Летящие над водой: столетие судов на подводных крыльях

Летящие над водой: столетие судов на подводных крыльях

Концепция подводных крыльев, которая позволила резко увеличить скорость судов, была предложена еще в XIX веке. С тех пор эта конструкция, воплощенная в тысячах кораблей, прошла долгий путь и сейчас широко применяется в судостроении.
Джон Р. Мейер

Если быть дотошным, то речь идет более чем о столетии. Еще в 1869 году парижанин Эммануэль Дени Фарко получил патент с формулой: «Закрепление на бортах и днище судна наклонных плоскостей или клиновидных элементов, каковые при движении судна вперед будут приподнимать его в воде и таким образом снижать лобовое сопротивление». В последовавшие годы было оформлено множество патентов, касавшихся тех или иных способов поднять судно (полностью или частично) над водой, с тем чтобы повысить его скорость или улучшить поведение на волне. Граф де Ламбер, российский гражданин, проживавший в Версале, подал заявку на патент в 1891 году. Он укрепил несколько независимо регулирующихся крыльев (поднимающих плоскостей) по бортам судна, которые по мере роста скорости должны были приподнимать судно над водой. Впрочем, само расположение этих примитивных крыльев в принципе не давало возможности полностью поднять судно над поверхностью воды.

«Ракета» – первое советское пассажирское судно «Ракета» — первое советское пассажирское судно

Но настоящая история подводного крыла начинается с итальянского инженера Энрико Форланини. Работы с подводным крылом он начал в 1898 году, и серия модельных испытаний позволила ему вывести математические закономерности. Опираясь на формулы, он приступил к проектированию и строительству полномасштабного судна. Конструкции Форланини отличались «ступенчатым» расположением крыльев. Эксперименты с моделями показали, что подъемная сила пропорциональна квадрату скорости — таким образом, при росте скорости требовалась меньшая площадь крыльев. «Ступенчатая» схема была придумана именно для того, чтобы обеспечить автоматическое уменьшение площади. Экспериментальное судно весило около 1200 кг, на нем стоял 60-сильный двигатель, который приводил в движение два вращающихся в противоположных направлениях воздушных винта. Расчетная скорость судна составляла 90 км/ч, но во время испытаний на озере Маггиоре в Италии в 1906 году была достигнута скорость 68 км/ч.

Экспериментальный катер ВМС США Экспериментальный катер ВМС США

Самую большую известность ранние эксперименты с подводными крыльями принесли одному американцу, проживавшему в Канаде. Это был Александр Грэхем Белл. Вместе с Фредериком У. (Кейси) Болдвином и Филипом Л. Родесом он разработал и построил несколько судов на подводных крыльях, включая HD-4, оснащенный двумя двигателями Liberty. 9 сентября 1919 года это судно установило официальный рекорд скорости, показав 114 км/ч. Позднее для улучшения ходовых качеств HD-4 в конструкцию было внесено много изменений, однако этот рекорд так и остался официально не превзойденным.

Начальный этап истории судов на подводных крыльях будет неполным, если не отдать должное гению барона Ханса фон Шертеля. Эксперименты «Барона» (так его называли друзья) с судами на подводных крыльях начались в 1927 году. То, что суда на подводных крыльях из ненадежной, неустойчивой экзотической игрушки, способной бегать только «по гладкой воде», превратились в современные безопасные, эффективные, скоростные средства передвижения, — это во многом заслуга фон Шертеля.

