Успех слагается из четырех основных компонентов: мастерство спортсмена; мощность и приемистость двигателя; эффективность гребного винта; скоростные и мореходные качества скутера. Попробуем разобрать каждый из этих компонентов.
1. Мастерство спортсмена
Думаю, следует признать, что при всех успехах советских водномоторников по уровню мастерства они пока не превосходят сильнейших зарубежных спортсменов. И нашим гонщикам, и их тренерам в этом направлении еще предстоит большая работа.
Одна из причин такого незначительного, но явного отставания заключается в слишком большом отличии условий проведения соревнований «дома» и за рубежом. Отметим однообразие наших дистанций: практически всегда устанавливается двухбуйная дистанция (804,5 м между буями), по которой необходимо совершить 5 или 10 кругов (5 или 10 статутных миль). Это объясняется существованием скоростных нормативов для присвоения спортивных разрядов.
На официальных же международных чемпионатах на одном круге могут быть и два, и три, и четыре поворотных буя. Трасса может иметь форму трапеции или многоугольника. Это серьезно повышает требования к мастерству спортсмена, несколько снижая значение чисто скоростных качеств скутера на прямой.
Еще одна и, пожалуй, еще более важная причина — недостаточное количество международных стартов. Не секрет, что только самые опытные «турнирные бойцы» способны в течение длительного времени стабильно показывать успехи. Наши ведущие гонщики такой стабильностью пока не отличаются, хотя потенциально, в принципе, каждый из них способен на наивысший успех. Одного — двух международных соревнований за сезон для приобретения опыта и поддержания формы явно недостаточно!
2. Двигатели
В последние годы в классах ОА-250, ОВ-350 и ОС-500 применяются исключительно гоночные подвесные моторы фирмы «Кёниг» (ФРГ). Эпизодически можно видеть и моторы «Ямато» (Япония), но они, значительно уступая «Кёнигам» по надежности, пока конкурировать с ними не могут.
Наши скутера также оснащены «Кёнигами», как правило, последних моделей; может быть, это несколько менее мощные и не столь высокого качества моторы, чем у сильнейших зарубежных спортсменов, но это вполне конкурентоспособные моторы.
3. Гребные винты
С появлением скутеров новых и все более сложных схем наметилась тенденция уменьшать глубину погружения оси гребного винта. На скутерах сопротивление редуктора ГВ составляет иногда даже более 50% общего сопротивления судна. Поэтому, несмотря на некоторое падение эффективности ГВ, уменьшение его погружения позволяет существенно снизить сопротивление редуктора, а в результате получить выигрыш в скорости.
Полностью поднять редуктор из воды на «традиционных» трехтонках, не имеющих кормовых гидролыж, не удается, так как нарушается устойчивость движения на взволнованной поверхности, слишком сильно начинает бросать корму скутера. Поэтому при диаметре ГВ 160—170 мм приходится ограничиваться глубиной погружения оси 50—60 мм; другими словами, ГВ работает в почти полностью погруженном состоянии. В связи с большой глубиной погружения оси двухлопастные винты не уступают ГВ с большим количеством лопастей, а часто даже и превосходят их.
Новые скутера с узкими кормовыми гидролыжами («ОС-82», «ОС-83» и т. п.) значительно более устойчивы на ходу. На них ось ГВ можно располагать на глубине 20—30 мм от поверхности, а для такого погружения более эффективны трехлопастные винты.
Для скутеров катамаранных схем («ОС-84» в том числе) глубину погружения оси ГВ можно уменьшить до 10—20 мм, так как высокие, имеющие килеватость спонсоны-поплавки еще лучше, чем гидролыжи «трехточки», «держатся за воду».
Наши ведущие спортсмены овладели искусством подбора ГВ для скутеров всех типов. Особенно необходимо отметить винты А. Берницина, Б. Клюшникова и студенческого КБ МАИ.
Результаты сравнительных испытаний с ГВ самых известных фирм — «Мичиган» (США), «Радичи» (Италия), «Рекорд» (Швейцария) показали, что винты, разработанные советскими специалистами, даже несколько превосходят уровень лучших мировых образцов, во всяком случае, не уступают им.
4. Скоростные и мореходные качества скутера
Рассмотрев три из четырех слагаемых успеха, подчеркнем, что советские спортсмены не имели в них заметного преимущества перед сильнейшими зарубежными гонщиками, И надо согласиться с общим мнением зарубежных специалистов, которые относят наши успехи на счет более совершенных схем самих скутеров, разработанных такими, например, конструкторами, как В. А. Исаков или В. В. Вейнберг, которые еще совсем недавно сами выступали на трассах гонок, и молодыми, перспективными спортсменами из Ленинграда А. Берницыным, Д. Джуренко, Б. Клюшниковым, И. Дубининым; значителен также вклад в постройку скутеров новейших конструкций, внесенный ЦКТБ ДОСААФ и ЛПО «Патриот».
