Журнал КиЯ №18 1969г
В наш век скорость — непременный спутник и символ прогресса. Естественно, что повысить скорость своего судна хотя бы на два-три километра в час стремятся уже не только спортсмены-гонщики, но и большинство владельцев лодок и катеров, которым, казалось бы, можно было и не торопиться. Для многих это становится своеобразным хобби, чуть ли не целью жизни. У нас в Ленинграде, например, есть чудак, который каждый год строит новый катер только потому, что предыдущий кажется ему слишком тихоходным.
Сам он уже дважды попадал в больницу с переломанными ребрами и — тем не менее — этой зимой всю его семью опять можно было застать за полировкой деталей водомета для очередного скоростного катера.
Понятно, что на таком общем фоне тихоходные водоизмещающие лодки многим кажутся чем-то устаревшим, явно не заслуживающим внимания. Но давайте посмотрим, много ли проигрывает владелец такой «неторопливой» лодки? Если он выходит не для того, чтобы промчаться по реке со скоростью автомобиля, а полюбоваться красотой речных берегов, синевой неба, послушать плеск волн о борта лодки, — то оказывается в явном выигрыше. Не нужно постоянно смотреть вперед, так как замеченный объект приблизится не скоро. Если в лодке есть гости, хозяин сможет уделить им несравненно больше внимания. Когда на реке гуляют волны с белыми барашками, прогулка на быстроходном катере будет напоминать скачку на диком мустанге. А вот при той же погоде выход на хорошей водоизмещающей лодке оставит впечатление настоящего морского плавания на большом корабле, настолько плавна и приятна качка.
Отправляясь в дальнее путешествие, любитель скоростей долго перебирает снаряжение, отказываясь от многих необходимых, но тяжелых вещей. Ведь нагрузка в 300 кг приводит к снижению скорости такой легкой лодки, как «Казанка», почти вдвое. А вот для водоизмещающей лодки лишняя сотня-другая килограммов значения не имеет, следовательно, путешествие на неторопливой лодке будет гораздо более комфортабельным. Не приходится уже и говорить о том, что на ней проще оборудовать каюту, что достать доски для постройки тяжелой лодки гораздо легче, чем фанеру или дюраль для глиссирующего катера.
Привлекательной стороной плавания с небольшой скоростью является и экономичность. Ведь для достижения высокой скорости требуется более мощный и дорогой двигатель, расходующий больше топлива!
Все эти доводы отнюдь не значат, что мы призываем всех отказаться от скорости и мощных моторов, иными словами—хотим остановить прогресс. Даже напротив: речь пойдет о борьбе за скорость, о выборе таких форм корпуса водоизмещающих лодок, которые обеспечивали бы им максимальную скорость при минимальной мощности двигателя.
Нередки случаи, когда на катер, обводы которого рассчитаны на глиссирование, вместо 40-сильного ставят 6-сильный двигатель, а потом удивляются, почему красивое, современных очертаний судно уступает по скорости какой-то «великовражке». И наоборот, снабдив старую гребную спасательную шлюпку мощным автомобильным мотором, ее владелец никак не может заставить судно преодолеть роковой рубеж в 20 км/час. В обоих случаях оказываются бесплодными попытки подобрать лучший гребной винт и изменить центровку судна, потому что все дело в обводах корпуса.
Каждое судно проектируется на определенную скорость. Чтобы убедиться в этом, придется рассматривать... волны, которые создает любое судно при движении.
Конечно, все замечали волны, которые расходятся в стороны от носа и кормы идущего судна и с силой накатываются на берега; хорошо видны (особенно, если на борта нанесена прямая ватерлиния) и поперечные волны, идущие вдоль судна. И расходящиеся, и поперечные волны появляются вследствие изменения давления воды у корпуса во время его движения. Носом судно как бы раздвигает, вытесняет воду, — здесь образуется зона повышенного давления, и вода вспучивается над поверхностью в виде гребня волны. В корме за корпусом, раздвинувшим воду, возникает разрежение и образуется впадина (или подошва) кормовой волны. Чем большую скорость будет развивать судно, тем выше и длиннее образуемые его корпусом волны, т. е. тем большую массу воды придется судну вовлекать в движение, расходуя на это все большую энергию двигателя.
