Судно на підводних крилах
Судно на підводних крилах(СПК) — тип швидкісного судна з динамічним принципом підтримки, у якого під корпусом розташовані підводні крила, що створюють підйомну силу і частково або повністю піднімають корпус судна над поверхнею води, що призводить до значного зменшення опору руху і дозволяє розвивати швидкість, недосяжну для традиційних судин.
Зміст
На стоянці і при прямуванні з малою швидкістю судно на підводних крилах утримується на воді за рахунок сили Архімеда, як і звичайне судно, що водовипромінює. На високій швидкості рахунок створюваної цими крилами підйомної сили судно піднімається над водою. При цьому значно зменшується площа контакту з водою, і, отже, гідродинамічний і лобовий опір води, що дозволяє розвивати більш високу швидкість.
Для СПК економічно доцільна швидкість руху обмежена величиною близько 100 км/год (у сучасних СПК військового призначення швидкість обмежена 180 км/год). Таке обмеження викликане проблемою кавітації підводного крила (кипіння води внаслідок зниження тиску в зоні обтікання крила), що різко знижує його гідродинамічні характеристики. І хоча на створених під керівництвом Р. Є. Алексєєва суднах на малозанурених підводних крилах вдалося досягти швидкостей до 140 км/год при безкавітаційному обтіканні крила, СПК виявилися малоперспективними для подальшого підвищення швидкості.
Переваги і недоліки
Існує два типи підводних крил -частково занурене крило(або U-подібне крило) іповністю занурене крило(крило у формі перевернутогоТ).
Судна з повністю зануреними крилами менш схильні до качки від хвиль, тому вони більшстабільні та комфортні, особливо при використанні на морі. Однак повністю занурені крила вимагають постійного керування, тому вони почали широко використовуватися з появою комп'ютерів. Зрозуміло, такі комп'ютери мають бути дуже надійними, оскільки у разі їхньої відмови судно впаде на воду і може навіть перевернутися.
Судна з повністю зануреними крилами з'явилися порівняно недавно, до цього використовувалися судна з U-подібними крилами, які не потребують постійного керування.
Зазвичай судна на підводних крилах мають два крила, які можуть бути по-різному розташовані відносно один одного та корпусу судна.
- При так званому літаковому компонуванні головне (більше) крило розташоване перед центром тяжкості судна, менше крило розташоване ззаду.
- У схемі "качка" менше крило розташоване перед основним крилом.
- У тандемній схемі обидва крила мають однакову площу і розташовуються спереду та ззаду від центру тяжіння, на рівній від нього відстані.
Літакна схема та схема «качка» використовуються на малих судах, тандемне компонування — на більших.
Управління підводними крилами здійснюється двома способами: шляхом зміни кута атаки (при цьому повертається все крило) або за допомогою закрилків.
Двигун та рушій
Як двигун на суднах з підводними крилами використовується або дизель (у такому разі вони є теплоходами) або газотурбінний двигун (у такому випадку вони є газотурбоходами).
Існує експериментальний корабель на підводних крилах з вітрильним двигуном Hydroptère [1]
Як рушій може використовуватися гребний гвинт або водометний рушій. На високих швидкостях ККД водомета вище за ККД гребного гвинта, особливо нашвидкості понад 100 вузлів [2] . Гребний гвинт з'єднується з двигуном за допомогою редуктора.
Поява суден на підводних крилах
Перші спроби створити судно на підводних крилах робилися ще наприкінці ХІХ століття. 1897 року український підданий Шарль де Ламбер, який жив у Франції, побудував і випробував на Сені невелике судно на підводних крилах. Однак потужності парової машини, яка використовувалася на цьому судні як двигун, не вистачило для розвитку швидкості, необхідної для того, щоб корпус судна піднявся над водою [3] .
Успішнішими були досвіди італійського винахідника Енріко Форланіні. Він проводив експерименти з моделями суден на підводних крилах із 1898 року. У 1906 році створене ним повнорозмірне експериментальне судно в ході випробувань на озері Лаго-Мажоре досягло швидкості 68 км/год (42,5 милі/година). Цей катер мав багатоярусні крила на зразок етажерки.
