Сейчас Леви — один из признанных авторитетов в европейском катеростроении, глава конструкторского бюро и консультант крупной верфи «Навалтехника» в Анцио (Италия), автор более чем сотни оригинальных проектов катеров различного назначения, яхт, гоночных моторных судов и спортивных аэропланов. О своем пути к признанию, о реализованных проектах и идеях, которым еще только суждено осуществиться, Ренато Леви рассказал в своей книге «От доу к «Дельтам». Доу (название небольших грузовых и рыболовных парусников, использующихся на индийском побережье Аравийского моря) были первыми судами, с которыми юный Ренато познакомился на верфи своего отца в Бомбее. Здесь же он начал свою работу в качестве главного конструктора в 1948 г. после службы в британской авиации.
Серию знаменитых гоночных «Дельт» — катеров с днищем типа «глубокое V» и сильно подрезанным обводом форштевня Леви развил уже в Италии в 60-х годах. С некоторыми из его проектов читатели сборника знакомы по постоянным обзорам крупнейших европейских водно-моторных гонок; кроме того, в сборниках №15 и №22 мы приводили высказывания Леви о теоретических обоснованиях этих проектов. Предлагаемая вниманию читателей статья подготовлена по материалам книги Леви. Она не претендует на глубокое и полное рассмотрение проблем аэродинамики быстроходных катеров, однако приводимые в ней оригинальные проектные проработки автора в одинаковой степени интересны и для самого широкого круга читателей, и для конструкторов спортивных судов.
Напомним: об отдельных типах «аэродинамических» катеров (см. например, статью Н. И. Белавина об экранопланах в 15 номере) и постановке общих задач по созданию скоростных судов, связанных с аэродинамикой (статья А. В. Шалларя в 12 номере, анализ гибели «Синей Птицы» Д. Кэмпбелла в 13 номере), в сборнике уже публиковались материалы. К ним редакция и отсылает всех желающих получить дополнительные сведения по этим проблемам.
Любое быстроходное судно, которое скользит по поверхности воды с высокой скоростью, оказывается под воздействием встречного потока воздуха. Если скорость достаточно высока, то можно попытаться использовать аэродинамическую подъемную силу для поддержания части веса судна, либо, в случае особо скоростных рекордных глиссеров, с помощью этой силы полностью удерживать судно на поверхности воды. В обоих случаях воздух оказывается союзником конструктора и спортсмена в достижении еще более высоких скоростей. Но для этого судно, разумеется, должно иметь соответствующие обводы и конструкцию.
К категории аэродинамических типов корпусов (будем называть так суда, которые используют при движении аэродинамическую подъемную силу) относятся катамараны, трехточечные глиссеры, скеговые суда и экранопланы. У всех у них можно найти общин признак: это двух- или трехкорпусные лодки, имеющие развитые аэродинамические поверхности, выполняющие роль несущих крыльев. Есть еще и сравнительно новый тип однокорпусной глиссирующей лодки, на которой установлено аэродинамическое крыло. Мне кажется, этот тип судна также имеет богатые перспективы.
Из всех перечисленных типов особый интерес представляют катамараны. Они, во-первых, открывают перед конструкторами широкие возможности в выборе обводов корпусов. В частности, днище корпусов катамарана может иметь гораздо большую килеватость, чем у однокорпусного судна, а это позволяет снизить силу ударов при ходе на высокой скорости по взволнованному морю, не ухудшая остойчивости, которая у однокорпусного судна сильно падает с увеличением углов килеватости. Во-вторых, воздух, проходя с большой скоростью по туннелю между корпусами (особенно, если они имеют несимметричные обводы), будет воспринимать часть нагрузки судна, в результате уменьшатся осадка и смоченная поверхность корпусов, повысится скорость хода. И, наконец, широкая платформа, соединяющая корпуса катамарана, может быть использована для комфортабельного размещения пассажиров и оборудования.
В недалеком прошлом скорости моторных катамаранов были невысоки, поэтому как опасность опрокидывания или взлета их под действием встречного потока воздуха, так и вообще использование аэродинамической подъемной силы конструкторами обычно не рассматривались. Сейчас же, когда с помощью легких мощных двигателей удается добиться скоростей 100—150 км/час, аэродинамика катамарана становится одной из основ его проектирования.
Я не ошибусь, если скажу, что морские сани Альберта Хикмана были одним из первых типов быстроходных катеров, которые можно отнести к категории туннельных судов. Правда у транца днище морских саней плоское или почти плоское, но определенно — воздух, проходящий в туннеле, способствует уменьшению смоченной поверхности. Способность этих судов комфортабельно, без значительных ударных перегрузок идти на волнении можно также объяснить эффектом воздушной подушки, особенно в носовой части туннеля. Но при скоростях, доступных в наши дни, вряд ли катер с плоским днищем в корме сможет воспринимать удары, подобные тем, которые испытывают катамараны при приводнении после взлета с волны.
