Find the latest bookmaker offers available across all uk gambling sites www.bets.zone Read the reviews and compare sites to quickly discover the perfect account for you.
Главная / Катера / ИСТОРИЯ ТОРПЕДНЫХ КАТЕРОВ А.Е. ТАРАС / Выбор формы корпусов скоростных катеров

Выбор формы корпусов скоростных катеров

 

Практически все паровые торпедные катера и ми­ноноски являлись традиционными килевыми кораб­лями с округлыми днищами. Между тем, еще в 1872 году английский изобретатель (пастор по профес­сии) Чарльз Мид Рэмас (Charles Mead Ramus), обра­тился в адмиралтейство с предложением о создании «ступенчатого», то есть реданного корабля.

Двумя годами раньше (в 1870 г.) он взял патент на проект корабля водоизмещением 2500 тонн, воору­женного буксируемыми и шестовыми торпедами, с плоским днищем, благодаря чему он мог бы сколь­зить (глиссировать) по поверхности воды.

Известный инженер-судостроитель Уильям Фруд (William Froode) дал заключение на этот проект: в принципе, скольжение возможно. Однако требу­ются столь мощные паровые машины, что под их тя­жестью миноносец просто уйдет на дно. Тогда Рэмас в 12,5 раз уменьшил водоизмещение своего судна — до 200 тонн. Но все равно, легкой малогабаритной паровой машины необходимой мощности для него не нашлось. Рэмас в 1872—73 гг. построил и успеш­но испытал несколько моделей реданных судов, од­нако их приводили в движение пороховые ракеты.

В техническом плане, созданию моторных тор­педных катеров предшествовало появление и разви­тие моторных спортивных катеров.

Первоначально корпуса таких судов обладали ха­рактерными чертами быстроходных паровых кате­ров 1880-х годов. Они были узкие, длинные, с ок­руглым днищем, довольно большого водоизмеще­ния, неспособные к скольжению.

Сопротивление воды конструкторы снижали пу­тем сведения к минимуму площади поперечного се­чения корпуса. То есть в погоне за максимальной скоростью они увеличивали длину корпусов и умень­шали их ширину.

Это привело к тому, что катера стали чересчур длинными и узкими, а это, в свою очередь, привело к тому, что при поворотах они описывали дугу слиш­ком большого радиуса. Скверная остойчивость вы­зывала сильнейший крен, если штурвал закладывали слишком резко, а на больших скоростях катера про­седали кормой.

Клиновидный (в поперечном сечении) корпус про­дирался сквозь воду, расталкивая ее по сторонам. Даже на самой большой скорости у катера с таким корпусом не возникала гидродинамическая подъем­ная сила, которая, выталкивая корпус из воды и уменьшая тем самым водоизмещение, могла бы сни­зить сопротивление среды.

Для преодоления этого недостатка первым де­лом попробовали увеличить ширину корпуса в кор­мовой части, сделать дно более выпуклым, исполь­зовать прямоугольный транец. В результате получи­ли равносторонний треугольник, вытянутый в сторо­ну вершины. На скорости 10—12 узлов вода обтекала его, не формируя кильватерного следа, а когда ско­рость возрастала, формировалась система удлинен­ных волн, снижавшая сопротивление.

Дальнейшие опыты пока­зали, что на высоких скорос­тях перед форштевнем обра­зуется мощный водяной вал. На формирование этой носо­вой волны и связанной с ней системы волн расходовалась большая энергия. Кроме то­го, прямой форштевень взды­мал фонтаны воды, что ухуд­шало обзор. Правда, с этим можно было справиться с по­мощью специальных рассека­телей, устанавливаемых чуть выше ватерлинии, или же придав носовой части более подходящую форму — в ви­де ложки. Такая форма заставляла носовую волну уходить назад и вглубь под днище судна, при этом образовывалась некоторая гидродинамическая подъемная сила.

Довольно быстро конструкторы убедились, что скорость 40 узлов (74,08 км/час) фактически явля­ется пределом для килевых судов. Дальнейшее уве­личение ее становилось возможным лишь при не­пропорционально больших затратах мощности.

Попытки еще больше увеличить длину корпуса, чтобы снизить сопротивление воды, приводили к по­тере остойчивости. А чтобы увеличить последнюю, надо было увеличить площадь погруженной в воду поверхности корпуса, что приводило к усилению по­терь от трения. Кроме того, большая длина корпуса влекла за собой увеличение радиуса дуги поворота. Возрастала и стоимость судна, поскольку возникали проблемы с продольной прочностью корпуса.