Катер „Баклан", построенный волгоградцем Ю. И. Бирюковым.
Длина 7,2 м; ширина 2,2 м; высота борта 0,9 м; двигатель „Л-12" (мощностью 12 л. с); скорость 15 км/час.
При движении судна кормовая его часть, естественно, идет уже не по спокойной воде, а встречается с каждой носовой поперечной волной. Как встретятся эти носовая и кормовая волны — гребень с подошвой или подошва с подошвой — зависит, очевидно, и от длины судна, и от его скорости. Если к корме подходит гребень носовой волны, то он уменьшает впадину кормовой, и наоборот, при наложении впадины носовой волны на кормовую, за кормой получается волна суммарной высоты.
Судостроители объединили обе зависимости волнообразования — от скорости и длины судна — в одну и стали характеризовать скорость судна безразмерной величиной — числом Фруда:
Для того чтобы наглядно представить соотношения скорости, длины судна и числа Фруда, приводим простой график. Сразу оговоримся, что речь дальше пойдет о лодках длиной 3—10 м и их скоростях, не превышающих Fr = 0,8, т. е. в пределах 7—30 км/час.
Число Фруда характеризует расположение системы волн, поднимаемых судном, относительно его корпуса. Например, при Fr=0,31 на длине корпуса судна, независимо от его размеров, всегда будут располагаться два гребня, а впадина носовой волны совпадет со впадиной кормовой. А отсюда следует важный закон— в судостроении он называется законом подобия, основываясь на котором, можно сравнивать по обводам (и выбирать из них лучшие) суда любой длины, плавающие с одинаковым числом Фруда.
Кстати, при одинаковом Fr и близких обводах на создание волн затрачивается одна и та же удельная мощность (мощность в л. с. на тонну водоизмещения),
В нашем случае (Fr = 0,31) на образование волн затрачивается около половины полезной мощности двигателя (другая половина идет на преодоление трения корпуса о воду).
Нетрудно сообразить, каким условиям должны отвечать обводы лодок и катеров для этой скорости Fr = 0,31. Очевидно, нос и корма должны быть достаточно острыми, чтобы не вызвать волну повышенной высоты. Глубоко погруженный транец, такой, например, как у «Казанки», здесь не пригоден, так как чем полнее корма, тем глубже будет впадина кормовой волны, тем большая потребуется мощность двигателя. Лучшие результаты дают плавные, заостренные в корме по ватерлиниям обводы с выходящими из воды и достаточно круто поднимающимися вверх линиями батоксов. Применяются вельботная, крейсерская— как у каноэ, и транцевая формы кормы, причем в последнем случае днище у транца имеет значительную килеватость, а сам транец обычно в воду не погружен.
Характерные обводы имеет, например, мореходный рыболовный бот. Транец едва входит в воду; ватерлинии примерно симметричны относительно миделя. Благодаря подъему батоксов к транцу в корме создается интенсивный поток воды вверх, как бы компенсирующий увеличенную впадину волны. Шпангоуты у транца имеют большую килеватость. Важна также и минимальная площадь подводной (смоченной) поверхности корпуса, от чего зависит вторая половина потребной мощности, расходуемая на трение.
В качестве других примеров хороших обводов для рассматриваемых скоростей (Fr = 0,27 / 0,35) можно назвать катера «Помор» (описан в 14 номере 1968 г,), «Эврика» и катер Соломбальской верфи (см. стр. 16 и 17). Примерно такие же кормовые обводы имеют гребные и парусные шлюпки, например, военно-морские ялы.
