Механические саморегулирующиеся системы подводных крыльев, например, типа «Хайдрофин» (см. №9, 1967 г.), с успехом использующиеся па катерах, мало пригодны для парусного судна, испытывающего гораздо более сложное воздействие гидро- и аэродинамических сил. Очевидно, до юго как за это дело возьмутся специалисты по кибернетике и электронике, предпочтение следует отдать жестко фиксированным крыльям.
Яхта па подводных крыльях, как и любое парусное судно, испытывает действие сил давления ветра на парус и сопротивлении волы. Для компенсации вызываемых этими силами кренящего и дифферентующего моментов Д. Нигг использовал систему жестко установленных V-образных крыльев. Система эта отрабатывалась па экспериментальном судне «Летающая рыба» (рис. 1). состоящем из крестообразной рамы (рис. 5) и трех поплавков, расположенных по схеме, принятой на буерах с передним рулевым коньком. Снизу па поплавках укреплены V-образные крылья (рис. 2). размеры которых выбраны с таким расчетом, что 80% подъемной силы создают кормовые крылья и только 20% — носовые (это соответствует и распределению нагрузки, основная часть которой — вес рулевого — смещена в корму).
Принципы компенсации действия крепящего момента и силы дрейфа с помощью V-образного крыла, подъемная сила которого возрастает по мере погружения, достаточно известны. Главное: выбрать элементы крыла и угол его атаки так. чтобы добиться устойчивости движения.
Для обеспечения поперечной остойчивости Нигг рекомендует устанавливать крылья таким образом (рис. 3), чтобы линии действия подъемной силы на них пересекались в центре парусности. Представьте себе конструкцию, подвешенную в точке ЦП на двух растяжках, соответствующих подъемным силам R1 и R2. Если приложить внешнюю силу в точке подвеса, система не изменит своего положения. На практике точно воспроизвести эту схему, разумеется, нельзя, но рулевой имеет возможность вносить необходимые коррективы, откренивая судно своим весом.
Дрейф системы, показанной на рис. 3, может быть с достаточной для расчетов точностью определен формулой:
Отношение cosθ/sin2θ устанавливает, с точки зрения дрейфа, нижний предел при выборе угла θ наклона крыла. При значениях меньше 30° (θ<30°) это отношение быстро растет. Установка крыльев под углом более 60° не имеет смысла, так как вертикальная составляющая подъемной силы Ry будет быстро уменьшаться. Оптимальное значение θ можно считать лежащим в пределах 35—40°.
Продольная остойчивость, которая для яхт на подводных крыльях имеет пе меньшее значение, чем поперечная, на судне Нигга обеспечивается главным образом благодаря действию переднего крыла: оно является элементом, «чувствующим» поверхность и таким образом контролирующим угол атаки несущих основную нагрузку кормовых крыльев.
Система работает следующим образом (рис. 4). Начиная разгон с полностью погруженными крыльями, судно достигает некоторой скорости, при которой подъемная сила носового крыла слегка превышает величину приходящейся па него нагрузки. Поскольку кормовые крылья выбираются с таким расчетом, чтобы при этой скорости подъемная сила на них была меньше нагрузки, судно получает дифферент. Угол атаки увеличивается, в результате носовая часть буквально выскакивает из воды. Динамическое равновесие наступает после того, как концевые участки крыла выйдут над поверхностью и подъемная сила на нем станет эквивалентна нагрузке.
Кормовые крылья в результате увеличения угла атаки на величину дифферента и скорости движения начинают работать более активно. Подъемная сила на них увеличивается и постепенно становится больше воспринимаемой ими нагрузки. Теперь от воды отрываются кормовые поплавки.
При дальнейшем увеличении скорости судно удифферентовывается в положении, близком к горизонтальному.
Величина подъемной силы кормовых крыльев после выхода их концевых частей над водой и уменьшения угла атаки уравнивается с нагрузкой. Движение судна приобретает устойчивый характер.