 

72

На полном ходу скоростной катер проседает кормой (германский FL, фото 1915 г.)

 

Суть проблемы продольной прочности заключа­ется в том,что удлинение корпуса приводит к увели­чению его веса. Да, длинный корпус позволяет избе­жать создания водяного вала перед форштевнем, так что энергия на это не тратится. Но это преимуще­ство сводится на нет тем обстоятельством, что воз­растает водоизмещение судна, и больше энергии тратится на приведение его в движение.

В итоге, конструкторы пришли к созданию сколь­зящих реданных судов. Скольжение, это такое со­стояние, когда легкий корпус с плоским днищем бо­лее или менее выталкивается из воды гидродинами­ческой подъемной силой, возникающей при движе­нии судна, так что оно начинает скользить по поверхности воды. Как только это состояние дости­гнуто, при дальнейшем увеличении скорости сопро­тивление возрастает в линейной зависимости от ско­рости скользящего судна, тогда как у килевых судов сопротивление возрастает пропорционально квад­рату или даже кубу скорости.

Чтобы достичь состояния скольжения, поступа­тельное движение судна должно порождать подъ­емную силу. Закон Архимеда, по которому вес ко­рабля равен объёму погруженной части его корпуса, умноженному на удельный вес воды, применительно к скользящим судам справедлив лишь тогда, когда они неподвижны либо идут малым ходом.

По мере того, как корпус выдавливается из воды, водоизмещение уменьшается, снижается сопротив­ление трения, а также потеря энергии на создание носовой волны. В результате, общее сопротивление, испытываемое скользящим катером, не возрастает при увеличении скорости в той степени, в какой оно возрастает у килевых судов (с погруженным в воду корпусом), а остается почти неизменным с того мо­мента, когда началось скольжение. Возрастает лишь сопротивление воздуха, да еще сопротивление от руля, стоек винта и т.п.

Вообще-то скольжения можно добиться лишь на малых быстроходных судах небольшого веса, у ко­торых винт небольшого диаметра вращается с боль­шой скоростью. Огромное значение имеет форма днища, то есть скользящей поверхности. Днище должно создавать минимальное сопротивление при движении в воде и по мере нарастания скорости уменьшать водоизмещение и поднимать катер над водой. До 60—70% плавучести катеров замещает на высоких скоростях динамическая подъемная сила.

 

 

73

Формы корпусов.

 

Катера, в конструкции которых использовался этот принцип, стали называть «глиссерами», от французского слова «глиссэ» (glisser) — «скользить». Благодаря редану уменьшается площадь со­прикосновения днища катеров-глиссеров с водой, а значит, и сопротивление ходу корабля. Реданный катер уже не плывет. Он как бы вылезает из воды и скользит по ней на большой скорости, опираясь о водную поверхность воды лишь реданным уступом и плоской кормовой оконечностью.

Скоростные гоночные катера часто полностью поднимаются над водой, когда на определенной ско­рости динамическая подъемная сила превышает вес судна, так что погруженными в воду остаются толь­ко руль и винт, а вся плавучесть замещается гидроди­намическими силами. Разумеется, для достижения подобного эффекта нужен сверхлегкий корпус, слу­жащий, в общем, лишь для того, чтобы удерживать на плаву двигатель и рулевого.

Значительное снижение, а то и полное исключе­ние затрат энергии на образование волн и на сопро­тивление трения означает, что, по сравнению с киле­выми судами, скользящее судно (глиссер) может развить значительную скорость при сравнительно малой мощности двигателя.

 

 74

Однако для того, чтобы развить полное скольже­ние, необходима ровная гладь воды. Даже в закры­тых морях (типа Балтийского или Адриатического), с их пологими волнами, глиссер начинает соскаки­вать с верхушек волн и тяжело шлепаться корпусом о воду, быстро теряя скорость. Его корпус начинает деформироваться, поэтому рулезому приходится резко сбрасывать обороты.

Испытания показали, что глиссер длиной 18,3 м (60 футов), пересекающий на скорости 34 узла вол­ны высотой 1,2—1,5 м, испытывает давление 0,6— 0,7 кг/кв.см, напряжение до 1400 кг/кв.см и сред­нее ускорение около 6д. Регистрировались пере­грузки до 9g. Следовательно, хотя глиссеры всегда строят как можно более легкими, их корпуса все же должны обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять таким нагрузкам.

