Катера с аэрокрылом

Н.И. Белевин, Катера и Яхты, №64, 1976 год



Среди катеров, использующих для движения динамические принципы поддержания — глиссирующих, на подводных крыльях, на воздушной подушке, экранопланов, особое место занимают катера с воздушной разгрузкой. Обычно под этим термином понимают глиссирующие катера (в том числе и катамараны), катера на гидролыжах или подводных крыльях, снабженные аэродинамической несущей поверхностью или крылом — аэрокрылом. При определенной скорости движения на этой поверхности возникает достаточно большая аэродинамическая подъемная сила, величина которой сравнима с гидродинамической силой поддержания, действующей на днище катера или на его подводные крылья (гидролыжи). В отличие от экранопланов, у которых вес аппарата целиком воспринимается аэродинамической силой, на рассматриваемых катерах используются также и гидродинамические силы поддержания. Некоторые катера с воздушной разгрузкой можно рассматривать и как разновидность
экранопланов, у которых возникающие гидродинамические силы пренебрежимо малы, по сравнению с аэродинамическими, и используются в основном для стабилизации движения.

Начиная с 1929 г. за рубежом было предложено более десяти различных конструкций катеров с аэрокрылом. Это патенты М. Тенаклиа (1929 г.), Д. Лерэйя (1934 г.), А. Газда (1944 г.), С. Харксона (1958 г.), Д. Велли (1959 г.), У. Крейга (1963 г.), Е. Хэнфорда (1964 г.), Д. Томпсона (1970 г.), У. Уолледжа (1972 г.) и др.

Нетрудно заметить, что особенно интенсивно разработки таких катеров ведутся с конца 50-х годов. Однако несмотря на обилие проектных предложений реализация их идет удивительно медленными темпами. За 47 лет, прошедших со времени выдачи первой авторской заявки на катер с аэрокрылом, их было построено, по опубликованным данным, всего два — «Си Рейдер» (1971 г.) и «AF-XS» (1972 г.) — и оба в Японии. Для сравнения напомним, что с момента создания в 1931 г. Т. Каарио первого экраноплана за рубежом было построено около 25 таких аппаратов.

Столь осторожное внедрение аэрокрыла в катеростроение можно объяснить и сложностью решения ряда конструктивных проблем, встретившихся на пути, и, что, пожалуй, еще более важно, отсутствием уверенности в том, что удастся получить ощутимое повышение технико-эксплуатационных качеств по сравнению с традиционными типами.

Авторы проектов катеров с воздушной разгрузкой видят их преимущества перед обычными катерами в увеличении скорости хода за счет снижения сопротивления движению, а следовательно, и повышения аэрогидродинамического качества К. По оценкам зарубежных специалистов, значение этого качества для катеров с воздушным крылом может достигать порядка 10—14, в то время как у обычных глиссирующих катеров оно редко превосходит 6—7. Для катеров на подводных крыльях таких высоких значений качества удается достигнуть лишь в редких случаях и только при значительно меньших скоростях.



Совершенно очевидно, что использование воздушного крыла становится целесообразным лишь при больших скоростях хода катера, когда аэродинамическая подъемная сила становится сравнимой с гидродинамическими силами поддержания. При этом следует иметь в виду, что площадь воздушного крыла для создания заданной подъемной силы должна быть почти в 800 раз больше, чем площадь подводных крыльев (при одинаковом значении коэффициента подъемной силы Су). Применение аэрокрыла оправдано при скоростях порядка 120—150 км/ч. При меньшей скорости хода размеры воздушного крыла для получения ощутимой подъемной силы (хотя бы 30— 50% водоизмещения катера) будут столь значительны, что получить на катере необходимую весовую отдачу не представляется возможным.

Для катеров на подводных крыльях применение воздушного крыла имеет смысл лишь при таких скоростях, на которых начинается интенсивная кавитация подводных крыльев, что приводит к падению гидродинамического качества. Уменьшение удельного давления на подводные крылья с помощью воздушного крыла позволяет соответственно повысить значение предельной скорости— отдалить момент начала кавитации.

Применение на катерах традиционных типов воздушного крыла дает еще одно преимущество — благодаря воздушной разгрузке удается повысить мореходность за счет снижения величины гидродинамических сил, действующих на корпус катера, а следовательно, и возникающих перегрузок.

Сравнивая ходовые и мореходные качества катеров на подводных крыльях с аэрокрылом и экранопланов, зарубежные специалисты в качестве преимущества первых отмечают относительную простоту решения двух наиболее сложных технических проблем: выхода на заданный режим и устойчивости движения.