Для рассматриваемого диапазона скорости характерна сравнительно небольшая потребная удельная мощность двигателя — примерно 1 / 1,5 л. с. на каждую тонну водоизмещения судна; при этом скорость при увеличении нагрузки лодки практически не изменяется. Очевидно, рассматриваемая скорость для катеров является минимальной и получить ее можно с самым слабым моторчиком в 2—3 .л. с. даже на тяжелом судне.
При дальнейшем повышении относительной скорости, λ — длина поперечных волн — постоянно увеличивается и при Fr=0,40 становится равной длине корпуса лодки, т. е. лодка при таком λ идет на двух соседних гребнях поперечных волн. Соответственно возрастает и мощность, затрачиваемая на создание волны (или волновое сопротивление); теперь она составляет уже не половину, а около 70—80% всей буксировочной мощности.
Лодка немного погружается и получает легкий дифферент на корму, так как в корме гребень носовой волны в известной мере гасится подошвой кормовой волны. Чтобы эффект этого благоприятного наложения волн был больше, рекомендуется даже несколько приполнить обводы в оконечностях.
Соответствующая описанной картине абсолютная скорость для наших катеров длиной 4 м будет 9 км/час, длиной 10 м—14 км/час. Еще. небольшое увеличение скорости — всего на 3—4 км/час — и картина волнообразования резко изменится. Носовая волна становится длиннее лодки, лодка как бы начинает взбираться на . гребень этой волны, высоко задрав нос. Вот тут-то конструктор и должен помочь судну преодолеть эту «гору» — хотя бы немного сдвинуть носовой гребень в корму за счет большего заострения носовых обводов, а главное — не допустить слишком большого погружения кормы.
Напомним, что чрезмерный дифферент на корму нарушает плавное обтекание корпуса, снижает эффективность работы гребного винта. С подобными явлениями хорошо знакомы владельцы деревянных лодок, снабженных слишком мощными двигателями. Хорошо известна и основная причина этого — недостаточные плавучесть и опорная поверхность узкой кормы. Каких только приспособлений не навешивают владельцы на свои лодки, чтобы избавиться от дифферента! Здесь и бортовые наделки, и подпорные клинья, и транцевые плиты, и подводные крылья. Но в большинстве случаев все эти приспособления из-за малой скорости хода оказываются недостаточно эффективными и непрактичными в эксплуатации. Только правильно подобранные обводы корпуса помогают лодке перевалить через гребень и достичь большей скорости.
В качестве примеров приводим эскизы обводов двух катеров, скорость которых непосредственно примыкает к рассматриваемой зоне. Десятиметровый стальной катер рассчитан на скорость 16 км/час, что соответствует числу Fr = 0,46. Характерно, что широкий транец лишь касается ватерлинии, а батоксы в корме имеют меньший подъем, чем у ранее рассмотренного катера. Это обеспечивает хорошие ходовые качества и на более низких скоростях, при неполном числе оборотов двигателя или при большой нагрузке.
Следует обратить внимание и на форму ватерлинии катера — она сильно заострена в носу, а наиболее широкое место сдвинуто в корму от миделя. Это снижает высоту носовой волны и несколько смещает в корму объем подводной части, что, в конечном счете, препятствует кормовому дифференту катера.
Носовая часть палубы имеет большую площадь, а носовые шпангоуты расширяются кверху лостепенно, благодаря чему катер хорошо режет волну, не зарываясь, однако, глубоко в воду и не теряя скорости. Слом по линии борта между корпусом и баком (носовой надстройкой) способствует отбрасыванию брызг в стороны. Для второго катера, рассчитанного на скорости до Fr=0,80, характерна широкая плоская корма с погруженным в воду транцем. Осадка транцем равна примерно четверти наибольшей осадки корпуса — подводный объем, таким образом, смещен в корму еще больше, чем в предыдущем случае (соответственно перемещается и гребень носовой поперечной волны). Линии батоксов в корме более пологие, поэтому на днище возникает уже достаточной величины гидродинамическая подъемная сила, выравнивающая катер. Если посмотреть за корму такого катера на ходу, можно увидеть, как две струи воды, срывающиеся с бортов у транца, смыкаются далеко за кормой как бы увеличивая длину корпуса.
