Об опыте создания катамаранов с «воздушной смазкой» рассказывает президент американской компании «CAF Systems» Луиз Куччиа.
Впервые достоинства моторного катамарана в морских условиях я смог оценить в 1957 г., когда для водолазных работ у побережья Атлантики мною был приобретен катамаран «Бир Кэт» длиной 4,9 м. При общей ширине 2,4 м ширине каждого корпуса была около 0,68 м, а расстояние между ними — 1,06 м. Этого было достаточно, чтобы носовые волны от корпусов не взаимодействовали друг с другом. Вертикальный клиренс от 0,76 до 0,91 м позволял под парой 40-сильных моторов глиссировать на волне высотой до 1 м со скоростью около 35 миль в час.
Носовая половине мостика этого катамарана имела авиационный профиль крыла. Встречный поток воздуха, врываясь в тоннель, создавал под мостиком воздушную подушку, которая смягчала движение в бурном море, когда судно буквально взлетало над волнами.
Грузоподъемность катамарана была феноменальной. Мы могли взять на борт четырех человек с полным подводным снаряжением; общая нагрузка доходила иногда до 1300 кг при весе собственно корпусе 540 кг (без ПМ). Скорость при этом снижалась всего до 28 миль/ч.
В 1965 г. мы вместе с М. Бредтом построили новый экспериментальный катамаран. При главных размерениях 6,1X2,4 м каждый из корпусов катамарана имел глиссирующее днище шириной всего 0,22 м. Корпуса были заполнены пенопластом; весил катамаран примерно 408 кг. С двумя 75-сильными подвесными моторами удалось достичь скорости 30 миль/ч, т. е. катамаран двигался еще в переходном режиме.
В 1969 г. мы пришли к идее воздушной смазки. А случилось это так.
После каждого выхода в штормовое море пенопластовый наполнитель корпусов набирал много воды, масса катамарана почти удваивалась. Поскольку вода не могла удаляться из корпуса через транец, мы сделали срезу за поперечным реданом отверстие для удаления воды через днище. В верхней палубе также имелись открытые отверстия для вентиляции корпусов. Результат оказался неожиданным — скорость катамарана резко возросла. Мы объяснили это явление эффектом воздушной пленки, которая покрыла поверхности днища. Чтобы усилить этот эффект, мы стали экспериментировать — увеличили диаметр отверстий в днище, направили поток воздуха вдоль днища, ограничена возможность его растекания к скулам — вдоль скул были сделаны продольные накладки прямоугольного сечения.
Эксперименты с катамаранами, в которых используется принцип воздушной смазки, продолжались в течение последних двух десятилетий. Мы проводили серийные скоростные испытания судов с нашей системой воздушной смазки, названной нами «Controlled Air Flow» (CAF), и без нее. Замеры показали, что система CAF очень чувствительна к положению заслонки, регулирующей воздушный поток. Один из наших катамаранов участвовал в гонках Майами — Нассау где-то в 1972—1975 гг. К сожалению, финишировать тогда не удалось — один из двигателей на выдержал испытания. Характеристики этого катамарана с размерениями 7,3X2,5 м приведены в нашем патенте 1977 г., полностью защищающем авторские права на систему воздушной смазки типе CAF и включающем 18 пунктов патентной формулы. В 1990 г. мы добавили еще некоторые усовершенствования, продлевающие действие патента на следующие 15 лет.
Используя принцип CAF, можно поднять скорость катамарана, уменьшить расход топлива или применить двигатели меньшей мощности для достижения той же скорости. В процессе работы мы никогда на ссылались на наши результаты и не публиковали их. В настоящее время мы являемся обладателями оригинальной концепции, часть информации о которой представлена в прилагаемых таблицах.
Я никогда не пытался применить систему CAF на парусном судне, но верю, что она будет работать. Любые движители и двигатели могут быть использованы на судне с воздушной смазкой, за исключением, пожалуй, только водометов, применение которых ограничено попаданием воздуха в водозаборные отверстия. Мы попытались применить систему воздушной смазки на глиссирующем корпусе с обводами глубокое V. Однако оказалось очень трудным организовать устойчивый воздушный слой на днище с большой килеватостью. Поэтому мы продолжаем проводить наши эксперименты на лодках-катамаранах.
В наши намерения входит создать экономичное мореходное судно, которое могло бы эффективно эксплуатироваться до скоростей глиссирования порядка 60 миль/ч. Мы хотим предложить что-то вроде водного «Фольксвагена», который стал бы эффективным средством водного пассажирского транспорта.
