В последние годы глиссирующие катамараны (рис. 54) заняли
преимущественное положение среди гоночных судов с двигателями мощностью
60-150 л. с. Они успешно выступают в ряде океанских гонок в классах еще
более крупных катеров, оснащенных двигателями по 600-1000 л. с. В чем же
особенности гидродинамики корпусов этого типа?
Выше говорилось о трудностях, не позволяющих полностью реализовать
высокое гидродинамическое качество катеров с плоскими и широкими
днищами. Одна из проблем - потеря устойчивости движения катера при
достижении им наивыгоднейших углов атаки в 4-5°. Поэтому конструктор
должен мириться с тем, что фактические углы атаки на расчетной скорости
значительно ниже оптимальных и составляют 1-1,5°. Следовательно, и
гидродинамическое качество не достигает своего максимума и вместо К. = 8
катер имеет лишь К - 4,5.
Одна из возможностей повышения гидродинамического качества катера - это
существенное уменьшение ширины глиссирующего участка днища, т. е. для
того чтобы качество осталось прежним, судно должно глиссировать под
большим углом атаки (рис. 55).
Потери устойчивости хода, несмотря на увеличение угла атаки, не
происходит, так как чем больше по сравнению с шириной днища длина
смочейной поверхности и, следовательно, расстояние от транца до точки
приложения равнодействующей гидродинамических сил давления, тем выше
скорость, при которой возможна потеря устойчивости.
Рис. 54. Теоретический чертеж гоночного
глиссирующего катамарана конструкции Ренато Леви. Длина - 5,6 м; ширина
- 1,98 м; ширина тоннеля 1,07 м; вертикальный клиренс - 0,255 м; угол
килеватости корпусов на транце - 10°; подвесной мотор - 100 - 140 л. с.
Можно подобрать такое удлинение днища, что на расчетной скорости
гидродинамическое качество получится более высоким, чем в случае
широкого днища с меньшим углом атаки. Так, например, если при удлинении
bIL = 0,4 угол атаки составляет 1°, а при b1L = = 0,04 - станет равным
5°, то качество повышается с 4 до 5. Однако на практике катер с таким
узким днищем обладает очень низкой поперечной остойчивостью. Поэтому для
повышения остойчивости при-
меняют двухкорпусное судно - катамаран. Глиссирующие катамараны обладают
рядом преимуществ.
Во-первых, днище корпусов катамарана может иметь гораздо большую
килеватость, чем одно-корпусного судна, а это позволяет снизить силу
ударов при ходе на высокой скорости по взволнованному морю, не ухудшая
остойчивости, которая однокорпусного судна сильно падает с увеличением
углов килеватости. Во-вторых, воздух, проходя с большой скоростью по
тоннелю между корпусами, создает на платформе аэродинамическую подъемную
силу, которая воспринимает часть нагрузки судна. В результате
уменьшаются осадка и смоченная поверхность корпусов, повышается
скорость, достигается так называемый эффект аэродинамической разгрузки
катера.
Рис. 55. Обратное гидродинамическое качество е =
R/D плоской глиссирующей пластины в зависимости от удлинения Х= B/L
смоченной поверхности и угла атаки а.
И, наконец, широкая платформа, соединяющая корпуса катамарана, может
быть использована для комфортабельного размещения пассажиров и
оборудования.
Проведенные недавно исследования гидродинамики парных глиссирующих
пластин малого удлинения и моделей катамаранов позволяют сделать ряд
выводов о путях получения наивысшего эффекта при проектировании
двухкорпусных судов. Гидродинамическое качество катамарана оказывается
выше качества однокорпусного глиссера лишь при достаточно малых
расстояниях Вк между корпусами, соответствующих отношению 2ВО/ВК >> 0,75
(значению 2ВО1ВК = 1 соответствуют сдвинутые вместе корпуса, а значению
2ВО/ВК = 0 - корпуса, разнесенные на бесконечно большое расстояние; Во -
ширина одного корпуса). При 2ВО/Вк = 0,4 обратное качество катамарана
имеет максимальное значение, следовательно, это наименее выгодная
компоновка корпусов.
Расстояние между корпусами оказывает наиболее существенное влияние на
сопротивление судна при переходном к глиссированию режиме. С уменьшением
расстояния между корпусами - клиренса - судно позже выходит на
глиссирование. Кривые сопротивления катамарана имеют два <горба> -
положение первого находится в диапазоне Fro = 3,5 - 4,2 и зависит от
клиренса и обводов корпусов, второго - соответствует примерно ?тр = 5.
Таким образом, приемистость катамаранов оказывается хуже, чем
однокорпусных катеров, которые начинают глиссировать уже при FrA =3 -
3,5.