Таким образом, разгон судна и выход его на крылья происходят без участия рулевого и в то же время для этого не требуется никаких подвижных следящих систем.
Углы атаки крыльев при разгоне будут больше оптимальных, если говорить о их гидродинамическом качестве (отношении подъемной силы к сопротивлению). Однако скорости, а следовательно, и сопротивление на этом этапе сравнительно невелики, поэтому вполне допустимо ради абсолютною повышения подъемной силы пожертвовать качеством.
На крейсерской скорости (на рассматриваемой яхте — около 20 узл.) угол атаки крыльев оказывается в зоне оптимального гидродинамического качества. За счет уменьшения сопротивления яхта получает возможность для дальнейшего повышения хода.
После выхода на крылья переднее крыло становится чем-то вроде подвижной оси вращения всей системы. При изменении скорости оно перемещается в вертикальном направлении, но со значительно меньшей амплитудой, чем кормовые крылья. Вследствие изменения дифферента изменяется угол атаки; в сочетании с изменением погруженной площади это дает возможность в каждый момент иметь равновесие нагрузки и подъемной силы и обеспечить продольную остойчивость судна.
Движение яхты будет, однако, неустойчивым, если переднее крыло окажется слишком чувствительным к изменениям скорости, вызванным незначительными колебаниями силы ветра или встречной волной. Необходимо поэтому установить переднее крыло так, чтобы его рабочему положению на графике коэффициента подъемной силы от угла атаки соответствовала точка, расположенная как можно выше.
Другим граничным условием, которое должно быть принято во внимание при расчете крыльевой установки, является критический угол атаки, соответствующий моменту начала срыва потока. Посмотрим на рис. 6. Углы атаки крыльев на полном ходу приняты равными 0° для кормового (точка В) и 4° для носового (точка А). При разгоне, когда судно идет с дифферентом на корму, величина их возрастает. Нужно, однако, чтобы она не превышала значения, соответствующего точке А', так как дальше кривая коэффициента подъемной силы начинает опускаться, что соответствует срыву потока с верхней стороны крыла (стороны разрежения) и резкому ухудшению его качества. Ясно, что опасность срыва потока существует только для носового крыла, имеющего больший начальный угол атаки.
Этот же график наглядно иллюстрирует действие крыльевой системы при возникновении ходового дифферента на нос вследствие внезапного порыва ветра. Угол атаки крыльев уменьшается на одну и ту же величину (точки А" и В"), но коэффициент подъемной силы кормовых крыльев падает на 60%. а носового только на 33%. Возникает момент, заставляющий корму погрузиться глубже. Затем судно занимает новое равновесное положение, соответствующее возросшей скорости.
Естественно, что продольные колебания судна не могут не отразиться на его поперечной остойчивости. Рулевому, конечно, следует стремиться компенсировать внезапный крен, перемещаясь к наветренной стороне. Однако откренивающий момент, возникающий при перераспределении подъемной силы, которая увеличивается на подветренном (погрузившемся) крыле и уменьшается на наветренном, позволяет судну выравниваться практически без затраты усилий со стороны экипажа.
Некоторые особенности управления яхтой на подводных крыльях. На полном ходу руль может создавать очень большие моменты, поэтому перекладывать его нужно осторожно. В связи с тем что центр парусности расположен довольно высоко, на поворотах возникает кренящий момент, который может помешать выполнению маневра. Эти обстоятельства свидетельствуют о том, что лавировка на парусных судах с подводными крыльями представляет большую трудность.
Идеи Нигга относительно перспективности использования наклонных крыльев на парусных яхтах нашли подтверждение в проекте, осуществленном английским инженером Д. Грогоно. Проект этот представляет самостоятельный интерес, так как за основу его была взята не экспериментальная трехточечная конструкция, а корпус серийного катамарана «Торнадо».
