В сборнике уже не раз отмечалось, что благодаря увеличению килеватости днища уменьшаются динамические перегрузки, испытываемые глиссирующим катером при ходе на волнении. Следовательно, повышаются комфортабельность и безопасность плавания, снижается вес корпусных конструкций, повышается срок их службы. И в этом смысле чем больше угол килеватости днища, тем лучше.
В то же время, как показывали многочисленные эксперименты, расчеты и испытания большого числа натурных катеров, при повышении угла килеватости величина максимально достижимого гидродинамического качества должна существенно уменьшаться. Это обстоятельство и являлось до последнего времени самым серьезным аргументом против килеватых судов.
В действительности же дело обстоит несколько сложнее. Рост скоростей движения и бурное развитие водного туризма обуславливают постоянное повышение требований к комфортабельности и экономичности прогулочного флота. Это заставляет конструкторов снова и снова пересматривать все «за» и «против» килеватых судов, в практических условиях — на волне — нередко оказывающихся и более быстроходными, чем плоскодонные. При достаточно высоких скоростях движения гидродинамическое качество правильно спроектированного катера с килеватыми обводами днища может не уступать, а иногда даже превосходить качество плоскодонных катеров.
Попробуем рассмотреть это положение подробнее. Нам придется иметь дело с рядом величин и безразмерных коэффициентов, обычно используемых в гидродинамике глиссирующих судов. (Для начинающих конструкторов-любителей будет полезно напомнить их значение — см. подпись к рис. 1.)
Для приближенной оценки величины К при выборе оптимальных характеристик днища его довольно сложную поверхность условно представляют в виде пластины, несущей ту же нагрузку, но имеющей постоянные по длине, осредненные значения ширины и угла килеватости. Как показывает опыт, несмотря на такое упрощение, результаты расчетов оказываются справедливыми и для катеров с переменными по длине обводами.
Экспериментальные данные, полученные для пластин с килеватостью 0°; 12°; 17,5° и 22,5° А. С. Перельмутром и П. Венсхольдом, представлены на рис. 2—6. Здесь приводятся зависимости качества К пластины от удельной нагрузки для различных центровок и углов атаки.
Можно отметить, что максимальное значение K≈10 получается на плоской пластине (β=0°) в диапазоне СВ=0,015÷0,05 и при mΔ=0,5÷1,2, т. е. при расстоянии ЦТ от транца, равном (0,5—1,2)B, что соответствует ψ≈4°. Отклонение в ту или иную сторону от оптимальных параметров приводит к снижению качества.
При увеличении углов килеватости уменьшается величина динамической подъемной силы, увеличивается смоченная поверхность, соответственно падает К. Особенно заметно падение качества при малых удельных нагрузках (СВ=0,03÷0,06). С увеличением же коэффициента СВ до 0,08—0,11 падение качества, по сравнению с плоскими пластинами, незначительно. Это может быть объяснено снижением волнового сопротивления и сопротивления формы благодаря более острым очертаниям ходовых ватерлиний у килеватых пластин.
Как показали эксперименты, несколько повысить гидродинамическое качество килеватой пластины удается за счет уменьшения брызгообразования и увеличения давления у скул — применением поперечной профилировки днища (лекальные очертания шпангоутов, отгибы скулы, накладки; см. рис. 7). Однако, подчеркнем, наибольшее влияние на величину K оказывают значения СВ и mΔ.
С ростом скорости сохранить оптимальное гидродинамическое качество можно только за счет уменьшения расчетной ширины пластины при одновременном смещении ЦТ к кормовому срезу днища. Если же по тем или иным причинам переместить ЦТ к транцу не удается, уменьшение расчетной ширины приводит к росту величины mΔ и падению гидродинамического качества.
В реальных условиях обеспечить оптимальные параметры глиссирования катера часто бывает невозможно по ряду как конструктивных, так и гидродинамических причин. Наиболее существенной из них является потеря продольной устойчивости движения, наступающая на достаточно высоких скоростях при малых значениях коэффициента mΔ. В зоне неустойчивого движения сопротивление катера возрастает из-за постоянного изменения осадки, смоченной длины и отклонения углов дифферента от оптимальных величин.
Возникновение неустойчивости (дельфинирования и рикошетирования) зависит от целого ряда факторов, характеризующих нагрузку, центровку, размерения и форму обводов днища. При движении на границе устойчивости наличие даже небольшого волнения может вызвать потерю устойчивости.
Информация об изображении
Рис. 6. Зависимость гидродинамического качества для плоско-килеватых профилей
Условно дельфинированием можно назвать такое неустойчивое движение, при котором в большей степени изменяется ходовой дифферент. Дельфинирование характерно для умеренных скоростей движения (до FrΔ≈6). С дальнейшим ростом скорости при очень малых значениях удельной нагрузки на днище (СВ≤0,02), наступает иной вид потери устойчивости — рикошетирование, когда днище катера только периодически касается воды почти без изменения дифферента. Вертикальная сила ударов об воду при этом значительно превосходит вес судна.
