Скоростное судно
Изобретение относится к судостроению и касается создания скоростных судов. Скоростное судно имеет несущие корпуса, оснащенные швертом и водяным рулем, соединенные с расположенными между корпусами аэродинамическими крыльями, и движитель. Судно оснащено преимущественно парусным движителем, содержит по крайней мере два несущих корпуса, жестко скрепленных поперечными балками. К двум балкам между несущими корпусами шарнирно прикреплены два независимо управляемых расположенных друг за другом аэродинамических крыла без касания ими воды с просветом в пределах 25-50% хорды крыла и с возможностью обеспечения угла атаки от 0 до 12 градусов, причем ось шарнирного соединения каждого крыла расположена от его передней части на расстоянии до 30% хорды и каждое крыло оснащено по меньшей мере одной тягой, предназначенной для изменения угла атаки крыла. Боковые плоскости аэродинамических крыльев и обращенные к ним плоскости несущих корпусов судна могут быть выполнены прямолинейными и параллельными, зазоры между ними уплотнены эластичными манжетами, а внешние обводы корпусов судна выполнены криволинейной формы. Изобретение позволяет судну с минимально необходимым парусным оснащением выходить как на высокоскоростной устойчивый режим «полета» на «экране», так и осуществлять плавание на умеренных скоростях. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к судостроению, преимущественно к парусным судам, имеющим не менее двух корпусов (катамараны, тримараны и т.п.) - см., например, «Парусные катамараны» Ю.С. Крючков, В.И. Лапин, изд. Судостроение, 1967 г., с.67-70.
Основным ограничителем повышения скорости судов является сопротивление воды, особенно на повышенных скоростях движения.
Практические способы снижать сопротивление воды судну при его движении и соответственно снижать энергетические затраты движителя известны, например глиссирование, применение судов на подводных крыльях, на воздушной подушке и т.д. Однако для обеспечения разгона таких судов и поддержания крейсерской скорости требуется мощный двигатель внутреннего сгорания с довольно большим расходом топлива на километр пути.
Известен также аэродинамический способ отрыва аппарата от поверхности воды при помощи авиационного крыла (гидросамолеты, экранолеты и экранопланы). Но при этом требуется еще большая удельная мощность двигателя на единицу полетного веса аппарата
Представителем аппаратов с мощным пропеллерным движителем может служить судно, защищенное патентом США №4365578 В63В 1/16, оснащенное крылом между его корпусами с фиксированным углом атаки и с опущенной в воду задней кромкой этого крыла. При разгоне этого аппарата возникает «горб» сопротивления, для преодоления которого требуется двух-трехкратное увеличение мощности двигателя (см. Н.И. Белавин. Экранопланы, изд. Судостроение, с.166).
Таким образом все известные скоростные суда (глиссирующие, на подводных крыльях, на воздушной подушке, экранопланы) с тепловыми двигателями имеют значительный вес винтомоторной установки и возимого топлива. Это снижает весовую отдачу судов, ограничивает автономность плавания, ухудшает экологию окружающей среды.
Парус же, использующий даровую энергию ветра, является экологически чистым, дешевым, легким, эффективным движителем, способным при определенных условиях разогнать судно до значительных скоростей.
Цель - «повышение маневренности и скорости хода судна» - преследовал автор аэродинамического судна Ю.В. Макаров, защитивший изобретение авторским свидетельством В63Н 9/06 SU 1630958 А1. Используя даровую ветровую энергию, его аппарат, тем не менее, очень громоздок (сложен в управлении), сложен по конструкции (не надежен в эксплуатации) и подъемная сила его горизонтально расположенного крыла недостаточна из-за большого расстояния между центром тяжести судна и центром подъемной силы крыла. Сила противодействия крену от крыла паруса недостаточна для осуществления сближения разнонаправленных сил. При этом использование эффекта «экрана» (поверхности воды) весьма ограниченно, так как из-за малой величины хорды крыло должно находиться очень близко к поверхности воды, что приведет к снижению мореходности судна. В лучшем случае крыло поднимет поплавок над водой, а сам эффект от аэродинамической разгрузки судна будет несопоставимо мал по сравнению с затратами на его создание и эксплуатацию,
Перечисленные недостатки имеет еще более громоздкая конструкция уже катамарана, предложенная тем же автором по изобретению SU 1273299 А1.
Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных выше недостатков известных скоростных судов путем предложения экономичной по энергетике, компактной и технологичной конструкции надводного судна.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое скоростное судно, содержащее несущие корпуса, оснащенные швертом и водяным рулем, соединенные с расположенными между корпусами аэродинамическими крыльями, и движитель, отличается тем, что оно оснащено преимущественно парусным движителем, содержит по крайней мере два несущих корпуса, жестко скрепленных поперечными балками, к двум из них между несущими корпусами шарнирно прикреплены два независимо управляемых расположенных друг за другом аэродинамических крыла без касания ими воды с просветом в пределах 25-50% хорды крыла и с возможностью обеспечения угла атаки от 0 до 12 градусов, причем ось шарнирного соединения каждого крыла расположена от его передней части на расстоянии до 30% хорды и каждое крыло оснащено по меньшей мере одной тягой, предназначенной для изменения угла атаки крыла; причем боковые плоскости аэродинамических крыльев и обращенные к ним плоскости несущих корпусов судна предпочтительно выполнены прямолинейными и параллельными, зазоры между ними уплотнены эластичными манжетами, а внешние обводы корпусов судна выполнены традиционно криволинейной формы.
Все рассчетные параметры предлагаемого скоростного судна определяют по известным методикам, например по названной выше книге Н.И. Белавина.
Предлагаемое скоростное судно в его предпочтительном двухкорпусном исполнении с парусным движителем показано на чертеже, где на фиг.1 изображен вид слева судна и на фиг.2 показан вид судна сверху.
Предлагаемое скоростное судно состоит из следующих основных элементов: несущих корпусов 1, оснащенных швертами 2 и водяными рулями 3, жестко соединенными балками 4, 5, 6. К балкам 4 и 6 шарнирно присоединены расположенные между корпусами 1 аэродинамические крылья 7 и 8, каждое из которых регулируется по углу атаки расположенными внутри них тягами (на чертеже не показаны). На фиг.1 штриховыми линиями показаны крылья 7 и 8, повернутые на некоторый угол атаки, и соответсвенно уровень воды при крейсерской скорости судна. Судно оснащено парусом 9, мачта которого 10 жестко прикреплена к балке 5. Однако не исключено оснащение судна и вспомогательным, например, подвесным водяным винтовым движителем с приводом от двигателя внутреннего сгорания (на чертеже не показан) для передвижения судна в штилевую погоду и при при маневрировании в порту. Механизмы управления парусом 9 (и вспомогательным винтовым движителем), углами атаки аэродинамических крыльев 7, 8 и рулями 3, выполненные по известным техническим решениям, размещены в основном внутри корпусов 1 и аэродинамических крыльев 7, 8 и приводятся в действие мускульной силой экипажа непосредственно или с применением, например, гидроусилителей известных конструкций. Экипаж при этом может быть частично размещен в полостях крыльев 7, 8 и защищен прозрачными козырьками-обтекателями, выступающими над верхними поверхностями крыльев (например, на заднем крыле, как это показано на чертеже). Необходимые при плавании грузы также могут размещаться в полостях аэродинамических крыльев.
Стыки между аэродинамическими крыльями и соответствующими им поверхностями корпусов судна выполнены предпочтительно, как это описано выше. Парус может быть выполнен полотняным на мачте или в виде вертикального жесткого аэродинамического крыла известной конструкции. Особенности шарнирной подвески, размерные соотношения и пределы регулирования атак аэродинамических крыльев 7 и 8 приведены выше. Эти параметры выбраны из условий оптимального управления судном при выходе его на скоростной режим и возврате к обычному плаванию. Так при просвете между нижней поверхностью крыла менее 25% хорды наиболее вероятны удары волны (зыби) по крылу. При просвете более 50% хорды резко снижается аэродинамическое качество крыла, особенно при малых углах атаки. Подвеска крыла на шарнире с вылетом передней части в пределах до 30% хорды предпочтительна с точки зрения соотношения прилагаемого усилия на тяге управления крылом и радиусом поворота задней части крыла при обеспечении выбранного угла атаки. Наилучшие аэродинамические качества крыло обеспечивает при 5-:-8 градусах угла атаки. При угле атаки свыше 12 градусов аэродинамическое качество крыла снижается и воздушное сопротивление движению судна растет. С точки зрения простоты, легкости и плавности управления предлагаемым скоростным судном принята тандемная схема при предпочтительном равенстве хорд обоих крыльев. Такая конструкция судна позволяет автоматически стабилизировать режим экранного «полета» без применения специальных стабилизаторов, необходимых при однокрылой конструкции.