Тем временем интерес к судам на подводной подушке снова проснулся в Канаде, и на озере Массауиппи в штате Квебек построили 15-метровый пятитонный катер, основанный на последних проектах Болдуина. После нескольких демонстрационных испытаний при достаточно бурной погоде судно перевезли в Военно-морской исследовательский институт, где оно получило официальное имя R-100. Впрочем, неофициальное имя — «Массауиппи» — использовалось гораздо чаще. Эксперименты с R-100 были сочтены успешными, и канадское правительство решило финансировать постройку еще одного экспериментального судна компанией Saunders-Roe в Англии. R-103 водоизмещением 17 тонн имел алюминиевый корпус (R-100 был полностью деревянным), наборные крылья и стойки из листового алюминия, приклепанные к алюминиевым нервюрам и стрингерам (ранее эти элементы были монолитными). Принципиально по‑новому был организован узел движителя — валы трансмиссии через конические шестерни соединялись под прямым углом, дейдвудная труба, как в подвесном моторе, уходила вертикально вниз, а на ее конце находился обтекатель с двумя винтами — сзади и спереди. Эта сложная конструкция радикально отличается от простого длинного и наклонно уходящего вниз вала, как это реализовано в R-100. На борту было установлено два 12-цилиндровых бензиновых двигателя Rolls Royce Griffon мощностью 1500 л.с.

Экспериментальный катер основоположника концепции подводных крыльев Энрико Форланини. Крылья были расположены «этажеркой» (ступенями), и это позволило решить проблему уменьшения площади крыльев с ростом скорости для поддержания постоянной подъемной силы. Во время испытаний на озере Маггиоре катер развил 68 км/ч.

Потом пришли другие времена, и внимание канадских военных сосредоточилось на борьбе с подводными лодками. Роль, которая отводилась в этих стратегических планах судам с подводными крыльями, требовала максимальной подвижности и универсальности. Весьма экономичная альтернатива разработке мощных дальнобойных сонаров, которые устанавливаются на больших кораблях, предполагала развертывание большого количества маломощных аппаратов. В 1964 году был заложен корпус нового судна BRAS D’OR, однако 5 ноября 1966 года прямо в ходе строительных работ в главном машинном отделении случился разрушительный пожар, который чуть не повлек за собой прекращение всей программы. И тем не менее, вопреки всем задержкам и дополнительным финансовым расходам, новое судно с индексом FHE-400 и все тем же именем BRAS D’OR в 1967 году было спущено на воду. В дальнейшем это судно использовалось в испытаниях и экспериментах, а также участвовало во флотских парадах.

Подводные крылья можно разделить на два общих класса — частично и полностью погруженные крылья. Частично погруженные крылья сконструированы так, чтобы их законцовки в крейсерском режиме пронизывали границу вода-воздух. Стойки, связывающие крылья с корпусом судна, должны иметь достатоную длину, чтобы при движении на расчетных скоростях корпус совершенно не касался воды. С ростом скорости растет подъемная сила, вызванная обтеканием подводной части крыла набегающей водой, в результате судно несколько приподнимается, и, соответственно, площадь погруженной части крыла уменьшается. Эта система самостабилизирующаяся: при любой скорости судно приподнимется ровно настолько, насколько нужно, чтобы подъемная сила крыла уравнялась с весом всего судна.

В России, в отличие от США и вообще от всего западного мира, на множестве рек, каналов и озер широко использовались в регулярном судоходстве многие тысячи судов на подводных крыльях. Это легко понять, если учесть, что в огромной стране при общем дефиците автомобилей и автомобильных дорог имеется 150 000 рек и 250 000 озер. «Красное Сормово» в Горьком — одна из старейших судостроительных верфей Советского Союза. На этой верфи помимо разнообразных водоизмещающих судов для речного флота строилось и множество пассажирских судов на подводных крыльях, причем разнообразие моделей не имело аналогов во всем мире. Отцом советских катеров на подводных крыльях был Ростислав Алексеев, который занимался разработкой подобных систем с начала 1940-х годов.

Полностью погруженные подводные крылья находятся ниже поверхности воды. В этой конфигурации система подводных крыльев лишена возможности самостабилизации. В ответ на изменяющиеся условия — скорость судна, вес, волнение — необходимо изменять угол атаки крыльев и их подъемную силу. Основное и неоценимое достоинство системы с полностью погруженными крыльями — возможность практически устранить воздействие волн на судно. Это позволяет относительно небольшому судну на подводных крыльях двигаться на высоких скоростях в условиях морского волнения, причем волны не влияют на комфорт пассажиров и команды, а в военных применениях не мешают использованию боевого снаряжения.

