Как уже говорилось, при относительных скоростях выше 1,2 (Fr, >1,2)
заметной величины достигает гидродинамическое давление на днище,
уравновешивающее часть или даже весь вес судна. Судно, имеющее
рассчитанные на этот режим движения обводы, всплывает и скользит по
поверхности воды. На преодоление сил сопротивления воды при этом
затрачивается значительно меньше энергии, чем у судна водоизмещающего
типа.
Идеальный для рассмотрения основ глиссирования пример - водные лыжи. Их
плавучести недостаточно, чтобы поддерживать спортсмена на воде, зато на
ходу они обеспечивают это вполне.
Рис. 12. Схема сил, действующих на глиссирующую
поверхность лыжи. а - угол атаки; R - результирующая гидродинамического
давления на поверхность лыжи; А - подъемная сила, воспринимающая вес; W
- сила сопротивления воды движению вперед; р - гидродинамическое
давление.
Взглянем на лыжу сбоку (рис. 12). Вода, ударяясь о нее, разделяется
на два потока. Основной из них перемещается к заднему концу лыжи;
другой, в виде тонкой пелены брызг, отбрасывается вперед, как бы
прилипая к поверхности лыжи. В точке С, где потоки разделяются и вода
встречается с лыжей под прямым углом, вся энергия набегающего на
поверхность лыжи потока превращается в гидродинамическое давление - в
скоростной напор. Из физики известно, что давление на пластину,
поставленную перпендикулярно потоку, пропорционально квадрату скорости v
и массовой плотности воды р, т. е.
p=1/2*pv2, где р = 102 кг-см2/м4;
v-м/сек.
Часть воды, движущаяся назад, приобретает все большую скорость, а
давление на поверхность лыжи соответственно падает. На кормовом срезе
лыжи давление становится равным нулю. Распределение давления по длине
лыжи зависит от угла атаки а (рис. 13): при его увеличении
равнодействующая сил давления смещается к задней кромке лыжи, и
наоборот. Поперек лыжи давление убывает незначительно, а на самых
боковых кромках резко падает до атмосферного. Вода из-под лыжи
выбивается здесь в виде сильных поперечных струй.
Точно так же действуют гидродинамические силы и на днище глиссирующего
судна. Существует связь между подъемной силой А, скоростью v, весом
(весовым водоизмещением) катера D, шириной рабочего участка днища В и
его углом атаки а.
Упрощенно эту зависимость можно представить следующим образом.
Рис. 13. Распределение гидродинамического
давления по длине лыжи в зависимости от угла атаки а.
Рис. 14. Характерные режимы движения и обводы
катеров. 1 - режим плавания (круглоскулые
обводы); II - переходный режим (круглоскулые обводы с плоским
глиссирующим днищем у транца или остроскулые); III - режим глиссирования
(остро-скулые обводы с умеренной килеватостью днища в корме); IV - режим
глиссирования (остроскулые килеватые обводы; при Fr D > 5 > <глубокое V>
в сочетании с продольными реданами).
Чем больше судно, т. е. чем оно тяжелее, тем большая подъемная сила
требуется, чтобы вытолкнуть его на глиссирование. Значение подъемной
силы А глиссирующего судна практически должно быть равно его весу D
(если не учитывать составляющей, в данном случае незначительной,
которая, согласно закону Архимеда, равна весу вытесненной судном воды).
Подъемная сила создается за счет скоростного напора, следовательно,
можно считать ее пропорциональной квадрату скорости. Понятно, что чем
большая площадь подвергается воздействию скоростного напора, тем выше
суммарное давление на днище судна. В расчетах же обычно учитывают не
площадь днища, смоченная длина которого у глиссирующего судна
непостоянна, а квадрат его ширины.
С увеличением в определенных пределах угла набегания потока воды на
днище (угла атаки а) результирующая гидродинамического давления R и
подъемная сила А также возрастают.
Относительную скорость глиссеров конструкторы выражают уже не через
длину судна, а через его водоизмещение:
где о - скорость судна, м/сек; g - 9,81 - ускорение силы тяжести,
м/сек2; D - водоизмещение, т.
Если относительная скорость судна FrD = = 3, то можно говорить, что оно
глиссирует (рис. 14, сопротивление W уменьшилось).
Для характеристики подъемной силы пользуются коэффициентом динамической
нагрузки
где В - ширина рабочего участка днища.
У прогулочных моторных лодок с днищем малой килеватости этот коэффициент
обычно равен 0,03-0,08, но оптимальные его значения (0,10ч-0,15) могут
быть достигнуты на легких гоночных судах, обладающих высокой скоростью
хода и сравнительно небольшой шириной днища.
И, наконец, еще один коэффициент, связывающий вес судна с сопротивлением
воды его движению, - коэффициент глиссирования е = = W/D, называемый
иногда обратным гидродинамическим качеством судна. Чем ниже этот
коэффициент, тем меньшая мощность двигателя требуется для того, чтобы
вывести на глиссирование судно данного веса. Для большинства малых
катеров и лодок с подвесными моторами е = 0,18 4-0,25.
