Водномоторные поиски и находки

НУЖНА ЛИ ТЕОРИЯ ПОДВЕСНОГО МОТОРА?
(Реплика водномоторника старой закваски)

Встречный вопрос: нужна ли теория автомобиля? В ответ миллионы рядовых автовладельцев недоуменно пожмут плечами: «А шо это? Рулим же и без энтих теорий...».

А ведь даже гламурнейшие «ездюки, ездуны и ездюцы» ревниво следят за попытками своих «коллег по цеху» обойти их на дороге. И, видимо, это одна из причин такой популярности различных автомобильных драйв-тестов. Грамотная же их организация и, главное, последующий анализ результатов предполагают знакомство хотя бы с азами теории автомобиля. Которая, кстати, родилась в 30-е годы минувшего столетия, в то время как сам автомобиль появился на полвека ранее...

Но вот уже целый век прошел с тех пор, как в 1909 году американец норвежского происхождения Оле Эвинруд изобрел (получил патент) на подвесной мотор. А где же теория подвесного мотора? Которая нужна хотя бы для того, чтобы корректно организовать и осмыслить результаты драйв-тестов мотолодок. Часто такие испытания проводят редакции разных водномоторных изданий и, особенно в последние годы, редакция журнала «Катера и яхты».

Между прочим, именно благодаря этому журналу водномоторники Страны Советов впервые узнали о таких испытаниях за рубежом. В «КиЯ» № 85 (1980) для полудюжины наиболее популярных тогда моделей 25-сильных моторов обсуждались результаты испытаний, проведенных в Финляндии и Швеции. Очень любопытны выполненные при этом измерения фактических мощностей на гребном валу. Оказалось, что только у мотора «Suzuki-25» она равна паспортной, и даже с некоторым запасом (25,4 л.с). У остальных фактическая мощность ощутимо ниже, например, у моторов «Yamaha-25» и «Tohatsu-25» - не дотягивала до паспортной по 1л.с.

В этой связи уместно еще раз вернуться к вопросу о фактической мощности наших «Вихрей» и «Нептунов». Напомним, что в их паспортах указаны мощности не на гребном валу - как у всех зарубежных подвесников, - а на коленчатом валу. Но, оказывается, на коленчатом валу их никто и не думал измерять! Просто найденные «как положено» мощности на гребном валу умножили на некий «механический» КПД, по разным источникам равным то ли 0,935, то ли 0,9.

Так что, например, «Вихрь-М» в действительности имеет «аналогичную зарубежной» паспортную мощность 22,5 л.с. (измеренную с помощью мулинетки в «КиЯ» № 134 за 1988 г.), а «Вихрь-30» - 27,5-28 л.с. Иначе говоря, с учетом официального заводского допуска (30 л.с. - 3 л.с.) мощность на гребном валу может быть и менее 25 л.с! Тем не менее, можно было, по-видимому, рапортовать «наверх», что 30-ти сильный отечественный подвесной мотор создан.

В этом же номере журнала «КиЯ» упоминаются испытания и других моделей моторов мощностью до 85 л.с, проведенные в Швеции. И в первом, и во втором случаях «шансы» всех моторов были практически уравнены - благодаря тому, что под моторами разной мощности используется одна и та же лодка. Практически - потому, что корректно уравнять эти шансы можно только в опытовом бассейне, когда роль корпуса судна играет буксировочная тележка, и при любой скорости хода наклон и заглубление мотора неизменны. Результаты же ходовых испытаний могут изменяться при несоблюдении начальной центровки и нагрузки лодки.

Подобные драйв-тесты подвесных моторов редакция «обновленного» журнала «Катера и яхты» начала практиковать с 1996 года, когда в № 160 были приведены результаты ходовых испытаний мотора «Mariner-40» (фактически это мотор «Mercury»). С тех пор проведение подобных драйв-тестов стало традицией редакции - уже испытаны моторы почти десятка известных фирм. Любопытно, что в этой первой публикации отмечен тот же факт, с которым позже столкнулся и автор, а именно: «гидродинамические характеристики гребного винта и внешние характеристики двигателя в каталоге приведены не были». Поэтому практически всегда приходится оценивать эти параметры «окольными путями».

