Остойчивость и скорость хода

Зависимость сопротивления воды движению судна от скорости у однокорпусных судов имеет характерные горбы, обусловленные ростом волнового сопротивления. Но у многокорпусных судов этих горбов нет, и на больших скоростях хода их буксировочная кривая близка к квадратичной параболе. В предположении, что , где a-константа, можно получить некоторые полезные формулы для оценки скоростных возможностей судна.

При скорость судна оказывается пропорциональной скорости вымпельного ветра; последняя возрастает с усилением истинного ветра. Однако ясно, что с усилением ветра скорость хода возрастать до бесконечности не будет, рано или поздно судно опрокинется. Рассмотрим ограничения, накладываемые конечной остойчивостью судна.

Действующие на судно в поперечном направлении сила дрейфа и сила бокового сопротивления уравновешены, но приложены в разных по высоте точках судна, отстоящих на расстояние h. В результате действия этой пары сил возникает кренящий момент, закренивающий судно на подветренный борт. У многокорпусных судов допускаемый угол крена не очень велик, и, для простоты, им можно пренебречь. Тогда наибольшая величина кренящего момента определяется соотношением

(8)

где - конструктивная ширина судна (для тримарана – по осям аутригеров).

Сопротивление воды движению судна равно силе тяги, развиваемой его парусами, и пропорционально . Сила дрейфа также пропорциональна . Остойчивость судна ограничивает величину силы дрейфа, соответственно, ограничена и допустимая сила вымпельного ветра и, следовательно, скорость судна. Имеем:

, (9)

Подставляя сюда параметры “Бриза”, найдем его предельную скорость (без откренивания). Полагая, что . Поскольку тримаран на практике не достигает такой скорости, его поперечная остойчивость на сильных ветрах гарантирована, и можно спать, не опасаясь переворота.

Сага о баллонах

Форма баллонов многокорпусных судов определяет их грузоподъемность, ходкость и мореходность. Можно дать следующие рекомендации.

Надувные баллоны, если внутрь их не вставлены жесткие элементы-оформители, имеют в поперечном сечении круглую форму. Гидродинамический расчет сопротивления таких баллонов с учетом сопротивления трения и волнового сопротивления показывает, что оно минимально, когда баллон имеет большое удлинение (от 10 до 15) и сидит в воде на миделе не менее чем на половину своего диаметра. Соответственно, баллоны получаются тонкими малого диаметра.

Резерв плавучести должен быть сосредоточен в оконечностях; применение баллонов в виде толстого веретена с острыми законцовками сомнительно.

Чтобы обтекание баллона было плавным и безотрывным, линия киля, начиная от миделя, должна плавно выводиться из воды. Задняя оконечность баллона должна иметь прямо срезанный транец. Длинные задние свесы или заострения смысла не имеют.

Передняя оконечность баллона может быть выполнена по разному. В частности, баллон может иметь длинный передний свес, приподнимающий его нос над волной. При этом, однако, укорачивается длина судна по ватерлинии, а, как известно, длина – бежит. Кроме того, баллон с передним свесом сильно расплескивает воду и создает сильное брызгообразование. Другой вариант – баллон с жестким форштевнем-волнорезом; чтобы получить такую форму носа используют жесткие элементы-оформители, вкладываемые в баллон или накладываемые на него.

В продольном направлении баллону придается погибь, позволяющая плавно вывести из воды не только его транец, но и форштевень; это необходимо, поскольку баллон бревном – без погиби существенно ухудшает поворотливость судна и затрудняет поворот оверштаг.

Пока не ясно, каким – большим или малым должно быть оптимальное давление в баллоне. Баллон не должен болтаться на волне, но использование высокого давления требует более прочных и тяжелых материалов оболочек баллонов. Возможно также, что баллоны высокого давления обладают большим сопротивлением.

Материал оболочек баллонов должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать рабочее давление с учетом температурных колебаний. Нижняя подводная часть оболочки должна быть гладкой, в надводной части гладкое покрытие не обязательно. Это позволяет делать оболочки комбинированными из разных материалов для подводной и надводной частей, снижая их вес.

Известно несколько способов конструктивного выполнения баллонов. Простейший вариант – цельноклееный баллон, представляющий собой, по существу, большой пузырь из прорезиненной ткани. Такие баллоны не отличаются надежностью.

Для повышения надежности применяют различные схемы резервирования. В частности, надувные лодки и баллоны промышленного производства делают многосекционными, вклеивая внутрь их поперечные перегородки. Однако вклеивание этих перегородок – технологически сложная операция, которую качественно можно осуществить только в промышленных условиях.