Минимальным коэффициентом глиссирования обладает судно с совершенно
плоским днищем в сочетании с острой скулой. На нем развивается
наибольшее гидродинамическое давление; выходящие по бортам струи воды
отсекаются скулами и не замывают борта. Однако при ходе даже против
небольшой волны судно получает очень жесткие удары в днище: ведь оно
встречается с каждой волной сразу всей своей шириной.
Есть и другой недостаток у плоскодонного корпуса, который проявляется на
большой скорости. Гидродинамическая подъемная сила, как уже отмечалось,
пропорциональна квадрату скорости, эффективной площади днища (или, для
упрощения, квадрату ширины) и углу атаки. Но так как вес судна D во
время плавания не изменяется, то нужно, чтобы и подъемная сила имела
постоянную величину. Значит, при повышении скорости судна должна
уменьшаться или рабочая площадь днища, или угол атаки, или то и другое
одновременно. При этом, чтобы глиссирование было устойчивым, положение
центра давления воды на днище относительно центра тяжести тоже должно
сохраняться.
На плоскодонной лодке смоченная ширина днища - величина постоянная,
следовательно, уменьшать рабочую площадь можно только за счет смоченной
длины, т. е. увеличивать угол атаки. Очевидно, гидродинамическая
подъемная сила с увеличением скорости может превышать вес судна. В этих
случаях судно начинает прыгать, или дельфинировать, как называется это
явление неустойчивого глиссирования. Вследствие этих недостатков в
настоящее время плоскодонным обводам предпочитают килеватые. Катер с
килевато-клиновидным днищем мягче встречает волну. Например, при
относительной скорости Fr0 = 4 и длине волны, несколько большей его
длины, катер с килеватостью днища 5° испытывает удар, в 15 раз
превышающий его вес, а с килеватостью 20° - только в 6 раз. Кроме того,
килеватые катера оказываются более устойчивыми на курсе при ходе на
взволнованной поверхности и имеют более плавную качку и меньший радиус
циркуляции. Эти качества сделали глиссирующие катера с повышенной
килеватостью днища незаменимыми на крупных водохранилищах и для морского
плавания. Но при повышенной килеватости днища подъемная сила составляет
лишь часть гидродинамического давления, действующего перпендикулярно
днищу. Она равна произведению результирующей сил давления А на косинус
угла внешней килеватости днища (рис. 15). Чем больше угол килеватости
днища, тем больше будет его смоченная поверхность и, следовательно, тем
больше будет сопротивление движению катера от трения обшивки о воду.
Таким образом, чтобы получить такую же скорость, как и у плоскодонного
судна, судну с повышенной килеватостью потребуется более мощный
двигатель. Иными словами, килеватые катера имеют более высокий
коэффициент глиссирования 8.
Рис. 15. Сравнение катеров с плоским днищем (а)
и с повышенной килеватостью днища (б). 1 - положение ходовой ватерлинии;
И - схема обтекания днища; III - распределение гидродинамического
давления по длине днища; IV-теоретический корпус; V - коэффициент
глиссирования в зависимости от угла атаки; VI - схема действия подъемной
силы А и веса катера D; W - сопротивление воды; р - гидродинамическое
давление; а - угол атаки. 1 - смоченная поверхность днища; 2 - область
интенсивного образования брызговых струй.
Компенсировать потерю гидродинамического качества на килеватом
корпусе можно за счет установки на днище продольных реданов и скуловых
брызгоотбойников (рис. 16). Каждый редан работает подобно рассмотренной
выше схеме (рис. 12), с той лишь разницей, что ширина его глиссирующей
поверхности, измеряемая поперек набегающего потока, во много раз больше
длины.
Кроме создания дополнительной подъемной силы, реданы отсекают часть воды
от днища судна и уменьшают его смоченную поверхность. При достаточно
высокой скорости (около 40 км/час) судно длиной 4-5 м может даже
глиссировать на ближайших к скуле реданах. При этом достигается то, чего
нельзя получить на плоскодонном корпусе, - уменьшается ширина несущей
поверхности днища, глиссирование становится устойчивым даже при
изменении положения центра тяжести по длине катера в широких пределах.
Рис. 16. Схема действия реданов и
брызгоот-бойников. 1 - область образования брызговых струй; 2 - скуловой
брызгоотбойник; 3 - продольные реданы; 4 -> смоченная поверхность днища.
Рис. 17. Клиновидная наделка на днище для
уменьшения ходового дифферента.
Оговоримся, что под повышенной килеватостью днища понимается угол
внешней килеватости в 15-22°, при котором можно получить и достаточно
ощутимое снижение ударных перегрузок при ходе на волнении, и эффект от
применения реданов. В данной книге помещены проекты моторных лодок "Косатка"
и "Суперкосатка", обводы которых близки к "глубокому V" (так обычно
называют корпуса с килеватостью выше 20° на всей рабочей части длины
днища - от миделя до транца). Оба корпуса рассчитаны на эксплуатацию со
скоростью 35-45 км/час, что может быть достигнуто при сравнительно
небольшой удельной нагрузке (15-20 кг на 1 л. с. мощности мотора). В
расчет принимается полный вес лодки - с мотором, пассажирами, запасом
топлива и т. п. При недостаточной мощности двигателя или перетяжелении
конструкции и оборудования судно не выйдет на режим глиссирования и
будет плавать в водоизмещающем режиме. На скоростях 18-20 км/час транец
останется погруженным в воду, а для этого режима, как мы имели
возможность убедиться выше, нужны совершенно другие обводы.
