Преимущества и недостатки различных схем спортивных скутеров

В последние годы один из самых интересных классов спортивных гоночных судов — скутера — переживает заметное обновление. Если раньше в этом классе рост спортивных результатов происходил в основном за счет повышения удельных и абсолютных мощностей моторов, то сейчас картина изменилась. Существенно усложнились условия проведения соревнований, заметно возросли абсолютные скорости на трассах. Все это заставило спортсменов вплотную приступить к поиску резервов повышения скоростей именно в усовершенствовании старых и новых схем корпусов.

Конечно, успехам скутеристов в немалой степени способствуют и последние успехи спортсменов в классе мотолодок: они заметно «прибавили» в скоростях благодаря применению принципиально новых типов корпусов. Применительно к скутерам, которые отличаются более высокими скоростями движения, проблемы совершенствования и развития корпусов представляются гораздо более сложными. Объясняется это в первую очередь тем, что вопросы аэро- и гидродинамики высоких скоростей изучены еще слабо, не решены многие проблемы управляемости, мореходности и устойчивости движения на таких скоростях.

Предлагаемая ниже статья «потомственного гонщика», мастера спорта международного класса, известного скутериста Сергея Владимировича Жирова, поставившего целью возможно более просто и доходчиво рассказать о преимуществах, недостатках и целесообразном применении различных схем скутеров, по мнению редакции, будет интересной и актуальной. Она несомненно заинтересует многих спортсменов, выбравших для себя этот интереснейший спортивный класс, и, безусловно, привлечет внимание энтузиастов — любителей стремительного движения по воде.

---

В наших условиях наиболее распространены скутера международных классов ОА-250, ОВ-350 и ОС-500. Это простые по конструкции, легкие, отличающиеся от мотолодок более высокой энерговооруженностью (1,5—2 кг/л. с.) и соответственно скоростью (до 160 км/ч для класса ОС) суда. Правилами соревнований на них разрешается использование любых конструкций и видов двигателей и любых сортов топлива; важно лишь, чтобы двигатель не имел нагнетателя и был поршневым. К корпусу судна правила также не предъявляют никаких ограничений. Он может быть плоскодонным или килеватым, с реданами или без них; это может быть трехточка, катамаран, судно с аэродинамической разгрузкой и т. д.

Еще до недавнего времени основная работа по совершенствованию скутеров сводилась, главным образом, к всемерному увеличению мощности двигателя. Удельные мощности (на единицу рабочего объема двигателя) достигли величин 220—260 л с./л; абсолютные значения мощности достигли в классе ОА — 65 л. с., в ОВ — 80 л. с., в ОС — 105 л. с. Ныне положение уже таково, что спортсмены могут полностью использовать эту имеющуюся мощность, т. е. идти «в полный газ», лишь в течение непродолжительного времени — не более 30—50% всего времени гонки: слишком сильны становятся удары и непредсказуемы прыжки, слишком сложным — управление.


В связи с этим в последнее время поиски спортсменов переместились в сторону создания корпусов, позволяющих полностью использовать мощность двигателя — т. е. практически поддерживать высокую скорость на сильно взволнованной, короткой, с большим числом поворотов дистанции при значительном количестве одновременно стартующих судов, как правило, превышающем 30.

Спортсменам и любителям водномоторного спорта уже хорошо знакома традиционная форма скутера — «трехточка» со специфическим положением гонщика, когда он «сидит» на коленях в непосредственной близости от конца реданов-спонсонов. Мотор навешен на транец, который может быть несколько вдвинут в глубь корпуса.

Из корпусов этой традиционной схемы наиболее распространены скутера фирм «Шульце» (Австрия), «Даниш» и «Пфенниг» (ГДР) и производства Ленинградского объединения «Патриот». Фактически они идентичны и отличаются лишь незначительными деталями. Длина корпуса изменяется от 3,5 м (для класса ОА) до 4,0 м (для ОС); ширина днища в корме (расстояние между спонсонами) — от 0,87 м до 0,92 м соответственно.