Благодаря простоте изготовления широкое распространение получили баллоны, состоящие из прочной оболочки и внутренней воздухонепроницаемой камеры. На практике оболочки делают из любой прочной и желательно гладкой с наружной стороны ткани. Можно использовать парусную и палаточную ткань, тонкий брезент, широко применяют тентовые ткани типа “Тезы”. На днище баллонов не должно быть швов, поскольку там они быстро истираются.

Камеры баллонов делают по размеру больше оболочек, поэтому они не напряжены. Основным материалом для камер являются тонкие прорезиненные ткани: аэростатная ткань “500’ или “1000’ – серебрянка, прорезиненный капрон БЦК. Способность камеры удерживать воздух зависит от толщины слоя резины на тканевой основе; камеры из БЦК держат воздух существенно лучше, но и значительно тяжелее.

Камеры баллонов делали и из полиэтиленовой пленки (рукава), но полиэтилен ничем не клеится, и возникали трудности с герметизацией торцов камер. Более подходящий материал – ПВХ-пленка.

Наличие у баллона оболочки и камеры не избавляет от необходимости резервирования. Хотя сейчас применяют более прочные материалы чем раньше, аварии, связанные с однокамерными баллонами, продолжаются. Простейший и достаточно надежный способ резервирования – вкладывать в баллон две одинаковые длинные камеры. Использовать апробированную на “Бризе” многокамерную систему резервирования целесообразно в тех случаях, когда необходима особо высокая живучесть баллонов.

Оценим требуемый для многокорпусного судна объем баллонов. В первом приближении можно считать, что центральный баллон тримарана или основной баллон проа, т.е. их корпуса, принимают на себя полностью вес судна; их поплавки-аутригеры не загружены. У катамарана каждый из его корпусов несет на себе половину веса судна. На сильном ветре, когда судно закренивается, нагрузка перемещается у тримарана и проа атлантической схемы на подветренный поплавок, а у катамарана – на подветренный корпус. Полноценные тримаран и проа способны полностью встать на свой аутригер и идти на нем, а катамаран – на одном подветренном корпусе.

Особый случай – тихоокеанское летучее проа с наветренным страховочным поплавком, который нагружается только в нештатных ситуациях, когда проа почему-либо оказывается стоящим не тем бортом к ветру. Но и здесь желательно, чтобы поплавок выдерживал весь вес судна.

Отсюда следует, что объем поплавка-аутригера тримарана и проа или корпуса катамарана не может быть менее водоизмещения судна. Соответственно, тримаран имеет, как минимум, тройной запас плавучести, а проа и катамаран – двойной. Следует учитывать также требование продольной остойчивости судна – судно не должно рыть воду носом своего корпуса или аутригера, а это требует не только вытянутой формы корпусов и аутригеров, но и дополнительного запаса плавучести, сосредотачиваемого в оконечностях; он же обеспечивает всхожесть судна на волну. На практике оказывается, что суммарный объем баллонов многокорпусных судов с хорошей мореходностью в 4 - 5 раз превышает их водоизмещение.

Чем больше запас плавучести судна, тем легче оно всходит на волну и тем спокойнее ведет себя на волнении. По оценкам В.Перегудова, если объем каждого из баллонов катамарана составляет 1,8 - 2 полного водоизмещения, катамаран выдерживает любое волнение на внутренних водоемах; если же это отношение составляет 2 - 2,2, то он спокойно выдерживает и морское волнение. Однако разгонять объем баллонов сверх необходимого тоже нельзя, поскольку это портит ходкость судна.

Примем для оценок, что баллоны катамарана имеют удлинение 12 с коэффициентом полноты , а объем каждого из них вдвое превышает водоизмещение судна. Тогда имеем:

Длина баллона, м	4 4	44,5	5 5	5 5,5	6 6	7	8
Диаметр баллона, м	00,33	00,38	00,42	00,46	00,5	0,57	0,67
Объем баллона, л.	2280	4400	5545	7720	9960	1500	2240
Полный вес судна	1140	2200	2272	3360	4480	750	1120
Собственный вес судна (по прототипу) кг.	440	660	770	880	1100	200	300
Необходимая нагрузка, кг	1100	1140	2200	2280	3380	550	820
Требуемый экипаж, чел.	11	11-2	22	22-3	4	5-6	8

В походном варианте экипаж судна составляет обычно2-3 человека; отсюда следует, что для туристских целей оптимальны катамараны длиной 4,5-5,5м; более крупные суда недогружены экипажем. Для катамаранов – монстров и тримаранов типа “Касатки” набрать требуемый им экипаж из 5-8 человек вообще нереально, да и делать такому экипажу на судне нечего, разве что использовать судно в качестве парома.