Водномоторные поиски и находки

«АЛГЕБРА И ГАРМОНИЯ» ВОДНОМОТОРНОГО ДРАЙВ-ТЕСТА
(Если бы лодку выбирал я...)

«...Поверил я алгеброй гармонию...»
А.С.Пушкин, «Моцарт и Сальери»

Драйв-тест, т.е. ходовые испытания, сегодня желанное украшение любого журнала по авто-, мото- и прочему транспорту, включая, конечно, и водномоторный. Но всегда ли все и, главное, то, что нужно, измеряют при этом? И можно ли «алгеброй поверить гармонию» вкусов и предпочтений, т.е. объективно оценить выводы комментаторов таких драйв-тестов, в частности, водномоторных?

Попытаемся ответить на эти вопросы с позиций теории подвесного мотора, т.е. движительной установки, висящей на транце глиссирующего судна (статья автора «Нужна ли теория подвесного мотора?»). Такой мотор, или образно говоря, толкач на транце, можно рассматривать как некую «вещь в себе», поскольку при глиссировании у него практически нет гидродинамического взаимодействия с корпусом судна (см., напр., книгу автора «Толкач на транце», Киев, Изд-во «Сталь»,2010). Остается только «механическая связь» с этим корпусом в виде системы подвески мотора (статья автора «Подвесной мотор языком математики») и, естественно, «функциональное» взаимодействие математических описаний корпуса и мотора. В последнем случае, например, одной и той же частоте вращения мотора на одном и том же одинаково нагруженном корпусе может соответствовать разная скорость хода - из-за изменения центровки судна (статья автора «Нужна ли теория подвесного мотора»).

Показателен в этом смысле драйв-тест редакции журнала «Катера и яхты» («КиЯ» № 198, 2005 г.), проведенный с импортными подвесниками «Yamaha-30», «Tohatsu-18» и «Suzuki-15» на корпусах отечественных «дюралек» - «Южанки», «Оби-М», «Крыма» и «Днепра» (читать). Поскольку упомянутая теория относится к глиссирующим судам, естественно вначале очертить «границы глиссирования» этих судов. Как известно, такая «отбраковка» сводится к оценке числа Фруда по водоизмещению Fr_Δ - скорости хода v, отнесенной к объемному водоизмещению Δ судна. Принято считать, что движение в режиме глиссирования начинается, когда это число превысит значение 3,0.

Как выяснилось, с 30-ти сильной «Yamaha» глиссируют все корпуса при любой нагрузке, принятой в драйв-тесте. Под 18-сильным мотором «Tohatsu» корпус «Оби-М» глиссирует тоже при любой испытанной нагрузке (1-4 человека). С корпусом «Крыма» этот мотор «не потянул» только нагрузку более 5 человек (для 5 человек число Фруда Fr_Δ = 3,1), в то время как с корпусом «Южанки» - ограничился нагрузкой в 3 человека (Fr_Δ = 3,3). А с корпусом «Днепра» граничная нагрузка еще меньше - всего 2 человека (Fr_Δ = 3,28).. У 15-сильного мотора «Suzuki», как и следовало ожидать, результаты проверки на глиссирование еще скромнее. Только с «Крымом» он держит нагрузку в 3 человека (Fr_Δ = 3,07), с «Южанкой» и «Обью-М» - 2 (соответственно Fr_Δ = 3,21 и 3,56), а «Днепр» выходит на глиссирование только с водителем (Fr_Δ = 3,19). При расчетах к массе мотора каждого судна добавлено по 20 кг-«на горючее».

Для мотолодок, «выдержавших экзамен на глиссирование», на рис.1 приведены данные драйв-теста по зависимостям скорости хода v от частоты вращения п мотора. Подчеркнем, что для каждого из моторов экспериментальные точки на рисунке соответствуют разным корпусам и различной нагрузке.