Рис. 6. Зависимость гидродинамического качества для плоско-килеватых профилей
Гидродинамическое качество судов, двигающихся в неустойчивом режиме на тихой воде, не превосходит качества хорошо спроектированных катеров с устойчивым движением. На умеренном волнении, однако, прирост сопротивления у катеров неустойчивых оказывается меньше, чем у катеров, двигающихся в устойчивом режиме (поэтому и можно встретить ряд спортивных судов, для которых рикошетирование — нормальный режим движения; например, катер Е-02 — з. м. с. В. Исакова или моторная лодка SB м. с. Е. Семенова).
Безусловно, подобные суда для отдыха и туризма непригодны — частые и сильные удары в днище делают длительные поездки некомфортабельными; конструкция корпуса требует дополнительного усиления, что приводит к нецелесообразному увеличению веса.
На устойчивость движения в большей степени влияют отстояние центра тяжести от транца, продольный профиль днища и продольный момент от упора гребного винта, т. е. факторы, обуславливающие угол ходового дифферента и смоченную длину днища.
Существует ряд методов проверки устойчивости катеров при глиссировании, Один из них, предложенный М. М. Буньковым, рассмотрен в №22 сборника; можно сослаться также на работы Л. А. Эпштейна, А. С. Перельмутра и других исследователей.
Как показывает практика, до относительных скоростей FrΔ≈6 устойчивость движения безреданных катеров, имеющих обводы с постоянной килеватостью и прямыми батоксами в кормовой части днища, обеспечивается при Xg>0,9 для водоизмещения D=200 кг, Xg>1,2 для D=400—500 кг, Xg>1,5 для D=800—1000 кг. При этом отгиб днища вниз у транца, уменьшая ходовой дифферент, увеличивает устойчивость движения, тогда как выпуклые кормовые ветви батоксов вызывают дельфинирование. Положительно сказывается увеличение наклона гребного вала, особенно на судах с подвесными моторами. В меньшей степени на устойчивость движения влияет килеватость днища.
Таким образом, при повышении скорости вследствие ограничения смещения ЦТ в корму при одновременном уменьшении ширины днища значительно увеличивается относительная центровка mΔ, при этом оптимальные значения СВ возрастают при увеличении mΔ>0,8.
Такой переход на большие удельные нагрузки оказывается благоприятным и для снижения ударных перегрузок при ходе на волнении (рис. 8). Одновременно отметим, что увеличение угла килеватости глиссирующей поверхности благодаря более плавному входу днища в воду также приводит к снижению перегрузок.
Приведенные на рис. 8 данные получены на жестко закрепленных пластинах, не имеющих свободы вертикальных перемещений при ударе. Для натурных катеров величина перегрузок изменяется несколько иначе, о чем будет сказано ниже.
Нужно отметить, что динамические перегрузки вызывают увеличение сопротивления катера на 20—50% и более в зависимости от относительной скорости судна, высоты волны, характера волнения, а также направления хода относительно волны. Обычно чем больше перегрузки, испытываемые катером, тем больше и увеличение сопротивления. Для малых катеров и мотолодок вполне обоснованно считать нормальными условиями эксплуатации плавания на волнении: ведь для них рябь высотой 10—15 см уже волна.
Таким образом, несмотря на снижение гидродинамического качества на тихой воде, применение обводов с повышенной килеватостью днища оказывается целесообразным с точки зрения снижения ударных перегрузок и уменьшения потерь скорости при ходе на волнении.
Однако при использовании изложенных принципов на практике возникает ряд серьезных трудностей. При уменьшении ширины днища, вызванном желанием получить минимальное сопротивление катера на расчетном режиме, сопротивление при разгоне и выходе на глиссирование существенно увеличивается. На рис. 9 показан рост «горба сопротивления» катера при уменьшении ширины его днища (положение ЦТ остается неизменным); там же показаны зависимости предельных упоров гребных винтов, рассчитанных для скоростей υ1, υ2 и υ3. Если рассмотреть приведенные кривые, можно установить, что запас тяги винта, представляющий собой разность между предельной тягой и сопротивлением и обуславливающий динамичность разгона катера, с ростом скорости падает и может оказаться недостаточным для преодоления «горба сопротивления». Например, катер, имеющий расчетную ширину днища B3, на глиссирование не выйдет и достигнет только скорости υ'3.
