Водоизмещающе-глиссирующий корпус малотоннажного судна

Предлагается новая форма корпуса водоизмещающе-глиссирующего судна, состоящая из водоизмещающей нижней части, имеющей малую среднюю ширину и высокое относительное удлинение, и верхней глиссирующей части, ширина которой превосходит среднюю ширину нижней части не менее, чем в три раза.

Подводная и надводная части корпуса судна имеют различное функциональное назначение. Объем, главные размерения, обводы и масса подводной части определяют, прежде всего, водоизмещающие и динамические силы поддержания, сопротивления движению и дрейфу, весовую остойчивость. Главные размерения и обводы верхней части определяют особенности взаимодействия корпуса с поверхностью воды, геометрическую остойчивость, обитаемость, парусность судна

У современных судов с динамическим поддержанием (на подводных крыльях, глиссирующих) соответствующие конструктивные различия подводной и надводной частей хорошо наблюдаемы. Под водой находятся имеющие незначительный объем и обтекаемую форму продольно ориентированные подводные крылья, рули, гребные винты. их опоры. Плоские глиссирующие элементы днища обеспечивают геометрическую остойчивость, обитаемость. Роль архимедовых сил при движении обычно незначительна. Выход на высокие скорости для таких судов связан с необходимостью значительного увеличения мощности двигателя; они чувствительны к весовым перегрузкам, не отличаются мореходностью, испытывают неприятные удары о поверхность воды.

Малые водоизмещающие суда (гребные и моторные лодки, туристские и разъездные катера, яхты и т.п.), используемые на реках, водохранилищах. в прибрежных зонах морей, наиболее экономичны и комфортабельны. Их невысокая скорость — понятие при длительном плавании условное. Водоизмешающее судно может за сутки показать результаты лишь немногим хуже, чем глиссирующее, если учесть неизбежные остановки глиссирующего судна на ночевку, заправку топливом, приготовление пищи и т.п. У современных водоизмещающих судов конструктивная граница между надводной и подводной частями корпуса практически не наблюдается: при многообразии форм обводов, они монотонно, плавно переходят одна в другую. Роль динамических сил при увеличении скорости таких малотоннажных судов, как правило, отрицательна, так как их длина L обычно меньше, чем расстояние между соседними гребнями создаваемых ими при движении воли. Носовая часть такого судна поднимается на гребень создаваемой им волны, а корма "проваливается", судно как бы непрерывно взбирается на волновой гребень. Как известно, это волновое сопротивление, имеющее максимум в виде "горба" при относительной скорости (числе Фруда v/√gL=Fr) около 0.45 практически ограничивает скорость водоизмещающего судна. Дальнейшее ее увеличение для современного малого водоизмещающего судна связано с чрезмерным увеличением мощности двигателя и необходимостью повышения прочности корпуса.


В то же время хорошо известно, что (при том же водоизмещении) увеличение относительного удлинения подводной части уменьшает волновое и вихревое сопротивления, ведет к сглаживанию "горба" сопротивления. Можно показать, что при увеличении длины L посредством продольного "растяжения" корпуса с сохранением объемного водоизмещения, площадь смачиваемой поверхности 1 возрастает по закону f = √L. В частности, смоченная поверхность катамарана в √2 раз больше, чем однокорпусного судна такого же водоизмещения и подобных обводов. Поэтому некоторое увеличение площади смоченной поверхности несущей части корпуса увеличенного удлинения и соответствующий рост сопротивления трения оправдываются уменьшением суммарного сопротивления (волнового + вихревого + трения), минимум которого обычно достигается при L/B > 10÷15.

Это отражено в старинном выражении "длина везет". Удлиненные гребные лодки используются в ряде районов. Очень большое удлинение имеют например, и гребные гоночные лодки (академическая "четвертка" — около 15; "восьмерка" — около 25). Малые мореходные суда 20-30-х годов также имели сравнительно большое относительное удлинение, достигающее 5-7. Однако пониженная остойчивость и малая ширина палубы сделали такие суда неконкурентоспособными, по сравнению с глиссирующими судами, позволившими достигать гораздо больших скоростей.

В то же время, по-видимому, отсутствует тип корпуса малотоннажного судна, рассчитанный на повышенные ("переходные") скорости движения, который наиболее естественно объединял бы достоинства судов водоизмещающего и глиссирующего типов. Имеется а виду корпус, состоящий из двух частей — верхней и нижней.


Нижняя — водоизмещающая часть его имеет малую среднюю ширину В_н и высокое относительное удлинение L_н/B_н. Верхняя глиссирующая часть имеет ширину, значительно превосходящую осредненную ширину нижней части (В_в>3B_н. Глиссирующая часть ("лыжа") образует малый положительный угол атаки с поверхностью воды, касаясь ее лишь в кормовой части и приподнимаясь в носовой; она может быть плоской, может иметь небольшую килеватость. скругления; на ней могут иметься реданы.

