редана шириной 50 мм на борт).

На днище позади стреловидного редана сделана система поперечных клиновидных уступов высотой 10 мм и длиной 127 мм — для отражения струй, срывающихся с основного редана при движении на волнении.

Кормовая стабилизирующая система, состоящая из двух подводных крыльев с регулируемым углом атаки, выполняет целый комплекс функций. Во-первых, с ее помощью компенсируется значительный кренящий момент, который возникает при работе гребного винта. Узкий катер под действием этого момента получает значительный крен на борт, противоположный направлению вращения — в данном случае на левый; поэтому левое крыло имеет на «Пэйсеттере» вдвое большую площадь, чем правое, и суммарная подъемная сила, возникающая на этих крыльях, смещена относительно ДП влево. Во-вторых, крыльевая система удерживает катер над поверхностью воды таким образом, что вся кормовая часть днища на ходу не смачивается. Наконец, регулируя угол атаки крыльев, можно удерживать катер в равновесии, поддерживая наивыгоднейший ходовой дифферент.


Крылья — прямоугольной в плане формы — имеют клиновидный профиль поперечного сечения с плоской нагнетающей поверхностью и углом заострения входящей кромки 8°. Каждое крыло наклонено к поверхности поперечного контура волнового следа под углом 25° и пересекает ее. Угол атаки крыла можно изменять отклонением стоек при помощи электрогидравлического привода. Каждое крыло управляется отдельным переключателем на приборном щите водителя; угол атаки крыльев указывают специальные индикаторы.

При ходовых испытаниях обнаружилось, что катер получает при движении по волне значительные поперечные колебания, касаясь носовой частью днища взволнованной поверхности то одним, то другим бортом. Дальнейшие исследования показали, что большое значение имеют обводы носовой части корпуса, расположенной перед реданом. Если батоксы имеют здесь обычную пологую форму, то на накрененном участке днища появляется лишь незначительная подъемная сила, препятствующая увеличению крена. Местные вогнутости обводов с малым радиусом кривизны способствуют возникновению подсасывающей силы, т. е. усугубляют возникающий крен. (Такие участки могут появляться, например, в местах приварки шпангоутов к обшивке.)

Для увеличения динамических сил, восстанавливающих катер при несимметричном контакте корпуса с волнами, на бортовых участках днища впереди основного редана были установлены по три коротких поперечных редана с высотой 12,5 мм и шириной 102 мм (угол клина 7°). Эти реданы имеются также и на участке между верхней и нижней скулой, что обеспечивает проход атмосферного воздуха для вентиляции основного редана даже тогда, когда участок борта между скулами замывается водой.


Система поперечных реданов стабилизировала катер в поперечном направлении; раскачивания от несимметричного воздействия волн прекратились.

Катер управляется при помощи двух рулей, смонтированных на рамном кронштейне. На полной скорости в воду погружена только нижняя половина пера руля, действующая площадь его составляет около 260 см2. Рули имеют клиновидный профиль с плоскими боковыми поверхностями и притупленной входящей кромкой (0,8 мм).

Движитель катера — трехлопастной гребной винт диаметром 373 мм и шагом 559 мм; дисковое отношение — 0,5. Расчетная частота вращения винта 6000 об/мин при 19 500 об/мин на валу газовой турбины «Гном Роллс-Ройс» мощностью 1155 л. с.

Кронштейн гребного вала, изготовленный из нержавеющей стали, имеет параболический профиль с тупой задней кромкой. На высокой скорости позади этой тупой кромки образуется каверна, вентилируемая атмосферным воздухом; далее воздух попадает на засасывающие поверхности лопастей гребного винта, благодаря чему винт работает в режиме естественной вентиляции.

В свое время Е. Клемент сделал расчетное сравнение ходовых качеств корпуса типа «Динаплан» и двух корпусов с обводами глубокое V. Сравниваемые катера имели массу 4 т и скорости хода около 137 км/ч. Было установлено, что катер с обводами глубокое V имеет вдвое большее сопротивление, чем эквивалентный «Динаплан». Гидродинамическое качество «Динаплана» составило К = 9,25 при угле килеватости днища 12,5° (у «Пэйсеттера» К = 8,06) при килеватости 15°.

«Пэйсеттер» имеет довольно большое сопротивление выступающих частей — гребного вала с кронштейном и рулей. Кроме того, КПД винта несколько снижается вследствие отрицательного влияния наклона оси гребного вала. Однако по сравнению с традиционными катерами, оборудованными аналогичными пропульсивными установками, «Пэйсеттер» при тех же мощностях и массе развивает скорость на 24 км/ч выше. Выигрыш около 14% скорости обеспечивается более эффективной в гидродинамическом отношении формой корпуса.

Конструкторы считают, что корпуса с обводами глубокое V на высоких скоростях хода оказываются малоэффективными из-за необходимости расположения центра тяжести вблизи транца; это вызывает осложнения и при планировке внутренних помещений. Обводы типа «Динаплан» лишены этого недостатка и позволяют более рационально распределить нагрузку вдоль корпуса, так как основная глиссирующая поверхность расположена в его средней части. В ряде случаев вариант компоновки ершовой установки с наклонным гребным валом в средней части корпуса оказывается конструктивно проще и удобнее, чем варианты с угловыми колонками. Предполагается, что помимо исследовательских, коммерческих и военных целей корпуса типа «Динаплан» могут быть использованы и для создания гоночных судов.