«В идеале», т.е. при испытаниях в опытовом бассейне, когда мотор установлен на «транце» буксировочной тележки, все эти точки должны лежать на некоторой плавной кривой (см., напр., упомянутую книгу автора). В реальных условиях данные измерений скорости судна носят случайный характер, обусловленный действием многих и разных по природе факторов. Это, с одной стороны, параметры корпуса судна (водоизмещение, относительная длина, килеватость и пр. - см. статью автора «Нужна ли теория подвесного мотора?»). С другой стороны, это характеристики подвески мотора - заглубление и дифферент (см., статью автора «Подвесной мотор языком математики»).




1 -мотор «Yamaha-30»; корпуса: «Южанка» (нагрузка 1+4 человека), «Обь-М» (1+4 чел.), «Крым» (1+6 чел.), «Днепр» (1 + 4 чел.);

2 - мотор «Tohatsu-18»; корпуса: «Южанка» (1+3 чел.), «Обь-М» (1 + 3 чел.), «Крым» (1 + 5 чел.), «Днепр» (1+2 чел.);

3 - мотор «Suzuki-15»; корпуса: «Южанка» (1 + 2 чел.), «Обь-М» (1 + 2 чел.), «Крым» (1 + 3 чел.), «Днепр» (1 чел.).


Такова причина разброса точек на рисунке относительно некоторой плавной кривой на графике зависимости n = n(v) для данного мотора. Эту кривую нетрудно «проявить» с помощью известных приемов математической статистики, оценив при этом степень ее достоверности. Затем найденную кривую можно использовать, например, для оценки гидродинамических характеристик подвесного мотора, с которым проводился драйв-тест.

Образно говоря, подобно компьютерным хакерам можно взломать «замок на сундуке» с секретной информацией моторостроительной фирмы о гидродинамических характеристиках ее мотора. (На отсутствие такой информации сетовали еще авторы первого драйв-теста, проведенного редакцией «КиЯ» с результатами в № 160 за 1996 г.). Подчеркнем, что речь идет не просто о кривых действия гребных винтов данного мотора, а о характеристиках всей его подводной части, когда, например, эти кривые деформируются из-за взаимного влияния винта и редуктора, сопротивления подводной части мотора, изменения параметров его подвески и т.п.

С этой точки зрения любопытна «близость» экспериментальных точек на рисунке для моторов «Tohatsu» и «Suzuki» - хотя мощность последнего меньше на целых 20%! И это может свидетельствовать о его лучших гидродинамических качествах. Впрочем, такие вопросы представляются темой отдельной обсуждения... Вернемся, однако, к изначальной задаче рассматриваемого драйв-теста, а именно: к выбору и оценке водномоторных характеристик, на основе которых можно достаточно объективно предпочесть то или иное сочетание «корпус-мотор».

Общепринятый показатель, по которому принято выстраивать рейтинг участников драйв-теста - коэффициент пропульсивного качества ΔV/N, где v - скорость хода судна с водоизмещением Δ под мотором, мощность которого равна N. Это часовая транспортная работа по перемещению всего судна (иными словами, мощность его транспортировки), приходящаяся на единицу мощности движительного комплекса этого судна. По сути, пропульсивное качество - это КПД транспортировки любого плавучего средства, не только прогулочного судна с «человеческой» нагрузкой, но и баржи-самоходки, военного корабля и т.п. Такой «кораблестроительный» подход принят, в частности, при оценке результатов заводских испытаний серийных судов с подвесными моторами ...

Но рядовому водномоторнику, по мнению автора, «ближе» и понятнее другая характеристика моторного судна, связанная с его полезной нагрузкой Q, а именно: показатель эксплуатационной эффективности Э = Qv/N (см., напр., упомянутую книгу автора). Эту нагрузку измеряют количеством человек на судне или, что более корректно, - массой полезного груза, как в рассматриваемом нами драйв-тесте редакции «КиЯ».

Можно пойти еще дальше и воспользоваться «мореманским» понятием коэффициента утилизации водоизмещения q (Морской энциклопедический справочник, Судостроение, 1986) или, проще говоря, КПД использования водоизмещения судна под полезную нагрузку: q = Q/Δ. Очевидно, что этот коэффициент «созвучен» упомянутому показателю эксплуатационной эффективности Э.