В судах использовался эффект малопогруженного подводного крыла (эффект Алексеева). Подводное крыло Алексеева состоит из двух главных горизонтальных несущих плоскостей — одна спереди и одна сзади. Двугранный угол при схождении или мал, или отсутствует, распределение веса — примерно поровну между передней и задней плоскостями. Погруженное подводное крыло, поднимаясь к поверхности, постепенно теряет подъемную силу, а на глубине, примерно равной длине хорды крыла, подъемная сила приближается к нулю.

Именно благодаря этому эффекту погруженное крыло не способно полностью выйти на поверхность. При этом относительно небольшой гидропланирующий (скользящий по поверхности воды) подкрылок используется для помощи при «выходе на крыло», а также не позволяет судну вернуться в водоизмещающий режим. Эти подкрылки расположены в непосредственной близости к передним стойкам и установлены так, что на ходу касаются поверхности воды, в то время как несущие крылья погружены примерно на глубину, равную длине их хорды. Вся эта система впервые была испытана на небольшом катерке, который приводил в движение 77-сильный автомобильный двигатель.

По расположению крыльев выделяют самолетную схему, схему «утка» и тандем (сверху вниз). Суда принято относить к самолетной (обычной) схеме или схеме «утка», если 65% веса или более приходится соответственно на носовые или кормовые стойки. Если вес распределен относительно равномерно, эту конфигурацию принято называть «тандем».

На базе разработок Алексеева в России было построено большое количество коммерческих судов на подводных крыльях: «Ракета», «Стрела», «Спутник», «Метеор», «Комета», «Циклон», «Буревестник», «Восход»… Строились и военные суда, в том числе и самое большое судно этого класса в мире — «Бабочка», ему предшествовали «Пчела», «Турья» и «Саранча».


Принцип подводного крыла

Суть концепции в том, чтобы приподнять корпус судна из воды и поддерживать его в таком положении в динамическом режиме, используя для этого плоскости, которые принято называть подводными крыльями. В результате удается снизить влияние волн и уменьшить энергозатраты при движении с высокой скоростью, часто недостижимой при обычном (водоизмещающем) режиме. Расплачиваться приходится повышенной осадкой на малых скоростях и проблемами устойчивости. Для судов с полностью погруженными крыльями, которые почти совсем «изолируют» корпус судна от влияния волн, но лишены самостабилизации, необходим «автопилот», отслеживающий положение судна и корректирующий подъемную силу крыльев путем изменения угла атаки и отклонением закрылков.


Западная Европа тоже не осталась в стороне. Gustoverft в Голландии, Westermoen в Норвегии, Vosper Thornycroft в Великобритании активно занимаются разработкой и постройкой судов на подводных крыльях. Но самые успешные коммерческие проекты, разработанные и построенные в Западной Европе, — это, безусловно, произведения итальянской Rodriquez Centieri Navali. Среди многих ее изделий стоило бы отметить серию коммерческих судов RHS. С годами суда этой серии росли в размерах и отваживались выходить в те воды, где их крылья, в принципе рассчитанные на скольжение по глади, подвергались таким нагрузкам, каких не найти в речках, озерах и прибрежных лагунах. Чтобы создать приемлемые условия для пассажиров, компания Rodriquez разработала «систему повышения мореходности» (Seakeeping Augmentation System, SAS), которая, как показала практика, весьма успешно борется с вертикальной, килевой и бортовой качкой при достаточно сильном волнении.

Boeing Jetfoil имел водометный движитель, полностью погруженные крылья, крейсерскую скорость в 45 узлов при довольно высокой волне и при этом обеспечивал приличный комфорт для пассажиров.