В подтверждение достаточно сказать, что в «копилке автора» набралось всего лишь полдесятка внешних характеристик для конкретных моделей зарубежных моторов, а кривые действия у гребных винтов этих моторов, по-видимому, вообще являются коммерческой тайной «за семью печатями». Этот печальный вывод - результат общения автора с дистрибьюторами ряда зарубежных моторостроительных фирм, а также практически тщетных поисков «жемчужных зерен в навозных кучах» Интернета.

Долгое время подвесник считали неким неотъемлемым «придатком» к корпусу мотолодки (так официально именуют судно с подвесным мотором), по крайней мере, с гидродинамической точки зрения. И это справедливо для «водоизмещающих» наследников тех шлюпок, на транцах которых висели первые эвинрудовские моторы.

С наступлением «эры глиссирования» такой подход не изменился и продолжал культивироваться с настойчивостью, достойной лучшего применения. А ведь в этом случае исчезает гидродинамическая связь мотора с корпусом судна и подвесник можно рассматривать как независимую «вещь в себе». Образно говоря, в этом случае подвесной мотор начинает играть роль автономного судна-толкача, буксирующего корпус мотолодки.

Иными словами, теперь гидродинамическое взаимодействие гребного винта с корпусом глиссирующего судна (попутный поток, засасывание) превращается во взаимное влияние подводной части (редуктора) подвесного мотора и его гребного винта. Для энтузиастов «естественнонаучной» точки зрения этот тезис подтверждается, в частности, сопоставлением соответствующих величин коэффициентов попутного потока и засасывания. При традиционном подходе к подвесному мотору (см., напр., «КиЯ»» № 133 или книгу И.Т.Егорова и др., Ходкость и мореходность глиссирующих судов, Судостроение, 1978) эти коэффициенты принимают равными 0,025 и 0,045 соответственно, а для «толкача на транце» они лежат в интервалах 0,02- 0,04 и 0,04 - 0,05. Да и то для подвесного мотора эти понятия достаточно условны (см. книгу автора «Толкач на транце», Киев, Изд-во «Сталь», 2010 г.).

Сегодня глиссирующая мотолодка уже является массовым видом водного транспорта, своего рода «младшим братом» автомобиля. А ее подвесной мотор становится таким же техническим изделием для транспортных целей как автомобиль, мотоцикл или трактор. И по аналогии с таким транспортом можно говорить о теории подвесного мотора, точнее, теории его эксплуатационных свойств. Будем надеяться, что эта теория станет своеобразным разделом «большой» науки об эксплуатационных свойствах судна, т.е. теории корабля. Пока же, к сожалению, для ученых, развивающих теорию корабля, подвесной мотор был где-то за обочиной этой теории, чем-то вроде ширпотребовской кастрюли или сковородки для танкового завода...

Подробнее аналогия с судном-толкачом рассматривается в упомянутой книге автора, а также в статьях, опубликованных в «Катерах и яхтах» за 1990, 2000, 2001 и 2005 г.г. Эти работы опираются на материалы по отечественным моторам из подшивки «Катеров и яхт», их можно рассматривать как «черновую», кое в чем несколько наивную, заготовку для будущей книги «Элементы теории подвесного мотора. Эксплуатационные свойства при глиссировании», в которую добавятся материалы по современным зарубежным моторам.

В конструктивном плане подвесной мотор как автономная «вещь в себе» состоит из двух достаточно жестко «состыкованных» в одну связку частей - двигателя и движителя. С физической же и инженерно-технической точек зрения это совершенно разные по принципам действия вещи, взаимодействие которых проявляется только на уровне некоторых функциональных зависимостей.

Для двигателя это, например, зависимость его мощности от частоты вращения, а для гребного винта - зависимость упора от скорости хода. Так что, в частности, одна из задач теории подвесного мотора - выразить его упор через эту мощность. И для этого, как минимум, нужно знать упомянутые выше внешнюю характеристику двигателя и реальные кривые действия гребного винта.

