Днище с туннелем – это поистине нечто поразительное. Разумеется, главное достоинство туннеля в днище состоит в создаваемой им подъемной силе, которая сама зависит от взаимодействия с водой для поддержания остойчивости судна, чтобы «полет» был управляемым. Это взаимовлияние сил сопротивления воды и воздуха движению судна является залогом понимания сути идеи туннеля в днище.
Лодки с туннелем в днище потому показывают высокие скоростные качества благодаря наличию у них настоящего «крыла», являющегося основой конструкции туннеля. «Кровля» туннеля и поверхность палубы образуют, соответственно, нижнюю и верхнюю поверхности этого воздушного крыла. Правильно спроектированное и изготовленное, это крыло становится крылом с реальным аэродинамическим качеством, в результате чего и возникает аэродинамическая подъемная сила, благодаря которой туннельные днища имеют столь высокие ходовые качества.
Так как же работает туннель гоночного катамарана? В настоящей статье, состоящей из нескольких частей, излагаются инженерные основы принципов работы туннельного днища. В данной части будут рассмотрены общие основания и баланс силы веса и подъемной силы.
Понятие баланса сил эквивалентно понятию взаимодействия гидродинамической и аэродинамической сил на характеристики и остойчивость судна с туннельным днищем; но для начала обратимся к силам, возникающим при движении жидкости. Объект будет двигаться в воде равномерно и прямолинейно, если выполняется ряд условий.
(1) Подъемная Сила равна Весу. Вес судна должен быть полностью компенсирован подъемными силами – гидродинамическим выпиранием плоскости и аэродинамической подъемной силой.
(2) Трение равно Тяге. Трение возникает при движении тела, а тяга должна обеспечить необходимые подъемные силы.
(3) Сумма Моментов равна Нулю. На объект могут действовать самые различные дополнительные силы. Все они должны проходить через центр масс судна: при таком условии вращающие моменты возникать не будут.
Таким образом, для судна с туннельным днищем (равно как и для любого судна вообще) все влияющие на него силы должны быть уравновешены, так что конструкция днища в общем случае должна рассматриваться по трем параметрам: подъемная сила, сопротивление движению и динамическая остойчивость. Давайте поближе познакомимся с подъемной силой и трением.
Подъемная сила и сила веса
Вес судна (включая двигатель, водителя, топливо, дополнительные принадлежности, груз и т.п.) должен быть ПОЛНОСТЬЮ уравновешен создаваемой подъемной силой. Это справедливо для любого судна (или для самолета, кстати), которое хочет полететь. В отличие от самолета, туннельное днище всегда должно создавать только подъемную силу, так что сбалансированность всех сил исключительно важна. Чуть больше подъемной силы, и мое судно взлетит, а если подъемная сила будет мала – мы потонем!
Подъемную силу можно создать двумя способами. Опорный поплавок катамарана должен создавать гидродинамическую или водоподъемную силу (подъемная сила возникает как реакция между силой тяги и сопротивлением поверхности воды). Аэродинамическая подъемная сила возникает от взаимодействия набегающего воздушного потока и плоскости поверхности палубы катамарана (сила реакции возникает от взаимодействия силы тяги и сопротивления набегающего потока воздуха). Дополнительным источником подъемной силы могут быть небольшие вентиляторы в отверстиях палубы катамарана, к примеру, однако создаваемые ими силы настолько малы, что в данной статье мы их рассматривать не будем.
Не следует забывать, что результирующая всех сил, действующих на туннельное днище судна, существенно меняется с изменением скорости движения этого судна. На основании данных приведенных в таблице, можно видеть, как возрастают аэродинамическая подъемная сила и сопротивление в зависимости от скорости набегающей струи воздуха. Данные приведены для классического гоночного катамарана типа «Mod U/F1» с корпусом туннельного типа, к примеру, с весом 340 кг и с постоянным углом атаки около 2°.
Типичная зависимость подъемной силы и сопротивления воздуха от скорости движения.