Рассматривать преимущества и недостатки этой традиционной и последующих новых схем можно только с учетом того, что на скоростях свыше 100 км/ч главную роль начинают играть аэродинамические силы поддержания, как правило, уже превосходящие по абсолютному значению гидродинамические силы. По этой причине важно знать не только положение центра тяжести (ЦТ), которое достаточно легко определить простым уравновешиванием готового к соревнованиям судна (вместе с водителем) или каким-либо расчетным методом, но и положение центра давления аэродинамических сил (ЦД).

Положение ЦД можно определить лишь приближенно. По результатам экспериментальных исследований плоских пластин или профилей малого удлинения, движущихся вблизи поверхности воды или касающихся ее задней кромкой и снабженных шайбами (на скутерах их роль выполняют спонсоны), известно, что при малых углах атаки ЦД располагается в корму от носовой кромки корпуса на расстоянии, равном 0,35—0,4 величины хорды профиля, т. е. длины корпуса. Предполагая подобие такого профиля и корпуса скутера, можно в первом приближении определить положение ЦД для реальных судов.


Так, для скутера «Дании» класса ОС, имеющего длину 4,0 м, ЦД будет располагаться на расстояния 1,4—1,6 м от носа. ЦТ того же скутера при типичных значениях веса подвесного мотора (35 кг) н водителя (75 кг) будет находиться на расстоянии от носа, приблизительно равном 2,5 м. Таким образом, ЦД находится впереди ЦТ на 1 м.

Картина движения скутера с такой центровкой выглядит следующим образом: после выхода на глиссирование скутер скользит по поверхности воды, касаясь ее кормовым участком днища и спонсонами. С увеличением скорости величина суммарной гидродинамической подъемной силы уменьшается за счет появления и возрастания аэродинамической подъемной силы. (Естественно, сумма аэродинамической и гидродинамической подъемных сил всегда остается постоянной и равной весу скутера.)

При достижении какой-то определенной скорости, величина которой зависит от конструкции скутера и расположения ЦТ (для скутера «Даниш-500» это приблизительно 115 км/ч), вследствие того, что ЦД расположен впереди ЦТ, спонсоны практически перестают касаться воды и создавать подъемную силу. Теперь суммарная подъемная сила слагается из гидродинамической силы, возникающей только на кормовом участке днища, и аэродинамической силы, равнодействующая которой приложена в ЦД.

При дальнейшем повышении скорости происходит необычная, с точки зрения «самолетной» аэродинамики, картина. Спонсоны все больше отрываются от поверхности воды, угол атаки увеличивается, но соотношение аэродинамической и гидродинамической составляющих практически не изменяется. Это происходит из-за того, что спонсоны перестают играть роль шайб: воздух при этом уже не «заперт» под днищем, а имеет возможность свободно растекаться в стороны через образовавшиеся «боковые щели». Естественно, чем выше скорость, тем спонсоны больше оторваны от воды, тем свободнее может выходить в стороны воздух. Поэтому, несмотря на более высокую, чем в момент отрыва спонсонов от воды, скорость, аэродинамическая подъемная сила сохраняет практически то же значение.


По мере увеличения высоты отрыва спонсонов от воды (угла атаки днища) ЦД перемещается ближе к носу, что увеличивает опрокидывающий момент. При слишком высокой для данного конкретного скутера скорости действие этого опрокидывающего момента приводит к его «взлету», т. е. опрокидыванию через транец.

Таким образом, ясно, что у скутера, ЦД которого расположен ближе в нос, чем ЦТ, и на гребном валу которого не создается значительное вертикальное усилие (как, например, у глиссера, имеющего наклонный гребной вал), не может быть режима движения, при котором он совсем не касается днищем воды и полностью «летит».

Учитывая эту общую специфическую особенность скутеров, остановимся на рассмотрении различных применяемых схем.

По положению гонщика различают три основные схемы.

1. Скутер с традиционным «сидячим» (на коленях) расположением гонщика. Чрезмерно задняя центровка (кормовое положение ЦТ) и переднее расположение ЦД приводят к достаточно раннему отрыву спонсонов от воды. Это в свою очередь уменьшает гидродинамическое сопротивление как благодаря уменьшению смоченной поверхности, так и благодаря увеличению угла атаки кормового участка днища и приближению его к оптимальному. В связи с этим скутера такой схемы имеют, как правило, более высокие характеристики при разгоне после поворота, чем корпуса других схем.