Эти характеристики являются элементами математической модели (описания) любого подвесного мотора, с единой точки зрения представляющего его «с головы до ног», то бишь от двигателя до гребного винта. Такое описание может иметь различную степень детализации - от простого указания паспортной мощности мотора с перечислением геометрических параметров гребного винта до целого семейства внешних характеристик двигателя и реальных кривых действия мотора, учитывающих и буксировочное сопротивление его подводной части.

Уже даже корректная методика драйв-тестовых испытаний фактически опирается на некую «подсознательную» или явную математическую модель подвесного мотора. А ведь эта модель - основа теории подвесного мотора, точнее, теории его эксплуатационных свойств. Как минимум, такая модель должна позволять хотя бы качественно судить о значимости влияния тех или иных факторов на эксплуатационные свойства мотора и, в конечном счете, самой мотолодки -таких, как, в первую очередь, скорость хода и топливная экономичность. Естественно, при этом необходимо рассматривать уже взаимное влияние обоих звеньев связки «корпус судна + подвесной мотор».

Подчеркнем, что в этом случае речь идет не о физическом (в частности, гидродинамическом) влиянии, а о «математическом взаимодействии» - подобно тому, как например, это имеет место у двигателя и движителя подвесного мотора. Образно говоря, математическая модель мотора взаимодействует с такой же моделью корпуса судна. В результате, например, у одной и той же мотолодки при неизменной нагрузке может существенно меняться скорость хода и топливная экономичность - только лишь при изменении ее центровки (что уж тогда говорить о разных мотолодках с отличающимися параметрами корпусов).

С математической точки зрения это выражается в том, что каждой центровке соответствует своя зависимость буксировочного сопротивления от скорости хода. И при другой центровке для одной и той же величины буксировочного сопротивления математическая модель корпуса судна «выдает» разные значения скорости хода. Но ведь в модели мотора упор (равный по величине буксировочному сопротивлению) тоже зависит от скорости хода. В результате чего разным центровкам соответствуют разные скорости хода.

В более общем случае, математическая модель мотора должна помочь спланировать меры по улучшению эксплуатационных свойств и мотора, и мотолодки в целом. Например, выяснить, насколько существенно влияние высоты транца, т.е. глубины погружения «ноги» мотора, на скорость хода и топливную экономичность судна. Уже самая простая математическая модель - линейная, основанная на замене сложных нелинейных зависимостей, например, участков внешней характеристики двигателя или кривых действия гребного винта, простыми линейными уравнениями, - как известно, позволяет решать задачу о чувствительности моделируемого изделия (у нас мотора) к воздействию тех или иных факторов.

Теория подвесного мотора, по аналогии с теорией автомобиля, должна включать в себя такие обязательные элементы, как, прикладная теория движителя - гребного винта в реальных условиях взаимодействия с подводной частью мотора; тяговая динамика, опирающаяся на понятие тягового баланса; топливная экономичность, «транспортная» интерпретация которой рассмотрена в упомянутых выше работах автора. Дополнительными элементами в тяговой динамике подвесника могут быть такие специфичные для движения по воде вопросы как влияние волнения и течения, которые изменяют условия работы одновременно и гребного винта, и двигателя. А последние взаимосвязаны в рамках единого движительного комплекса, каковым является подвесной мотор.

Наконец, не исключено, что в каких-то особых «конструктивных» случаях глиссирования, а также в переходном режиме движения мотолодки, потребуется ввести некоторые поправочные «коэффициенты счала», учитывающие гидродинамическое взаимодействие «толкаемого судна», т.е. корпуса мотолодки, и самого «толкача на транце». Подобно тому, как это принято для «настоящих» толкаемых составов (см., напр., книгу Г.И.Ваганова и др., «Тяга судов», Транспорт, 1986).