***  

   Итак, осознание того факта, что наиболее высо­ких скоростей можно достичь путем скольжения, привело к созданию корпусов особой формы для го­ночных судов. Их плоскодонные корпуса обычно имеют форму клина, с острой носовой частью и пря­моугольной кормой. Они обладают значительной ги­дродинамической подъемной силой, но в то же вре­мя весьма плохой мореходностью.

Катера-глиссеры строили как с одним, так и с не­сколькими реданами на днище. В соответствии с ко­личеством реданов их называли реданными или мультиреданными.

У реданных судов все гидродинамические силы, действие которых объяснено выше, усиливаются. До того, как достигается фаза скольжения, образу­ются большие волны — носовая и кормовая, а кри­вая сопротивления резко идет вверх, но, как только катер начинает скользить, кривая опускается и ста­новится почти прямой линией, проходящей на низ­ком уровне.

В разное время в разных странах построили мно­жество мультиреданных катеров, но в итоге оказа­лось, что наиболее приемлемы во всех отношениях катера с одним реданом. Хотя, в принципе, их мож­но считать двухреданными — вторым реданом яв­ляется транец кормы.

Скользящий катер без реданов опирается на во­ду всей поверхностью днища и движется во время скольжения под каким-то углом к горизонтали. На величину этого угла (дифферент) в некотором уз­ком пределе оказывают влияние расположение цен­тра тяжести, форма киля и тому подобные факторы. Реданный же катер скользит, опираясь на погружен­ную в воду часть поверхности днища, находящуюся перед реданом и на погруженную в воду часть по­верхности кормы. На дифферент в данном случае влияют размеры и пропорции этих двух участков днища, а также угол наклона гребного вала (валов), форма и шаг винта (винтов).

Что касается угла схождения бортов к днищу, то чем более неровной является поверхность воды, тем более острый угол схождения должны иметь «ску­лы» корпуса, напоминая в поперечном сечении ла­тинскую букву «V». Наилучшими мореходными каче­ствами обладают остроскулые катера с более или менее резко выраженными угловатыми сечениями корпусов.

Постоянно возникающий, воистину проклятый вопрос формы корпуса, можно прояснить путем сравнения альтернатив.

Корпус с округлым поперечным сечением («круглоскулый»). Он лучше всего подходит для больших катеров. Они показывают хорошие резуль­таты вплоть до достижения числа Фруда. Когда это число превышает единицу, сопротивление, а следо­вательно и необходимость повышения мощности двигателей, быстро возрастают.

У катера с округлым днищем мореходные качест­ва великолепны и они очень маневренны. Правда, такие катера склонны зарываться носом на ходу про­тив волны или при сильной волне вдогонку, и оседа­ют на корму, когда набирают скорость, но все эти проблемы снимаются хорошо продуманными обво­дами всего корпуса.

  Остроскулый корпус без редана (поперечное сечение в форме буквы «V»). Прямые борта и угло­ватое днище весьма существенно удешевляют по­стройку катера, ибо позволяют использовать широ­кие доски для обшивки либо водонепроницаемую клеёную фанеру.

Недостатки такой формы следующие: а) при вол­нении катер сильно шлепается о волны, особенно если половинки дна сходятся под тупым углом; б) тенденция сильно проседать кормой на высоких ско­ростях; в) на малой скорости корма поднимается, а нос, соответственно, зарывается; г) такие катера часто плохо слушаются руля, особенно на средних и малых скоростях (это связано с тем, что площадь руля делают как можно меньше, чтобы свести к ми­нимуму сопротивление среды).

Хорошего скольжения можно достичь — хотя при этом неизбежно снижаются мореходные качест­ва — использованием днища изогнутого профиля, имеющего выемки впереди и почти плоскую кормо­вую часть.

Когда число Фруда меньше единицы, то остро­скулый катер, как и все скользящие катера, показы­вает результаты хуже, чем килевой катер, поскольку сопротивление трения водной среды у него больше. Когда F превышает единицу, то результаты сокра­щения смачиваемой поверхности днища (и уменьше­ния водоизмещения) становятся тем заметнеее, чем выше скорость.

Реданный корпус. Среди катеров одинакового водоизмещения и с двигателями одной мощности са­мыми быстроходными — как только они выходят на фазу скольжения — являются катера с одним реда­ном. Использование днища с несколькими реданами дает не столь большое преимущество, чтобы оправ­дать увеличение стоимости постройки.

