Побеждая водную преграду

В конце XIX века многие инженеры и изобретатели занялись внедрением в практику новых судовых проектов. В скором времени стало ясно, что лучший способ преодолеть естественное сопротивление воды и следовательно, увеличить скорость движения судна — это исключить трение корпуса судна о воду, подняв его во время движения целиком над ее поверхностью. Кроме того, для удобства пассажиров необходимо было разработать транспортные средства, исключающие возможность постоянного воздействия волн на корпус судна.

Первые опыты, проведенные такими изобретателями, как Портер, Ханс, Денесон, Томамхул, Форланини, Крокко и др., ознаменовали собой рождение двух абсолютно новых типов судов — на воздушной подушке и подводных крыльях. СВП поднимается целиком над поверхностью воды посредством действия, либо статической, либо динамической воздушной подушки. СПК движется благодаря разнице в гидродинамическом давлении, возникающем на верхней и нижней плоскостях подводного крыла во время его движения сквозь водную среду. Оба типа могут иметь техническое воплощение на разных судах, поэтому нет ничего удивительного в том, что при отнесении СВП и СКП к определенному классу нередко возникают разногласия. Тем не менее каждый проект обладает своими отличительными особенностями.

Судно на воздушной подушке

Существуют два основных типа аппаратов, использующих близость опорной поверхности. Одни из них движутся над поверхностью, с помощью ими же создаваемой статической воздушной подушки, другие при движении получают аэродинамическую подъемную силу как и самолет, но под корпусом у них образуется динамическая воздушная подушка.

Существуют две схемы образования статической воздушной подушки:

  1. Камерная, когда воздух подается непосредственно в подкупольное пространство;
  2. Сопловая, когда он подается через сопла, расположенные по периметру.

В камерной схеме получила отражение простейшая из концепций эффекта близости опорной поверхности. Воздух с помощью нагнетателя системы подъема подается непосредственно в подкупольное пространство, имеющее очертания колокола или перевернутой миски для пудинга, где он создает подушку из сжатого воздуха, которая обеспечивает подъем судна над поверхностью на заданную высоту парения. Воздух подается в подкупольное пространство в объеме, достаточном для восполнения его потерь в результате утечки из-под днища судна. Современные суда с камерной схемой образования воздушной подушки снабжены гибким пологом из эластичного материала, который провисает между корпусом и поверхностью, обеспечивая больший клиренс над препятствиями или волнами.

Судно
Современное судно на воздушной подушке

Среди судов, созданных по этой схеме, следует отметить СВП со скегами, у которых воздушная подушка удерживается жесткими бортовыми стенками или килями и поперечными гибкими ограждениями в носу и корме и сконструированные Бертином СВП типа „Нэвиплан” и платформы „Терраплан”, имеющие многокамерную схему образования воздушной подушки, состоящую из множества куполов-камер, каждая из которых снабжена легким гибким ограждением. Ввиду относительной простоты конструкции, суда с камерной схемой образования воздушной подушки, снабженные гибким ограждением, получили предпочтение у энтузиастов легких СВП, особенно у тех, кто занимается конструированием и постройкой таких аппаратов в домашних условиях.

Существует тип СВП, в которых воздушная подушка образуется по сопловой схеме, разработанной на основе оригинального принципа, выдвинутого Кристофером Кокереллом. В данном случае воздушная подушка возникает и удерживается с помощью постоянно подаваемых струй воздуха, которые вырываются через сопла, расположенные по внешнему периметру основания корпуса судна. Гибкие ограждения, которыми оснащается этот тип судов, могут иметь вид продолжения, либо только внешних стенок воздушных каналов, либо как внутренних, так и внешних.

Экраноплан

В зависимости от принципов аэрогидродинамической компо­новки экранопланы выполняют по схемам „летаюшее крыло” и самолетной. В первом случае корпус экраноплана обычно представляет собой, крыло малого удлинения, по бортам которого, установлены концевые шайбы-поплавки. При движении в результате скоростного напора воздуха, на крыле образуется аэродинамическая подъемная сила. Корпус и весь планер, включая хвостовое оперение экраноплана, выполненного по самолетной схеме, как правило, напоминает обычный одно или двух корпусной гидросамолет (летающую лодку). Основной особенностью экраноплана, отличающей его от самолета, является то, что его аэродинамическая и конструктивная компоновки обеспечивают возможность полета аппарата на небольшой высоте от экрана (поверхности воды или земли).

При этом существенно повышается аэродинамическое качество, что в свою очередь приводит к уменьшению расхода топлива и тем самым к увеличению почти вдвое, дальности полета и полезной нагрузки экрано­плана. Преимущества полета с использованием эффекта близости опорной поверхности, были доказаны еще 50 лет тому назад. Тогда этот эффект помог пилотам первых гражданских самолетов, увеличить дальность полета при пересечении районов Южной Атлантики. Летчики королевских ВВС и транспортной авиации Великобритании, во время второй мировой войны часто прибегали к его „услугам”, при возвращении к родным берегам, особенно если горючее было на исходе или самолет был поврежден.