В передней нижней части корпуса могут быть установлены горизонтальные рули-крылья, не выступающие за габаритную ширину верхней части. Этим можно добиться уменьшения смоченной поверхности и сопротивления корпуса, а при ходе на волнении — уменьшить бортовую качку. При установке упомянутых рулей в вертикальное положение можно осуществить резкое торможение.

Раздельный выбор соотношений главных размерений нижней и верхней частей корпуса дает не только новые эксплуатационные, но и конструктивно-технологические преимущества. Выбирая эти соотношения с учетом условий эксплуатации, можно приблизиться в той или иной степени либо к водоизмещающим, либо к глиссирующим судам. В общем случае может быть обеспечен водоизмещающе-глиссирующий режим при любых скоростях движения. В диапазоне "переходных скоростей" у такого судна не будет "горба" сопротивления и "ступеньки" выхода на глиссирование.

Очень узкая и длинная водоизмещающая часть, обеспечивая снижение относительного сопротивления движению R/D (R — сила сопротивления; D — весовое водоизмещение), резко увеличивает сопротивление дрейфу. Пониженное сопротивление позволяет приблизительно вдвое уменьшить мощность двигателя (при той же скорости движения), повысить топливную экономичность и экологические показатели судна В нижней подводной части размещаются двигатель, валопровод. аккумуляторы, якорные цепи, топливные и водяные баки и т.п. Такое расположение двигателя облегчает ого звукоизоляцию и упрощает монтаж валопровода. Под водой оказывается около 50% массы судна, обеспечивая высокую весовую остойчивость. Увеличение остойчивости и сопротивления дрейфу дает возможность использовать на таких судах паруса (моторно-парусные яхты). При волнении водоизмещающая часть смягчает удары глиссирующей поверхности о воду; частичное использование водоизмещающей части корпуса (например, для прохода в каютах) позволяет минимизировав высоту и парусность судна.


С конструктивно-технологической точки зрения высокие значения L_н/B_н, а также В_в≥3B_н, позволяют в несколько раз уменьшить абсолютную протяженность носового и кормового (для подводной части) сужений (заострений), сохранив плавность обводов и малые углы, обеспечивающие высокое гидродинамическое качество При этом на большей части длины малого судна возможно использовать цилиндрическую вставку. Это упрощает изготовление и компоновку внутреннего объема. На рис. 3 приведены развертки основных элементов возможного варианта конструкции нижней и верхней частей корпуса с более короткой цилиндрической вставкой.

Широкая глиссирующая часть, почти прямоугольная в плане, обеспечивает геометрическую остойчивость и улучшает обитаемость (ширину палубы); роль динамических сил при невысоких скоростях, естественно, незначительна. Гребной винт за нижней частью корпуса хорошо защищен и допускает увеличение своего диаметра до значений, близких к В_н, что позволяет достигнуть высокого пропульсивного КПД.

Особенностью предлагаемого корпуса является переменная по знаку кривизна линий шпангоутов. Это значительно ужесточает конструкцию. Верхняя и нижняя части корпуса могут быть изготовлены из элементов поверхности цилиндра заданного радиуса r почти безнаборными.

Отметим еще две особенности предлагаемого корпуса. Во-первых, большое удлинение подводной части создает значительное боковое сопротивление, повышает устойчивость продольного движения, но может ухудшить управляемость. Поэтому может оказаться желательной установка в носовой и(или) в кормовой частях поперечных "подруливающих" устройств.

Во-вторых, изменение весовой нагрузки может изменять положение глиссирующей части и прежде всего — ее угол атаки относительно поверхности воды. Но наличие водоизмещающей части (площадь КВЛ которой не является уменьшенной по сравнению с обычным водоизмешающим судном) уменьшает чувствительность к перегрузкам, по сравнению с обычными глиссирующими судами.


При проектировании корпуса следует учитывать влияние формы смоченной части линий шпангоутов на величину смачиваемой поверхности 1, в сравнении с величиной несущего объема V водоизмещающей части. Для этого рассмотрим безразмерную величину:


Здесь s=dV/dx и l=df/dx можно рассматривать соответственно как несущий объем и площадь смачиваемой поверхности единицы длины (в направлении х) корпуса Очевидно, чем больше величина А. тем при данной форме линии шпангоута больше водоизмещающая сила поддержания на единицу площади смачиваемой поверхности. Из приведенной таблицы (для некоторых форм линий шпангоутов) видно, что наибольшие значения А соответствуют формам 4 и 5. Формы 1 и 2 характерны для современных водоизмещающих судов, формы 4 и 5 — для предлагаемого.

Выводы

• 1. Предлагается корпус, состоящий из водоизмещающей нижней части, имеющей малую среднюю ширину и высокое относительное удлинение, и верхней глиссирующей части, которая имеет ширину, превосходящую среднюю ширину нижней части по крайней мере в три раза.
• 2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что в передней нижней его части установлены горизонтальные рули-крылья
• 3. Корпус по п. 1, отличающийся тем. что на глиссирующей поверхности имеются реданы.

Новизна данного предложения подтверждена патентом РФ с приоритетом от 1996 г.