Существует ряд способов решения этой проблемы. К ним можно отнести, например, установку управляемых транцевых плит, благодаря которым центр гидродинамического давления перемещается в корму и катер получает оптимальный дифферент (см. №40 сборника). Иногда (чаще всего в спортивной практике) для аналогичной цели при разгоне изменяют положение ЦТ, временно смещая людей в нос судна.
Другой способ — применение винта регулируемого шага (ВРШ), позволяющего сделать кривую предельной тяги более крутой. Однако вследствие ухудшения профилировки корневых сечений лопастей и увеличенного диаметра ступицы к. п. д. такого винта на расчетной скорости оказывается ниже, чем у обычного, что требует дополнительных затрат мощности двигателя.
Оба эти способа конструктивно сложны, хотя иногда и применяются на практике. Гораздо шире распространен третий способ — изменение смоченной ширины днища в зависимости от скорости движения при помощи продольных уступов.
На малых скоростях катер с днищем, имеющим поперечное сечение в виде ступенек-реданов (рис. 10), движется на полной ширине днища с уменьшенной удельной нагрузкой, близкой к оптимальной на этом режиме. По мере разгона гидродинамическая сила, возникающая на центральном участке днища, растет и становится достаточной для поддержания судна; при этом крайние по ширине участки днища автоматически выходят из воды, что позволяет сохранить коэффициент удельной нагрузки оптимальным. Таким образом оказывается возможным значительно снизить «горб сопротивления».
Нужно, правда, учитывать, что на малой скорости при разгоне или при увеличенной нагрузке сопротивление днища с продольными ребрами оказывается несколько больше, чем гладкого, из-за увеличения смоченной поверхности.
Другой проблемой становится остойчивость катера на ходу, которая при глиссировании целиком определяется смоченной шириной днища. Чем уже глиссирующая поверхность, тем меньше остойчивость катера, тем больше амплитуда бортовой качки при ходе на волнении и углы крена от случайной несимметрии нагрузки и действия динамических сил при циркуляции. Это в свою очередь может вызвать рыскливость и повышение сопротивления из-за замывания выше расположенных участков днища и бортов.
В связи со сказанным при выборе расчетной ширины днища нельзя переступать некоторый минимальный предел, который зависит от водоизмещения, высоты ЦТ судна и углов килеватости днища.
Ориентировочно можно считать, что для случая предельно низкого положения ЦТ минимально допустимая расчетная ширина днища не должна быть меньше величин, приведенных на рис. 11.
Иногда начальную остойчивость удается повысить увеличением смоченной ширины днища в корме. Для этого можно оборвать на некотором расстоянии от транца продольные реданы, ограничивающие ширину глиссирующей площадки (рис. 12), или уменьшить килеватость днища в корме до 15°—18°, что также приведет к замыванию выше расположенных участков днища.
Для безопасности плавания недостаточно обеспечить только начальную остойчивость. Из-за перемещения пассажиров, ударов волн, действия сил, возникающих на циркуляции, и т. п. катер может получить значительные углы крена и даже опрокинуться. При таких условиях необходимый восстанавливающий момент образуется за счет перераспределения гидродинамических сил по ширине.
В ряде случаев, однако, ширина днища, выбранная из условия оптимальной динамической нагрузки, оказывается совершенно недостаточной для обеспечения остойчивости при больших углах крена. В таких случаях обеспечить остойчивость можно только за счет входа в воду каких-то дополнительных площадей или элементов, не касавшихся воды при движении на расчетной скорости без крена. Этими элементами могут быть наклонные или горизонтальные участки на днище или бортах либо специальные конструкции (лыжи, були и т. п.). Эффективность любой из этих мер будет зависеть от того, как быстро возникают, до какого угла крена растут и какой максимальной величины достигают гидродинамические восстанавливающие силы. Желательно, чтобы эти силы продолжали возрастать до возможно большего угла крена, однако необходимо позаботиться и о том, чтобы при всех возможных случаях эксплуатации крен катера не был чрезмерным и не вызывал беспокойства или неудобства для пассажиров. Рассматриваемые элементы (конструкции) надо максимально разнести по ширине корпуса, так как восстанавливающий момент гидродинамических сил прямо пропорционален плечу, на котором они действуют. Важно также, чтобы рабочая поверхность этих элементов имела достаточную ширину и работала под большими углами атаки к набегающему потоку.
Остойчивость может быть с успехом обеспечена и продольным реданированием.
Рассмотрим действие реданов на килеватом днище (рис. 13). При движении глиссирующей пластины за ней на поверхности воды образуется характерная волновая поверхность, обусловленная распределением скоростей под пластиной. Чем больше скорость поперечного растекания воды у продольных кромок, тем менее отвесны «стенки» волновой впадины. Скорость растекания зависит от целого ряда факторов. Например, от гидродинамического давления под пластиной; чем оно выше, тем больше поперечная составляющая скорости потока. Большое влияние оказывают угол килеватости и поперечная профилировка днища: с ростом килеватости увеличивается скорость растекания. Отгибы у скул, скуловые накладки с крутой профилировкой подтормаживают потоки воды, которые стремятся вырваться из-под пластины по бокам.