Одним из ведущих конструкторов аппаратов этого класса, является доктор Александр Липпиш, „отец” дельтавидного крыла и создатель самого скоростного истребителя, периода второй мировой войны — Me-163. Характерная особенность конструкции экраноплана „Аэрофойлбоут” Х-112А, выполненного по самолетной схеме, заключается в том, что путем использования перевернутого V — образного крыла, удалось устранить килевую неустойчивость — одну из главных проблем для всех, кто совершал полет близко к поверхности, особенно на самолетах с обычными крыльями, в момент сближения с поверхностью. Нормальным явлением в авиации считается смещение центра давления в направлении хвоста аппарата, что приводит при движении к наклону носовой части. Конструкция доктора Липпиша выполнена иначе.

Судно
Экраноплан на воздушной подушке

Его экраноплан благодаря удачно выбранной схеме хвостового оперения и форме крыла демонстрирует надежную устойчивость полета. Устойчивость его такова, что он может при необходимости совершать полет над экраном или свободный полет практически на любой высоте, а затем снова возвращаться в режим полета над экраном. Это позволяет ему преодолевать высокие берега, береговые или портовые сооружения, речные извилины, мосты и т.п. Однако при выходе из зоны действия экрана экономические преимущества экраноплана утрачиваются, поскольку для свободного полета и поддержания высоты, необходимо увеличить мощность двигателей, а тем самым и расход топлива.

Гибкие ограждения

Если бы не было изобретено гибкое ограждение, то идея создания судна на воздушной подушке, вряд ли продвинулась далеко от той стадии, на которой к ней относились как к просто интересной технической новинке. Благодаря использованию гибких ограждений увеличилась высота воздушной подушки при заданной подъемной силе, в десять раз и уменьшились на 75 % размеры судов, предназначенных для эксплуатации в условиях волнения моря. Полученные при этом экономические преимущества, пожалуй, лучше всего проиллюстрировать, сравнив размеры оснащенных гибкими ограждениями судов с не оснащенными, которые потребовались бы для обслуживания линии через Ла Манш, где нередко высота волн превышает 2 м. Полная масса судна без гибкого ограждения, обладающего для обеспечения клиренса в 2,2-2,4 м, необходимыми размерами и мощностью двигателя составила бы, примерно 700-800 т.

Использование ограждений на современном СВП SR.N4 позволяет уменьшить его массу до 200 т. Кроме того, для более крупного судна, лишенного гибкого ограждения, мощность двигателя составила бы 54,4 тыс. л. с., т. е. в четыре раза больше, чем обеспечивают четыре газовые турбины „Мэрин Протей” на СВП SR.N4. Ведущими фирмами по проектированию и изготовлению гибких ограждений для СВП являются: „ФПТ продактс лимитед”, входящая в состав фирмы „Бритиш ховеркрафт корпорейшн”, „Ховеркрафт дивелопмент лимитед”, „Эейвон раббер компани”. После первых испытаний простейших типов гибкого ограждения в виде резиновой полости фирма „Бритиш ховеркрафт корпорейшн” в 1965 г. решила переключить всю исследовательскую деятельность на разработку типа ограждения, на основе так называемого двухъярусного гибкого ограждения с сегментными элементами.

В такой системе, сжатый воздух от нагнетателей системы подъема, сначала поступает в гибкий ресивер, а затем через сопла в зону под днищем судна, что и приводит к образованию воздушной подушки. В основании гибкого ресивера ниже каждого сопла, имеется раскрытый на конце сегментный элемент, через который воздух направляется внутрь к центру зоны воздушной подушки. Первоначально сегментные элементы применялись для устранения разбрызгивания и уменьшения сопротивления, при движении в открытом море. Но они существенно предотвращают износ и старение всего гибкого ограждения, а так как их можно легко заменять, способствуют уменьшению эксплуатационных расходов.

Чертеж
Чертеж гибкого ограждения на СВП

Поначалу высота сегментных элементов по отношению к высоте всего гибкого ограждения составляла примерно 30 %, со временем это отношение увеличилось до 50 %. В соответствии с первоначальными проектами такие суда, как SR.N4 и SR.N6, эксплуатировались с дифферентом на корму 1,5°, со слегка приподнятым носом, что снижало возможность резкого уменьшения скорости в случае, если бы носовая часть гибкого ограждения „загребла” воду. В результате такого режима работы, кормовые сегментные элементы имели значительно больший износ, чем носовые. Они выдерживали эксплуатацию в течение 100 ч, в то время как носовые — около 500 ч.