Вы сами можете сделать выбор: либо большая скорость при заданной мощности, либо меньшая мощность или расход топлива при заданной скорости.
Основные данные катамарана
| Длина L, м | 7,32 |
| Ширина полная, м | 3,05 |
| Ширина одного корпуса, м | 0,46 |
| Абсцисса ЦТ от форштевня, % L | 50 |
| Отстояние редана от форштевня, % L | 60 |
| Водоизмещение, кг | 1816 |
| Мощность подвесных моторов, л. с. | 2X135 |
| Диаметр X шаг гребных винтов, мм | 330X480 |
Условия испытаний
Место — оз. Понтчартрейн, Нью-Орлеан, Луизиана. Глубина воды — 4÷5 м; ветер — 2,5 м/с; легкая зыбь. Режимы движения — по ветру и против ветра. Измерения скорости производились по береговым створам мерной мили при движении на полном газе.
Результаты
Режим I. Воздушная заслонка закрыта. Скорость 30—32 мили/ч на глиссировании.
Режим II. Воздушная заслонка открыта полностью. Скорость 43 мили/ч, дельфинирование.
Режим III. Заслонка частично открыта. Скорость 50 миль/ч, глиссирование с легким или нулевым дифферентом на корму.
Комментарий ученого-гидродинамика
Читателям «КиЯ» уже известны многочисленные попытки применения воздушной смазки различного типа для улучшения ходовых и мореходных качеств малых судов (см., например, «КиЯ» №32).
Следует отметить, что именно отечественные успехи в создании судов с воздушной смазкой наиболее значительны. Работы в этом направлении ведут в настоящее время ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, НПО «Судостроение», ЦКБ по судам на подводных крыльях, ЦКБ «Редан». При этом уже создан промышленный образец пассажирского скоростного судна «Линда» с воздушной смазкой или, как теперь часто называют, с воздушной каверной.
В сущности, и данное судно, и все подобные разработки представляют собой некоторый гибрид глиссирующего судна и скегового судна на воздушной подушке. При этом предусматривается, что область воздушной каверны на днище пополняется воздухом повышенного давления не за счет напора встречного потока воздуха, а от специального компрессора-вентилятора.
В опубликованном выше письме американского автора описывается разработка системы воздушной смазки с естественной подачей воздуха. Несмотря на часто встречающиеся в литературе свидетельства о применении такой «естественной» смазки и о ее предполагаемой полезности, точных и корректно полученных данных найти не удается. Давайте попробуем проанализировать приведенную информацию.
Прежде всего, о неизбежных допущениях.
1. Автор указывает скорость катамаранов в милях в час. По-видимому, речь идет о «сухопутной» или статутной миле, привычной для автомобилизированных американцев и равной 1605 м, тогда как морская миля — 1852 м.
2. Как известно, мощность, развиваемая двигателем на судне при полном открытии дроссельной заслонки, непосредственным образом связана с его частотой вращения и крутящим моментом, поглощаемым гребным винтом. Реальная мощность мотора на данном режиме движения судна может существенно отличаться от указанной в паспорте. Нам же ничего не остается, как считать ее равной указанному значению.
3. Упор, развиваемый гребным винтом, может быть измерен или вычислен приближенно. Для такого вычисления понадобятся геометрические характеристики винта, а также скорость, частота вращения, коэффициенты влияния обтекателя корпуса редуктора на работу винта. Поскольку в данном случае такие данные в письме не содержатся, воспользуемся значениями КПД винтов подвесных моторов, характерными для аналогичных ситуаций. Величины их колеблются от 0,45 до 0,65; поэтому задаемся средним значением η=0,55.
4. Килеватость корпусов катамарана, если судить по представленным фотографиям, составляет около 10°.
Теперь воспользуемся данными испытаний, приведенными Л. Куччиа.
I. Воздушная заслонка закрыта, пленка отсутствует. Скорость — V = 14 м/с.
Сопротивление движению судна:
Отношение сопротивления к весу судна (D = 1816 кг) или коэффициент глиссирования:
или, в виде гидродинамического качества,
II. Воздушная заслонка открыта полностью. Скорость — V = 19 м/с; движение неустойчиво (дельфинирование). Воспользовавшись приведенными выше формулами, найдем R = 5752 Н (586 кгс); ε = 0,323; К = 3,10.