Глиссирующая лодка с минимальной килеватостью днища (4° на транце)
представлена в книге польской моторной лодкой "Суперальга". Высокое
гидродинамическое качество плоскодонного корпуса позволяет ей
глиссировать с большей удельной нагрузкой - до 25 кг на 1 л. с. и
развивать высокую скорость. Однако, как показал опыт, эти преимущества
полностью утрачиваются, стоит только лодке выйти на волну: из-за сильных
ударов водителю "Суперальги" приходится снижать скорость хода.
Кроме нагрузки и мощности для глиссирующих лодок большое значение имеет
положение центра тяжести по длине. Ведь гидродинамическое давление на
днище распределяется по определенному закону (см. рис. 12-13), и, если
переместить нагрузку в нос или в корму, сразу же изменится угол атаки
днища. Если он станет меньше оптимального, увеличится смоченная
поверхность днища (следовательно, и трение его о воду), упадет подъемная
сила; если угол атаки чрезмерно увеличится, резко возрастет сила
сопротивления. В обоих случаях скорость лодки снизится. Близкие к
оптимальным результаты получаются, если центр тяжести лодки с учетом
веса корпуса, оборудования, двигателя, топлива и пассажиров
располагается на расстоянии 30-40% его длины от транца. Это нужно
учитывать при замене двигателя, перепланировке кокпита и при других
изменениях в проектах.
Если после постройки лодки обнаружится чрезмерная кормовая центровка
(судно будет иметь большой дифферент на корму), дело можно поправить.
Кроме перемещения в нос запасов топлива, снабжения, сидений пассажиров,
можно добиться требующегося результата смещением в корму точки
приложения подъемной силы за счет установки на днище у транца по всей
ширине лодки клина (из дерева или пенопласта (рис. 17). Ширина клина
принимается обычно равной 150-300 мм, а высота выбирается с таким
расчетом, чтобы его угол составлял 3-5°. В корме из-за увеличения угла
атаки возникает дополнительное гидродинамическое давление, которое и
выравнивает лодку. Если действие клина окажется чрезмерным, т. е. если
смоченная длина катера сильно увеличится, достаточно немного сострогать
клин, чтобы увеличить скорость. Тот же результат может быть получен с
помощью регулируемых транцевых плит (см. рис. 238, стр. 185), угол атаки
которых можно изменять в зависимости от нагрузки.
Рис. 18. График для ориентировочного расчета
скорости и мощности двигателя моторных лодок длиной 2,5-5,5 м с
подвесными моторами.
При постройке глиссирующих судов кроме строгой проверки веса деталей
и узлов большое значение имеет и соблюдение точных размеров, особенно в
рабочей кормовой части днища. Достаточно допустить небольшой подъем
днища или даже скулы, как движение судна становится неустойчивым, оно
начинает дельфинировать. Все продольные кромки скул, реданов и транца
должны быть по возможности острыми, а рабочие грани реданов и
брызгоот-бойников - иметь заданный наклон к горизонту, иначе движение
судна будет сопровождаться большим брызгообразованием и дополнительными
потерями мощности.
Какую же скорость может развить глиссирующая моторная лодка с подвесным
мотором? Для предварительной оценки можно воспользоваться графиком,
представленным на рис. 18. Он составлен по результатам испытаний
большого числа моторных лодок, имеющих нормальные соотношения главных
размерений и соответствующее оборудование. Перемножая длину лодки L,
ширину В и полную высоту борта Н на миделе, отложим полученное значение
на нижней оси графика и восстановим перпендикуляр к ней в этой точке.
Пересечения его с прямыми, соответствующими мощностям подвесных моторов,
дадут на вертикальной оси предполагаемую скорость. Например, для
моторной лодки "Суперальга" LBH = 4-1,6 X X 0,57 = 3,65 м3. При мощности
мотора 12 л. с. можно ожидать максимальную скорость примерно 33 км/час,
при 20 л. с. - 41,5 км/час, при 40 л. с. - около 56 км/час.
Однако бесконечно увеличивать мощность мотора нельзя, так как при резком
повороте лодка может опрокинуться. Нормами технической инспекции ОСВОД
допускается устанавливать подвесной мотор в зависимости от
Таблица 2 Значение допустимой мощности мотора в зависимости от
коэффициента К
коэффициента К, характеризующего остойчивость судна и вычисляемого по
формуле
К = 10.6 LBтр,
где L - наибольшая длина судна, м;
В-тр - ширина по скуле на транце, м (берется с учетом выступающих
брызгоотбойников, табл. 2). Для случая "Суперальги" коэффициент К =
10,6-4,0.1,30 = 55,12, следовательно устанавливать на ней подвесной
мотор мощнее 25 л. с. нельзя.