В значительной степени благодаря исследованиям, предпринятым фирмами «Бритиш ховеркрафт корпорейшн” и „Бритиш рейл” на судах SR.N4 и SR.N6, в 1972 г. появилось новое понижающееся к корме конусообразное гибкое ограждение. Высота его в носовой оконечности была увеличена приблизительно на 75 см, что позволяло поддерживать необходимый дифферент судна, а затем она уменьшалась до нормальной в кормовой оконечности. Это означало, что судно теперь как бы „посажено” на ограждение, сконструированное с дифферентом на корму в 1,5°C. В результате этого усовершенствования на обоих судах, было отмечено значительное уменьшение износа сегментных элементов гибкого ограждения в кормовой оконечности. Достойной внимания особенностью гибких ограждений, сконструированных фирмой „Бритиш ховеркрафт корпорейшн”, является наличие в них сопл остойчивости, улучшающих остойчивость судна.

На SR.N6 в виде гибкой емкости установлены два сопла остойчивости:

  1. Продольное килевое;
  2. Разделенное пополам поперечное.

На гораздо более крупном судне SR.N4, воздушная подушка разделена на три отсека, поскольку продольное сопло остойчивости установлено от кормы только до поперечного сопла. Благодаря разделению воздушной подушки на отсеки достигается относительно высокая устойчивость, против килевой и бортовой качки, что в свою очередь предотвращает излишне длительный контакт ограждения с поверхностью воды. При определенных неблагоприятных условиях, носовая часть гибкого ограждения может соприкасаться с поверхностью воды, в силу чего постепенно усиливается торможение, а затем может возникнуть „зарывание” носом. Если это явление не предусмотреть, то последует резкое снижение скорости судна, известное как „вспахивание”, а это может привести к серьезной потере остойчивости и возможно, к возникновению переворачивающего момента.

Поскольку внешний край носовой части гибкого ограждения растягивается по направлению к центру судна (обозначено в терминологии как „подгибание”), то происходит резкое уменьшение стабилизирующего момента давления в воздушной подушке. По мере увеличения угла дифферента на нос корма стремится приподняться над поверхностью, образуя слишком большой зазор. Возникает скачкообразное значительное падение скорости, а у малых судов, кроме того, усиливается опасность перевертывания, под действием попутных волн, увеличивающих угол килевой качки.

Для того, чтобы облегчить решение проблемы „подгибания” и „вспахивания”, фирма „Бритиш ховеркрафт корпорейшн” предложила поднять линию крепления гибкого ограждения на судне SR.N4MK.2 и катере ВН.7. На первом из них система, предотвращающая подгибание, закреплена на носовой части гибкого ограждения. Эта система обеспечивает необходимое сопротивление воздействию водной поверхности и предотвращает „подгибание” и „вспахивание”. Носовое гибкое ограждение на катере ВН.7 при соприкосновении с водой деформируется, задерживая тем самым возникновение „подгибания” и обеспечивая восстанавливающий момент. Суда типа SR.N4 эксплуатируются при высоте волны более 1 м и скорости движения 50 уз и больше.

Судно
Судно на воздушной подушке — «СВП»

Соприкосновение гибкого ограждения с поверхностью воды, при таких условиях эксплуатации, вызывает повышенные нагрузки, подобные испытываемым, например, шинами автомобилей во время кросса по бездорожью. Степень износа сегментных элементов гибкого ограждения, можно показать на примере опыта компании „Ховерллойд лимитед”, которая использует для перевозок между Рэмсгейтом и Кале три судна SR.N4. Ежегодно каждое СВП этой компании, находится в эксплуатации 4000 ч и за это время изнашивает 1500 сегментных элементов. Их стоимость является основной расходной статьей при эксплуатации СВП, к чему безусловно, следует добавить, также оплату труда специалистов по починке и замене сегментных элементов.

В настоящее время, ведутся исследования свойств различных материалов и технологии их обработки, которые улучшили бы характеристики износостойкости сегментных элементов. Износ происходит в основном, на высоких скоростях. Наивысшего уровня он достигает, при средних показателях волнения моря и скорости движения СВП 50 уз. При более спокойной поверхности моря, воздействие воды на сегментные элементы менее значительно, поэтому степень износа уменьшается. То же самое происходит и при более сильном волнении, когда скорость движения СВП снижается до 30-40 уз. Одним из методов, решающих проблему разработки лучших материалов для гибкого ограждения, является использование более легких и гибких тканей. Есть доказательства в пользу теории, что благодаря своей гибкости, такие материалы оказывают меньшее тормозящее действие, при контакте с водой.

Одним из ведущих проектов на основе этой теории, является отклоняющееся секционированное гибкое ограждение, разработанное фирмой „Ховеркрафт дивелопмент лимитед”. Гибким ограждением этого типа снабжены такие СВП, как HD.2, VT1 и VT2 фирмы „Воспер торникрофт”, ЕМ.2 и многие другие новые суда из тех, что строятся или уже находятся в эксплуатации. Это ограждение также применяют в промышленности, в том числе для оборудования тяжелых подъемных платформ массой до 750 т, транспорта и трейлеров на воздушной подушке. Такое гибкое ограждение состоит из крупных поперечно расчлененных элементов открытого типа — сегментных элементов, соединенных с корпусом, при помощи открытой петли. Подушка не разделена на отдельные отсеки и поскольку у воздушного потока нет никаких препятствий, при движении между петлей гибкого ограждения и воздушной подушкой, соотношение уровней давления в них практически одинаково и поэтому потери внутренней энергии незначительны.