У період між 1873 та 1914 роками британський кораблебудівник Торнікрофт (англ.) працював над серією моделей суден на підводних крилах. Ці моделі мали лише одне підводне крило у носовій частині реданого корпусу. У 1909 році його компанія побудувала повнорозмірне судно завдовжки 22 фути, що отримало назву Miranda III . Воно наводилося в рух двигуном потужністю 60 л. с. Як і моделі, це судно мало тільки одне носове підводне крило та корпус не піднімався повністю із води. Під час руху судно спиралося на носове крило та плоску частину днища біля корми. ПісляMiranda IIIбуло побудовано судноMiranda IV, яке розвивало швидкість до 35 вузлів.
У 1930-х — 1940-х роках у Німеччині працював видатний фахівець із СВК Ганнс фон Шертель (Baron Hanns von Schertel). У 1944 році він побудував судно з водотоннажністю 80 тонн. Маючи на борту вантажв 20 тонн, воно розвивало швидкість до 40 вузлів (близько 74 км/год) при висоті хвиль в 1,8 м. Після війни співробітники його конструкторського бюро були вивезені до СРСР, але сам Шертель зумів перебратися до Швейцарії, де заснував компанію « Supramar».
У 1952 «Супрамар» збудував перше у світі комерційне судно на підводних крилах. Воно отримало позначення PT 10 та назву Freccia d’Oro. Це судно здійснювало рейси озером Лаго-Мажоре між Локарно (Швейцарія) та Стресою (Італія). Це судно мало частково занурені крила, брало на борт 32 пасажири і розвивало швидкість 35 вузлів. Комерційна експлуатація розпочалася 15 травня 1953 року. Це судно мало досить скромні розміри: довжина становила 14,2 метра, водотоннажність — близько десяти тонн. Корпус був дерев'яний. Судно приводилося в дію дизельним двигуном Daimler Benz type MB 507 потужністю 800 л. с.
Першим у світі пасажирським судном на підводних крилах, що пішли в серію, став тип PT 20. З 1950-х років ці судна будувалися за ліцензією "Супрамар" фірмою Rodriquez. Rodriquez розпочала будівництво PT 20 у 1955 році. Перший PT 20 вступив у дію 1956 року. Це судно, що отримало назву Frecia del Sole, використовувалося як пором через Мессинскую протоку. Воно стало першим судном на підводних крилах, яке отримало дозвіл на використання в морі. PT 20 мав водотоннажність у 32 тонни, брав на борт 72 пасажири та розвивав швидкість у 35 вузлів.
З 1953 по 1971 Супрамаром була розроблена ціла серія суден на підводних крилах: PT 20, PT 50, PT 75, PT 100 і PT 150. За винятком PT 150, всі вони ставилися до судів з частково зануреним крилом. Загалом було збудовано понад двісті суден, розроблених «Супрамаром», переважно їх за ліцензією будувала фірма Rodriquez в Італії. Також деякекількість таких судів було збудовано «Хітачі» в Японії.
радянський Союз
У Радянському Союзі експериментальні роботи з суден на підводних крилах розпочалися з 1933 року. Інженери ЦАГІ Фролов В. Г. та Володимиров А. Н. провели перші дослідження підводних крил у гідроканалі ЦАГІ, перша самохідна модель СПК масою 300 кг. з двигуном потужністю 10 кВт розвинула на крилах швидкість 32 км/год, одночасно вчені Келдиш М. В., Кочин Н. Є., Лаврентьєв М. А., Сєдов Л. І. та Л. Н. Стрітенський виконали перші фундаментальні теоретичні дослідження гідродинаміки крила поблизу водної поверхні, роботи були перекладені багатьма мовами.
У 1937 і 1941 роках в ЦАГІ випробовувалися катери з керованими глибокозануреними крилами системи Епштейна Л. А.. При масі 1,3 тонни та потужності 96 кВт катер з повітряним гвинтом розвинув швидкість 100 км/год. У післявоєнний період 1946-47 років у ЦАГІ вивчалися катери з V-подібними крилами системи Шретеля [4] .
Найбільших практичних успіхів досяг молодий випускник Горьківського індустріального (політехнічного) інституту Ростислав Алексєєв, який у 1941 році розпочав трудову діяльність на заводі «Червоне Сормово» контрольним майстром з приймання танків Т-34. Багато в чому завдяки власній ініціативі та підтримці з боку керівництва, у складні дні війни йому вдалося організувати конструкторське бюро з розробки суден на підводних крилах, яке згодом стало провідним КБ країни з швидкісних суден та екранопланів.