В журнале «КЯ» №93 (1981 г.) в статье «Скутера: какие они бывают» подробно рассматривались наиболее популярные в то время схемы скутеров. Это были «трехтонки» (с сидячим или лежачим расположением гонщика) и скутера катамаранной схемы. За прошедшие несколько лет эти хорошо известные схемы претерпели существенные изменения, позволившие с практически теми же двигателями и ГВ развивать более высокие скорости как при движении по прямой, так и на кольцевой дистанции.
Попробуем объяснить эти улучшения, проводя сравнение каждой из новых схем с хорошо известным (и до сих пор широко применяемым зарубежными гонщиками) «лежачим» скутером «Даниш-500» (рис. 1).
Будем производить сравнение наиболее простым, но вполне достаточным для понимания закономерностей, «оценочным» методом, базирующимся на основополагающих аэрогидродинамических зависимостях, которые неоднократно рассматривались и в «КЯ» (№44 — статья «Глубокое «V» за и против») и в научно-популярной литературе (например, «Катера, лодки и моторы в вопросах и ответах», «Судостроение», 1977).
Экспериментально установлено (рис. 2), что наибольшее гидродинамическое качество К имеют пластины, глиссирующие при углах атаки 3,5÷5° и значениях коэффициента динамической нагрузки Св = 0,02÷0,035.
Из формулы
видно, что при заданных массовой плотности воды — ρ, скорости движения скутера — v и гидродинамической подъемной силе — D оптимальное значение Св может быть получено только для вполне определенного значения ширины глиссирующей пластины — В.
Аэродинамическая подъемная сила
где Су — коэффициент подъемной силы; для пластин, движущихся над поверхностью воды и имеющих сходные с днищем скутера размеры, углы атаки и высоту отстояния от воды, Су = 0,3÷0,7;
Sдн ≈ 3,8·0,9 = 3,5 м2 — площадь днища;
(ρа·v2)/2 — скоростной напор воздуха, где ρа — 0,125 кг2/м4 — массовая плотность воздуха.
В отличие от чисто глиссирующего — без аэродинамической разгрузки — судна, на широкое, плоское днище гоночного скутера действует изменяющаяся, возрастающая с ростом скорости аэродинамическая подъемная сила, приложенная в центре давления (ЦД). На высоких скоростях эта аэродинамическая подъемная сила воспринимает большую часть веса скутера. В то же время на кормовых участках днища или лыжах, а иногда и на спонсонах, если они касаются воды, продолжают действовать гидродинамические подъемные силы. Сумма аэродинамических и гидродинамических подъемных сил, действующих на движущийся скутер, всегда равна полному весу скутера Δ. Для типичных скутеров ОС-500 и ОВ-350 Δ ≈ 200 кг.
У трехточечных скутеров применяемых в настоящее время схем центр тяжести (ЦТ) расположен позади ЦД. Поэтому, начиная с некоторой скорости (для скутеров «Даниш», «ОС-83» это vотр = 110÷115 км/ч) аэродинамическая подъемная сила становится настолько большой, что под действием возникающего момента спонсоны скутера (конечно, мы говорим о движении на спокойной воде) перестают касаться поверхности; чем больше скорость, тем выше они поднимаются над водой.
Несмотря на увеличение скорости при разгоне (от vотр = 110÷115 км/ч до vmax — 160 км/ч) И соответственно возрастание угла атаки после отрыва спонсонов, аэродинамическая подъемная сила изменяется лишь незначительно (так как увеличиваются боковые щели, через которые воздух растекается из-под днища). Поэтому и гидродинамическую подъемную силу, действующую на кормовую часть днища, можно в первом приближении для скоростей больше 110 км/ч считать постоянной.
Так как все сравниваемые скутера («Даниш», «ОС-82», «ОС-83» и «ОС-84») имеют почти одинаковые размеры днища и углы атаки на больших скоростях, то и возникающие на их днищах аэродинамические подъемные силы примерно одинаковы и равны приблизительно 135 кг.
Учитывая, что Δ = 200 кг, мы можем оценить гидродинамическую подъемную силу, возникающую на глиссирующих поверхностях при скорости больше 110 км/ч:
Проведем теперь оценку гидродинамических сил сопротивления, действующих на скутер при скорости, близкой к максимальной (например, при v = 150 км/ч = 42 м/с), принимая, для упрощения, что сравниваемые скутера имеют практически одинаковое аэродинамическое сопротивление.