Для изготовления гибких ограждений, используют тонкую ткань и в результате низкого уровня ее инерции, обеспечивается плавное движение судна. В силу того, что сегментные элементы гибкого ограждения занимают значительную часть всей его высоты, эта система позволяет судну преодолевать высокие волны и препятствия. Еще одно преимущество, которое дает использование этой системы, заключается в том, что корпус дна, на котором она применена, имеет скошенную от днища к бортам поверхность. Таким образом, когда судно лишено воздушной подушки, до внутренних точек соединения сегментных элементов можно добраться, не прибегая к помощи домкратов, что значительно упрощает уход и обслуживание гибкого ограждения. Фирма „Бритиш ховеркрафт корпорейшн” пришла к заключению, что наиболее пригодными материалами для изготовления гибких ограждений являются те, у которых основой ткани служит нейлон, либо терилен, покрытый сверху натуральным каучуком или неопреновой резиной.

Испытанию подвергались ткани из различных материалов, в том числе из стекла, хлопка, синтетических волокон и даже из стали, но результаты оказались неудовлетворительными. Выяснилось, что сталь и стекло неспособны противостоять непрекращающимся ударам волн, а хлопчатобумажные ткани и ткани из искусственного волокна, не обладают достаточной стойкостью к истиранию и не выдерживают длительной эксплуатации. На первоначальном этапе разработок системы гибкого ограждения, для гибкого ресивера были использованы также такие вещества, как нитрил РВК и полиуретан. Гибкие ограждения составляют около 15% всей массы 10-тонного СВГ1 SR.Nh и 10 % — 200-тонного SR.N4.

Судно
Военное судно на воздушной подушке

Также для улучшения эксплуатационных и массовых показателей, обычно выбирают такие размеры гибких ограждений, которые отвечают необходимым требованиям эксплуатации судна. Ширина гибкого ограждения, как правило, соответствует наибольшей высоте волны в том районе моря, где предстоит действовать данному судну. Испытания показали, что для обеспечения остойчивости судна, ширина гибкого ограждения не должна превышать 15-20% ширины воздушной подушки.

Подавляющее большинство СВП, способны работать в условиях, при которых высота волны, по крайней мере вдвое превышает высоту гибкого ограждения, особенно если волны длинные и могут быть преодолены без соприкосновения с ними основания носовой части СВП. Крупнейшей фирмой по изготовлению СВП по Франции, является СЕДАМ, которой принадлежит лицензия на производство по патентам Бертина аппаратов серий „Нэвиплан” и „Терраплан”. Особенностью этих проектов, является применение в них предложенной Бертином системы множества нагнетательных камер, воздух для которых поступает от нагнетателя системы подъема, либо отдельно для каждой, либо для целых групп камер.

Камера имеет отдельное гибкое ограждение, в которое через сопло подается воздух. В свою очередь, все они окружены единым периферийным гибким ограждением по периметру корпуса СВП. Модель „Периселл”, одна из последних разработок в этой области, сочетает в себе особенности системы гибкого ограждения с сегментными элементами и системы камер Бертина. В ней вместо бахромы или сегментных элементов у основания гибкой емкости, помещены отдельные крупные камеры. Такая конструкция имеет преимущества над системой гибкого ограждения с сегментными элементами, в части остойчивости в режиме остановки на воздушной подушке. Аппарат SES-100A стал одним из первых СВП, на котором был применен этот новый тип гибкого ограждения.

Энергетические установки

Энерго-вооружение систем подъема и движения СВП, зависит от состава оборудования, принятого в каждом конкретном проекте размеров СВП, той среды, в которой будет эксплуатироваться судно и от требуемых тактико-технических показателей. Кроме того, имеются другие факторы, которые следует принимать в расчет как тем, кто строит СВП, так и тем, кто их эксплуатирует.

Среди них:

  • Мощность двигателя;
  • Масса судна;
  • Расход топлива;
  • Срок эксплуатации до капитального ремонта;
  • Приблизительная стоимость эксплуатации;
  • Возможность обеспечения запасными частями;
  • Масштабы ресурсов обеспечения, которыми располагает предприятие-изготовитель двигателей для СВП.

В состав энергетических установок современных судов на воздушной подушке, могут входить различные типы двигателей — от переоборудованных радиоуправляемых, подвесных, мотоциклетных бензиновых моторов, до используемых на SR.N4 четырех газовых турбин „Мэрин Протей” фирмы „Роллс-ройс” мощностью по 3600 л. с. (2600 кВт) каждая. Между этими крайними примерами можно отметить автомобильный двигатель „Крайслер” V8 мощностью 200 л. с. (147 кВт) на шестиместном СВП SH-2 фирмы „Силэнд”, три дизеля водяного охлаждения системы „Камминс” на судах НМ-2 фирмы „Ховермарин” и газовую турбину мощностью 900 л. с. (660 кВт) „Мэрин Гноум» на 58-местных морских пассажирских паромах серии SR.N6 Мк.1.