Гидродинамическая эффективность продольных реданов в основном и зависит от того, будут или нет выходящие из воды на расчетной скорости элементы днища смачиваться водой — касаться поверхности волновой ямы.
На первый взгляд эта задача может быть решена достаточно просто — увеличением высоты реданов. Однако при значительной высоте реданов увеличивается сопротивление из-за роста смоченной поверхности (по боковым граням) на малой скорости; кроме того, ухудшается поперечная остойчивость на ходу — увеличенная высота продольных ребер задерживает вход в воду не-смоченных участков днища при крене. Наконец, при циркуляции и боковом дрейфе на высоких боковых гранях реданов появляются значительные динамические силы и кренящие моменты. Особенно это опасно при установке продольных реданов на плоских и мало килеватых днищах, поскольку в этом случае боковые грани реданов должны иметь значительную высоту. Не свободны от этого недостатка и боковые грани (скосы) по скулам, которые не обеспечивают достаточный восстанавливающий момент при дрейфе, так как должны иметь очень большой угол наклона (до 40—45°) из условия незамывания.
С ростом килеватости днища угол наклона поверхности волновой ямы уменьшается; уменьшается и необходимая высота реданов. По-видимому, при килеватости днища 20° и более в диапазоне расчетных удельных нагрузок угол волнового склона не превышает килеватости и, следовательно, для предотвращения замывания верхних участков днища достаточно установить совсем небольшой волноотбойник, который должен отсечь поток от обшивки. Выбрать высоту и ширину ребер при этом можно по графику, приведенному на рис. 15. Делать ребра высотой менее 10—12 мм нецелесообразно.
При дрейфе на циркуляции отсутствие высоких ребер на таком днище уменьшает отрицательный кренящий момент, а благодаря малому наклону поверхности днища создается значительный добавочный гидродинамический момент, кренящий судно к центру циркуляции (рис. 14, в)
Из сказанного следует, что на быстроходных катерах с большой килеватостью (20°—23°), постоянной более чем на половине длины корпуса, установка реданов позволяет решить целый ряд проблем: обеспечивает приемлемое гидродинамическое качество и повышенную ходовую остойчивость, снижает динамические перегрузки при ходе на волнении. Благодаря последнему обстоятельству, а также острому углу, под которым сходится обшивка у киля, образуя жесткую опору для шпангоутов, можно снизить вес основных конструктивных элементов корпуса. На основании опыта постройки и эксплуатации моторных лодок и катеров традиционных обводов (с почти плоским днищем) и с повышенной килеватостью можно сказать, что вес килеватых корпусов без ущерба для их прочности получается в 1,2—1,5 раза ниже; это, уменьшая водоизмещение, в конечном счете снижает на 5—10% и сопротивление.
Надо подчеркнуть, что в тех случаях, когда ширина глиссирования равна ширине корпуса по скуле, применение обводов с повышенной килеватостью днища может быть оправдано только с точки зрения снижения перегрузок при ходе на волнении. Увеличение угла килеватости обязательно приведет к снижению скоростных качеств; поэтому даже для мореходного катера угол килеватости днища обычно не делают больше 12°—18°. В этом случае продольные реданы, проходящие до транца, также лишь приведут к увеличению сопротивления. Гораздо эффективнее предусматривать короткие ребра-брызгоотбойники в носу — на границе ходовой ватерлинии (см.: №11 «Еще о продольных реданах»; №17 «Всегда ли нужны реданы?»; №28 «Продольные реданы — мода или необходимость?»).
Увеличение угла килеватости днища свыше 23°, что можно видеть на высокоскоростных гоночных судах, можно объяснить только желанием уменьшить вертикальные перегрузки при ходе на волнении, так как такое повышение килеватости всегда сопровождается увеличением сопротивления на тихой воде.
Разговор о плюсах и минусах катеров с обводами глубокое V продолжим, рассматривая вопросы мореходности. В принципе под мореходностью понимается целый комплекс свойств, которые характеризуют поведение катера в условиях волнения: ходовые качества (увеличение сопротивления и соответственно потерю скорости, устойчивость на курсе и управляемость), комфортабельность плавания (качку и ударные перегрузки), безопасность плавания (остойчивость — на стоянке и на ходу, заливаемость катера). Все эти характеристики тесно связаны и дают представление о мореходности судна только в комплексе, однако обычно их приходится анализировать по отдельности, тем более, что всякое улучшение любой из характеристик положительно сказывается на общем уровне его мореходных качеств.