Скутер «Даниш-500». Ширина кормовой части, на которой происходит скольжение по воде, В = 0,9 м. Коэффициент динамической нагрузки при этом будет равен Св= 0,0009, а по этому значению Св по рис. 2 найдем качество К ≈ 5.
Величину гидродинамического сопротивления найдем из соотношения
Скутер «ОС-82». Спроектированный и построенный В. Исаковым и Б. Клюшниковым в начале 80-х гг., скутер (рис. 3) практически сразу же позволил показывать очень высокие результаты. На таком же скутере, построенном ЦКТБ ДОСААФ, Анатолий Чермашенцев в 1982 г. с явным преимуществом завоевал звание чемпиона мира. В 1983 г. Борис Клюшников завоевал серебро чемпионата мира, уступив только Анатолию Головину, выступавшему на существенно улучшенной модификации этого же скутера — «ОС-83».
Ширина кормовых гидролыж скутера, подобранная опытным путем с учетом не только достижения максимальной скорости, но и разгонных характеристик, равна В = 0,12 м.
Принимая, что каждая гидролыжа создает подъемную силу 65:2 = 32,5 кг, для той же скорости 150 км/ч определяем Св = 0,025 и тем же путем получаем значения K = 10 и сопротивления для одной пластины R1 = 3,25 кг и для двух — R = 2·R1 = 3,25X2 = 6,5 кг.
Этот несложный расчет показывает, что наличие двух узких кормовых гидролыж, на которых происходит скольжение при скорости более 110 км/ч, когда спонсоны не касаются воды, почти вдвое снижает гидродинамическое сопротивление. Это позволяет при той же мощности достигать более высоких скоростей (или ту же скорость получить с примерно на 8% менее мощным двигателем).
Скутер «ОС-83». Этот скутер (рис. 4), спроецированный ленинградцем Дмитрием Джуренко и построенный ЦКТБ ДОСААФ, вобрал в себя все лучшее, что давало развитие отечественных трехточечных конструкций. Мы видим здесь кормовые гидролыжи; высокие спонсоны и близкие к оптимальным углы атаки глиссирующих поверхностей и корпуса, предложенные и успешно реализованные в конструкциях студенческого КБ МАИ (еще в конце 70-х гг.); промежуточную третью (кормовую) гидролыжу, заимствованную из мотолодочных катамаранных конструкций.
Переданный непосредственно перед чемпионатом мира одному из самых опытных гонщиков страны Анатолию Головину, этот скутер позволил ему завоевать звание чемпиона 1983 г.
Практически мало отличающийся по основным размерениям от типичных скутеров ОС (и от модели «ОС-82» в том числе), этот скутер обладает, однако, двумя основными особенностями:
- а) имеет еще более узкие и имеющие больший угол атаки кормовые гидролыжи, рассчитанные на получение наименьшего гидродинамического сопротивления на максимальной скорости, но слишком узкие для получения удовлетворительных разгонных характеристик;
- б) имеет третью, довольно широкую кормовую «разгонную» гидролыжу в ДП; ее высота меньше, чем у основных боковых лыж, поэтому на высоких скоростях она не касается воды.
Помимо создания значительной гидродинамической подъемной силы, образующейся на скоростях до 100 км/ч (на этой скорости пыжа в ДП перестает касаться воды), ее основная роль заключается в том, что обеспечивается значительно меньшее изменение величины погружения гребного винта по мере выхода скутера на основные боковые лыжи. Это, в свою очередь, как бы «разгружает» обладающий лишь небольшой мощностью на средних оборотах — т. е. на разгоне — высокофорсированный гоночный двигатель.
Конечно, все эти в общем-то значительные улучшения теперь уже не дают значительного преимущества какому-либо одному гонщику. Следует еще учесть, что в зависимости от обстановки на дистанции и вида трассы может оказаться наиболее подходящим тот или иной скутер. Но в целом, даже у этих рекордных корпусов остались недостатки, которые присущи трехточечной схеме вообще: сравнительно невысокая мореходность и большой, по сравнению с катамаранами, радиус циркуляции.
Скутер «ОС-84». Сравнительные испытания «ОС-82», «ОС-83» и скутера оригинальной катамаранно-трехточечной схемы (рис. 5), которую предложил В. Вейнберг и осуществил А. Берницын (см. «КЯ» №108, 1984 г.), позволили назвать новый скутер — по аналогии с лодками, участвующими в гонках со стартом с места на дистанцию 400 м — «дрегстером»: он имеет очень высокие динамические качества.
Алексей Ишутин, выступавший в 1984 г. на этом катамаране, показывал удивительные результаты. На стандартной дистанции (804,5 м между двумя буями) скутера «ОС-82» и «ОС-83» проходили один круг за 53—55 с, а Ишутин — за 47—49 с, хотя «ОС-84» и не обладал превосходством в скорости на прямой. Только отсутствием достаточного опыта можно объяснить два схода Ишутина с трассы вначале и суммарное второе место на чемпионате мира 1984 г. при подавляющем преимуществе в остальных гонках.