В отличие от скорости хода v мощность N на ходу измерить практически нереально, поэтому судят о ней по числу оборотов мотора n. На полном газу, как известно, связь мощности мотора с его числом оборотов задается внешней характеристикой N = N(n). Увы, конкретный график этой характеристики известен для очень немногих подвесников (что также было отмечено в упоминавшейся статье о первом драйв-тесте редакции «КиЯ»). И все же, как оказалось, такую мощность можно оценивать - по универсальной формуле известного в свое время водномоторника В.А Баснина, доработанной автором для современных подвесных моторов (статья автора «Ленинский принцип в теории подвесного мотора»).

Оценка фактической мощности мотора необходима и для другого, порой более актуального, чем пропульсивное качество, рейтингового показателя, а именно -топливной экономичности. Сегодня в мировой практике драйв-тестов принято измерять ее путевым расходом топлива, т.е. например, дальностью хода на одном литре топлива S, км/л, - как в рассматриваемом драйв-тесте. Этот показатель очевидным образом выражается через привычный паспортный часовой расход топлива G, л/час (кг/час). Он же непосредственно зависит от мощности мотора N при данном числе оборотов n, поскольку S = v/G = v g / N, где g, г/л.с.•ч, - паспортный удельный расход топлива. Такой «мотоциклетный» взгляд на мотор, как на просто висящий на транце двигатель внутреннего сгорания, - приводит, однако, не к лучшему варианту оценки топливной экономичности судового винтомоторного движительного комплекса, каковым является любой подвесник.

Более гибок предложенный автором «транспортный» подход к топливной экономичности судна с подвесным мотором («КиЯ» №№ 171 и 173, 2000 г., а также упомянутая книга автора). Это позволяет рассматривать топливную экономичность как судна в целом, т.е. как пары «подвесник + корпус» ( «транспортный» показатель Е), так и отдельно взятого подвесного мотора («тяговый» показатель е). «Транспортный» показатель Е, m•км/л, выражается через путевой расход S, км/л, и водоизмещение Δ, m, простой формулой: E = Δ•S.

Между прочим «тяговый» показатель е связан, с одной стороны, с «транспортным» Е через величину гидродинамического качества корпуса судна К : Е = К • е., С другой стороны, тяговый показатель е достаточно просто выражается через удельный расход топлива g и пропульсивный КПД (буксировочный коэффициент) η мотора, а именно: е=η/g. Это позволяет, например, «перебросить мостик» от результатов обычного драйв-теста к гидродинамическим характеристикам подвесного мотора.

Таким образом, вместо полуинтуитивных рассуждений о достоинствах того или иного сочетания «корпус-мотор», участвовавших в рассматриваемом драйв-тесте, мы можем оперировать достаточно обоснованными и корректными оценками эксплуатационной эффективности и топливной экономичности. И на основе этого можно более объективно судить об интуиции или, если угодно, о «водномоторных вкусах» экспертов-комментаторов драйв-теста. Образно говоря, алгеброй теории подвесного мотора можно поверить гармонию вкусов «судейской коллегии». А вкусы эти таковы.

Константин Константинов, «не задумываясь», выбрал «Обь-М» + «Yamaha-30». Алексей Даняев считает совсем неплохим вариантом «Днепр» с 30-ти сильной «Yamaha». A Игорь Лагутин и Александр Фрумкин остановили свой выбор на паре - «Обь-М» + «Tohatsu-18» («КиЯ» № 198). Поверим же «гармонию» их мнений «алгеброй» числовых показателей, рассмотренных выше.