Схематически основные типы катамаранов, их поперечные сечения и сечения по соединительной платформе показаны на эскизах. К этому типу судов я отношу и трехточечпып глиссер. Ведь по существу это и есть двухкорпусное судно с несимметричными поплавками и вынесенным в корму мостиком. Или, если взглянуть на глиссер с другой точки, это — катамаран с обрезанными в корме поплавками.
Подобным же образом можно установить общее между катамараном и экрапопланом, основное отличие которых заключается в форме продольного сечения несущих аэродинамических поверхностен. У катамаранов это сечение чаще всего представляет собой клин, у экранопланов — профиль авиационного крыла. Я даже считаю, что катамаран — это скорее вводящий в заблуждение термин. Само слово пришло из Полинезии от туземного «ката-марам» — связанные деревья. Очевидно, что любое судно с несколькими корпусами можно отнести к катамаранам, но в применении к катерам этот термин должен обозначать двухкорпусное судно с прямоугольной платформой, связывающей корпуса. В общем случае платформа начинается у форштевней и оканчивается па транцах корпусов. У трехточечного же глиссера платформа простирается за транцы спонсонов.
Скеговые суда — это практически те же катамараны, по при движении их корпуса выходят из воды, и туннель под днищем ограничивается по бортам погруженными килями.
Глиссеры, которые строятся сейчас для побития рекордов абсолютной скорости на воде, также являются многокорпусными судами. Принципиально они выполняются по одной из трехточечных схем: либо с двумя несущими поверхностями впереди и одной опорой в корме, либо, наоборот, с двумя кормовыми несущими поверхностями и одной в носу. Последнюю схему часто называют трициклом.
Знакомство с типами аэродинамических корпусов лучше всего продолжить на конкретных примерах. Большинство из судов, эскизы и чертежи которых приводятся здесь, являются гоночными, так как сейчас в основном только гоночные суда развивают скорости, при которых становятся применимыми законы аэродинамики.
1. Крылатые однокорпусники
Правила Международного союза водно-моторных гонок УИМ в настоящее время запрещают участие в гонках катеров, снабженных несущими воздушными крыльями. Но, мне кажется, однокорпусная лодка с аэрокрылом обладает большими потенциальными возможностями для увеличения скоростей на воде. Хорошо спроектированная крылатая лодка сможет даже превзойти катамараны, которые мы видим сегодня на гонках. Это предположение можно обосновать тем, что будет скользить над поверхностью воды только один корпус вместо двух и это даст существенное уменьшение смоченной поверхности.
Без сомнения, одной из главных проблем, которую нужно будет решить конструктору крылатого катера, является недостаточная остойчивость судна. Мне кажется, что эта трудность может быть преодолена, если расположить крылья под углом к поверхности воды или даже оборудовать задние кромки крыльев управляемыми элеронами.
Чувствительность к боковому крепу затрудняет осуществление крутых поворотов, которые иногда необходимы в гонках. Крыло, обращенное в сторону поворота, может воткнуться в волну и опрокинуть лодку. В этом отношении катамараны, конечно, безопаснее; они позволяют делать самые крутые повороты, не снижая скорости. Я думаю, что одиокорпусной лодке должны помочь специальные клиновидные наделки на скуле в кормовой части. При крене клин войдет в контакт с поверхностью воды и образующаяся на нем гидродинамическая сила будет препятствовать дальнейшему увеличению крена.
Приводимые чертежи иллюстрируют характерные особенности крылатых судов двух типов. Одно из них (с подвесным мотором) сейчас в постройке. Нужно заметить, что, какие бы крылья не устанавливались на лодку, она хотя бы иногда должна иметь контакт с водой. Это необходимо как для управления ее движением, так и для контроля за продольной и поперечной остойчивостью.
Гонщик, однако, должен держать лодку в руках, даже если ее выбросит в воздух. Для этой цели крылатой лодке необходимы те же приспособления. что и самолету: элероны, вертикальный руль-стабилизатор.
Крыло располагается ближе к корме с тем, чтобы центр аэродинамического давления на нем был ближе к центру тяжести катера (для устойчивого полета оба центра должны располагаться па одной вертикали).
На катере «Канард-21» устройство крыльев и стабилизаторов отличается от традиционной самолетной схемы: для размещения стабилизатора используется носовая оконечность судна. Благодаря этому крыльевое устройство получается более компактным, легким и простым.
