Функция крыла, типы, особенности

Возможность увеличения размеров рассматриваемых судов очень сильно зависит от принятой схемы подводных крыльев. Это обусловлено следующими основными положениями. Принцип движения судна на подводных крыльях заключается в том, что находящиеся под его днищем и жестко связанные с судном профилированные крылья, установленные под некоторым углом, при поступательном движении судна создают динамические подъемные силы, которые при достаточно большой скорости поднимают корпус судна над поверхностью воды и поддерживают его в таком состоянии при движении. Это тот же принцип, что и у самолетов, с той разницей, что плотность воды примерно в 800 раз больше, чем плотность воздуха. Но поскольку подъемная сила крыла прямо пропорциональна плотности среды, необходимые динамические силы поддержания судна создаются при сравнительно малых площадях подводных крыльев. Помимо выполнения своего основного назначения - обеспечения необходимой подъемной силы, подводные крылья должны выполнять еще и другие функции. Все мореходные качества, которые у обычных водоизмещающих судов определяются формой корпуса, у судов на подводных крыльях обеспечиваются схемой подводных крыльев - типом их конструкции и положением по длине судна. К таким качествам относятся продольная и поперечная остойчивость, устойчивость на курсе и мореходность, ограниченная осадка (для речных судов) и т.д. Именно поэтому подводные крылья являются определяющим элементом конструкции рассматриваемых судов. Системы подводных крыльев могут быть классифицированы как по их расположению, так и по принципам обеспечения устойчивости движения судов и их остойчивости.

По первому признаку можно выделить три основных схемы: обычное расположение, при котором площадь носовых подводных крыльев намного превышает площадь кормовых, вследствие чего носовые крылья несут основную нагрузку. Такая схема принята на всех судах фирмы "Супрамар"; (рис.1 справа) - расположение типа саг naг d, при котором площадь кормовых подводных крыльев намного больше площади носовых. Такая схема применяется на некоторых американских военных кораблях на подводных крыльях; (рис. 2 справа) - тандем - расположение, при котором подъемные силы носовых и кормовых крыльевых систем примерно одинаковы.

Такая схема принята для большинства советских судов на подводных крыльях. На некоторых больших судах ставят еще третье, промежуточное подводное крыло примерно посередине судна. (рис. 3 справа) По принципам обеспечения устойчивости движения и остойчивости известно большое число различных решений. Трапециевидные, V-образные и аркообразные подводные крылья, пересекающие поверхность воды, являются самостабилизирующимися (рис. 1 слева). Если судно, оснащенное такими крыльями, вследствие действия каких-то внешних сил, например ветра или волнения, проваливается глубже в воду или кренится на борт, то в данном месте в воду входит дополнительная площадь крыльев и возникает добавочная подъемная сила, которая восстанавливает положение. Хотя такие подводные крылья просты по конструкции, однако плавание на подобных судах не очень приятно для пассажиров, так как при плавании с большой скоростью на волнении изменения в величине подъемных сил связаны с периодическими толчками. Такие системы крыльев не годятся для больших судов.

К крыльевым системам, пересекающим поверхность воды и также обладающим свойством самостабилизации, относятся системы типа "этажерка", или "лестница", где подводные крылья установлены в два и больше рядов по высоте, одно над другим (рис. 2 слева). При крене или дифференте в воду входят дополнительные крылья, находившиеся ранее над водой, что приводит к росту подъемной силы и к восстановлению положения судна. Такие системы, принятые для советских судов на подводных крыльях, очень просты по конструкции и допускают эксплуатацию крылатых судов с малой осадкой на реках. Сильное волнение, однако, противопоказано и для таких крыльевых систем. Весьма сомнительно, чтобы применение таких крыльевых систем давало какие-либо преимущества в смысле уменьшения осадки по сравнению с крыльевыми системами другого типа. Скорее наоборот. Кстати, на подавляющем большинстве советских судов на подводных крыльях применяются выпавшие почему-то из поля зрения авторов малопогруженные подводные крылья, подъемная сила которых регулируется автоматически, уменьшаясь при приближении к поверхности воды (подъемная сила увеличивается при отдалении крыла от поверхности).

Наиболее приспособлены для плавания на волне полностью погруженные крылья с изменяемым углом атаки (рис.3 слева). Изменение угла атаки осуществляется с помощью автоматически действующих исполнительных механизмов по сигналам от механических или акустических датчиков уровня поверхности воды перед крылом. Благодаря этому подъемная сила крыльев автоматически регулируется, сохраняя почти неизменное значение. Корпус судна, оборудованного такой крыльевой системой, двигается без всяких толчков на почти постоянном удалении от гребней волн. При этом, однако, необходимо, чтобы подводные крылья при проходе подошвы (впадины) волны не оголялись, а стойки, крепящие подводные крылья к корпусу, были такой длины, чтобы гребни (вершины) волн не касались корпуса судна. Но, поскольку высота стоек должна находиться в определенном соотношении с длиной судна, максимальная высота волн, которые может преодолеть судно на подводных крыльях, зависит от размеров судна. Самые большие из современных судов на подводных крыльях могут эксплуатироваться при высоте волн не более 3-3,5 м. На более крупных перспективных судах будут устанавливаться только полностью погруженные подводные крылья с изменяемым углом атаки. Чем больше размеры судна, тем длиннее могут быть стойки и тем лучше будет его мореходность.

При повышении скорости сверх определенного предела на подводные крылья начинает действовать кавитация. Давление на всасывающей (верхней) поверхности крыла падает до такой степени, что вода там закипает и образуются пузырьки пара. Затем эти пузырьки сносятся потоком в область более высокого давления, где разрушаются, нанося сильные повреждения верхней части подводного крыла. До сего времени еще не удалось создать подводных крыльев, пригодных для скоростей выше 70 уз.

судно оснащение подводное крыло

Дальнейшее повышение скорости и связанное с этим увеличение размеров судов на подводных крыльях во многом зависят от того, удастся ли преодолеть вредные воздействия кавитации. Скорость и масса судна на подводных крыльях находятся в непосредственной взаимосвязи: увеличение гидродинамических сил поддержания, создаваемых подводными крыльями, целесообразно осуществлять за счет повышения скорости, а не увеличения площади крыльев, так как подъемная сила крыла пропорциональна квадрату скорости и только первой степени площади подводного крыла. Таким образом, с увеличением размеров судна на подводных крыльях должна повышаться и его скорость. Здесь возникает трудно разрешимая проблема главных двигателей. Мощность энергетической установки судна на подводных крыльях примерно пропорциональна произведению массы судна на его скорость. Для 100-тонного судна на подводных крыльях со скоростью 40 уз требуется примерно 2800 кВт. Для судна, в 10 раз более тяжелого, со скоростью 65 уз, потребуется уже от 45 до 60 тыс. кВт. У перспективного же 3000-тонного судна на подводных крыльях со скоростью около 150 уз мощность главных двигателей едва ли будет меньше 300 тыс. кВт.

Выводы