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.
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.
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.
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».
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.