Успенский В.Н.
Надувные поплавки разборных катамаранов
I .Водоизмещение и сопротивление движению поплавков.
Назначением корпуса любой лодки является возможность перемещения экипажа и груза по воде при минимальном сопротивлении движению. Корпуса надувных катамаранов имеют круглую форму сечения в подводной части и большое удлинение (отношение длины каждого корпуса к его ширине), что позволяет иметь меньшее сопротивление движению по сравнению с классическими яхтами.
Водоизмещение надувных корпусов катамарана должно обеспечивать удержание на поверхности воды экипажа, груза и самого судна.
Пример расчета водоизмещения:
а) для походного режима плавания вес экипажа 3,5 человека (трое взрослых и ребенок) х 75 кг (262,5 кг) + снаряжение и продукты (100 кг) + вес судна (100 кг) = 462,5 кг.
б) для спортивно-прогулочного режима плавания вес экипажа 2 чел х 75 кг (150 кг) + 100 кг вес судна = 250 кг.
Итак, при весе судна 100 кг его корпуса должны обеспечивать диапазон водоизмещения от 250 до 462,5 кг.
В походном режиме загрузка обоих поплавков приблизительно одинакова. Парусный катамаран, участвующий в гонках, на порывах сильного ветра может выходить на один поплавок. Крен перегружает весь вес (250 кг) на подветренный поплавок. При наклоне мачты под ветер возникает дополнительная сила, давящая на этот поплавок сверху (приблизительно 50 кг). Таким образом, водоизмещение каждого поплавка катамарана в гоночном режиме может колебаться от 125 кг на ровном киле до 300 кг при ходе с креном. Величины водоизмещений, приведенные в этом расчете, носят ориентировочный характер и показывают степень сложности проектирования универсальных поплавков для разборных катамаранов. Основываясь на многолетнем опыте эксплуатации парусных катамаранов можно считать, что водоизмещение баллонов с размерами по длине от 5,5 м до 6,5 м, диаметром от 0,5м до 0,53м является достаточным и для походов, и для гонок. При этом, объем одного поплавка составляет от 900л до 1200л.
Перейдем к вопросу: «Куда же тратится энергия системы ветер-парус?» Известно, что суммарное сопротивление движению корпуса R состоит из следующих слагаемых:
R=Rтр +Rф+Rв
1. Сопротивление трения Rтр зависит от смоченной поверхности корпуса, его шероховатости и скорости движения в воде. В свою очередь смоченная поверхность зависит от водоизмещения корпуса и его формы. Например, если увеличить водоизмещение на 10%, т.е. со 125кг до 137,5кг, то смоченная поверхность корпуса длиной 6м и диаметром 0,5м увеличится с 2,0 м2 до 2,08м 2, а скорость соответственно снизится на 2%. В гонке на 5 км судно с большим весом отстанет от более легкого на 100м. Зависимость Rтр от шероховатости поверхности может определяться из графиков, приведенных в книге «Парусные катамараны» (Крючков О.С., Лапин В.И., 1963). Например, при скорости 27 км/ч сопротивление трения корпуса длиной 5м с шероховатостью 0,5 мм больше на 67%, чем с шероховатостью 0,05мм. Особенно большую роль Rтр играет на малых скоростях, когда волновое сопротивление практически отсутствует.
2. Сопротивление формы Rф составляет, как правило, 8-9% от сопротивления трения и определяется потерями на вихревые потоки при дрейфе и взаимным влиянием корпусов катамарана.
3. Волновое сопротивление Rв корпусов катамарана, имеющих удлинение по ватерлинии более 10, составляет 10-20% от общего сопротивления. Экспериментальные графики замеров общего сопротивления движения корпусов на скоростях от 1,8км/ч до 25 км/ч, приведенные в статье «Гидродинамические характеристики спортивных гребных лодок» (К и Я N3, 1964) показывают отсутствие каких-либо пиков сопротивления даже при скорости, соответствующей числу Фруда Fr=0,5 (приблизительно 13 км/ч). Такие пики сопротивления присущи классическим яхтам. В указанной статье приводятся результаты испытаний в бассейне корпуса спортивной байдарки-одиночки, имеющей длину Вл - 5,1м ширину Вл - 0,41м, смоченную поверхность 1,72 м2, водоизмещение 100кг и осадку 0,121м. эти параметры близки к параметрам поплавков катамаранов. При скорости свыше 10 км/ч появляется ходовой дифферент байдарки, что подтверждает возникновение вертикальной глиссирующей силы и начало переходного процесса движения. Корпуса катамаранов имеют дополнительные потери скорости, связанные с преодолением встречной волны и ветра.
II. Форма надувных поплавков.
Все нижеприводимые выводы и заключения по выбору формы надувных поплавков катамаранов основаны на результатах многочисленных экспериментов по уменьшению их диаметра, прогиба килевой линии, формы и длины ватерлинии. Эксперименты проводились на регатах в гоночном режиме, т.е. в условиях сопоставимости с ходкостью других катамаранов того же класса. Эксперименты показали, что :
1. Ватерлиния должна иметь угол расхождения в носовой части 6-8о от оси поплавка.
2. Наиболее широкая часть Вл располагается в 50-60% от ее длины с носа корпуса и составляет 0,42-0,45м.
3. Длина ватерлинии и кормовые обводы влияют на быстроходность катамарана в значительно меньшей степени, чем предполагалось до проведения экспериментов.