Прямое следствие теории подвесного мотора - усовершенствованная методика проведения тестовых испытаний мотолодок, включающая в себя, в частности, обязательную оценку фактической мощности сравниваемых моторов. Хотя бы с помощью простейшей мулинетки или по паспортной внешней характеристике - как у отечественных подвесников. Это позволит сделать более корректными «судейские» оценки результатов драйв-тестов.

Более изощренное следствие драйв-тестов - попытка раскрыть гидродинамические секреты подвесников, построив для них реальные кривые действия на основе статистической обработки результатов ходовых испытаний. С позиций теории подвесного мотора такие результаты - это тяговые характеристики, т.е. зависимости эффективного упора и частоты вращения мотора от скорости хода (см., напр., упомянутую книгу автора).

В «чистом виде» такие зависимости могут быть получены только в опытовом бассейне, когда мотор висит на «транце» буксировочной тележки. На реальной же акватории замеры, например, скорости хода даже у одной и той же пары «корпус + мотор» зависят, как было отмечено выше, от центровки лодки (при прочих равных условиях). Иными словами, результат даже такого простейшего драйв-теста - некоторая случайная величина. В более общем случае на результаты влияют и другие параметры корпуса - форма обводов, водоизмещение, ширина на миделе, относительная длина, углы внешней килеватости на миделе и на транце, сужение кормовой оконечности (упомянутая книга И.Т.Егорова и др.).

Тогда согласно центральной предельной теореме теории вероятностей при статистическом анализе результатов драйв-тестов можно считать, что данные измерений подчиняются нормальному закону распределения вероятностей. А это позволяет использовать простейшие классические методы статистической обработки (статья автора «Драйв-тест - водномоторная рулетка»). В более общем случае, когда, например, ходовые испытания мотора проводятся с разнотипными корпусами, необходимо привлекать методы дисперсионного или даже регрессионного статистического анализа.

Особый вариант статистического анализа связан с математической моделью подвесного мотора, оснащенного триммерным устройством, которое позволяет на ходу подобрать оптимальную величину дифферента и заглубления мотора. В этом случае результаты драйв-теста для разнотипных корпусов со статистической точки зрения описываются суперпозицией нормального и двойного экспоненциального законов распределения вероятностей.

Статистический подход позволяет, в частности, сравнить значимость влияния на результаты драйв-теста случайных факторов как одной пары «корпус+мотор» (подвеска мотора, центровка корпуса и т.п.), так и нескольких таких пар с разными характеристиками корпусов, которые также влияют на эти результаты. Такой подход может быть особенно полезен дистрибьюторам при выработке статистически аргументированных рекомендаций, например, по подбору гребных винтов данного мотора для определенного класса корпусов.

Иначе говоря, драйв-тесты можно рассматривать как источник статистической информации для модели подвесного мотора (статья автора «Подвесной мотор языком математики»). Естественно, для этого предварительно нужно разгадать секреты внешних характеристик двигателей тестируемых подвесников. В условиях отмеченного выше «информационного вакуума» здесь тоже необходимо привлечение статистического подхода (статья автора «Ленинский принцип в теории подвесного мотора»).

Итак, нужна ли теория подвесного мотора? Ответ автора таков:
«Да, нужна» - фирменным и самодеятельным разработчикам новых моделей моторов.

«Нужна» - дистрибьюторам и дилерам подвесных моторов, помогая им в союзе с продавцами корпусов мотолодок находить общий язык и взаимопонимание с клиентами-покупателями.

«Нужна» - при проведении корректных драйв-тестов с моторами и мотолодками.

«Нужна» - продвинутым владельцам подвесных моторов, которые, к примеру, видят в журнале «Катера и яхты» не только развлекательное чтиво с эффектной рекламой и глянцевыми «офигенными» фотками...

Литература:
1. Е.А.Чудаков, Теория автомобиля, ОНТИ. 1935.
2. Е.Д.Львов, Теория трактора, Машгиз,1946.
3. С.Ю.Иваницкий и др., Мотоцикл. Теория, конструкция, расчет. Машиностроение, 1971.