У реданных катеров отношение длины к ширине не должно превышать 5:1, поскольку при скольже­нии днище опирается на воду, и относительно широ­кий катер лишь немного погружается в воду, тогда как узкий длинный корпус проседает кормой и тем самым увеличивает сопротивление среды. Управле­ние любым глиссером при волнении требует хоро­шего чутья, ибо мореходные качества можно суще­ственно улучшить путем увеличения или уменьшения количества оборотов двигателя, чтобы приспосо­биться к конкретной волне. Это легче делать, если волны длинные.

Интересно отметить, что когда штурвал круто за­кладывают на большой скорости, то скоростные не­скользящие (килевые) катера сначала кренятся внутрь дуги поворота (вследствие давления на руль), а потом (из-за возникновения центробежной силы) наружу. Остроскулые катера почти всегда кренятся внутрь, ибо их поддерживает на плаву днище V-образной формы.

Еще одной интересной конструкцией корпуса, чья форма позволяла скольжение, являются так называ­емые «морские сани» (sea-sled), изобретенные аме­риканцем Хикмэном (Hickman) в 1916 году. Эта фор­ма почти не употреблялась в Европе, но была хоро­шо разработана в США. Впервые ее использовала компания «Murray & Tregurtha» в Бостоне.

Главной чертой этой конструкции является W-образная в сечении форма корпуса с глубоким жело­бом на днище, достигающим уровня палубы в носо­вой части и постепенно сходящим на нет ближе к транцевой корме, где днище становится практиче­ски плоским.

Корпус, напоминающий по форме понтон, это по сути дела обычный остроскулый катер, который про­дольно разрезали пополам до середины, а потом в разрезанной части полученные половинки поменя­ли местами. Идея заключается в том, чтобы погло­тить как можно большее количество воды из образу­ющейся перед форштевнем волны. Носовая волна, которая у обычных судов раздвигается по сторонам, здесь уходит под корпус в желоб, имеющий форму перевернутой буквы «V».

 

75

Торпедный катер типа «Морские сани».

 

Помимо обычной гидродинамической подъемной силы, под корпусом образуется еще и нечто вроде воздушной и водяной подушки, которая принимает на себя ударные нагрузки при скольжении на волнах и снижает сопротивление от трения. Поскольку осад­ка может быть только очень небольшой, приходится использовать полупогруженный в воду винт.

Мнения экспертов по поводу достоинств морских саней всегда резко разделялись. Одни приходят в полный восторг по поводу высоких скоростей, до­стигаемых даже при ощутимом волнении, малого ра­диуса дуги поворота и небольшого крена при пово­роте, уменьшения шлёпанья о волны и рысканья, а также меньшего пробуксовывания при настигаю­щей волне.

Другие отвергают саму идею морских саней, ука­зывая, что все эти достоинства проявляются лишь на скорости, начиная с 36 узлов. На скорости ниже 20 узлов формируется большая кильватерная волна, и сопротивление среды вдвое превышает показатель для остроскулых катеров близких размеров.

Англичане создали самые быстрые катера путем использования сверхлегкого корпуса с одним реда­ном. Однако катера с такими корпусами обладали очень плохими мореходными качествами и остойчи­востью. Скверные мореходные качества реданных катеров всегда сводили «на нет» преимущество вы­соких скоростей при относительно маломощных двигателях. Итальянцы сосредоточились на созда­нии остроскулых судов, а германский флот избрал округлую форму днища.

С учетом двух главных требований, предъявляе­мых к корпусам — как можно меньший вес, как мож­но большая прочность — все конструкторы выбрали в качестве строительного материала дерево. Дуб ис­пользовался для форштевня, киля, шпангоутов и рам, обшивки, палубы, транца; орегонская сосна для продольных элементов конструкции и палубы; красное дерево для обшивки и надстроек; вяз для шпангоутов, шотландская сосна для пола в рубках и т.д.

От корпуса требовалась большая поперечная, продольная и локальная прочность, это привело к появлению продольных элементов конструкции, поддерживаемых между переборками легкими ме­таллическими либо деревянными фигурными рама­ми. Внешнюю обшивку обычно делали в два слоя. По мере возможности продольные элементы, к кото­рым крепили двигатели, протягивали по всей длине корпуса, чтобы равномерно распределить вес. У скользящих катеров особого внимания требовала конструкция редана — он не должен ослаблять дни­ще. Катера Торникрофта имели обычное днище, а редан накладывался поверх его. Пространство между днищем и реданом заполняли пробкой.

 

 

 

НАЗАД  СОДЕРЖАНИЕ   ВПЕРЕД