К настоящему времени ни одна фирма-изготовитель не обеспечена заказами на двигатели для СВП в такой степени, чтобы можно было оправдать проектирование особых систем для этой цели. Поэтому в качестве двигательных систем СВП, в настоящее время используются обычные стандартные проекты, в которых по мере возможности, применены усовершенствования, необходимые для эксплуатации в морских условиях. В таких двигателях большинство деталей и узлов, должно быть испытано на сопротивляемость коррозии, которая является неизбежным следствием воздействия морского воздуха, насыщенного солью.

Судно с газовыми турбинами, спроектированное для эксплуатации в морских условиях, снабжено толстыми фильтрами, состоящими из рыхлого переплетения металлических или пластиковых волокон, которые помещены в воздухозаборники двигателей, для очистки воздуха от воды и твердых частиц. В качестве дополнительной меры против попадания частиц соли и песка в двигатель, повсеместно применяется забор воздуха для двигателя, непосредственно из камеры нагнетателя системы подъема.

Судно
Советское пассажирское судно на воздушной подушке

На большинстве судов массой от 8-10 т и более фирмы-изготовители, предпочитают устанавливать газотурбинный двигатель, имеющий лучшие показатели отношения мощности к скорости движения и массы на единицу мощности (кг/л.с.). Однако многие работники транспорта в развивающихся странах избрали бы, вместо газотурбинного двигателя обычный дизель, так как его эксплуатация, снабжение топливом и уход за узлами обходятся дешевле. Кроме того, гораздо легче найти квалифицированного инженера по дизелям, чем по газотурбинным двигателям.

Хотя, некоторые из современных высокооборотных легких дизелей, вполне приемлемы для небольших пассажирских и боевых КВП, массой до 25 т, все же основными двигателями для более крупных судов, остаются различные модели газовой турбины, разработанные на базе авиационных. Проектируемый для нужд ВМС США 2000-тонный аппарат класса SES, будет оснащен шестью газовыми турбинами тина LM-2500 фирмы „Дженерал электрик” мощностью по 20 тыс. л. с. (18,4 МВт) каждая. Две из них передают мощность на нагнетатели системы подъема, а четыре — на водометные движители. Эти турбины относятся к самым мощным газовым турбинам в мире, однако, для энергообеспечения одних только движителей на кораблях класса SES следующего поколения, полная масса которых составит, около 12,5 тыс. т, потребуется в четыре раза большая мощность. Рассчитано, что этим кораблям, во время преодоления на скорости 42 уз горба сопротивления движению, потребуется мощность около 515 тыс. л. с. (290 МВт).

Высокая скорость движения и дальний радиус действия, могут быть обеспечены за счет значительного количества энергии. Такие факторы, как повышенные требования к качеству топлива и его высокая стоимость, вынудили правительство Соединенных Штатов приступить к изучению возможности использования, на крупных скеговых КВП ядерных энергетических установок. Значительная часть исследований до настоящею времени, проводилась в г. Кливленде (шт. Огайо) в исследовательском центре Льюиса национального управления по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA), руководил ими Фрэнк И. Ром.

Ядерные энергетические установки, разрабатываемые NASA, для применения на кораблях класса SES, должны быть идентичны с системами, предназначенными для самолетов. В реакторе, окруженном корпусом и защитной отражательной системой, происходит нагрев жидкости (например, гелия) под высоким давлением, которая по трубам подается в теплообменник, расположенный между прямоточными турбореактивными двигателями и компрессором типичного турбовентиляторного двигателя. В этом случае, двигатель может работать на тепловой энергии, поступающей через теплообменник или в результате сгорания топлива в обычных камерах.

Для обеспечения абсолютно безопасной работы реактора, были детально рассмотрены различные меры защиты. Оболочка, окружающая реактор, спроектирована таким образом, чтобы полностью предотвратить выход продуктов ядерного распада, могущего произойти в случае серьезной аварии или разрушения реактора. А материалы, выбранные для изготовления защитного экрана, должны, согласно проекту, не только противостоять удару от соприкосновения, но также равномерно распределять тепло, накопленное при расплавлении. Поскольку стоимость ядерного топлива составляет всего около одной трети или одной шестой от стоимости химического топлива, получается значительная экономия. Теперь стало возможным строить надежные реакторы, рассчитанные на работу без загрузки в течение 10 тыс. ч.

Корабль
Военный малый корабль на воздушной подушке

Другой привлекательной особенностью является то, что у крупных кораблей класса SES, масса ядерной энергетической установки, составит менее 10% массы всего корабля, равной 5-10 тыс. т. Специалисты NASA полагают, что со временем можно будет за счет использования ядерной энергии достигнуть уменьшения эксплуатационных расходов, до двух центов на тонно-милю. Они утверждают, что теоретически потребуется постройка целого флота из 1500 — 10000-тонных судов класса SES, которые будут использоваться для перевозки 10% мирового грузооборота. Причем эти 10%, по расчетам теоретиков, должны быть „присвоены” СВП именно потому, что удастся уменьшить стоимость их фрахта, до двух центов на тонно-милю. Перспектива эксплуатации подобных судов выглядит еще более привлекательной, чем это показывают приведенные цифры, если учесть возможность появления новых торговых маршрутов, которые без сомнения, возникнут в связи с низкой стоимостью, плюс гораздо большей скоростью перевозок.