При прохождении катером подошвы волны обычно наблюдается стремление корпуса зарыться носом в волну, что заметно снижает скорость хода. Попутная волна при этом нагоняет катер, приподнимает корму (она обычно шире, чем нос, в связи с чем на ней развивается большая подъемная сила) и этим усиливает зарывание носа. На гребне волны корма катера может быть легко отброшена в ту или иную сторону, вследствие чего в дальнейшем один из бортов подвергается удару надвигающейся волны.
Это явление вызывает рысканье катера на курсе, появление крена, а иногда и опрокидывание. Зарывание носом в волну всегда сопровождается подъемом брызговой целены, причем часть брызг под действием ветра попадает на палубу. Особенно высоко поднимается брызговая пелена у катеров с острыми носовыми образованиями корпуса. Подъем воды приходится ограничивать установкой широких брызгоотбойников, направляющих струи воды в горизонтальном направлении.
Чем более полными сделаны носовые образования и более острыми — кормовые, тем в принципе выше могут быть мореходные качества катера. Благоприятно сказывается в этом смысле и уменьшение длины корпуса.
Корпуса, имеющие значительную и почти постоянную килеватость по всей длине (так называемые обводы моногедрон), обладают в этом отношении лучшими характеристиками. Этот вывод подтверждается, например, сравнительными мореходными испытаниями двух моделей. Одна из них (вариант I) имела обводы глубокое V с килеватостью 22° на всей кормовой половине длины корпуса и сравнительно полными носовыми образованиями, другая (вариант II, условно назовем ее обводы традиционными) — меньшую килеватость на транце (14°), возрастающую до 22° в районе центра тяжести и до 42° на теор. шп. 3, и более острую носовую часть.
Модель традиционных обводов сильно зарывалась в волну, рыскала и получала опасный крен, палуба сильно заливалась набрасываемой ветром брызговой пеленой. Все это заставило ограничить скорость буксировки. В то же время более полные носовые образования модели I варианта препятствовали ее зарыванию, продольные реданы-брызгоотбойникн не давали брызговой пелене подниматься выше скулы, палуба оставалась абсолютно сухой. (Подобные испытания моделей в Норвежском опытовом бассейне были описаны в статье в №28 сборника).
Удовлетворительное поведение на волнении было отмечено и во время испытаний небольшой экспериментальной лодки, чертежи которой приведены ниже. При движении со скоростью около 40 км/час на волне высотой до 0,7 м на всех курсовых углах эта лодка не рыскала и практически не забрызгивалась. Особо надо отметить хорошую всхожесть на попутную волну, что может быть объяснено также и относительно небольшой длиной корпуса.
Для катеров с относительно более высокими скоростями движения опасность зарывания в волну не является основной. При высоких скоростях катер не успевает «следить» за профилем волны даже при попутном волнении. Подъемная сила, возникающая на днище при встрече с волной, достигает такой величины, которая бывает достаточна для того, чтобы полностью оторвать катер от воды.
Информация об изображении
Рис. 19. Общая компоновка проектируемой моторной лодки минимальных размеров
Следующую волну этот катер встретит уже центральным участком днища, пролетев над подошвой волны. При таком характере движения на волнении основное значение при оценке мореходности приобретают величины ударных перегрузок.
Рис. 19. Общая компоновка проектируемой моторной лодки минимальных размеров
Скорость, при которой катер начинает отрываться от воды, зависит от удельной нагрузки на днище катера и углов килеватости. Для малокилеватого днища с небольшой удельной нагрузкой (плоское и широкое днище) подобный режим наступает на значительно меньшей скорости. При этом лодка получает удары, напоминающие удары кувалдой; прочность узлов и плотность соединений корпуса находятся под угрозой.
С дальнейшим ростом скорости из-за увеличения силы и времени воздействия гидродинамических нагрузок увеличиваются и «прыжки» катера. Из-за несимметричности ударов катер, отрываясь от воды, начинает получать чрезмерные крен и дифферент, что при приводнении может привести к опрокидыванию. Это особенно опасно для малокилеватых судов, на плоском днище которых возникают очень большие гидродинамические силы. Приводнение судов с килеватыми кормовыми обводами проходит значительно мягче, что позволяет поддерживать более высокую скорость хода при движении на волнении.
Действующие на днище периодические ударные силы могут в несколько раз превысить вес катера, а гидродинамическое давление — в несколько раз превзойти наибольшее значение давления на днище при установившемся глиссировании. Ударные перегрузки измеряются величиной ускорения, которое приобретает исследуемый участок корпуса катера при ударе, и обычно сравниваются с ускорением силы тяжести g=9,81 м/сек2. Величина перегрузок зависит от угла килеватости (см. рис. 8) и пропорциональна квадрату вертикальной скорости в момент встречи днища с поверхностью воды, которая, в свою очередь, зависит от скорости хода катера и высоты волны.