В начале 1950-х годов нью-йоркская судостроительная фирма Gibbs & Cox объединила усилия с группой специалистов из ВМС США для создания универсального опытного судна на подводных крыльях. Аппарат был построен компанией Bath Iron Works и назван BIW. Это был катер длиной 6 м, шириной полтора и водоизмещением 0,8 т, с 22-сильным подвесным мотором. BIW весьма пригодился для испытания различных компоновок подводных крыльев, систем управления, различных датчиков. Самым важным результатом этой работы явились основы для разработки электрогидравлического автопилота, а также решение построить новое судно этой серии — SEA LEGS («Походка моряка»). Электронный автопилот, содержавший 160 радиоламп, был разработан компанией Draper Laboratory в сотрудничестве с Массачусетсским технологическим институтом. В 1957 году SEA LEGS совершил первый рейс, продемонстрировав отличную мореходность при высокой волне на скоростях до 27 узлов.

Самый быстрый в мире паром. Гибридное судно с передним подводным крылом Superfoil 40, построенное «Морским заводом Алмаз», имеет крейсерскую скорость более 100 км/ч.

Этот успех окрылил корабелов, и в американском флоте всерьез занялись опытными аппаратами на подводных крыльях. Таковы были Little Squirt, Hydrodynamic Test System (HTS), Foil Research Experimental Supercavitating Hydrofoil (FRESH-1). Несколько экспериментальных аппаратов построили фирмы Boeing и Grumman/Lockheed Shipbuilding — High Point (PCH-1), Flagstaff (PGH-1), Tucumcari (PGH-2) и Plainview (AGEH-1). Все аппараты — от Flagstaff водоизмещением 57 т до Plainview водоизмещением 320 т — ясно продемонстрировали возможности и потенциальные применения судов на подводных крыльях в военных операциях. В результате подразделение Boeing Marine Systems построило специально для ВМС США патрульное судно PHM (Patrol Hydrofoil Missile Ship). Согласно планам NATO предполагалось построить 26 таких кораблей, однако Германия и Италия отказались от участия в этом проекте, так что в строй с 1977 по 1982 год вступило всего шесть судов, названных по именам созвездий: PHM-1 PEGASUS («Пегас»), PHM-2 HERCULES («Геркулес»), PHM-3 TAURUS («Телец»), PHM-4 AQUILA («Орел»), PHM-5 ARIES («Овен») и PHM-6 GEMINI («Близнецы»).


Гибриды

Суда, в конструкции которых одновременно используются два или больше способов поддержания на воде (или над водой) в большинстве режимов, принято называть гибридными. Подводные крылья в них используются для формирования подъемной силы, дополняющей обычную плавучесть.

1. Суда на подводных крыльях с малой площадью ватерлинии. Это гибрид принципа подводных крыльев и разработок SWATH (суда с малой площадью по ватерлинии), которые велись в 1970—1980-х годах в Центре военных исследований надводного флота США. Судно состоит из двух корпусов: один полностью погруженный корпус с системой полностью заглубленных крыльев, а над ним еще один корпус, поддерживаемый полностью над водой за счет тонкой и длинной продольной стойки. На малой скорости плавучесть обеспечивается за счет водоизмещения нижнего корпуса, стойки и незначительного сегмента верхнего корпуса. С ростом скорости динамическая подъемная сила крыльев поднимает верхний корпус над водой, и площадь по ватерлинии (горизонтальное сечение тонкой стойки) становится крайне мала. В этом режиме нижний корпус и погруженная часть стойки обеспечивают 70% общей плавучести (за счет водоизмещения), а система крыльев дает остальные 30%. В 1990-х ВМС США профинансировал попытку построить демонстрационную модель под названием QUEST. Компания Maritime Applied Physics Corporation в Балтиморе спроектировала, построила, спустила на воду и успешно испытала это девятиметровое судно водоизмещением 12 тонн. QUEST имел ход в 35 узлов при почти двухметровом волнении. Совсем недавно компания Rodriquez разработала судно Aliswath, использующее похожий принцип. Сообщается, что это большое судно — это будет автомобильный и пассажирский паром — должно сойти на воду уже в 2007 году.