Системы подъема

На нагнетатели системы подъема возложена задача, по обеспечению СВП воздухом, для его воздушной подушки. Нагнетатели часто считают сердцем и легкими этих судов, так как СВП по существу является воздуходувной системой, созданной для подъема над поверхностью и перемещения определенных грузов. Нагнетатель непрерывно подает значительный объем сжатого воздуха под днище судна, где он рассеивается и образует воздушную подушку, которая затем приподнимает судно, над поверхностью и удерживает его в устойчивом положении. Количество поступающего в подушку воздуха, должно быть достаточным для восполнения того воздуха, который истекает наружу по периметру СВП. В настоящее время используют в основном два типа нагнетателей. Как правило, чем крупнее судно, тем больше расход воздуха в подушку и выше давление в ней, хотя многое зависит от конструкции, массы и назначения каждого отдельного аппарата.

Самому малому современному пассажирскому судну-амфибии на воздушной подушке требуется давление в подушке порядка 10-15 фунт/фут2 (44-66 кге/м2) и расход воздуха 100-200 фут3/с (2,8-5,6 м3/с), а крупнейшим СВП — 60-70 фунт/фут2 (260-310 кге/м2) и расход воздуха до 27 000 фут3/с (760 м3/с).

Системы подъема:

  • Осевые;
  • Центробежные.

Хотя применение смешанной системы, сочетающей особенности того и другого типа, в отдельных случаях также было успешным. Осевой нагнетатель, подобно обычному авиационному воздушному винту, гонит воздух в направлении, параллельном оси вращения, в то время как центробежный нагнетатель захватывает воздух между лопастями, а затем выбрасывает его посредством центробежного ускорения наружу в радиальном направлении. Осевые нагнетатели применяются в основном в системах с вертикальным каналом. Они направляют поток воздуха вниз, непосредственно в воздушную подушку.

Относительная простота их конструкции и доступность постройки послужили причиной того, что их охотно используют изготовители малых СВП, с камерной системой образования подушки, особенно любители, строящие суда не в заводских условиях. Но из-за относительно низких показателей силы воздушного потока, эти нагнетатели приходится эксплуатировать в высокооборотном режиме, что приводит к увеличению уровня шума. Поскольку на крупных судах воздух перед поступлением в подушку, должен распределиться по всей длине и ширине довольно протяженного ресивера, то в этом случае налицо значительные преимущества центробежного нагнетателя. Он обеспечивает более высокий уровень статического давления, при более низкой скорости вращения, а также позволяет повысить расход воздуха в подушке. Центробежный нагнетатель обладает простой конструкцией, его установка несложна, а в эксплуатации он прочен и надежен.

Судно
Схема судна на воздушной подушке

Тем не менее в своем неуемном стремлении к обеспечению большего комфорта и эффективности, конструкторы не потеряли из виду возможность применения, на океанских СВП нескольких осевых нагнетателей с изменяемым шагом лопастей рабочего колеса, причем не только для обеспечения управления воздушным потоком системы подъема, но и в качестве средства для управления горизонтальными перемещениями судна. Был проведен анализ всего спектра волновых сил, после чего стало очевидно, что теоретически в зоне низких частот, где обнаруживается большая часть волновой энергии, вполне можно нейтрализовать горизонтальные перемещения, с помощью изменения шага рабочего колеса, подобно тому, как осуществляется изменение шага винта в авиации. Результаты исследований, дают основание надеяться, что горизонтальные ускорения могут быть уменьшены более чем в четыре раза, а движение судна будет соответствовать нормам комфортабельности. 

Движители

Найдется очень немного видов движителей, которые не были испытаны на СВП, от парусов до воздушных винтов и от гребных винтов, до водометных движителей. Движитель выбирается с учетом назначения судна и технико-эксплуатационных показателей, которыми оно должно обладать. Воздушные движители того или иного типа, обычно устанавливаются на амфибийных СВП, в то время как водометные движители или гребные винты больше подходят для судов, спроектированных для передвижения, исключительно над водной поверхностью. Перечислим виды движителей, используемых в настоящее время, либо предложенных для использования в будущем.

Воздушные движители

  • Воздушные винты;
  • Воздушные винты в насадке;
  • Воздушно-реактивные турбовентиляторы;
  • Газотурбинные реактивные паруса.

Водяные движители 

  • Гребной винт;
  • Водомет;
  • Гребное колесо.

Движение в контакте с землей

  • Колеса;
  • Гусеничный ход;
  • Толкание руками;
  • Буксировка трактором;
  • Буксировка лошадью;
  • Буксировка вертолетом.