Скорость воздуха
(миль в час) |
Подъемная сила
(фунты) |
Сопротивление воздуха
(фунты) |
| 50 |
110 |
30 |
| 60 |
130 |
35 |
| 70 |
160 |
45 |
| 80 |
220 |
60 |
| 90 |
275 |
75 |
| 100 |
340 |
95 |
| 110 |
410 |
115 |
В общем, при скоростях менее 50 миль в час (80 км/ч) аэродинамическая подъемная сила составляет менее 10% от максимальной подъемной силы, когда на поплавки приходится практически полностью вес судна. При максимальных скоростях, достижимых гоночным судном с корпусом туннельного типа, подъемная сила туннеля может оставлять более 80% общей подъемной силы. Логично, что вес судна, поддерживаемый поплавками катамарана, уменьшается на соответствующую величину, что невероятным образом повышает скоростные возможности судна, в чем мы убедимся позже.
Доля создаваемой подъемной аэродинамической силы (в процентах от общей подъемной силы) у обычных прогулочных судов существенно меньше, чем на лучших прогулочных или у профессиональных гоночных судов.
Я провел анализ возможностей классической прогулочной 5,8-метровой лодки «STV Euro». Это судно создает 18%-ю подъемную силу на средней скорости, и 29%-ю подъемную силу (1,9 КН) на максимальной скорости.
Подобный же анализ был проведен и для настоящей лодки гоночной «Формулы-1» типа «Seebold», показал, что корпус его создает подъемную силу величиной до 65% при движении на полной скорости. Внутренняя компоновка такого судна всегда подчинена необходимости обеспечения максимальной подъемной силы корпуса туннельной конструкции. Конструкция любого такого судна всегда должна быть компромиссом между максимальной скоростью, развиваемым ускорением, остойчивостью, комфортом, мореходностью и управляемостью.
Аэродинамическая подъемная сила - это главное, что отличает суда с корпусом туннельного типа от всех других судов. Поскольку на величину аэродинамической подъемной силы влияют очень многие факторы, делая ее трудно определимой величиной, любые усилия по ее увеличению оправдают себя. Внимание к аэродинамическим характеристикам туннельного судна на стадии проектирования многократно окупится на стадии его эксплуатации.
Какие же конкретно факторы влияют на формирование подъемной силы со стороны туннеля и плоскости палубы, которая является «крылом», благодаря которому все описанное и возникает. Влияют на подъемную силу очень многие факторы, хотя основные из них можно записать так: (a) Скорость воздуха, (b) Угол атаки, (c) Площадь поверхности туннеля, (d) Коэффициент относительной толщины «крыла» туннеля, (e) Высота среднего сечения крыла над поверхностью воды, (f) Аэродинамическое свойство профиля «крыла», (g) Качество поверхности «крыла».
Силы, действующие на судно с туннельным корпусом
 |
Расчетные методы подробно описаны в книге «Секреты создания туннельных корпусов лодок», однако давайте все-таки рассмотрим основную формулу расчета подъемной силы, которая наглядно показывает соотношение между описываемыми величинами:
 |
здесь LA – подъемная сила pA – плотность воздуха V – скорость SA – площадь поверхности крыла
Настоящая статья является выдержкой из книги Джима Рассела «Секреты создания туннельных корпусов лодок», изданной компанией «AeroMarine Research». В этой книге достаточно полно изложены теоретические основы проектирования туннельных корпусов, а также подробные примеры с расчетами. Программа «Создание туннельных корпусов лодок» версии 6.5 для Windows 98, позволяет выполнить на компьютере все необходимые расчеты сил, динамический баланс сил для любых скоростей, а также быстро получить графическое изображение результатов расчетов для любой конструкции туннельного корпуса.
Джим Рассел – профессионал с инженерным образованием в области механики и аэронавтики. Сейчас он проживает в Канаде, тогда как ранее интенсивно занимался исследованиями в области аэродинамики в Мичиганском университете штата Огайо и в университете города Торонто в Канаде, а также занимался исследованиями в области гидродинамики в канадском исследовательском центре «NRC» в г.Оттаве.
Он опубликовал много высоко оцененных статей, посвященных аэродинамическим и гидродинамическим вопросам создания высокоэффективных корпусов катамаранов и туннельных лодок. Рассел спроектировал и построил много различных туннельных лодок. Долгое время он выступал как профессиональный гонщик на скоростных туннельных лодках в различных чемпионатах, проводимых в Канаде и Северной Америке.
Перевод Павла Дмитриева