Уменьшение ширины корпусов катамарана всегда приводит к снижению
гидродинамического качества, причем этот эффект в наибольшей степени
ощутим в области относительных удлинений корпусов к = 0,06. Узкие
корпуса с Я = 0,06 - 0,04 менее чувствительны -к изменению нагрузки.
В недалеком прошлом скорости моторных катамаранов были невысоки, поэтому
обычно не рассматривалась опасность опрокидывания или взлета их под
действием встречного потока воздуха и вообще использование
аэродинамической подъемной силы для разгрузки. Сейчас же, когда с
помощью легких мощных явигателей удается добиться скоростей 100-150
км/ч, аэродинамика катамарана становится одной из основ его
проектирования.
Рис. 56. Схема сил, действующих на катамаран.
1.д, Ял И Мд(- аэродинамическая подъемная сила, сила сопротивления и
дифферентующий момент соответственно; D - масса катамарана; и Ra -
гидродинамическая подъемная сила и сила сопротивления; R - сопротивление
подводной части мотора; Т - сила тяги гребного винта.
Соединительная платформа (или мостик), имеющая достаточно большую
площадь, является объектом особого внимания. С одной стороны, следует
использовать аэродинамическую силу, возникающую на ней, для того чтобы
разгрузить корпуса и уменьшить сопротивление трения обшивки о воду. С
другой - существует опасность, что на волне угол атаки этой поверхности
к набегающему потоку воздуха окажется чрезмерным и судно будет
опрокинуто аэродинамической силой через транец (что не редкость на
скоростных гонках малых судов). Поэтому при проектировании катамаранов
рассматривается весь комплекс сил, действующих на судно (рис. 56).
Заметной величины аэродинамическая подъемная сила достигает при скорости
около 60 км/ч: на мостике катамарана площадью 3 м2 эта сила равна 15-20
кгс. На скоростях же порядка 100 км/ч и выше аэродинамическая подъемная
сила может достигать величины 30 кгс и более на 1 м2 несущей
поверхности. Точка приложения аэродинамической силы, как правило,
находится в носовой половине мостика, намного впереди центра тяжести
судна.
Для того чтобы обеспечить продольную устойчивость движения, приходится
смещать мостик к транцу катамарана. Профиль продольного сечения мостика
предпочтительно выбирать из числа таких профилей, у которых центр
давления (точка, где приложена аэродинамическая сила) и аэродинамический
фокус (точка приложения дополнительной силы при изменении угла атаки)
имеют кормовое расположение. Чаще всего продольному сечению мостика
придают обтекаемый клиновидный профиль с относительной толщиной 5-8% и
высотой среза кормовой части 100-300 мм. Опыт постройки экрано -планов
дает основание считать, что для скоростей движения в 60- 80 км/ч имеет
смысл применять более толстый профиль (10-12%), а для многих - и
обтекаемую кормовую кромку.
Для гоночных катамаранов характерно отношение длины к общей ширине в
пределах 2,3-2,9.
Вертикальный клиренс обычно принимается равным 4-5% длины моста (большие
значения соответствуют более высоким расчетным скоростям).
Для обеспечения устойчивости движения катамарана рекомендуется
следующее:
- смещение центра тяжести в нос;
- уменьшение ширины глиссирующих пластин (при условии достаточного
запаса мощности);
- уменьшение расчетного и ходового углов атаки моста;
- применение специальных профилей моста;
- уменьшение (в допустимых пределах) площади моста, особенно его носовой
части;
- оперативное управление углом установки подвесного мотора.
На легких гоночных судах иногда в носовой части платформы
делают каналы, по которым проходит воздух и как бы придавливает нос
катамарана к воде, препятствуя взлету судна вверх на максимальной
скорости.
Более крупные катамараны не нашли достаточно широкого применения.
Сложно обеспечить прочность платформы, соединяющей корпуса; так как
основные помещения располагаются на платформе, требуется делать довольно
высокие надстройки, а это увеличивает сопротивление воздуха, имеющее
существенное значение на скоростях выше 40 км/ч. Днище платформы
приходится располагать достаточно высоко над водой, чтобы его широкая и
плоская поверхность не подвергалась снизу сильным ударам волн.
К недостаткам катамаранов можно отнести и резкую килевую качку, когда
они идут с малой скоростью и в тоннеле нет высокого давления воздуха. На
этот случай необходимо предусмотреть стабилизатор качки, например
горизонтальное подводное крыло, расположенное под платформой в носовой
части корпуса. И, иимшец, для стоянки широкого двухкорпусного судна
требуется вдвое больше места, чем для обычного катера.