«Торнадо» (рис. 7) был выбран для эксперимента с крыльями потому, что по мощности парусного вооружения (квадратный фут парусов на фунт веса) это судно не имеет себе равных. Кроме того, установить крыльевую систему, обеспечивающую достаточную поперечную остойчивость, проще на катамаране, чем на однокорпусной яхте.
Выбор конструкции крыльев производился с учетом следующих основных положений:
- 1. Большая часть подъемной силы на крыле создается его верхней поверхностью (сторона разрежения). Если дать возможность воздуху проникнуть к этой поверхности, эффективность крыла уменьшится больше, чем вдвое.
- 2. Площадь крыла, расположенная на длине одной его хорды от оконечности, а также на половине длины хорды от поверхности воды при определении подъемной силы можно спокойно не принимать в расчет (в первом случае имеются в виду потери, вызванные перетеканием воды из зоны повышенного давления в зону разрежения, во втором — влияние свободной поверхности воды).
- 3. Крылья эффективно работают при небольших углах атаки. Выбранный профиль имел максимум подъемной силы при α=10°, однако наибольшей величине его качества соответствовал α=0,5—3° (рис. 8).
На катамаране установлены две пары крыльев: носовые (рис. 9) и кормовые (рис. 10), имеющие одинаковую длину (рис. 11) и одинаковый наклон к горизонту (угол θ=38°, что соответствует рекомендации Нигга).
Кормовые крылья, рассчитанные на поддержание 80% полного веса судна, равного 280 кг, имеют большую ширину — длина их хорды 457 мм, против 254 мм у носовых.
Установочный угол атаки кормовых крыльев α=2° обеспечивает им в рабочем режиме высокое гидродинамическое качество (см. рис. 8). Носовые крылья установлены с углом атаки α=4°. Это позволяет им создавать подъемную силу, необходимую для выхода на крыльевой режим при разгоне и удифферентовки судна на ходу.
Принцип работы крыльевой системы тот же, что и на «Летающей рыбе» Ннгга. При разгоне на скорости около 5 узл. нос катамарана начинает подниматься над поверхностью воды. При скорости 10 узл. (чтобы ее достичь, необходима скорость ветра 10—12 узл., или 5—6 м/сек) судно полностью выходит на крылья. При скорости 20 узл. из воды полностью выходят вертикальные стойки крыльев, которыми они крепятся к корпусу.
В этом режиме погруженными остаются только консольные оконечности крыльев (длина около 455 мм).
Несколько слов о конструкции крыльев установленных на катамаране. Они имеют весьма несложную форму в плане и обычный сегментный профиль с плоской нижней стороной и образованной дугой окружности верхней Кромки не имеют скруглений. Относительная толщина профиля 9,1% (график на рис. 8 построен для крыла с относительной толщиной 7,1%, поэтому его данные несколько отличны от тех, которые имела крыльевая система катамарана). Общий вес крыльевой системы, изготовленной из склеенных деревянных реек (ради упрощения работы конструктор решил пренебречь ее прочностью), составил 36 кг.
Какие выводы можно сделать, ознакомившись с работами американского и английского конструкторов?
Наибольший интерес подставляют данные, полученные экспериментально и до известной степени обоснованные теоретически, по использованию наклонных крыльев для обеспечения необходимого откренивающего момента и создания поперечной силы, противодействующей дрейфу.
Достоинством крыльевых схем «Летающей рыбы» Нигга и катамарана Грогоно является также их удивительная простота. Этим они выгодно отличаются от большинства ранее реализованных проектов, начиная от «Монитора» Бейкера и кончая нашей «Андромедой».
Вместе с тем, новые работы дают слишком мало материала для того, чтобы получить представление об управляемости яхт на подводных крыльях, их способности ходить в лавировке. Вопросы эти еще ждут своих исследователей, как и многие другие, решение которых позволило бы сделать крылатые яхты доступными для любителей парусного спорта.