Вітрильний катамаран на підводних крилах «Андромеда» (Проекти
Яхти 1980 року. Якими вони будуть? Над цим все частіше замислюються конструктори та інженери. І хоча нещодавно яхтсмени відзначили вже 250-річчя від дня створення перших яхт-клубів та століття перших океанських перегонів, по-справжньому конструкція та вітрильне озброєння яхт почали розвиватися лише останні 50 років. Цей розвиток справедливо пов'язують із появою перших літаків та вдосконаленням теорії авіаційного крила. Зараз уже ніхто не береться заперечувати спільність гідроаеромеханіки яхти та аеродинаміки літака, і саме на цій спільності будують свої нові проекти яхтові конструктори.
Справді, досить подивитися на яхтові вітрила, які дедалі більше наближаються до профілю крила літака. А на буерах жорсткі вітрила-крила вже міцно увійшли до життя. Такі ж зміни можна помітити і в підводній частині яхтових корпусів - кіль на сучасних яхтах відокремився від керма і також став ефективним крилом, забезпеченим навіть елероном. крилом, керма - з хвостовим стабілізатором.
Досі принцип крила використовувався на яхтах для створення рушійної сили (вітрило) та протидії дрейфу (кіль). Але тепер конструктори намагаються зробити так, щоб ті ж крила допомогли різко збільшити швидкість яхт. А це можливо в тому випадку, якщо вдасться підняти корпус судна з води в повітря, позбавитися великої змоченої поверхні. Тоді енергія вітру, що витрачалася раніше на подолання тертя корпусу про воду та створення марних хвиль, звільниться і буде повністю використана для розвитку дедалі більшої швидкості.
Отже, знову союзником архітектора стає підводне крило. Тільки тепервоно працює не в горизонтальній площині, як кіль, протидіючи дрейфу, а у вертикальній — піднімаючи корпус над водою. Більше того, вже вдається поєднати обидві функції в одному і тому ж підводному крилі, позбутися важкого фальшкіля.
Не можна не віддати належне Ю. Чабану, І. Матвєєву та їх товаришам з ЦКЛ по судах на підводних крилах, які вперше в нішій країні побудували вітрильне судно на підводних крилах і отримали обнадійливі результати. Хочеться побажати їм подальших успіхів та досягнення найближчими роками 40 вузлів — заповітного рубежу швидкості під вітрилами на воді.
Здається парадоксальним, що під вітрилами можна ходити зі швидкістю, що перевищує швидкість вітру. Однак, це так. І якщо до останнього часу обганяти вітер вважалося привілеєм льодових яхт — буєрів, то тепер це роблять і плаваючі яхти, правда не звичайні, а наприклад, поставлені на підводні крила.
Влітку 1967 р. багато горьківчан із подивом спостерігали за тим, як невелика яхта під вітрилом із завидною швидкістю перетинала рейд, обганяючи теплоходи. Незвичайне судно, що незмінно викликало великий інтерес і речників, і особливо яхтсменів, було першим у нашій країні вітрильним катамараном на підводних крилах «Андромеда».
Основні дані катамарану
| Найбільша довжина, м | 5,75 |
| Довжина КВЛ, м | 5,30 |
| Ширина по палубі, м | 2,60 |
| Ширина корпусу КВЛ, м | 0.56 |
| Опад корпусу, м | 0,19 |
| Вага судна у зборі, кг | 180 |
Площа парусності катамарану (рис. 1) 25 м 2 (грот - 19,5 і стаксель - 5,5). Корпуси судна мали гострі обводи в носі і майже плоске днище в кормі. Кожен корпус був розділений водонепроникними перегородками на три відсіки.
Як матеріали для виготовлення обшивки, набору та двотаврових балок сполучного мосту застосовані легкі сплави Д16 та АМг-61, причому всі з'єднання виконані клепаними. Шпангоути виготовлені з куточка 15X15X1, поздовжні зв'язки - з куточка 20X20X1,5. Товщина обшивки 0,8 мм.
Посередині моста розміщений поворотний шверт (також з легкого сплаву) симетричного профілю із відносною товщиною 9%. Відносна товщина кермів, навішених на корпуси, становила 5%.