Парение над рельсами

  • Воздушный винт;
  • Газотурбинный реактивный турбовентилятор;
  • Мотор линейной индукции.

Несмотря на обилие предложенных альтернатив более 90% современных СВП движутся, с помощью воздушных винтов, а в большинстве остальных аппаратов использованы гребные винты или водометные движители. Однако похоже, что усиливается тенденция к использованию гидродинамических движителей, либо гибридных систем, так как если рассчитать движительную систему для 10000-тонного скегового СВП, который должен иметь скорость 100 уз, то получится, что на нем надо будет установить, либо 10 воздушных винтов диаметром 18,3 м. каждый, либо 10 прямоточных турбовентиляторных движителей диаметром 10,5 м. Для того, чтобы достичь соответствующего уровня тяги, используя лишь гидродинамические средства, потребовалось бы только два суперкавитирующих гребных винта, диаметром около 9 м., либо 4 водометных движителя диаметром 3,7 м. каждый.

Другими словами, по мере увеличения размеров судов использование воздушных винтов во многих случаях нецелесообразно из-за размеров самих винтов и их фундаментов, тогда как применение гидродинамических систем, при равной мощности двигателя, обеспечивает заданные характеристики, при вполне реальных размерах. Уменьшение диаметра воздушных винтов, ведет к падению их КПД из-за сокращения массы воздушной струи, что вызывает увеличение требуемой мощности двигателя.

Несмотря на то, что воздушные винты неприемлемы в качестве движителей крупных СВП из-за их размеров и количества, они остаются наиболее эффективным видом движителя для СВП, при скоростях движения от 150 уз и выше. Однако, что касается технико-эксплуатационных характеристик, воздушные винты уступают водометным движителям и гребным винтам, при работе на небольших скоростях.

Судно
Скеговое судно на воздушной подушке

Испытания еще одного вида воздушного движителя для СВП — воздушного винта в насадке показали, что такой движитель обеспечивает лучшие технические показатели, при невысоких скоростях движения, но сами насадки в значительной степени увеличивают общую массу судна, а при скорости более 100 уз повышают лобовое сопротивление, что заметно уменьшает коэффициент полезного действия движителя. Для крупного высокоскоростного судна, пожалуй, наиболее многообещающей является система, использующая на больших скоростях прямоточные турбовентиляторные движители, в сочетании с полу погруженными суперкавитирующими гребными винтами, обеспечивающие набор скорости до 70—80 уз и преодоление горба сопротивления.

Самое важное преимущество прямоточною турбовентиляторного движителя состоит в том, что при сравнительно одинаковых с воздушным винтом технико-эксплуатационных характеристиках, диаметр рабочего колеса вентилятора вдвое меньше. Кроме того, он значительно легче, имеет меньший уровень шума и может компоноваться с целым рядом различных установок. По мере развития в авиастроительной промышленности, концепции широкофюзеляжных самолетов-аэробусов в ближайшие годы станет возможным, выпуск различных прямоточных турбовентиляторных движетелей, мощностью до 40 тыс. л.с. (30 МВт). СВП класса SES, имеют жесткие бортовые кили-скеги, которые представляют собой идеальные конструкции, для расположения в них водометных движителей, либо гребных винтов и их приводов.

Поскольку нижние части скегов погружены в воду, обеспечивая остойчивость и способствуя устойчивому движению на курсе, движители обычно устанавливают в кормовой части скегов. Проектная скорость 100-тонных судов со скегами ВМС США SES-100A и SES-100B составила 70-80 уз. SES-100A — первое судно на воздушной подушке с водометными движителями, имеющее такие высокие технико-эксплуатационные показатели, a SES-100B — первое судно с полу-погруженными суперкавитирующими гребными винтами, достигшее скорости 80 уз.

Несомненно, в обеих системах заложен значительный потенциал дальнейшего развития, но маловероятно, что поставленные ими рекорды скорости могут быть в ближайшее время превзойдены, благодаря применению более стойких видов металлов и улучшению конструкции. Тем не менее потери их КПД практически неизбежны. Применение на SES-100B частично погруженного суперкавитирующего гребного винта с приводом в транце скега, явилось новым подходом к решению проблемы, так как отпала необходимость в установке вала гребного винта, опорных стоек и подшипников, которые создавали дополнительное сопротивление при движении. КПД винта этого типа оказался таким же, как и КПД полностью погруженного винта, а возникающие на нем тяга и вращающий момент были пропорциональны площади диска погруженного винта.

Судно
Винтомоторная установка на судах с воздушной подушкой

Среди специалистов по морским движителям существует мнение, что создание таких суперкавитирующих гребных винтов с помощью которых, можно достичь скорости движения 100 уз и даже больше, задача вполне реальная. Есть проекты клинообразных гребных винтов, профиль лопастей которых имеет острый передний край и квадратную заднюю кромку, что приводит к возникновению кавитации на верхней поверхности и ее исчезновению далеко внизу, под зоной вращения лопастей.

