Подводные крылья и воздушная подушка

Человек тысячи лет ходил по морям на разных судах и, какова бы ни была их скорость, закон Архи­меда никогда не подводил: общий вес = водоизме­щение = СТАТИЧЕСКАЯ подъёмная сила, или плаву­честь.

Однако обычные килевые суда, даже с корпусом обтекаемой формы и оптимальной длиной (с точки зрения порождения волн), большую часть мощности силовой установки расходуют на создание системы волн и на преодоление сопротивления среды (трения воды о поверхность корпуса). Опыты показывают, что скорость килевых судов изменяется прямо про­порционально кубу мощности. Другими словами, чтобы удвоить скорость, надо в восемь раз увели­чить мощность силовой установки.

Даже самая рациональная форма корпуса не в состоянии изменить это правило. Вот почему при строительстве скоростных катеров уже в начале XX века все больше внимания стали уделять скользя­щим катерам (глиссерам), то есть использованию ДИНАМИЧЕСКОЙ подъемной силы.

Благодаря особой форме корпуса, корпус глис­сера, при достижении определенной скорости, вы­двигается из воды. Вместе с уменьшением водоизме­щения уменьшается также сопротивление воды и процесс создания волн. Однако все преимущества скольжения глиссеры демонстрируют только на «ти­хой воде». Плавать в свежую погоду они не могут.

Почти одновременно с идеей глиссеров появи­лась еще более радикальная идея: полностью подни­мать корпус судна из воды с помощью динамической подъемной силы, порождаемой погруженными в во­ду специальными плоскостями (крыльями). Тогда корпус перестает испытывать сопротивление воды и участвовать в порождении волн. Только подвод­ные крылья, соединенные с днищем стойками, оста­ются погруженными в воду. Но поскольку плотность воды в 800 раз превышает плотность воздуха, а подъемная сила, порождаемая подводными крылья­ми пропорциональна плотности среды, в которой они действуют, эти крылья могут быть гораздо мень­ше, чем крылья самолетов.

После того, как катер разгоняется, под крыльями вследствие воздействия набегающего потока воды возникает повышенное давление, а сверху — пони­женное. В результате создается подъемная сила, ко­торая «вытаскивает» корпус на поверхность воды.

Эффективность очевидна. Для того, чтобы обыч­ный катер водоизмещением 50 тонн развил скорость 50 узлов, ему нужна силовая установка мощностью 7500 л.с. Катеру на подводных крыльях того же во­доизмещения достаточно мощности 3500 л.с., так как он испытывает лишь сопротивление встречного потока воздуха, плотность которого в сотни раз меньше плотности воды.

Таким образом, главное преимущество судов на под­водных крыльях (далее для краткости я буду называть их на западный манер «гидро- фойлы»), это существенное снижение сопротивления во­ды по сравнению не только с нескользящими, но даже со скользящими судами (глиссе­рами).

Еще одно преимущество касается мореходных ка­честв. При движении полным ходом в свежую погоду быст­роходный катер (особенно реданный) сильно ударяется о волны. Это порождает тряс­ку и вибрацию, крайне непри­ятную для людей, усложняет использование оружия, влечет повреждения корпуса из-за высоких гидроди­намических нагрузок. Гидрофойл не страдает от ударов о волны, по крайней мере до тех пор, пока высота волны не превышает ту высоту, на которой находится его днище, когда корпус выдвинут из во­ды. Более того, снижение чувствительности к уда­рам волн приводит к снижению перегрузок и к мень­шей нужде сбрасывать скорость в волнение.

Первый гидрофойл продемонстрировал в 1891 году на Сене в Париже французский изобретатель граф Ламберти ( Lamberti ). Это был паровой катер с четырьмя погруженными поперечными «гидропло­скостями», призванными создавать динамическую подъемную силу. По отчетам прессы того времени, судно лишь слегка приподнималось на ходу и было недостаточно устойчивым. Только через 15 лет, в ок­тябре 1906 года, Ламберти добился успеха на Же­невском озере. Его новый катер скользил над водой на пяти подводных крыльях, которые при достиже­нии полного хода 22 узла частично выходили на по­верхность.

В 1891 году француз Шарль Д’Аламбер ( Char ­ les D ’ Alembert ) получил патент на изобретенное им подводное крыло. В 1894 году он построил катер, имевший паровую машину и четыре таких крыла. Он представлял собой две байдарки, соединенные по­перечной рамой, под днищем которых были укреп­лены одна за другой четыре доски с регулируемым углом наклона. Поверх поперечной рамы размеща­лись паровой котел и машина, работавшая на греб­ной винт. На испытаниях это странное сооружение скользило по воде со скоростью около 20 узлов. Од­нако корпуса байдарок, как и первого катера Лам­берти, не полностью выходили на поверхность воды.

В 1898 году итальянец Энрико Форланини ( Enrico Forlanini ), более известный в качестве конструктора дирижаблей, начал эксперименты с подводными крыльями, параллельно расположенными одно над другим, подобно ступеням лестницы-стремянки. В 1906 году на озере Маджоре он продемонстриро­вал свой 1,65-тонный катер, который с мотором мощностью 75 л.с. развил скорость 38,8 узлов.

