В 30-е гг. наиболее быстроходными были реданные катера. В СССР под руководством А.Н.Туполева было спроектировано несколько реданных торпедных катеров со скоростями хода до 50-55 уз. Однако небольшая килеватость днища и сильный разнос несущих поверхностей по длине, обеспечивавший значительную продольную устойчивость и затруднявший поэтому огибание волн, вызывали "жесткий" ход на волне с большими перегрузками, что очень ограничивало использование этих катеров.
Во второй половине 30-х гг. в Великобритании известным конструктором Скоттом Пэйном и фирмой "Воспер" были отработаны обводы остроскулых морских катеров с большой килеватостью в носу, умеренной в средней части корпуса и уменьшенной почти до нуля на транце.
В начале Второй мировой войны США получили право на постройку таких катеров, и сразу несколько фирм, в том числе "Элко" и "Хиггинс", приступили к их строительству, внося в ряде случаев в исходный проект существенные изменения. По назначению это были торпедные катера и "морские охотники". Командиром одного из торпедных катеров фирмы "Элко" был будущий президент США Д. Ф. Кеннеди.
Несколько сот катеров производства США поставлялись по ленд-лизу в СССР и участвовали в Великой Отечественной войне. В послевоенные годы, по крайней мере, один из этих катеров был обмерен, и его модель испытана в опытовом бассейне.
Аналогичные обводы широко применялись в 50-е гг. и позже на отечественных катерах (пр. 183, 205, 206 и др.). Такие же обводы были взяты за основу при постройке значительной части моделей серии БК (быстроходные катера), испытанных в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова [1]. К сожалению, максимальные числа фруда по водоизмещению моделей этой серии не превышали 4.5. Позже, в 1971 г., в этом же институте была испытана серия моделей МБК (малые быстроходные катера).
где V — скорость, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с2; D — объемное водоизмещение, м3.
Большинство из них имели такие же остроскулые обводы, как катера серии Бк, в которую, учитывая специфику мелкого судостроения, вошли модели с меньшим значением отношения длины к ширине, а максимальные исследованные числа Фруда были увеличены до 5.5-6.0.
В б0-е гг. на морских катерах широкое применение нашли обводы моногедрон — со значительной постоянной или близкой к постоянной килеватостью на большей части длины днища, на котором располагалось по несколько продольных реданов; иногда все они доходили от носа до транца, но чаще нижние реданы обрывались раньше. Выполненное в ЦНИИ фотографирование из-под воды движущихся моделей подтвердило, что наиболее эффективно работает часть редана в районе резко расходящихся в стороны брызговых струй, а дальше в корму, где растекание потока от киля к скулам очень слабое, параллельные килю глубоко погруженные реданы практически не оказывают действия: снаружи от них образуется только очень узкий жгутик воздуха, ширина которого составляет около половины ширины редана.
Следующим этапом стала экспериментальная отработка в последние годы в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова новых— существенно отличающихся от традиционных — обводов однокорпусных катеров, максимальная скорость которых соответствует Fr = 5-6, и катамаранов при Fr = 8. Для снижения сопротивления в комплексе использовался целый ряд новшеств.
Как известно, у быстроходных глиссеров из-за потери продольной устойчивости не удается обеспечить оптимальные в отношении сопротивления углы дифферента, а зависимость сопротивления от них очень сильна. Для примера на рис. 1 приведена зависимость сопротивления R, отнесенного к водоизмещению (весовому) D, от угла дифферента Y. Модель имеет обводы моногедрон с углом килеватости днища 25°. Как видно из графика, увеличение дифферента с 3.0 до 4.5° позволяет снизить сопротивление примерно на 20%, и это далеко не предел. В данном случае вследствие потери продольной устойчивости оптимальный угол дифферента, который при такой килеватости составляет около 6°, достигнут не был.
На отработанных моделях для обеспечения продольной устойчивости при близких к оптимальным углам атаки несущих поверхностей применялись специальные стабилизирующие поверхности или использовалось взаимодействие брызговых струй с элементами корпуса. Наряду с этими средствами и рядом других для снижения сопротивления на больших скоростях отрабатывались также мероприятия, позволяющие избежать излишнего дифферента и, соответственно, потери гидродинамического качества на "горбе" кривой сопротивления.
На рис. 2 приведена полученная путем испытаний в опытовом бассейне зависимость относительного сопротивления ε = R/D от числа Фруда по водоизмещению Fr для трех моделей катамаранов с новыми обводами. Углы килеватости этих моделей на основных несущих участках днища составляли 18.5, 20 и 22°. В качестве расчетной для всех трех моделей принята скорость полного хода, соответствующая Fr = 8.0. На том же графике для сравнения приведены результаты испытаний шести моделей катамаранов с традиционными обводами и меньшими углами килеватости. Как видно из графика, новые обводы на больших скоростях обеспечивают очень значительное, достигающее 28%, снижение сопротивления.
Модель 261-М однокорпусного катера с новыми обводами и углом килеватости основных несущих участков днища 22° отрабатывалась применительно к Fr = 6 (рис. 3). На этом же графике показаны для сравнения результаты испытаний модели МБК-6 из уже упомянутой серии МБК. Она выбрана благодаря современным обводам моногедрон и углу килеватости 21°, наиболее близкому к рассматриваемой модели. Кривая 1 для МБК-6 соответствует кормовой центровке, при которой потеря продольной устойчивости произошла до достижения Fr = 6; более носовая центровка позволила достичь заданного Fr = 6, но ценой увеличения сопротивления — см. кривую 2 для МБК-6. У модели катера 261-М с новыми обводами сопротивление на максимальной скорости очень значительно (на 25%) ниже, чем у модели МБК-6 (кривая 2).
На том же рисунке построена кривая для одного из лучших вариантов катамарана с новыми обводами (вариант 255-13-Е). Сравнение ее с кривой для однокорпусной модели позволяет предположить, что в целях уменьшения сопротивления переход к катамаранным обводам целесообразен при Fr ~ 7, но с учетом большего веса корпуса катамарана при несколько увеличенном числе Фруда.
У очень быстроходных (Fr > 10) однокорпусных катеров с большим углом килеватости вследствие малой ширины действующей ватерлинии сложно обеспечить боковую устойчивость. Это обстоятельство, а также возможность использовать для снижения сопротивления и уменьшения перегрузок аэродинамическую силу поддержания в 70-е гг привели к широкому распространению катамаранов, которые в морских гонках (оффшорный класс) практически полностью вытеснили однокорпусные катера.
Гоночные морские катамараны обычно имеют на каждом корпусе по несколько продольных реданов, а в кормовой части корпуса — два очень невысоких поперечных редана с глубокими желобами за ними для проникновения воздуха в зареданную часть днища. Аналогичные обводы имеют и многие однокорпусные катера.
Цель создания таких обводов, по-видимому, в том, чтобы увеличить и тем самым приблизить к оптимальному угол атаки элементов днища, сохранив продольную устойчивость за счет разноса этих элементов на длине и благодаря реданам свести к минимуму смоченную поверхность.
Таким образом, вследствие возврата к поперечным реданам, правда сильно изменившимся, увеличению килеватости днища и уменьшению по сравнению с прежними реданными катерами разносу несущих поверхностей, а также эффективному использованию аэродинамических сил поддержания катамаранам удалось обеспечить несравненно лучшие мореходные качества.
Литература
- М.М.Буньков. Расчет сопротивления остроскулых катеров// "КиЯ", 1969, №19.
- Он же. Исследование сопротивления глиссирующих корпусов// "КиЯ", 1974, №48.