В идеальном случае крылатый катер («Канард» является по существу экранопланом) должен нестись над поверхностью воды, лишь иногда касаясь ее корпусом. Вопрос только в том, сможет ли водитель (или лучше назвать его пилотом) достаточно быстро реагировать на волну, ветер и т. п., чтобы удерживать лодку в футе или около того над водой. Вероятно, здесь не обойтись без автоматической следящей системы, а это превращает подобные суда в слишком дорогую игрушку.
2. Катамараны
Сейчас имеется множество небольших легких гоночных и прогулочных двухкорпусных катеров. Но я думаю, что аэродинамические принципы могут быть использованы и в проектах более крупных быстроходных и комфортабельных крейсерских катамаранов. Мы уже говорили об удобствах, которые представляет для размещения экипажа широкая площадка, соединяющая корпуса, о возможности за счет увеличения угла килеватости днища добиться мягкого хода на волне, о большой начальной остойчивости катамаранов, позволяющей делать высокие надстройки, не рискуя, что судно опрокинется. На быстроходных катамаранах дополнительные преимущества предоставляет воздушная подушка в туннеле, демпфирующая (смягчающая) удары о волну и качку, способствующая увеличению скорости.
Однако в действительности катамаранная схема имеет и ряд негативных аспектов. Так, представляется конструктивно сложным обеспечить прочность платформы, соединяющей корпуса. В связи с тем, что основные помещения располагаются на платформе, требуется делать довольно высокие надстройки, а это увеличивает сопротивление воздуха, имеющее существенную величину на скоростях выше 60 км/час. Днище платформы приходится располагать достаточно высоко над водой, чтобы его широкая и плоская поверхность не подвергалась снизу сильным ударам волн. Все это говорит о том, что производство таких судов может оказаться коммерчески невыгодным. Потребуется большое количество качественных материалов, изготовление весьма сложных, прочных и легких конструкций, аналогичных применяемым в авиастроении, так как вес для быстроходного судна имеет не меньшее значение, чем для самолета.
К эксплуатационным недостаткам катамаранов можно отнести и резкую порывистую килевую качку, когда они идут с малой скоростью и в туннеле нет высокого давления воздуха. На этот случай нужно предусмотреть какой-либо стабилизатор продольной качки, например, колеблющиеся горизонтальные плавники, расположенные под платформой. И, наконец, для стоянки широкого двухкорпусного судна требуется вдвое больше места, чем для обычного катера, что при растущей тесноте у причалов имеет немаловажное значение.
Я думаю, однако, что в целом преимущества катамаранной схемы для комфортабельных крейсерских судов перевешивают ее недостатки. Я даже приготовил проектную проработку каютного крейсера, который-с двумя двигателями по 400 л. с. сможет развить в море скорость свыше 70 км/час. Длина «Голден Гриффин» — 12,5 м (по ватерлинии — 10,35 м), ширина — 4,6 м, осадка — 0,6 м, клиренс (высота туннеля над водой)—0,6 м. В каютах этого катамарана обеспечивается нормальная высота в 1,92 м, дальность плавания — до 200 миль.
3. Экранопланы
Экранопланы могут выполняться по двухкорпусной катамаранной или трехточечной схеме, включая и трицикл. Главное отличие экраноплана от катамарана, как уже говорилось, в том, что платформа на экраноплане представляет собой крыло авиационного профиля. Если на катамаране подъемная аэродинамическая сила создается только за счет избыточного давления на нижней поверхности платформы, то здесь добавляется и разрежение на верхней выпуклой стороне крыла.
Крыло экраноплана имеет ограниченную толщину (высоту сечения), поэтому для размещения пассажирских помещений может быть использован только корпус. С аэродинамической точки зрения экраноплан, безусловно, совершеннее катамарана, так как с единицы площади крыла снимается гораздо большая подъемная сила. Мне кажется, что экранопланы могут стать популярными для океанских гонок, быстроходных крейсерских плаваний и даже в качестве рабочих судов.
Среди проблем, связанных с созданием экранопланов, должна учитываться и такая, как подбор профилей крыльев, у которых положение центра давления было бы сравнительно стабильно и не зависело от угла атаки. Ведь угол атаки крыла экраноплана постоянно изменяется, так как в полете он следует профилю волны, не поднимаясь высоко над водной поверхностью (высота полета экраноплана обычно не превышает размера хорды его крыла).
Привожу проектные проработки экранопланов — трицикла и катамарана, которые я выполнил для своих клиентов в Англии. Как мне известно, ни одно из этих судов еще не построено.
4. Скеговые суда
Один из проектов скегового судна я сделал еще в 1960 г. Как видно из приводимого эскиза, оба несимметричных корпуса этого катера снабжены высокими килями-скегами, ограничивающими туннель с бортов. После выхода на глиссирование катер при благоприятных условиях может идти, имея в воде только скеги и глиссируя на воздушной подушке. Благодаря тому, что скеги не дают воздуху выходить по бортам, давление под днищем получается выше, чем на катамаране и, следовательно, при одинаковой мощности двигателей и скорости скеговое судно может нести большую нагрузку.
