Как заставить глиссировать тяжелую моторную яхту

С точки зрения проектировщика, создание современной моторной яхты с возможностями экспедиционного судна - это достаточно сложная и противоречивая проблема. Использование такого судна в первом качестве требует обеспечения комфорта, проработанных до мелочей интерьеров и, конечно, скорости. Крайне необходим режим глиссирования, особенно для краткосрочных выходов с четко регламентированным временным графиком. Для второй ипостаси такой яхты гораздо важнее автономность и дальность плавания без дополнительных бункеровок. Кроме того, экспедиционное судно начинает претендовать на «всепогодность», поэтому такие параметры, как устойчивость на курсе и повышенная остойчивость, в том числе и на циркуляциях на полном ходу, являются очень существенными. Если проблема с водой решается установкой опреснителя, то топливо надо возить с собой в полном объеме. Повышенная остойчивость требует достаточной ширины, резко увеличивающей сопротивление движению. На первый взгляд - замкнутый круг: или избыточная мощность двигателей и дальнейшее увеличение запасов топлива, или отказ от глиссирования вообще.

Основные данные моторной яхты «Whaller»

Длина наибольшая, м	16.30
Ширина, м	4.8
Осадка, м	1.33
Высота борта, м	2.68
Водоизмещение, т	26.7
Материал корпуса	Легкий сплав АМг6, АМг61
Макс. скорость, уз	29
Объем, л:
- топливных танков	2100
- водяных танков	300
Производительность опреснительной установки, л/ч	75-100
Дальность плавания по запасам топлива, морск. мили	1000
Мощность двигателей, л.с.	2х715
Проектант	Дизайн-группа «АЛА»
Строитель	Яхт. верфь «Навигаль»

Такое противоречие возникло и при создании моторной яхты «Whaller» (проект НКИ 108). Разрешить его удалось не совсем обычным для прогулочного судостроения способом.



Теория гидродинамической разгрузки разработана давно, но применяется в основном в военном кораблестроении. Физика явления проста. Подводное крыло, расположенное в центре тяжести судна, способно создать подъемную силу, компенсирующую избыточное водоизмещение, и тем самым облегчить выход на режим глиссирования. Практическое воплощение этого принципа гораздо сложнее. Существует целый ряд проблем, которые должны быть решены достаточно корректно.

1. В процессе эксплуатации судна положение центра тяжести (ЦТ) изменяется по длине. Расходуются топливо, вода, изменяется полезная нагрузка - как по величине, так и по расположению в пределах длины судна. Если при каком-либо реальном варианте нагрузки точка приложения подъемной силы разгрузочного крыла будет расположена в корму от ЦТ, то дельфинирование неизбежно. Значительное опережение точки приложения подъемной силы относительно ЦТ будет приводить к существенному увеличению сопротивления за счет дополнительного кормового дифферента. Поэтому абсолютно необходимыми являются контроль фактического расположения ЦТ по длине судна и прогноз его изменения при всевозможных вариантах нагрузки. Точнее всего это можно осуществить контрольным взвешиванием с применением траверсы и двух динамометров или контрольной постановкой судна на воду с замером фактической посадки. В результате по данным замеров и прогноза (перебор возможных вариантов с расчетами положения ЦТ) получаем возможные крайние носовое и кормовое положения ЦТ. Положение по длине центра площади подводного крыла в плане должно соответствовать крайнему носовому положению ЦТ.



2. Должны применяться профили .крыла и стойки, эффективно работающие вблизи поверхности воды, а кроме того, эти профили должны успешно бороться с кавитационными процессами, т.е. быть суперкавитирующими. По рекомендации старшего научного сотрудника Института гидромеханики НАН Украины В. Мороза для крыла «Whaller» был применен профиль Вальхнера №11 (рис. 1), а для стоек - суперкавитирующий симметричный профиль с уступом на входящей кромке, наиболее просто обеспечивающий режим вентиляции поверхности в широком диапазоне скоростей хода (рис. 2).