Например, для катера на подводных крыльях с воздушной разгрузкой удается получить значение аэрогидродинамического качества в момент преодоления горба сопротивления и выхода на расчетный режим порядка К = 7 — 8, вместо К = 4 — 5, характерных для гидросамолетов и экранопланов (см. «КиЯ» № 15, 45).

Проблема же устойчивости движения катера с помощью подводных крыльев решается несравненно проще, чем с помощью аэродинамических стабилизаторов, используемых на экранопланах: например, применением крыльев с изменяющейся в зависимости от осадки несущей площадью или использованием эффекта падения подъемной силы крыла при приближении к свободной поверхности.

Катера с воздушной разгрузкой имеют, однако, и существенные недостатки. К основным из них, при сравнении с катерами обычного типа, относятся более сложная конструкция, меньшая полезная грузоподъемность, трудности при швартовкe, транспортировке и др.







1, 3 — слабая килевая качка; 2— слабое раскачивание носовой стойки с гидролыжами; 4 — опасность вылета в воздух; 5 — повторяющиеся вылеты в воздух.



По сравнению с экранопланами, для них характерны ограниченные значения аэрогидродинамического качества К = 10—14, вместо К = 20 — 24 у экранопланов, например, у «Х-112») и максимальных скоростей движения из-за появления кавитации подводных крыльев. Для глиссирующих катеров и катеров на гидролыжах предельные скорости еще ниже из-за падения гидродинамического качества и роста перегрузок.

Как уже отмечено, к настоящему времени за рубежом разработано значительное количество различных конструкций глиссирующих катеров, катеров на подводных крыльях и на гидролыжах с аэрокрылом. Авторы, как правило, идут каждый своим путем в решении принципиальных вопросов конструкции таких катеров. Рассмотрим некоторые из них.

Один из первых проектов катера с аэрокрылом разработал швейцарский изобретатель М. Тенаклиа еще в 1929 г.

Катер представляет собой глиссирующее судно, снабженное по бортам поплавками, закрепленными на корпусе с помощью кронштейнов. Над корпусом судна на невысоких стойках смонтировано развитое воздушное крыло. Для повышения устойчивости катер снабжен большим килем. В качестве двигателя предлагается мощный подвесной мотор.

Автор разработки ничего не говорит о том, что близость экрана благотворно повлияет на несущие свойства воздушного крыла, а это явление обязательно должно иметь место.

Интересно также отметить, что первый, построенный за рубежом катер с воздушной разгрузкой — «Си Рейдер» — обычное глиссирующее судно, как и в проекте Тенаклиа.

Наиболее многочисленны конструкции катеров с воздушной разгрузкой на подводных крыльях. Начиная с предложения изобретателя из ФРГ Д. Велли (1959 г.), подобная конструкция с некоторыми изменениями была разработана в 1963 г. американцем У. Крейгом, а в 1964 г. его соотечественником Е. Хэнфордом.

Известны и другие подобные решения.

Предложенная Е. Хэнфордом конструкция сравнительно большого пассажирского катера напоминает летающую лодку с подводными крыльями, расположенными по самолетной схеме (два побортно у миделя и одно в корме) на высоких стойках. Воздушное крыло весьма значительных размеров закреплено на уровне верхней палубы катера.

Энергетическую установку составляют два авиационных двигателя, размещенных на пилонах в центральной части крыла.

Устойчивость движения и управляемость катера в различных плоскостях обеспечиваются регулируемыми закрылками, расположенными на подводных и воздушном крыльях, элеронами и водяным рулем. Для облегчения выхода на расчетный режим движения, т. е. преодоления горба сопротивления на сравнительно невысоких скоростях, воздушное крыло оборудовано системой управления пограничным слоем (отсос воздуха). Эта мера позволяет в стартовый период увеличить качество крыла.

Одна из особенностей судна — отгибающиеся с помощью специального привода консоли воздушного крыла. Это дает возможность устанавливать их в необходимое положение в зависимости от условий старта и движения на расчетном режиме, когда они играют роль концевых шайб, препятствующих перетеканию воздуха из-под крыла наверх.

По оценкам автора предложения, на расчетном режиме при скорости около 280 км/ч на воздушном крыле будет возникать подъемная сила, равная 90% веса судна. Остальные 10% его веса будут поддерживаться суперкавитирующими подводными крыльями.

Среди разработанных проектов глиссирующих катеров с воздушной разгрузкой имеется несколько предложений, весьма оригинально решающих проблему устойчивости.