Обычно сила удара достигает максимума при движении против волны, длина которой близка к длине катера. На всех других курсах по отношению к бегу волны ударные нагрузки будут меньше. Максимальные перегрузки всегда бывают в носовой части катера, к транцу ускорения резко уменьшаются.
На рис. 16 показано распределение максимальных перегрузок по длине для упомянутых ранее двух моделей. Можно отметить относительно высокие значения вертикальных перегрузок в носовых районах для обоих корпусов (хотя и намного меньшие — за счет свободы вертикальных перемещений катера, чем показано на рис. 8 для случая с жестким закреплением пластины). У модели традиционных обводов, однако, эти перегрузки на умеренных скоростях оказались несколько ниже — из-за более острых носовых образований. При дальнейшем повышении скорости можно ожидать, что их величина превзойдет перегрузки, замеренные на модели с глубоким V, как это и происходит в районе центра тяжести (рис. 17), но эксперимент был прекращен из-за опасного зарывания модели традиционных обводов в волну. Рост перегрузок на этой модели может быть объяснен увеличением продольного раскачивания, приводящего к возрастанию вертикальной скорости встречи днища катера с водой.
На модели с глубоким V снижение перегрузок в кормовой части, по сравнению с носовой, проявляется значительно более резко (см. рис. 16).
При оценке опасности динамических нагрузок, которые возникают при ходе катера, целесообразно принимать во внимание и время их действия, определяющее глубину распространения ускорений в корпусных конструкциях и необходимость дополнительной амортизации сидений и оборудования. На рис. 18 приведены значения относительного времени действия перегрузок, превышающих 1 g, по результатам испытаний тех же двух моделей. На умеренных скоростях более острые в носу традиционные обводы модели 11 обеспечивают больший комфорт. С ростом скорости, однако, время действия перегрузок увеличивается, степень комфортабельности для этой модели падает гораздо быстрее и на высоких скоростях становится значительно ниже, чем для модели с глубоким V.
Если сравнивать характер движения на волнении не моделей, а натурных катеров, имеющих одинаковую килеватость в районе центра тяжести (равную 21°—23°), можно сделать вывод, что мореходность катера с традиционными обводами может быть обеспечена лишь для скоростей менее 25÷30 √D км/час (D в тоннах); на более высоких скоростях преимущества обводов глубокое V становятся бесспорными.
Необходимо обратить внимание еще на одно обстоятельство. На малокилеватом катере частые и сильные удары в днище при ходе на волне обычно не вызывают значительного раскачивания катера; лишь иногда наиболее сильные удары высоко подбрасывают катер и возникает опасность появления значительного крена или дифферента, которые могут привести к опрокидыванию. А вот катера с глубоким V. напротив, имея меньшую начальную остойчивость, как правило, довольно сильно раскачиваются с борта на борт, следуя профилю волны, но это раскачивание почти не сопровождается ударами. Толчки, которые приходится испытывать пассажирам, на умеренных скоростях довольно плавные. С ростом скорости движения, естественно, плавность раскачивания уменьшается, поэтому на быстроходных килеватых катерах совершенно необходимо ставить сиденья с мягкими подлокотниками. Иногда и на таких катерах наблюдаются отдельные сильные удары в днище, если катер встречает волну, имея большой крен: из-за крена днище в месте контакта с водой принимает удар почти как плоская пластина.
На высокой волне катер с обводами глубокое V периодически отрывается от воды. Эти моменты отрыва легко отмечаются пассажирами по тому, как после плавно нарастающего толчка катер перестает испытывать какие-либо ускорения. Обычно катер «садится» на воду довольно мягко, причем дифферент его почти не меняется.
Итак, мы рассмотрели целый ряд соображений «за» и «против» обводов глубокое V, познакомились с результатами экспериментальных работ и опытом эксплуатации натурных катеров. Посмотрим теперь, как применяются эти теоретические положения и выводы практически — при проектировании небольшой прогулочной лодки с обводами глубокое V под подвесной мотор самой «популярной» мощности 25 л. с. Оговоримся сразу, что нас будет интересовать при этом не только наиболее быстроходный и мореходный но и наиболее экономичный вариант — с минимальными размерениями.
Начнем с выяснения полезной нагрузки и требующейся полезной площади кокпита, Как правило, на кратковременные прогулки выходят группой в два-три человека, но нередко количество людей увеличивается до пяти, причем горючего обычно берут на 4—5 часов хода. Будем считать, что нам надо разместить в кокпите пять мест для сидения. Такой вариант позволит использовать лодку и для более продолжительных туристских плаваний при экипаже два человека: «запасную» площадь можно будет использовать для размещения запасов и снаряжения и устройства спального места.