Успіхи Ганса Шретеля та фірми «Супрамар» середини 1950-х років сколихнули в СРСР інтерес до пасажирських СПК. В 1955 КБ Алексєєва (філія ЦКБ-19) відвідує міністр річкового флоту Шашков З. А. і уражається побаченим. На подальшому розширеному засіданні парткому заводу розглядається, затверджується тарекомендується для будівництва ескізний проект першого пасажирського теплохода на підводних крилах. З 1956 починається проектування а потім і будівництво, яке фінансує Міністерство річкового флоту [5] .
У поодиноких екземплярах у 1960-ті роки були побудовані експериментальні СВК «Стріла-1» (перше в Радянському Союзі морське пасажирське СПК, 1961), «Стріла-2» (1962), «Стріла-3» (1963), «Буревісник» (1964), "Чайка", "Супутник" (1961), "Вихор".
Майже на всіх радянських пасажирських СПК застосовувалися малозавантажені крила, що самостабілізуються, які добре працювали на річкових, озерних і морських прибережних лініях при обмеженні по мореплавності до 3-4 балів. Єдине морське пасажирське СПК з автоматично керованими глибокозануреними крилами проекту 1233 «Тайфун» було розроблено у 1969 році в КБ «Алмаз» і перебувало в дослідній експлуатації близько року. Незважаючи на досягнуті переваги в мореплавстві та рекордно високу швидкість, цей напрямок не отримав розвитку через значно зрослі витрати на будівництво та експлуатацію подібних систем.
Для служб судового нагляду та рятувальних станцій у СРСР випускалися катери на підводних крилах «Волга» та «Москва».
Будувалися в Радянському Союзі та судна на підводних крилах військового призначення.
- На початку 1950-х років 8 торпедних катерів проекту К123К були обладнані носовими підводними крилами конструкції Алексєєва Р. Є.
- У 1956 році на феодосійському суднобудівному заводі «Море» збудовано досконаліший торпедний катер проекту 184 з носовим підводним крилом.
- У 1963—1967 роках збудовано серію з 16 сторожових катерів на підводних крилах проекту 125А.
- З 1971 по 1976 рік для ВМФ СРСР побудовано 24 торпедні катери проекту 206-М"Шторм".
- Також з 1978 по 1985 рік на Владивостокському ССЗ на замовлення урядів В'єтнаму, Куби, Ефіопії та інших країн побудували 16 катерів за проектом 206МЕ, разом для В'єтнаму було відправлено 5 катерів, для Камбоджі та Ефіопії - 2, для Куби - 9 для Сейшельських островів
Більшість радянських суден на підводних крилах було розроблено у Центральному конструкторському бюро з суден на підводних крилах та дослідному заводі «Волга» під керівництвом видатного інженера Ростислава Алексєєва. Незважаючи на те, що в СРСР виробництво СПК було розгорнуте пізніше за всіх, їх випуск був найбільш масовим, зокрема, Boeing Marine Systems зумів побудувати близько 40 СПК, швейцарський Supramar — близько 150, а СРСР — понад 1300. Радянські пасажирські СПК вирізнялися високими техніками. -економічними показниками, собівартість пасажир-кілометра в 1964 році склала 1,38 копійки, а ціна квитка і час поїздки були меншими, ніж на аналогічних автобусних маршрутах [6] , завдяки цьому вони стали важливим експортним товаром, що продавався по всьому світу, журнал « Популярна механіка» висловив думку, що в сучасному світі за слова «судна на підводних крилах» (англ. Hydrofoil Boats) в першу чергу представляють моделі радянського виробництва [7] .
Пострадянські країни
Зникнення СРСР збіглося зі світовим падінням інтересу до СПК, викликаним зростанням цін на енергоносії та пов'язаним із цим погіршенням рентабельності подібних судів. У 1993 році в Криму було випущено два судна проекту «Олімпія» [7] і ще два було закладено в 2002 році (станом на 2015 рік готовність 70%).
Міністерство Промисловості та Торгівлі також заявило про готовність профінансувати будівництво нового швидкісного судна на підводних крилах «Циклон» пасажиромісткістю 300 осіб для Далекого Сходу та Балтійського Моря. У лінійці проектів судів на підводних крилах, розроблених ЦКЛ ім. Алексєєва, є газотурбохід "Циклон 250М", розрахований на перевезення 250 пасажирів [16] .