Высокое расположение гонщика обеспечивает хороший обзор. Положение его на коленях более безопасно при движении по сильно взволнованной трассе гонок. При аварии водитель без особых затруднений может выброситься из корпуса, уже находясь в сгруппированном положении, что уменьшает вероятность получения травм.

На этом, пожалуй, перечень преимуществ классической схемы оканчивается. Слишком задняя центровка не позволяет увеличивать высоту спонсонов, что было бы желательно для повышения угла атаки днища, а также и увеличения высоты носовой части днища от поверхности воды (при недостаточной высоте велика опасность зарывания носом в волну). Высокое расположение ЦТ и относительная «незакрепленность» водителя в кокпите скутера не позволяют проходить повороты на большой скорости. Кроме того, само это положение водителя создает дополнительное аэродинамическое сопротивление, довольно значительное при движении на максимальных скоростях.


2. От некоторых из указанных недостатков избавлены появившиеся недавно трехточечные скутера, в которых гонщик сидит «по-автомобильному» — в сиденье картингового типа. Хорошая «закрепленность» водителя позволяет чувствовать себя увереннее и поддерживать высокую скорость на волне и на поворотах, но не дает возможности корректировать центровку в процессе гонки. Кроме того, рулевое колесо и передний обтекатель представляют дополнительную опасность при аварии.

Плюсом является то, что спрофилированный задний обтекатель снижает сопротивление на максимальной скорости и предохраняет мотор от брызг. В настоящее время такие скутера показывают хорошие результаты только в классе ОС и в более старших классах.

3. Скутер с «лежачим» (головой вперед) расположением гонщика относится ко второй широко распространенной разновидности скутеров.

Более «носовое» положение ЦТ (приблизительно 2 м от транца, против 1,5 м у скутера с «сидячим» расположением гонщика) при почти тех же значениях длины, ширины и веса приводит к тому, что ЦТ оказывается значительно ближе к ЦД. Это в свою очередь отодвигает границу «взлета» — увеличивает значение скорости, при котором спонсоны отрываются от воды, и соответственно повышает максимальную скорость. Кроме того, низкое расположение ЦТ позволяет поддерживать более высокую скорость на волне и на поворотах. Сравнительно же высокое расположение носовой оконечности над уровнем воды уменьшает опасность зарывания скутера в волну, т. е. несколько повышает мореходные качества скутера.

Недостатками такой схемы являются несколько худшие характеристики разгона при старте и после поворотов, а также сильные удары, которые испытывает лежащий водитель.


До сих пор мы имели в виду классическую трехточечную компоновку. В последнее время катамаранная схема, уже нашедшая исключительно широкое распространение в самых старших классах скутеров, начинает все чаще появляться и в средних классах OD и ОС.

Западногерманская фирма «Rukna» уже освоила серийный выпуск скутеров-катамаранов этих классов.

Преимущества катамаранов хорошо известны. Два узких, широко разнесенных килеватых корпуса и высоко поднятая носовая оконечность обеспечивают, пожалуй, наивысшую среди гоночных судов мореходность. Мягкость хода и, как правило, «автомобильная» посадка гонщика создают наиболее благоприятные условия для водителя. Неслучайно участвующие в марафонских гонках сверхмощных классов скутеров суда представляют собой, как правило, катамараны.

В то же время аэрогидродинамическое качество катамарана обычно оказывается ниже, чем «трехточек», особенно . на переходных режимах. Этим обусловлены затрудненный выход на глиссирование и худшие характеристики при разгоне; не удается применять (без специальных приспособлений) остронастроенные, с крутой внешней характеристикой, высокофорсированные двигатели, которые обычно используются в младших классах — с рабочим объемом цилиндров 250—500 см³. Но даже и в старших классах, где применяются двигатели со значительно более пологой внешней характеристикой, катамараны для улучшения приемистости и повышения устойчивости движения приходится оборудовать специальными (преимущественно гидравлическими) системами для изменения угла установки подвесного мотора, а также носовыми балластными цистернами, позволяющими на ходу регулировать центровку судна в зависимости от условий движения.