Примем наиболее распространенную на современных лодках схему: трехместный кормовой диван и два носовых сиденья с проходом между ними к месту водителя. Минимальные размеры кокпита для такой схемы (рис. 19) будут: примерно 1,25 м по ширине лодки и 1,95 м по длине. В корме надо прибавить 450 мм по длине для подмоторной ниши, в которой можно будет разместить (по бортам) два стандартных 20-литровых бака.
Теперь можно в первом приближении определить водоизмещения лодки и расстояния ЦТ от транца при разных вариантах нагрузки. Задавшись обычным для небольших лодок весом корпуса с оборудованием 90 кг, положением ЦТ корпуса по длине 1,5 м от транца, весом мотора 45 кг и весом запаса горючего вместе с баком 20 кг, составим таблицу значений D и Xg:
Это дает возможность убедиться, что положение ЦТ при всех случаях нагрузки обеспечивает продольную устойчивость движения лодки (об этом мы говорили в первой части статьи).
Зададимся в первом приближении средним по величине значением качества K≈5. Тогда сопротивление собственно корпуса может быть определено по формуле:
Чтобы получить полное сопротивление:
надо определить сопротивление выступающих Частей, т. е. для мотолодки — сопротивление подводной части мотора. Это можно сделать по графику (рис. 20), задаваясь скоростью хода. Теперь, приняв значение пропульсивного к. п. д. движителя (η=0,6), вычислим значение расчетной скорости в первом приближении:
Зная 14, для ряда значений ширины глиссирования В вычисляем соответствующие им значения СB и mΔ. Это дает возможность получить уточненные значения К по графикам (см. рис. 2—5 в предыдущем номере) для нескольких значений килеватости днища. Построив график изменения К для каждого угла килеватости в зависимости от ширины глиссирования, мы можем найти оптимальное значение В и соответствующее ей значение К. которое должно использоваться при расчете во втором приближении.
Во втором приближении уточняются значения V и R. Расчеты повторяют до тех пор, пока значения расчетной скорости и ширины глиссирования будут достаточно близкими к значениям, полученным в предыдущем приближении. Подчеркнем, что оптимальную ширину желательно определить для всех случаев нагрузки. Результаты подобных расчетов для проектируемой лодки приведены на рис. 21 и 22. Но и этого еще недостаточно, чтобы окончательно выбрать ширину глиссирования: нужно еще проверить, как обеспечена начальная остойчивость лодки на ходу. Пользуясь графиком (см. рис. 11), выясняем, что остойчивость нашей лодки обеспечивается, хотя для случая минимального водоизмещения расчетная ширина близка к нижнему пределу. (Если бы В оказалась меньше предельного значения по рис. 11, было бы необходимо увеличить ее до предельно допустимой или принять меры для обеспечения начальной остойчивости лодки на ходу, о которых говорилось ранее.)
Однако можно с уверенностью сказать, что расчетные значения ширины меньше, чем этого требуют условия безопасной эксплуатации (остойчивости на стоянке и на ходу при больших кренящих моментах) и чем нужно для обеспечения удовлетворительных стартовых качеств.
Как уже говорилось, наилучшим решением является применение продольных реданов, эффективность работы которых во многом определяется соответствием их элементов килеватости днища и другим параметрам (см. первую часть статьи). Продольные реданы позволяют получить минимальное сопротивление корпуса на расчетной скорости при удовлетворительном значении сопротивления на режиме разгона. Отметим, что при реданировании малокилеватого днища из-за увеличения высоты вертикальных стенок реданов, по сравнению с высотой реданов при повышенной килеватости, сопротивление на пониженных скоростях (при разгоне или для больших значений D) будет больше; в большей степени такие обводы подвержены и замыванию при движении на волнении (рис. 23).
Надо кроме того подчеркнуть, что при малых углах килеватости оптимальные ширины глиссирования значительно больше, а соответствующие им удельные динамические нагрузки меньше, чем для судов с большой килеватостью; это при движении даже на небольшой волне неизбежно вызывает значительные перегрузки, увеличение сопротивления и потери скорости. Только этим и можно объяснить, что в реальных условиях высокие расчетные значения скоростей малокилеватых катеров не достижимы. Испытания моделей показали, что прирост сопротивления на волнении высотой 120—150 мм (в пересчете для катера D = 300÷500 кг) составляет для малокилеватых катеров до 30%, а для катеров с обводами глубокое V — только 10%, т. е. втрое меньше.