Согласно данным драйв-теста при нагрузке от 1-го до 4-х человек величины водоизмещения практически одинаковы для всех вариантов пар. Поэтому о скоростных качествах сравниваемых мотолодок можно судить, не прибегая к нормировке скорости хода в виде чисел Фруда по водоизмещению. В этом смысле лидирует вариант Константинова: с 1-м человеком его мотолодка выигрывает по скорости хода у Даняева 14%, а у Лагутина и Фрумкина - по 20%; а с предельной нагрузкой в 4 человека - соответственно 26% и 33%. При этом потеря скорости в диапазоне этих нагрузок у варианта Константинова равна примерно 15%, а у двух остальных - чуть более 20%. Как видим, «Обь-М» с мотором «Yamaha-30» не только обгоняет своих конкурентов, но и лучше всех «держит нагрузку».

По часовой транспортной работе, т.е. мощности транспортировки, мотолодка, выбранная Константиновым, тоже на первом месте. Второе место занимает мотолодка Даняева, отставая от лидера, например, при полной нагрузке почти на 25% и не намного (на 7%) опережая последнюю участницу рейтинга. Аналогично распределяются места и в рейтинге по мощности транспортировки полезной нагрузки.

Для мотолодок Константинова и Даняева с одним и тем же мотором «Yamaha-30» соотношения пропульсивного качества и эксплуатационной эффективности остаются, очевидно, такими же как для транспортной работы. Но лидером при любой нагрузке становится вариант Лагутина и Фрумкина - «Tohatsu-18» + «Обь-М», - вследствие намного меньшей (почти на 70%) мощности мотора, так что на последнем месте оказывается выбор Даняева.

Согласно данным драйв-теста по дальности хода на литре топлива (нагрузка 2 человека) лидирует мотолодка Константинова (3,9км/л), у остальных вариантов этот показатель почти одинаков (3,6 и 3,5 км/л, последняя цифра у пары Даняева). А по транспортной работе, выполненной на литре топлива, на первое место выходит пара Лагутина и Фрумкина - у нее этот показатель на 56% и 69% выше, чем у пар Константинова и Даняева соответственно.

Итак, вариант, выбранный Константиновым, безусловно лидирует по скоростным качествам. По топливной экономичности он тоже впереди, но только по «скоростному» путевому расходу (путь на литре топлива), а по «транспортному» расходу (транспортная работа на литре топлива) он уступает свое лидерство варианту Лагутина и Фрумкина. Их вариант является также лидером по пропульсивному качеству и эксплуатационной эффективности. Вариант же Даняева - это своего рода осторожный «середнячок» в нашем рейтинге.

Как видим, более мощный мотор не всегда является гарантией преимущества по показателям драйв-теста: ведь у нашего лидера по «кораблестроительным» характеристикам - пропульсивному качеству и эксплуатационной эффективности, - мощность мотора на 70% ниже!
Это побудило автора обратить внимание на совсем, казалось бы, никудышный вариант с 15-сильным мотором «Suzuki» плюс корпус «Крыма». Такой корпус с мотором «Вихрь-30» автору хорошо знаком в качестве буксировщика дископлана для мотосерфинга, в свое время запатентованного им вместе с Александром Роженом («КиЯ» № 73 за 1978 г.).

Первое, что бросилось в глаза для пары «Suzuki» + «Крым» - существенно (на 13%) большая, чем у лидера нашего рейтинга (пара «Yamaha» + «Обь-М»), дальность хода на литре топлива - 4,4 км/л. Оказалось, что выигрыш по транспортной топливной экономичности при нагрузке в 2 человека еще больше - 18%. А с такой же нагрузкой у нашей пары «Suzuki-15» + «Крым» показатель эксплуатационной эффективности даже больше на пару процентов, чем у пары «Tohatsu-18» + «Обь-М», в то время, как часовой расход топлива меньше на 21%!

Как тут не вспомнить народный афоризм - «тише едешь, дальше будешь!». Но, быть может, больше подходит другой образчик народного творчества - «в тихом болоте черти водятся»?.. А если серьезно, то ведь именно об этом говорит «слияние» в одну, по сути, линию экспериментальных точек на рисунке для 18-ти и 15-ти сильных моторов «Tohatsu» и «Suzuki». И первопричина этого явления - гидродинамические факторы (статья автора «Мухи и котлеты... водномоторных драйв-тестов»).