Запатентованная в 1972 г. англичанином У. Уолледжом конструкция легкого катера напоминает собой небольшую летающую лодку. Катер имеет обтекаемый корпус с реданом в носовой части, закрытую кабину экипажа, развитое воздушное крыло закрепленное в кормовой части корпуса на высоком пилоне.

Для продольной балансировки катера предусмотрен управляемый стабилизатор, для поперечной — элероны. Установленный на крыле двигатель вращает толкающий воздушный винт.

Основной особенностью аппарата является размещение несущего крыла далеко в корму от центра тяжести. Следствием этого будет, по мнению изобретателя, автоматическое обеспечение продольной устойчивости глиссирования катера на редане и поддержания угла атаки несущего крыла в заданных пределах (около 6°).

Действительно, при увеличении скорости подъемная сила крыла будет возрастать, что приведет к подъему кормовой части катера и к уменьшению угла атаки крыла. Последнее вызовет падение подъемной силы и, как следствие, опускание кормовой части катера. К сожалению, в патентной заявке не приводится оценка мореходности судна, которая едва ли может быть высокой при подобной аэрогидродинамической компоновке.

Краткие данные о «Си Рейдере» и его фотография были помещены в № 45 сборника, поэтому здесь лишь напомним, что это — трехместный глиссирующий катер, напоминающий обычную лодку с подвесным мотором. Катер в 1971 г. был оборудован воздушным крылом с управляемым обкрылком и небольшими поплавками на концах. В печати отмечалось, что «Си Рейдер» выпускался в 1972 г. в Японии серийно.

Специалисты японской фирмы «Синмэйвакогекокуки» заявляют, что идея создания катера «AF-XS» на гидролыжах с воздушной разгрузкой возникла у них после успешных испытаний А. Липпишем своих экра-нопланов «Х-112» и «Х-113».

Катер построен в 1972 г. Он представляет собой двухместную моторную лодку с сигарообразным 4-метровым корпусом, оборудованную стреловидным крылом с размахом около 2 м. В носовой части корпуса и на консолях воздушного крыла закреплены стойки (поплавки). С боковых сторон стоек установлены двухъярусные узкие глиссирующие пластины — гидролыжи длиной 1 м. Экипаж размещается в открытой кабине, защищенной спереди стеклом. Корпус катера, воздушное крыло и стойки с гидролыжами выполнены из легких сплавов. Вес катера 100 кг, при полной загрузке он весит около 300 кг. На нем установлен серийный подвесной мотор «Ямаха» мощностью 25 л. с.



В январе 1973 г. были проведены обширные ходовые и мореходные испытания этого судна, в том числе сопоставительные испытания с серийным глиссирующим 12-футовым катером, оборудованным таким же двигателем, и буксировочные испытания катера с помощью быстроходной моторной яхты. Максимальная скорость «AF-XS» с одним пассажиром достигла 53 км/ч, против 43 км/ч у обычного катера, т. е. оказалась выше почти на 24%. При этом резервы мощности двигателя не были реализованы до конца из-за неоптимальных характеристик гребного винта.

Мореходные испытания обоих катеров также показали весьма существенные преимущества «AF-XS». Авторы проекта объясняют это благоприятным амортизирующим влиянием гидролыж и воздушного крыла. На волнении с высотой волн 0,4 м при скорости 40 км/ч обычный катер испытывал опасные для прочности удары о гребни волн. «AF-XS» был испытан на волнении с высотой волн 0,5 м и скорости хода 55 км/ч, но и при этом перегрузки не считались опасными для катера и легко переносились экипажем.

Из недостатков конструкции катера, выявленных в процессе испытаний, специалисты фирмы прежде всего отмечают сигарообразную форму корпуса, затрудняющую выход катера на расчетный режим движения на гидролыжах. Кроме того не удалось до конца решить проблему устойчивости движения, особенно на волнении: катер рыскал по курсу, совершал колебания в продольном и поперечном направлениях, чему способствовал и подсос воздуха к винту. Неудовлетворительной оказалась поворотливость, проявившаяся в недопустимо большом диаметре циркуляции.

В заключение скажем, что у обоих построенных катеров благоприятное влияние воздушного крыла на ходовые и мореходные качества использовано лишь незначительно. Это объясняется, главным образом, сравнительно невысокими скоростями хода и небольшими размерами крыла. Конструкторы не использовали экранный эффект для повышения несущих свойств крыла, относительно высоко расположенного над водой (на 20—30% хорды крыла).