Катамаранная схема хорошо известна и с успехом применяется в классе ОС-500. Достаточно вспомнить технику, на которой выступали В. Бистерфельд (ФРГ), К. Ром (Швеция) и Э. Кнаре (ФРГ) на крупнейших международных соревнованиях. Но скутер «ОС-84» при внешнем сходстве с обычным катамараном все же больше «трехточка», хотя и обладающая такими преимуществами катамарана, как более высокая мореходность и меньший радиус циркуляции при поворотах на большой скорости. И можно добавить — «трехточка», даже превосходящая катамаран по разгонным характеристикам.
Объяснить это (правда, несколько упрощенно) можно следующим образом.
Обычный катамаран не имеет фиксированных углов атаки глиссирующих поверхностей. Поэтому на малых и средних скоростях углы атаки значительно меньше оптимальных 4—5°, катамаран имеет на разгоне повышенное гидродинамическое сопротивление.
Чтобы улучшить разгонные характеристики на мощных катамаранах, применяют различные гидравлические или электрические системы регулирования угла наклона подвесного мотора. При разгоне мотор «откидывают», чтобы «придавить» корму и увеличить углы атаки глиссирующих поверхностей. При движении с максимальной скоростью мотор ставят в нулевое положение или даже «поднутряют» — приближают к днищу, чтобы большая аэродинамическая сила, ЦД которой расположен значительно ближе к носу, чем ЦТ, не опрокинула судно через транец. Наличие таких регуляторов угла наклона мотора значительно утяжеляет судно и требует дополнительных управляющих действий со стороны водителя, выполнить которые в условиях соревнований достаточно сложно.
Практически от всех этих недостатков свободен скутер «ОС-84».
Разнесенные по длине задняя (в ДП) и две передние «опорные» площадки — поверхности, на которых глиссирует скутер, расположены под углами атаки, оптимальными как для разгона, так и для достижения максимальной скорости. Это и позволяет обойтись без дополнительных устройств, регулирующих угол установки мотора.
Оканчивающиеся в непосредственной близости от кормы (800 мм до транца) боковые спонсоны, значительно более длинные, чем у традиционной «трехточки», позволяют поворачивать с малым радиусом циркуляции на высокой скорости; маневренные качества «ОС-84» даже несколько лучше, чем «чистого» катамарана.
Высоко поднятая над водой носовая оконечность, высокие и узкие спонсоны и центральная лыжа позволяют поддерживать большую, чем на «трехточке», скорость при движении по взволнованной поверхности воды.
Конечно, новая схема скутера с довольно сложными комбинированными обводами еще недостаточно изучена и, тем более, освоена; предстоит большая работа по совершенствованию конструкции «ОС-84». Например, надо повысить устойчивость движения на максимальной скорости, уменьшить тенденцию к зарыванию внешним спонсоном при крутых поворотах на волне. Однако уже имеющийся опыт эксплуатации нового скутера в минувшем сезоне убедительно говорит о том, что примененная схема имеет большие перспективы.
Из отзыва на статью
По моему мнению, говоря об успехах советских водномоторников, следует подчеркнуть два немаловажных обстоятельства.
В отличие от большинства зарубежных спортсменов, все без исключения наши ведущие гонщики традиционно являются не просто хорошими механиками, а людьми технически увлеченными, ведущими непрерывный технический поиск. Причем их творчество нередко даже обгоняет научно-технические разработки специализированных организаций.
Можно смело сказать, что даже среди серийно построенных ЦКТБ ДОСААФ скутеров одного и того же типа нет ни одного одинакового. Каждый корпус — это какой-то эксперимент, поиск, проба (к сожалению, не всегда это пробы технически обоснованные и систематизированные, но это — уже другой вопрос!).
Если за рубежом есть гребные винты широко известных фирм, то у нас есть винты Берницына, Клюшникова, Жирова и т. д. Но ведь и у них нет ни одного одинакового винта! Иногда это настоящие систематизированные серии, дающие возможность выяснения научно-технических закономерностей.
Наш водно-моторный спорт во многом скорее активное техническое творчество, чем «чистый» спорт. И выход на трассу гонок для наших ребят — всегда показатель технического совершенства конструкции, правильности поиска.
Конечно, хотелось бы (и это вполне в компетенции автора), чтобы в своей следующей статье, развивающей поднятую тему, он показал и возможные пути развития спортивной техники, хотя бы перечислил перспективные, по его мнению, направления работы по решению тех проблем, которые стоят перед гонщиками-конструкторами.