2. Катамаран на подводных крыльях. Основная часть работы над концепцией катамарана с поддержкой за счет подводных крыльев была выполнена усилиями доктора Хоппа, инженера-судостроителя из университета Стелленбош в Южной Африке. Этот гибрид представляет собой катамаран с полностью асимметричными корпусами, между которыми расположено подводное крыло. В английском языке подобные катамараны называются Hydrofoil Supported Catamaran, и обозначаются аббревиатурой HYSUCAT. Варианты этой концепции часто используются при строительстве пассажирских паромов (типа Foilcat).

3. Глиссирующие корпуса/интегрированные крылья. Эта конфигурация была предложена компанией Navatek — именно она разрабатывала и испытывала различные конфигурации глиссирующих корпусов с крыльями в разных комбинациях. С 1996 года проводились успешные демонстрации этого принципа на опытных судах Midfoil и Waverider. Используя компьютерные программы гидродинамических расчетов и привлекая специалистов из Калифорнийского университета в Лонг Бич, Navatek совершила новый шаг в разработке глиссирующих корпусов — интегрированное крыло (Blended Wing Body, BWB). Главное назначение BWB — повышение мореходных и скоростных качеств для уже имеющихся или проектируемых типов судов.

4. Суда с передним крылом. Корма такого судна как бы «волочится» по воде. Типичный пример такого подхода — катамаран Superfoil 40, построенный «Морским заводом Алмаз» по проекту Санкт-Петербургского филиала британской компании MTD (Marine Technology Development) по заказу эстонской компании Linda Lines Express. Это судно является самым быстрым пассажирским паромом в мире, оно способно развивать скорость в 55 узлов (более 100 км/ч), так что поездка по маршруту Таллинн- Хельсинки займет всего 50 минут.


Но вместо того чтобы модернизировать эти корабли, руководство американского флота в 1993 году решило их списать. Позже часть этих катеров распродали с молотка, а часть пустили на лом. С тех пор и по сей день на флоте США только и делают, что строят планы, занимаются «бумажными разработками» и перебирают проекты судов водоизмещением от 615 до 2400 т: Corvette Escort, DBH, PCM, Grumman HYD-2…

В течение 1990-х годов коммерческое направление развивалось своим путем, впитывая в себя новые конструктивные решения из Японии, Норвегии, Швеции, России, Италии и США. Одна из новых российских разработок — судно «Циклон» с крейсерской скоростью 42 узла (78 км/ч) — увеличенный двухпалубный вариант «Кометы», рассчитан на 250 пассажиров и оснащен электронной автоматической системой управления. Еще более новая российская конструкция — судно «Олимпия» — это вершина на пути развития больших судов, способных курсировать на маршрутах практически в открытом море.

Модель Jetfoil компании Boeing была запущена в производство в середине 1970-х и хорошо послужила во многих частях света. По тем временам это был верх совершенства для коммерческих аппаратов на подводных крыльях. В 1989 году Kawasaki приобрела у Boeing лицензию и наладила собственный выпуск модели Jetfoil. Многие аппараты из этой серии до сих пор служат в окрестностях Гонконга. Там же, в Японии, компания Mitsubishi сконструировала и построила несколько пассажирских судов на подводных крыльях, названных Rainbow.

В Швеции и Норвегии аппараты с катамаранным корпусом и крыльями, установленными на относительно коротких стойках, например Foilcat 2900 компании Westamarin, эксплуатировались на балтийских линиях.

В 1994 году итальянская компания Rodriquez выпустила Foilmaster — еще один пример тщательной компоновки толкающего винта с соответствующим профилем крыла для достижения максимальных характеристик, но с традиционной компоновкой кормовых винтов, приводимых в движение длинным наклонным валом.

Автор статьи — эксперт консультационной фирмы High Performance Marine Vehicle, автор книг «Ships That Fly» и «Hybrid Ships and Craft — A New Breed».

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2007).
Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.