4. Килевая линия имеет минимальный прогиб, но этот прогиб должен обеспечивать необходимую поворотливость судна. Угол наклона носовой части килевой линии составляет 2,5-3о от горизонтали.
5. Форма форштевня заметно влияет на мореходность судна при волнении на акватории. Высота форштевня должна быть около 0,35м от ватерлинии, свес – 0,6-0,8м. носовые обводы повторяют форму ватерлинии на высоте до 0,2м, что позволяет катамарану прорезать крутую волну, а не утыкаться в нее. Выше 0,2м от Вл необходимо развитие объема поплавка для всплытия носов на больших пологих волнах при попутных курсах.
6. Корма предпочтительна конической формы типа «дельфиний нос» с умеренным надводным объемом. Объемная цилиндрическая корма большой плавучести на крупной попутной волне при прохождении гребня через транец будет задирать вверх заднюю часть катамарана и тем самым топить носы. Это может быть критично в такой ситуации.
7. Строевая линия по шпангоутам – полезная графическая характеристика обтекаемости поплавка. Она показывает распределение площади погруженной части поперечных сечений поплавка по его длине. График строевой линии не должен иметь резких перегибов и горизонтальных участков. Плавность строевой линии обеспечивает хорошую гидродинамику корпусов катамарана.
III. Скоростной режим движения.
При скорости парусного катамарана до 10 км/ч осуществляется водоизмещающий режим движения. При этом доминирует сопротивление трения. При гоночной загрузке катамарана возможен диапазон скоростей от 10 до 30 км/ч. Это переход на режим с глиссирующей вертикальной поддерживающей силой, возникающей от действия потока воды на переднюю часть днища корпуса под углом атаки 2-3о. кормовая часть в создании этой силы не участвует, т.к. обтекается под отрицательным углом атаки. Эффект глиссирующей составляющей не так значителен, как на моторных лодках и окончательно пропадает при походной загрузке катамарана.
Диапазон скоростей катамаранов с походным водоизмещением ограничивается максимальными скоростями 15-18 км/ч. При этом в большей мере сказывается волновая составляющая сопротивления движения. К тому же походы проходят обычно по большим открытым акваториям, где, при наличии ветра, обязательно присутствие волн. Хождение под парусом на больших скоростях в серьезную волну вопрос весьма специфический, мало относящийся к разборным надувным судам. Считаю куда разумнее при таких обстоятельствах умерить прыть своего катамарана взятием рифов на парусах, чем выливать из ушей воду от удара каждой волны.
Режим чистого глиссирования на парусном катамаране с корпусами больших удлинений маловероятен, даже в кратковременных эпизодах парусных гонок. Личный рекорд скорости в гонках на катамаране «Адреналин» 35 км/ч не напоминал чистое глиссирование.
IV. Ткань поплавков.
Воздушное давление внутри поплавка создает механическое напряжение оболочки. Каждый погонный сантиметр оболочки поплавка испытывает растяжение в продольном направлении и от носа к корме F и в поперечном направлении П.
F = 0,25Pd
П = 0,5Pd
Где P – избыточное давление воздуха в баллоне, кг/см2,
d – диаметр баллона, см.
Например, при d=50см и Р=0,1 кг/см2 каждый сантиметр оболочки растягивается вдоль поплавка с усилием 1,25 кг, а поперек - 2,5 кг.
С уменьшением диаметра баллона в носу и корме натяжение оболочки соответственно уменьшается и жесткость пневматической конструкции падает. Поэтому острые носовые обводы должны сочетаться с развитой в длину трубчатой фермой катамарана.
Специальные лодочные ткани различных производителей имеют в середине толщины, где расположена тканная основа, мембранный слой, обеспечивающий отсутствие диффузии воздуха. К сожалению, эти ткани имеют, на наш взгляд, ряд существенных недостатков:
1. большое относительное удлинение ткани, особенно в поперечном направлении рулона;
2. вспучивание ниток ткани при ее натяжении, при этом возникает существенная шероховатость поверхности;
3. малый слой чистого ПВХ до матерчатой основы на лицевой стороне ткани.
Французская ткань «Феррари» ориентирована на промышленное изготовление автотентов. Отличительной особенностью этой ткани является то, что в технологии ее изготовления применяется предварительное натяжение нити при заливке ПВХ. Она не имеет мембранного слоя, но обладает высокой стойкостью к поперечному удлинению, сохраняет глянцевость поверхности в напряженном состоянии и имеет значительный защитный лицевой слой ПВХ. Она легче других тканей при той же прочности и, как показывает практика, достаточно газонепроницаема. Каждый изготовитель надувных поплавков выбирает тот или иной вид ткани в зависимости от общих требований к катамарану.
Для соединения кромок ткани в основном используются уретановые клеи. Сварка швов СВЧ и промышленными фенами оправдана только для изготовления прямых протяженных швов, которых обычно нет в раскрое баллонов катамаранов. Уретановые клеи, как правило, изготавливаются из сырья немецкой фирмы «Bayer». Эти клеи удобны в применении для склейки швов, так как активизируются (прилипают) только при нагревании до 50-60оС. Однако, теплостойкость такого шва не превышает 50оС. Для повышения теплостойкости клеевых швов до 80-90оС необходимо вводить в клей перед его использованием полиизоционатные добавки.
Детальное описание варианта технологии склейки баллонов см. www.u-cat.7us.ru.