III. Воздушная заслонка открыта частично; V = 22,3 м/с; дифферент нулевой, либо небольшой на корму. R = 4901 И (500 кгс); ε = 0,275; К = 3,63.
О чем говорят полученные коэффициенты? О том, что гидродинамика судна крайне неудачна. В варианте I судно ведет себя как реданный глиссирующий катер с изолированной от атмосферы зареданной частью. Естественно, что сопротивление в этом режиме очень велико. Такой эффект наблюдался на некоторых глиссерах и ранее. Методы борьбы с ним путем обеспечения доступа воздуха к зареданной части (вентиляции) приводились в литературе еще в 30-е годы [1], [2].
В варианте II при полном открытии воздушной заслонки сопротивление падает, в результате чего скорость несколько возрастает. Однако, поскольку центровка у судна достаточно носовая, дифферент уменьшается и значительная смоченная поверхность не дает судну достичь более высокой скорости. Кроме того, судно оказывается в зоне неустойчивого движения [3].
В варианте III экспериментатору удалось найти положение заслонки, которое, с одной стороны, позволяет уменьшить сопротивление за счет уменьшения «присасывания» зареданной части днища, а с другой — за счет того же «присасывания», но действующего вертикально на зареданную часть днища, все же обеспечить приемлемые углы дифферента на корму. Это в итоге и обеспечило судну наименьшее сопротивление из всех рассмотренных вариантов.
Так как же, полезной оказалась система воздушной смазки или нет?
Откровенно говоря, даже в тех случаях, когда выигрыш от применения смазки считают бесспорным, чаше всего он получается от сопоставления с далеко не лучшим альтернативным вариантом, то есть сравнение, как правило, не корректно. В нашем случае мы имеем ту же картину.
Посмотрим, какие характеристики можно было бы получить на альтернативном катамаране с указанными размерениями, но без какой-либо смазки. Представим, что корпуса катамарана не имеют поперечного редана; а килеватость днища постоянная от миделя до транца. Воспользовавшись графиками Клемента (приведенными в [3] на стр. 118), получим для скоростей 14, 19 и 22,3 м/с достижимые при наивыгоднейшей центровке значения гидродинамического качества:
По графику K = 5,3 при угле дифферента на корму α = 6,5°.
В последнем случае центр тяжести должен находиться на расстоянии 1,9 м от транца; вот для такого режима можно подумать о применении поперечного редана, но только такого, который обеспечивал бы углы атаки несущих поверхностей 4—5°.
Для движения со скоростью 50 миль/ч (~22 м/с) потребуется мощность подвесных моторов
т. е. 2X90 л. с. вместо 2х135 л. с.
Как видим, экспериментатор привел сравнение своей разработки с заведомо неудачным вариантом.
Следует различать аспекты применения принципа воздушной смазки для уменьшения сопротивления воды движению водоизмещающих тихоходных судов и на скоростных судах или на судах с динамическим поддержанием.
Еще большие различия кроются в использовании для создания смазки воздуха при повышенном и при атмосферном давлении. Заметим, что все сообщения относительно эффективности смазки естественным воздушным потоком, пусть даже с использованием скоростного напора, вводят читателей в заблуждение. Ведь если удается обеспечить подачу такого потока воздуха под какой-либо элемент корпуса, значит этот элемент испытывает давление, либо равное атмосферному, либо ниже него, т. е. не участвует в поддержании судна. При грамотном проектировании такие элементы не должны оказываться в составе смоченных поверхностей судна.
Часто наличие таких элементов обводов: сводов тоннелей, зареданных свесов и т. п. — оправдывают необходимостью обеспечения мореходности, повышения остойчивости. Однако при внимательном анализе оказывается, что можно с успехом обойтись без экзотических изгибов корпуса или нагромождения несущих поверхностей и за счет этого облегчить корпус и снизить сопротивление движению. Ведь в том-то и состоит задача проектирования (которое, будучи наукой, остается еще и искусством), чтобы обеспечить судну заданные свойства самыми простыми и эффективными средствами.
В. Соколов, канд. техн. наук, Петербургский морской технический университет.
Литература
- 1. Мартынов, Глиссеры, М., Речиздат, 1940.
- 2. Справочник авиаконструктора, т. II. Гидросамолеты, М., Оборонгиз, 1939.
- 3. Справочник по малотоннажному судостроению. Л., Судостроение, 1987.