Крильовий пристрій
Аналіз таких властивих катамарану якостей, як значна початкова стійкість та можливість несення великої площі парусності наводить на думку, що при використанні на такому судні підводних крил можна досягти ще більшого збільшення швидкості.
Виходячи із загальних методів проектування крильових систем [1] і, зрозуміло, з урахуванням специфіки вітрильного рушія, для катамарана були розраховані та сконструйовані носова та кормова крильові системи, основні елементи яких наведені у таблиці. Крильові пристрої виконані звареними: носовий - з алюмінієво-магнієвого сплаву, кормовий - з нержавіючої сталі. Стійки крил на палубі закріплені на осях, а в районі вилиці встановлені спеціальні клямки, що дозволяло за потреби (наприклад, при підході до берега) піднімати крила з води.
Крильова схемаспроектована з умови забезпечення сталого руху судна на швидкостях до 50 км/год і характеризується такими значеннями гідродинамічної якості: максимальним K=13,5 та в момент виходу на крила K=8,8.
Гідроаеродинамічні розрахунки
Очевидно, що основна відмінність парусного судна на підводних крилах від звичайного полягає в тому, що тяга рушія є величиною змінною, оскільки робота вітрила залежить від напряму та сили вітру; крім того, необхідно враховувати дію сили дрейфу. Прийнявши для спрощення розглянутої задачі припущення про небагато кутів дрейфу і крену, проаналізуємо тягові можливості парусного озброєння катамарана, визначивши тим самим доцільні межі використання на ньому підводних крил.
Відомі з аеродинаміки співвідношення [2], [3] дозволяють виразити силу тяги Т та дрейфу D через підйомну силу Y та силу аеродинамічного опору X вітрила (рис. 2) наступними залежностями:
де Су, Сх - коефіцієнти підйомної сили та опору; СT, СD - коефіцієнти сили тяги та дрейфу; ρ - масова щільність повітря; S — площа вітрила (позначення решти величин показано на рис. 2).
Розглядаючи швидкісний трикутник, сторонами якого є швидкість вимпельного вітру V швидкість істинного вітру V і швидкість руху судна V, напишемо рівняння зв'язку швидкостей:
звідки неважко отримати залежності для визначення напрямку та величини вимпельного вітру:
Графічно залежність відносної швидкості вимпельного вітру від відносної швидкості руху та курсового кута істинного вітру, яка визначається цими виразами, представлена на рис. 3.
Сукупність рівнянь (1)-(5) при відомих аеродинамічних характеристиках вітрильногоозброєння дозволяє обчислити сили тяги та дрейфу для будь-яких заданих значень V та q.
Аеродинамічні характеристики парусного озброєння катамарану прийняті за даними [4]. Для ілюстрації проведемо розрахунок сил тяги та дрейфу, що розвиваються вітрильним озброєнням катамарану при V=1; q=90° та VІ=4,5 м/сек (сила вітру 3 бали).
1. Курсовий кут вимпельного вітру:
2. Швидкості вимпельного вітру:
3. Визначення коефіцієнтів сил тяги та дрейфу СT та CD при відомому значенні α+γ проводиться по полярах вітрил графічним способом (рис. 4). Після відповідної побудови при α+γ=45° отримаємо: для стакселя СТст=0,87; CDст = 1.20; для гроту СТгр = 0,74; CDrp = 1,03.
4. Значення аеродинамічних сил:
Викладеним способом були проведені розрахунки сил тяги та дрейфу в діапазоні курсових кутів від 30° до 150° (через кожні 30°) та для відносних швидкостей 0,5-2,0. За отриманими результатами побудовано графіки (рис. 5 та 6).
З отриманих залежностей можна бачити, що в діапазоні ходових курсових кутів (стосовно вітру) зі зростанням швидкості руху тяга вітрила зростає, але одночасно і ще більшою мірою збільшується сила дрейфу. Очевидно, можливість руху катамарану з будь-якою заданою швидкістю V при курсовому вугіллі q визначається умовою, щоб опір руху не перевищував величини тяги, але одночасно необхідно забезпечити і стійкість судна.