Судно поднялось над по­верхностью воды примерно на полметра и продолжило свой путь, несмотря на не­большое волнение. Недостат­ками этой конструкции были, однако, большая осадка из-за «этажерки» крыльев и возросшее сопротивление среды, так как понадобились дополнительные распорки для системы крыльев.

В 1906 году итальянцы Крокко (Сгоссо) и Рикальдони ( Ricaldoni ) попытались ре­шить все эти проблемы, используя подводное крыло, составленное из двух плоскостей, состыкованных в виде буквы V. Такая форма крыла была значитель­но удобнее, чем «этажерка» из нескольких крыльев, расположенных друг над другом, причем каждое нижнее было меньше, чем вышележащее.

Их катер, построенный в Вараццо, имел длину 8 метров и водоизмещение 1,5 тонны. В передней ча­сти днища крепилось цельное V -образное крыло, а в кормовой части — два раздельных крыла по бо­кам корпуса, расположенные под тем же углом, как и обе половины переднего крыла.

Двигатель мощностью 100 л.с. вращал в проти­воположных направлениях два воздушных винта. Корпус начинал выходить из воды уже на скорости 5 узлов, на 13 узлах он был погружен в воду только кормовой частью, а на 38 узлах весь корпус подни­мался над водой на высоту 45 см. На озере Браччиано этот катер развил скорость 48 узлов!

Гидрофойл Крокко и Рикальдони (1908 г.)

В том же году некий капитан Саконе ( Saconney ), сославшись на предыдущие эксперименты Ламбер­ти, Д’Аламбера, Форланини, Крокко и Рикальдони, написал во французском авиационном журнале « La Technique Aeronautique »:

«Когда только нижняя поверхность плоскости, создающей подъемную силу, лежит на воде (как, например, в случае скользящих катеров), возникаю­щая подъемная сила равна лишь четверти той силы, что порождается полностью погруженной пло­скостью.

(Ь) грузоподъемность плоскости, двигающейся со скоростью 1 м/сек, составляет 25 кг/кв. метр, так что, в общем, если принять f за площадь, необ­ходимую для подъема одной тонны груза, a v — за скорость в м/сек, то имеем формулу: f =40/ v 2 .

Следовательно, чем выше скорость, тем больше необходимо уменьшать площадь грузоподъемной плоскости».

В 1908 году итальянец Гвидони ( Guidoni ) устано­вил подводные крылья на корпусе гидросамолета, а американские пионеры авиации, братья Уилбер и Орвилл Райт, начали эксперименты с судном-ката­мараном на подводных крыльях. Однако позже они прекратили исследования в данном направлении и сосредоточили свои усилия исключительно на са­молетах.

В 1911 году американцы Ричардсон (Н.С. Richard ­ son ) и Уайт ( J . S . White ) построили на государственной верфи в Вашингтоне первый американский воен­ный катер на подводных крыльях. У него крылья бы­ли полностью погружены в воду, а их угол атаки можно было регулировать. Корпус катера во время испытаний полностью вышел из воды уже на скоро­сти б узлов.

В 1909 году американцы Александер Грэхэм Белл ( Alexander Graham Bell ; 1847—1922 гг.), один из первых изобретателей телефона, и Кэйси Болду­ин ( Casey Baldwin ), тоже начали работы над гидрофойлами. Они купили у Форланини чертежи, на ос­нове которых построили и испытали в 1911 — 1919 гг. на озере Бра де Op ( Bras d ’ Or ) на канадском остро­ве Кап Бретон, один за другим четыре катера на под­водных крыльях, которые имели одинаковые названия, различаясь номерами ( Hydro - Dome I —IV).

Последний из них, HD - IV , с тремя ступенчатыми крыльями в носовой части, имел длину 18,3 м, весил 5 тонн, был оснащен двумя моторами фирмы «Рено» по 250 л.с. Корпус выходил из воды на скорости 18,3 узла, максимальная скорость поначалу составляла 46,7 узла. В 1918 году, после установки двух авиаци­онных моторов « Liberty » этот катер развил скорость 61,5 узла (113,9 км/час).

Гидрофойл Белла и Болдуина (фото 1919 г.)

К сожалению, всем гидрофойлам Белла и Бол­дуина были присущи серьезные недостатки: боль­шая глубина погружения крыльев в режиме плава­ния, неустойчивость движения при волнении, осо­бенно, когда катер шел впереди настигавшей его волны. Кроме того, их подводные крылья сильно страдали от кавитации.

Частое использование воздушных винтов вместо гребных можно объяснить тем, что это упрощало конструкцию катеров. Вдобавок, тогда катер может иметь очень мелкую осадку, тогда как у катера с гребным винтом она в любом случае не менее 40—50 см. Неприятной стороной использования воздуш­ных винтов является их зависимость от силы и на­правления ветра. Так, встречный либо попутный ве­тер мог увеличить или уменьшить создаваемую тягу.

Из-за недостатка средств, вызванного полным от­сутствием коммерческого спроса на гидрофойлы, эти трудности в то время удалось преодолеть лишь частично, что вызвало определенный застой в сфере развития катеров на подводных крыльях.