Катер со слишком узким транцем или с большой килеватостью днища в корме буквально проваливается кормой в воду; за его транцем образуются завихрения, поглощающие энергию двигателя. Дифферент на корму при вельботной или крейсерской корме может составить 5—7 ; подобные катера достигают скорости Fr=0,5 / 0,6 только за счет установки слишком мощного двигателя.
При правильных обводах корпуса и скоростях Fr = 0,5 / 0,7 на волнообразование тратится уже 85—90% мощности двигателя, которая обычно составляет 15—20 л. с. на каждую тонну водоизмещения. Судно становится чувствительным к увеличению нагрузки и изменению положения центра тяжести.
При дальнейшем увеличении скорости до Fr=0,8 / 0,9 гребень носовой волны перемещается в кормовую часть катера. Если днище здесь достаточно плоское с пологими, почти горизонтальными линиями батоксов, то благодаря действующей на него гидродинамической подъемной силе катер будет всплывать, рост волны приостановится, и судно пойдет в близком к глиссированию режиме. Но, помимо обводов днища, все более существенную роль начинает играть нагрузка катера. Если полный вес превышает 35 кг на каждую лошадиную силу мощности двигателя, перехода в глиссирование может и не наступить. Однако на этой скорости мы бы и хотели закончить разговор о неторопливых лодках, ибо при дальнейшем выжимании скорости они лишаются большинства преимуществ, о которых говорилось вначале.
Приведем эскиз обводов катера, который пригоден для самого широкого диапазона скоростей — от Fr = 0,4 до Fr=1,2. Характерны малая осадка, в корме — большая ширина ватерлиний, плавные (почти параллельные ватерлинии) батоксы. Транец погружен в воду немного, поэтому для движения на нижнем пределе скорости требуется незначительная мощность. Для достижения максимальной скорости, естественно, нужно поставить гораздо более мощный двигатель (разумеется, если катер не слишком тяжелый).
Выше речь шла об обводах, рекомендуемых для каждого диапазона скоростей. Какую же мощность двигателя нужно предусмотреть для достижения той или иной заданной скорости при условии, что обводы корпуса выполнены оптимальными? Достаточно точный ответ можно получить из таблицы (табл. 1), составленной по данным большого числа построенных катеров. По этой таблице особенно хорошо видно, как сильно влияет на потребную мощность длина лодки. Например, для скорости 15 км/час катеру длиной по ватерлинии 6 м и водоизмещением 2,0 т требуется двигатель в 22 л. с. Катер того же водоизмещения и с тем же двигателем, но длиной 9,2 м, пойдет на 4 км/час быстрее (или при сохранении той же скорости 15 км/час может принять дополнительно 1,5 т полезного груза). Такое значение длины должно быть для нас уже понятно — ведь с ее увеличением при данной скорости понижается число Фруда, уменьшаются потери на волнообразование. Не случайно поэтому катера с маломощными двигателями строят максимально возможной длины, чаще всего 6—10 м.
В табл. 2 представлены основные данные некоторых водоизмещающих лодок и катеров, описания которых были опубликованы в сборнике «Катера и яхты». Из характерных соотношений размерений следует отметить относительную длину LWL: D 1/3 = 5 / 6; отношения .LWL: B = 3,2 / 4,5 и B : T = 3,5 / 5,5 Эти параметры наиболее существенно влияют на ходовые качества и остойчивость лодок.
В заключение несколько слое о двигателях и гребных винтах для тихоходных лодок. Следует предпочесть малооборотные двигатели или применять редукторы. При скоростях 11—15 км/час наиболее эффективны гребные винты с числом оборотов 700—1000 об/мин; при скоростях 15—20 км/час — 1200— 1500 об/мин. По этой причине подвесные моторы на водоизмещающих лодках работают с низким коэффициентом полезного действия, особенно если применяется серийный гребной винт с большим шаговым отношением (около I).