Два узких килеватых корпуса лучше, чем широкое плоское днище «трехточки», «цепляются» за воду. Благодаря, этому для уменьшения сопротивления подводной части подвесного мотора его можно устанавливать так высоко, чтобы ось гребного винта располагалась на уровне или даже чуть выше поверхности воды. Это позволяет существенно повысить скорость движения без потери устойчивости. Однако при всем том скоростные качества катамарана, особенно на тихой воде, оказываются ниже, чем у «трехточки». Это связано, как указывалось выше, с более низким аэрогидродинамическим качеством катамарана (3—4 против 5—7 у «трехточки»). Поэтому маловероятно, чтобы катамараны могли использоваться в классах ОА и ОВ. А в классе ОС применение катамарана оказывается успешным только на длинной трассе при сильном волнении.

Несмотря на существенные различия рассмотренных двух основных схем, в последние годы разработаны и успешно применяются общие для них обоих конструктивные решения, позволяющие существенно повысить эксплуатационные характеристики судов.

Одно из самых эффективных решений, широко применяемых как на гоночных, так и на спортивных (мотолодки) судах, независимо от того, «трехточка» это или катамаран, — такое изменение компоновки, при котором спонсоны «трехточки» или корпуса катамарана выдвигаются приблизительно на 0,5 м вперед относительно основного корпуса (или моста). При этом судно внешне приобретает более стремительный вид.

Такое видоизменение корпуса позволяет:

• а) существенно сдвинуть в корму ЦД и максимально приблизить его к ЦТ. Благодаря этому значительно возрастает устойчивость движения — отдаляется граница скоростей «взлета». Немаловажно и то, что аэродинамическая подъемная сила при таком «вырезании» палубы и днища в носу практически не уменьшается;
• б) полностью (при правильном проектировании) исключить опасность зарывания судна носом в высокую волну. Обычные «трехточки» или катамаран, встречаясь с высокой волной, стремятся проткнуть ее или, что еще более опасно при высоких скоростях, зарыться в воду. «Рогатое» судно нового типа сначала наезжает на волну идущими круто вверх передними частями спонсонов (или корпусов), которые сразу же выталкивают вверх носовую часть судна; оно без зарывания основного корпуса (моста) преодолевает волну;
• в) несколько (на 5—10%) уменьшить вес корпуса.

---

Вторым, появившимся совсем недавно и пока еще не нашедшим широкого распространения методом повышения устойчивости движения скутера является установка кормового несущего аэродинамического крыла.

Такое крыло можно видеть, например, на скутере, разработанном студентами МАИ, нли на одном из последних скутеров фирмы «Даниш». Как уже было показано выше, практически всегда ЦТ находится позади ЦД, в связи с чем на высокой скорости и возникает опасность «взлета» и опрокидывания через транец. Располагая в кормовой части скутера аэродинамическое крыло, можно так подобрать его размеры и угол атаки, что суммарная аэродинамическая подъемная сила окажется приложена в ЦТ или даже позади него. Это и позволяет добиться повышения устойчивости движения и практически полностью избавиться от опасности «взлета».

Заканчивая рассмотрение существующих схем компоновки скутеров классов ОА, ОВ и ОС, отметим, что выбор определенного типа корпуса является очень сложной задачей. Чтобы принять правильное решение, надо хорошо представлять конкретную обстановку гонок (количество участников, ветроволновые условия, наличие течения, характер трассы). Именно зависимость этого выбора от конкретных условий заставляет ведущих гонщиков мира привозить на ответственные старты по нескольку разных скутеров.

В принципе, при благоприятных погодных условиях, малом количестве участников в заезде и большом числе поворотов на трассе, когда на первый план выходит «динамика» скутера, наиболее выгодным может оказаться «трехточка» с сидячим или «автомобильным» положением гонщика. При длинной трассе, большом количестве участников и не очень сильной волне, когда требуется высокая скорость при достаточной мореходности, предпочтительна «лежачая» трехточка.

При плохих и, тем более, очень плохих погодных условиях и при большом количестве участников в заезде наиболее выгоден и безопасен катамаран.