3. Геометрия разгрузочных крыльев должна обеспечивать минимальный ущерб в случае столкновения с плавающими и полузатонувшими предметами и наездами на браконьерские сети. Наиболее просто эта задача решается за счет скоса входящих кромок крыла и стойки в корму судна (рис. 3).

При задании геометрии крыльевой системы необходимо учитывать ходовой дифферент судна. Для данного судна он составляет 1.5° в корму, поэтому крыло установлено с 1.5-градусным отрицательным углом.

Крыло не должно выходить за габариты выступающих частей корпуса - таких, например, как килевой плавник, иначе в реальной эксплуатации оно становится слишком уязвимым. Дополнительно следует учитывать необходимость введения в конструкцию крыльевой системы «слабых» элементов, находящихся за пределами корпуса судна. Проще говоря, при столкновении с препятствием крылья должны ломаться за пределами корпусных конструкций. В нашем случае это было достигнуто за счет уменьшенного сечения стойки у входа в корпус и сечения крыла у пятки, а также двух монтажных сварных швов у пятки и на стойке.



4. Размеры подводных крыльев определяются прежде всего потребной подъемной силой. Для крыльевой системы «Whaller» ставилась задача обеспечить максимальную разгрузку подъемной силой 5.6 т на скорости 32 уз. Данная подъемная сила для профиля Вальхнера №11 при качестве крыла (отношении подъемной силы к сопротивлению), равном 17, обеспечивается крыльевой системой, состоящей из двух подводных крыльев с хордой 430 мм и длиной 950 мм каждое. Подъемная сила крыла рассчитывалась с применением стандартных расчетных процедур гидромеханики. Для рассматриваемой крыльевой системы зависимость подъемной силы и дополнительного сопротивления показана на рис. 4.

5. При выборе размеров разгрузочных крыльев следует помнить о существующих ограничениях - прежде всего прочности крыльевой системы. Применение конкретного профиля для крыльев и стоек при назначении величины хорды задает толщину профиля и его сечение. Таким образом, максимально возможная длина крыла определяется прочностными характеристиками материала крыльевой системы. Прочность системы проверяется на действие равномерно распределенной по длине крыла подъемной силы (сопротивлением крыльев и стоек можно пренебречь). Для расчета прочности лучше всего использовать стандартные программы расчета методом конечных элементов, но достаточно достоверные результаты можно получить и с использованием обычной стержневой модели. Для данной конфигурации системы крыло необходимо считать на продольный изгиб в вертикальной плоскости с учетом жесткого защемления у ДП и свободного опирания у стойки. Стойка рассчитывается на устойчивость с учетом жесткого защемления в корпусе.



Ходовые испытания, проведенные до и после установки разгрузочной системы, показали, что первоначальные концепции, заложенные в проект, реализованы полностью. Судно абсолютно устойчиво на курсе даже при боковой волне. Циркуляция на полном ходу не вызывает заметного крена. Поворотливость и маневренность позволяют проводить швартовные операции в очень стесненных условиях.

На рис. 5 показаны зависимости скорости хода от оборотов двигателей для трех вариантов испытаний. Приводим фото, иллюстрирующие движение яхты на полном ходу (рис. 6). Испытания проводились с «тяжелыми» винтами, и номинальные режимы работы двигателей (2300 об/мин) достигнуты не были. Согласно прогнозу фирмы-изготовителя винтов «BT Marin», сделанному на основе имеющихся результатов испытаний для заказанных новых винтов при тех же водоизмещениях 25.5 и 26.7 т - расчетные значения максимальной скорости с учетом разгрузки составляют 29 и 27.5 уз.

Мы нисколько не сомневаемся, что задачи подобного характера будут возникать при создании моторных яхт все чаще и чаще. Стремление разместить на современной яхте все, что облегчает жизнь и радует душу, не преодолеть. Но выход есть. Компромисс между водоизмещающим и глиссирующим режимами движения, достигнутый на этом судне, служит тому подтверждением.