Перечисленные особенности предлагаемого скоростного судна будут присущи и судам с количеством корпусов более двух, например, при тримаранной схеме, но количество аэродинамических крыльев при этом, естественно, будет четыре.
Предлагаемое скоростное судно функционирует следующим образом.
При движении в условиях, когда повышенные скорости недостижимы (слабый или неблагоприятного направления ветер, большое волнение и пр.), оба аэродинамических крыла 7, 8 нижней плоскостью устанавливают горизонтально (с максимальным удалением от поверхности воды).
При наличии благоприятных ветровых условий судно начинает разгонятся до максимально достижимой без использования подъемной силы крыльев скорости. Вымпельный ветер заходит на курс «бейдевинд» и усиливается в несколько раз, обдувая судно спереди и сбоку. В это время экипаж увеличивает угол атаки аэродинамичесих крыльев 7, 8. Набегающий поток воздуха создает повышенное давление, образующееся между нижними плоскостями крыльев и поверхностью воды - «экрана», значительно большее, чем у крыла вне экрана. Повышенное давление под крылом и пониженное давление над ним создает подъемную силу тем большую, чем меньше расстояние между задней кромкой крыла и «экраном» (без касания воды). Благодаря этому возникают стабилизирующие моменты сил по тангажу и крену, что облегчает работу экипажа по дифферентовке и открениванию судна. Поток воздуха, заходящего под углом в зону повышенного давления, образует большее давление у подветренного корпуса, тем самым дополнительно противодействуя крену. Повышенное давление под крылом и разрежение над ним создают подъемную силу тем большую, чем больше набранная судном скорость и чем меньше расстояние от нижних поверхностей крыльев и «экраном». При удалении одного из крыльев от «экрана» происходит снижение подъемной силы и это крыло снова приближается к экрану, выравнивая дифферент. При удалении обоих крыльев от «экрана» подъемная сила уменьшается суммарно, а при полном выходе корпусов 1 из воды (кроме швертов и рулей) подъемная сила дополнительно уменьшается за счет перетекания воздушной подушки в зазор между водой и корпусами. Таким образом скоростное судно с предлагаемой схемой аэродинамической разгрузки автоматически стабилизируется по крену дифференту (тангажу) и высоте подъема несущих корпусов над водой-«экраном».
За счет возможности ручного плавного регулирования экипажем увеличения нагрузки на каждое крыло существенно уменьшается «горб» сопротивления выходу судна в режим скоростного экранного полета. Полная аэродинамическая разгрузка наступает при выходе из воды обоих корпусов катамарана (кроме швертов и рулей -наподобие экраноплана типа А). При дальнейшем увеличении скорости судна экипаж уменьшает углы атаки аэродинамических крыльев для достижения оптимального аэродинамического качества крыла. Изменение тяги паруса по силе и направлению ветра экипаж парирует обычной работой по открениванию и изменением углов атаки крыльев. Для прекращения движения в режиме экраноплана аэродинамические крылья переводят на нулевой угол атаки и затем снижают тягу парусов для осадки судна вплоть до первоначальной.
Таким образом применение двух аэродинамических крыльев с управляемым углом атаки позволяет предлагаемому судну с минимально необходимым парусным оснащением выходить как на высокоскоростной устойчивый режим «полета» на «экране», так и осуществлять плавание на умеренных скоростях.
1. Скоростное судно, содержащее несущие корпуса, оснащенные швертом и водяным рулем, соединенные с расположенными между корпусами аэродинамическими крыльями, и движитель, отличающееся тем, что оно оснащено преимущественно парусным движителем, содержит по крайней мере два несущих корпуса, жестко скрепленных поперечными балками, к двум из них между несущими корпусами шарнирно прикреплены два независимо управляемых расположенных друг за другом аэродинамических крыла без касания ими воды с просветом в пределах 25-50% хорды крыла и с возможностью обеспечения угла атаки от 0 до 12°, причем ось шарнирного соединения каждого крыла расположена от его передней части на расстоянии до 30% хорды и каждое крыло оснащено по меньшей мере одной тягой, предназначенной для изменения угла атаки крыла.
2. Скоростное судно по п.1, отличающееся тем, что боковые плоскости аэродинамических крыльев и обращенные к ним плоскости несущих корпусов судна предпочтительно выполнены прямолинейными и параллельными, зазоры между ними уплотнены эластичными манжетами, а внешние обводы корпусов судна выполнены криволинейной формы.