Зіставляючи (див. рис. 5) залежності тяги і опору руху (складеного з буксирувального опору та поправок на вплив дрейфу і хвилювання), можна зробити висновок, що вже при вітрі 3 бали тягові можливості вітрильного озброєння дозволяють, але тільки при q=90 °, - подолати горб опору та забезпечити рух на крилах. При вітрі ж 4 і5 балів діапазон курсових кутів, які забезпечують вихід крила, значно збільшується.
При розрахунку аеродинамічних сил вважалося, що судно виходить на крила та рухається у криловому режимі без крену. Припускаючи, що крен 3—5° не істотно впливає на аеродинамічні характеристики парусного озброєння, можна орієнтовно вважати, що відновлюючий момент крильової системи (135 кгм при крені θ=3° і V=11 м/сек) і момент, що створюється екіпажем. , здатні компенсувати момент, що кренить, від сили дрейфу D=120 кг. Тоді рис 6 можна знайти граничні швидкості руху катамарана. Так, при вітрі силою 3 бали він може йти більш ніж удвічі швидше за вітер. При 4 балах гранична швидкість катамарану буде в 1,6 і при 5 балах приблизно в 1,5 рази вище за швидкість вітру; це відповідає швидкості руху 35-45 км/година!
Таким чином, підвищення швидкостей обмежують не тягові можливості вітрил, а можливості протидії моменту, що хрещує, від сил дрейфу.
Наявність значного запасу по тягах виправдовує прийняті нами спрощення при оцінці додаткових складових опору, зумовлених впливом дрейфу та крену, а головне — дозволить на високих швидкостях ходу нести вітрила з дещо розтравленими шкотами, що хоч і не забезпечить оптимального співвідношення сил тяги та дрейфу. зменшить момент, що хрещує.
Випробування катамарану та деякі висновки
Насамперед слід зазначити, що експлуатація нашого катамарану була недовгою. По суті, це були пробні виходи. Пожежа на водній станції, де стояла «Андромеда», перервала експерименти.
Під час перших виходів уточнювалися настановні кути атаки крил. При вітрі 1,5-2 бали катамаран виходив лише на носові крила; при вітрі 3-4бала вже вдавалося йти з повним відривом корпусу від води. Швидкісні можливості катамарану ми встигли оцінити лише на порівняльних випробуваннях під час паралельних курсів з катером КС. Під час руху на крилах у бакштаг катамарану вдавалося обганяти катер; це дозволяє вважати, що було досягнуто швидкість трохи більше 40 км/год. Додамо, що при цьому катамаран йшов майже без крену.
При приведенні судна до вітру, тобто зменшенні курсових кутів, моменти, що кренять, значно зростали, а поява крену призводила до зриву крильового режиму. Слід зазначити, що носові крила значною мірою стабілізували рух на хвилюванні. Катамаран навіть у частковому криловому режимі проходив хвилі без різких ударів та заривань. У водоіміщувальному стані катамаран керувався нормально, але при ході на крилах керованість дещо погіршувалась.
Таким чином, кілька пробних виходів катамарану підтвердили доцільність використання підводних крил для досягнення високих швидкостей руху на вітрильному судні. Однак, як випливає зі зіставлення сил тяги, дрейфу та опору, якісно підтвердженого випробуваннями, рух катамарану на крилах було можливим лише у певному діапазоні курсових кутів по відношенню до вітру.
Остання обставина дозволяє зробити по суті дуже простий, але важливий у практичному відношенні висновок: крильові пристрої вітрильних яхт обов'язково повинні бути легко забираються - поворотними або знімними. Тоді на лавіруванні або плаванні при слабкому вітрі яхта з піднятими крилами практично не відставатиме від звичайних яхт, а на сприятливих курсах рух у криловому режимі забезпечить їй значну перевагу у швидкості.
Застосування підводних крил на двокорпусному суднівидається нам більш перспективним, ніж при дослідах, що мали раніше, з однокорпусними яхтами. Розташування крил на рознесених корпусах катамарану забезпечує значний відновлюючий момент при крені; для досягнення цієї ж мети на однокорпусному судні крила доводиться розносити бортами на спеціальних консолях, що ускладнює і ускладнює конструкцію. На катамарані простіше (у конструктивному відношенні) вирішується завдання підйому крил; більш ефективно використовується вага екіпажу і корпусу з метою створення моменту, що відкренює.