5. Трехточечные глиссеры
Эта аэродинамическая форма корпуса впервые была предложена американским конструктором Апелем. У многих современных быстроходных судов третьей точкой, на которую опирается судно на высокой скорости, оказывается погруженная в воду работающая часть гребного винта.
На тихой воде трехточечный глиссер очень эффективен. Смоченная поверхность корпуса сокращена до минимума — в некоторых случаях это всего лишь несколько квадратных дюймов бортовых спонсонов. Сопротивление выступающих частей тоже невелико — в воде остаются лишь половина диаметра гребного винта да небольшая часть руля.
Приводимый здесь теоретический чертеж глиссера весом 900 кг недавно спроектирован мной специально для побития мирового рекорда скорости в этом классе (сейчас рекорд, установленный в 1953 году А. Кастольди, составляет 241,7 км/час). От обычной трехточечной схемы мой глиссер отличается тем, что средней части корпуса придан авиационный профиль.
Одна из главных проблем, которую приходится решать при разработке проектов судов этого типа, заключается в том, что при рекордных скоростях они взлетают в воздух или переворачиваются. Таким образом, чрезмерная подъемная сила приводит к аварии. С другой стороны, при ее недостаточности увеличивается смоченная поверхность спонсонов и соответственно падает скорость. Чтобы найти оптимальную величину подъемной силы, в последнее время интенсивно проводятся продувки моделей скоростных судов в аэродинамических трубах.
6. Рекордные глиссеры неограниченного класса
У этих судов проблема устойчивости движения стоит еще более остро. Дело в том, что все силы — и гидродинамические и аэродинамические — имеют у них очень большую величину, и все, даже второстепенные факторы, влияющие на эти силы, приходится учитывать со скрупулезной точностью. О том, насколько это сложно, говорит хотя бы тот факт, что до сих пор нет полной ясности с причинами трагического взлета «Синей Птицы» Дональда Кэмпбелла 4 января 1967 г.
Нетрудно представить себе общую картину сил, действующих на рекордный глиссер (см. схему). Это результирующая сил тяжести D, действующая вертикально вниз через центр тяжести судна; результирующая аэродинамических сил У, приложенная к соответствующему центру давления; упор Т, развиваемый движителем глиссера и направленный вперед на определенной высоте; сила сопротивления воды и воздуха R, действующая на переменной высоте.
Предположим, что центр тяжести располагается близко к центру действия аэродинамической подъемной силы. Единственная пара сил, которая будет стремиться повернуть глиссер в вертикальной плоскости — это упор Т и сила сопротивления R. По мере возрастания скорости растет и аэродинамическая подъемная сила. Приложенная слегка впереди центра тяжести, она стремится поднять нос глиссера, а приложенная ближе к корме — соответственно корму. С другой стороны, при увеличении скорости смоченная поверхность уменьшается до точки, в которой корпус едва касается воды, и остается только одна составляющая сопротивления движению — аэродинамическая. Эта составляющая приложена в верхней части глиссера и, таким образом, момент сил упора и сопротивления воды, который прижимал нос судна к воде на относительно малой скорости, теперь перестает действовать. Ясно, что оптимальное решение рекордного глиссера конструктор должен искать в аэродинамике.
По-моему, один из самых замечательных проектов рекордного глиссера — это «Крусадер» («Крестоносец»), разработанный Питером Дю Кейном в 1949 г. Через три года известный гонщик Джон Кобб на этом глиссере развил скорость свыше 200 миль в час на озере Лох-Несс, но при этом судно разбилось, Кобб погиб. Судно не взлетело, а, как я полагаю, ударом волны у него был сломан один из бортовых спонсонов.
Интересно, что Дю Кейн выбрал для «Крусадера» схему трицикла — с одним несущим поплавком впереди и двумя смещенными назад. Я думаю, что эта схема очень надежна для судна с реактивным движителем, так как центр действия аэродинамической подъемной силы расположен у него дальше в корму и, следовательно, вероятность взлета уменьшается.
Глиссер «Хаслер» сегодняшнего обладателя рекорда скорости на воде Ли Тейлора близок к обычной трехточечной схеме. Он имеет 9,3 м длины при ширине всего в 2,4 м; высота стабилизатора около 1,5 м. Общий вес с топливом и водителем 2450 кг; упор, развиваемый турбореактивным движителем — свыше 3000 кг. С таким соотношением веса и упора Тейлору удалось достичь скорости 285 миль в час и побить прежний рекорд Кэмпбелла.