Другая идея — это суперкавитирующий морской гребной винт с изменяемой кривизной лопастей. В случае ее реализации ожидается такой же эффект, который дало применение на самолетах воздушных винтов с изменяемым шагом. Задавая определенную кривизну лопастей винта, рулевой мог бы обеспечить оптимальную величину тяги для начальной стадии выхода на воздушную подушку, для движения на средней или наибольшей скоростях. Гребной винт с изменяемой кривизной производства фирмы „Хамильтон стандард” имеет лопасти, разделенные на сегменты в центральной части таким образом, что это делает возможным индивидуальное регулирование обеих частей лопасти.

При скорости судна свыше 45 уз, применение сверхкавитирующих гребных винтов становится просто необходимым. Еще во время первых испытаний катеров, на подводных крыльях ВМС США было обнаружено, что при скорости 45— 50 уз бронзовые кормовые гребные винты судна РСН-1 подвергались эрозии с обеих сторон и нуждались в починке или полной замене после 40 ч эксплуатации. С тех пор стали применять сплавы, в которых используются более стойкие металлы. Особенно велик спрос на титан и его сплавы, поскольку они обладают большой прочностью, высоким уровнем кавитации и сопротивляемостью коррозии. Первыми судами, на которых установили усовершенствованные гребные винты, были HS «Денисон» и 320-тонный AGEH-1 „Плейнвью”, который имеет два четырех-лопастных титановых винта диаметром 1,5 м каждый. 

Водометные движители

Использование водометной установки в качестве судового движителя — одна из наиболее старых технических концепций. Первый патент на такой движитель получили англичане Тугуд и Хейес в 1661 г. В 1775 г. этот движитель был испытан Бенджа­мином Франклином, а в 1782 г. Джеймс Рэмси впервые использовал его на пассажирском пароме на реке Потомак, между Вашингтоном и Александрией. КПД водометного движителя ниже, чем у гребного винта, поэтому работы по его созданию велись недостаточно интенсивно. В течение многих лет, сфера применения водометных движителей была ограничена относительно не дорогостоящими прогулочными судами и боевыми катерами-амфибиями, пока в 1963 г. фирма „Боинг” не объявила о создании газотурбинного опытного судна «Литл скуирт”.

Проявленный фирмой „Боинг” интерес к этому виду движителей в основном объясняется стремлением создать дополнительные возможности, для проектирования новых судовых движителей в противовес суперкавитирующему гребному винту и исключительно дорогостоящей Z — образной системе передачи, применение которой на СПК при эксплуатации на высокой волне, считалось до этого единственно приемлемым. „Литл скуирт”, оснащенный центробежным насосом двойного всасывания, достиг высокого КПД движительного комплекса, равного 0,48, на скорости движения 50 уз.

Катер
Катер на воздушной подушке — «КВП»

В значительной степени благодаря интересу, проявленному фирмой „Боинг” к водометным движителям, ВМС США пришли к решению считать такой движитель альтернативным вариантом, применив его на СВП типа SES-100A, для сравнения с суперкавитирующим гребным винтом. Хотя программа исследований и испытаний водометных движителей и завершилась созданием простых в эксплуатации и надежных установок, возникли трудности, обусловленные кавитацией в трубчатых соединениях и насосах, а также необходимостью создания водозаборников, с изменяемой площадью. Скручивание водозаборников, бортовая и килевая качки, а также механическое совмещение водозаборников во избежание кавитации, при скоростях движения до 80 уз — вот те проблемы, которые постоянно изучаются с целью создания проекта скегового СВП, со скоростью движения более 100 уз.

В последнее время значительные усилия направлены на изучение еще одного, уже давно известного вида морского движителя для СВП — это гребное колесо. Главным его пропагандистом, является Кристофер Кокерелл. В настоящее время он работает над созданием водно-гребной движительной системы, повторяющей контур волн, с большой площадью поверхности. Она предназначена специально для судов на воздушной подушке. Благодаря применению конструкции типа „гребень” 20-футовое (более 6 м.) гребное колесо, установленное когда-то на судах, ходивших по Миссисипи, уменьшено до современного образца диаметром всего в 5 футов (порядка 1,5 м).

Для обеспечения движения 2000-тонного судна, общая площадь погруженных лопастей, должна составить не менее 150 квадратных футов (14 м2). Кристофер утверждает, что его колесо может обеспечить эту площадь, при глубине погружения лопастей всего в 2 фута (60 см), причем общая ширина всех составных узлов составит порядка 75 футов (около 23 м). Колеса будут помещены позади судна на специальных рычагах, что позволит им повторять контур волн. Датчики высоты, расположенные впереди колес, создадут импульсы для системы управления. Безусловно, это очень остроумная разработка, дающая уникальные преимущества. Среди привлекательных ее свойств, следует отметить низкий уровень шума, малую осадку, возможность легкого доступа ко всем узлам, во время обслуживания.

Предлагается к прочтению:
Полет на крыльях
Суда на подводных крыльях и воздушной подушке

Август, 06, 2018 53 0
Читайте также