Форма и размерения днища, выбранные для одного из случаев нагрузки, становятся далеко не оптимальными при всех других ее вариантах. Конструкторы судов с малокилеватым днищем чаще всего рассматривают только один случай нагрузки, по их предположениям — наиболее часто встречающийся в эксплуатации. Примерами судов, спроектированных подобным образом, могут являться спортивные лодки МС (см. проекты в №18 и №31 сборника), обводы которых оптимальны для минимального водоизмещения и максимальных скоростей, или прогулочная лодка «Радуга» (см. №40), предназначенная для умеренной нагрузки 1—2 человека. Да и при проектировании большинства серийных малокилеватых прогулочных лодок за расчетную нагрузку было принято максимальное водоизмещение; при этом оптимальная ширина малокилеватого днища получилась у них настолько большой, что необходимость установки продольных реданов исчезла, расчетная ширина глиссирования была задана шириной скулы. При всех остальных, кроме расчетного, случаях нагрузки скоростные качества таких лодок существенно ухудшаются (рис. 24).
В то же время для судов с повышенной килеватостью благодаря лишь небольшой дополнительной смоченной поверхности боковых граней сравнительно невысоких реданов, а также меньшему замыванию выше расположенных участков днища становится возможным выбор элементов днища, близких к оптимальным уже для нескольких режимов движения; другими словами, катер с глубоким V можно спроектировать так, чтобы в сравнительно широком диапазоне нагрузок не происходило существенного ухудшения гидродинамических характеристик (рис. 25). Для этого на днище устанавливают несколько пар реданов с таким расчетом, чтобы расстояния между парными (симметричными) реданами были близки к оптимальным ширинам глиссирования для соответствующих режимов движения. При этом, естественно, надо учитывать, что реданы целесообразно максимально использовать в качестве продольных ребер жесткости — стрингеров; следовательно, выбор их положения должен быть увязан и с требованиями прочности и конструкцией корпуса.
С учетом результатов расчетов и высказанных выше положений принимаем для нашей лодки плоско-килеватые обводы со сравнительно большим углом килеватости днища в районе ЦТ (21°), постоянным на значительной части длины лодки и мало возрастающим в носу, с относительно полными носовыми образованиями. Реданы устанавливаем почти параллельно ДП на расстояниях от ДП, равных 270, 385 и 525 мм; это значит, что мы, грубо говоря, имеем три значения ширины глиссирования, оптимальной для трех разных случаев нагрузки и скорости хода (рис. 26).
Определяющими факторами при выборе ширины такой лодки по скуле чаще являются не ходовые качества лодки, а требования статической остойчивости и заданная схемой компоновки ширина полезной площади кокпита. Иногда при согласовании различных требований на этой стадии проектирования лодки приходится пересматривать схему общего расположения с тем расчетом, чтобы с наибольшей выгодой использовать увеличенную ширину лодки.
Зная ширину по скуле на миделе, можно найти и длину лодки по скуле, а исходя из этого размера, и габаритную длину лодки. Важно при этом помнить, что чем острее носовые ветви ватерлиний, тем мягче ход на волнении, но в то же время хуже всхожесть на волну. Обычно для малых лодок и катеров угол заострения скулы принимают в пределах 35°— 45°.
В большинстве случаев определенная таким . образом длина лодки оказывается вполне достаточной и по требованиям гидродинамики. Необходимая смоченная длина дниша на режиме глиссирования обычно составляет LCM=1,5÷2Xg (для нашего случая LCM=2,2 м — заведомо меньше длины по скуле).
Безусловно, выбором гидродинамических элементов днища проектирование лодки не заканчивается, но дальнейшее его рассмотрение выходит за рамки данной статьи. Отметим лишь, что подобная лодка с обводами глубокое V спроектирована и построена Конструкторским бюро Ленинградского опытно-экспериментального завода ДОСААФ. Испытания лодки показали вполне удовлетворительное совпадение проектных характеристик с фактическими (см. рис. 25) при ходе с подвесным мотором «Москва-25». Следует иметь в виду, что приведенные скорости для малых нагрузок были получены при установке винта с большим шагом, чем у штатного, а для больших нагрузок использовался штатный винт. Лодка обладает вполне удовлетворительными мореходными и маневренными качествами. Для обеспечения остойчивости на стоянке сделана балластная цистерна (ниже ватерлинии (по типу примененной на «Фьордлинге-17»).
Рассмотрев преимущества и недостатки обводов типа глубокое V, следует отметить, что их применение — это лишь одно из возможных решений. При выборе обводов катера конструктор не в праве останавливаться на первом, пусть даже удачном варианте, не убедившись в том, что ту же задачу нельзя решить более эффективно другими путями. Катера с поперечными реданами, трехточечные глиссеры, катамараны с использованием аэродинамических сил, катера на подводных крыльях, экранопланы, — уже одно это далеко не полное перечисление дает представление о тех возможностях, которыми располагает конструктор. Однако очевидно и то, что применение элементов глубокого V остается важнейшим путем обеспечения мореходных качеств современного быстроходного катера.