Суда на подводных крыльях

Уже в 1950-х гг. кораблестроители были единодушны в том, что на базе традиционных технических решений существенно увеличить скорость хода надводных кораблей невозможно. Волновое сопротивление надежно охраняло диапазон больших скоростей от посягательств кораблестроителей.

С волновым сопротивлением можно бороться двумя основными способами: изменив формообразования и размеры корпуса корабля либо подняв корабль над водой. В первом случае происходит искусственная деформация волн и может быть получен определенный выигрыш в скорости корабля. Пример такого подхода — стремление к увеличению отношения длины корпуса к ширине и применение бульбовых оконечностей. В то же время эти мероприятия не позволяют кардинально увеличить скорость корабля.

Первыми судами, частично поднятыми над водой, были глиссеры. До настоящего времени глиссирующие боевые катера разных типов находят применение в военных флотах. Самые быстроходные из них способны развить около 50 уз. Однако еще почти 100 лет назад, задолго до появления первых глиссеров, французский инженер Эйфель, проводя опыты с буксировкой пластин, расположенных в воде вертикально под углом к направлению потока, обратил внимание на то, что сила, создаваемая разрежением на задней стороне пластины, в 2— 3 раза превышает силу, создаваемую давлением на передней ее стороне. Следовательно, если пластину погрузить в поток воды под малым углом к горизонту, разница между давлением и разрежением будет создавать силу, поднимающую пластину.

Пластину можно выполнить в виде крыла, у которого верхняя и нижняя линии профиля имеют разную кривизну, причем верхняя линия длиннее нижней. В этом случае при движении крыла жидкость будет обтекать его верхнюю часть с большей скоростью, чем нижнюю, и над крылом возникнет зона разрежения. Вследствие разности давлений в потоке по обе стороны крыла появится подъемная сила, величина которой будет зависеть от скорости движения, плотности жидкости, размеров крыла и его расположения относительно потока.

Если на крыльях укрепить судно, то при достаточно большой скорости движения подъемная сила крыльев сможет уравновесить массу судна, и оно поднимется над поверхностью воды. При этом резко снизится сопротивление: в воде будут находиться только крылья, поддерживающие их стойки и движитель.

Движение крылатого судна напоминает полет самолета, с той разницей, что свое положение по высоте судно может изменять лишь весьма ограниченно, так как крылья должны все время оставаться погруженными в воду. С учетом того, что вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, площадь подводных крыльев может быть уменьшена во столько же раз по сравнению с площадью крыльев самолета аналогичной массы. Здесь мы имеем случай, когда высокая плотность воды—благоприятный фактор.

Идею крылатого судна первым воплотил в жизнь глиссеростроения Шарль Д'Аламбер, который в 1891 г. получил патент, а спустя три года построил небольшой катер на подводных крыльях. Испытания разочаровали изобретателя: корпус катера лишь частично поднимался над водой и краткое время находился в таком промежуточном положении, после чего крылья теряли подъемную силу и катер стремительно "проваливался" в воду.

Последователи Д'Аламбера применяли различные схемы крыльевых систем. В 1906 г. итальянец Э. Фор-ланини построил судно с крыльями в виде нескольких побортно укрепленных небольших пластин. Конструкция напоминала этажерки. По мере увеличения скорости подъемная сила крыльев возрастала, и верхние полки "этажерок" выходили из воды. При этом уменьшалась площадь погруженных в воду пластин, а подъемная сила крыльевой системы сохранялась неизменной. Судно Форланини развивало огромную по тем временам скорость—около 40 уз, но и оно страдало "проваливанием".

В начале развития крылатых судов применялись различные схемы крыльевых систем, но наибольший успех сопутствовал конструкторам, которые использовали наиболее простые устройства типа "этажерок" Форланини. Построенный в 1919 г. по такой схеме канадский катер НД-4 водоизмещением 5 т с двумя бензиновыми моторами мощностью по 350 л. с. в течение ряда лет удерживал мировой рекорд скорости на воде — 61,5 уз. Глиссерам трудно было тягаться с рекордсменом: у глиссеров подъемная сила возникает только в результате увеличения давления на днище, в то время как у судов на крыльях лишь 25—30% подъемной силы создается вследствие увеличения давления на крылья снизу, а 75—70%—-в результате разрежения над крылом. Поэтому крылатое судно затрачивает на создание подъемной силы гораздо меньшую мощность, чем глиссер того же водоизмещения.

Несмотря на то что в первой четверти XX в. был построен ряд судов на подводных крыльях, они не получили распространения из-за ничтожно малой грузоподъемности, невысокой мореходности и недостаточной надежности. Особенно сдерживали развитие крылатых судов "белые пятна" в теории этих кораблей и состояние двигателестроения. Пробелы в теории были существенно заполнены в 30-х гг. фундаментальными исследованиями советских ученых М. В. Келдыша, М. А. Лаврентьева, Н. Е. Кочина и немецких Г. Шертеля, О. Титьенса и Сакенберга. Тормозом продолжало оставаться отсутствие мощных и одновременно легких двигателей.

Мощность энергетической установки судна на подводных крыльях расходуется весьма специфически. В состоянии покоя масса судна уравновешивается статической силой поддержания воды. С началом движения, когда скорость мала, судно идет в водоизмещающем режиме. По мере возрастания скорости крылья развивают все большую подъемную силу и начинают поднимать корпус над водой. При этом рост кривой замедляется. Сначала приближается к поверхности воды носовое крыло; судно приобретает дифферент на корму и движется в режиме глиссирования. Дифферент возрастает. При этом увеличивается угол атаки, а с ним и подъемная сила крыльев. Быстро возрастает подъемная сила кормового крыла, и корпус поднимается над водой. Теперь масса судна уравновешивается гидродинамической подъемной силой, возникающей на крыльях, а статическая сила поддержания очень мала, так как крылья вытесняют ничтожно малый по сравнению с корпусом водоизмещающего судна объем воды. В этот момент кривая достигает максимума, а затем несколько спускается. С выходом всего корпуса из воды потребляемая мощность начинает возрастать, но продолжает быть намного меньше той, которая необходима водоизмещающему судну аналогичного водоизмещения, чтобы развить такую скорость; разница может составить 40% и более. Казалось бы, найден резерв мощности для преодоления скоростного барьера. И опять возникает "но"...

Энергетическая установка и крыльевая система весьма ощутимо сокращают относительную полезную грузоподъемность крылатых кораблей. По американским данным, для того чтобы вывести на крылья корабль водоизмещением 4400 т, понадобится энергетическая установка мощностью около 200 тыс. л. с. Разместить столь мощную установку в корпусе относительно небольшого корабля — задача чрезвычайно трудная. Приходится считаться и с массой крыльевых систем, которая на кораблях иностранной постройки даже умеренного водоизмещения (150—200 т) составляет около 15% водоизмещения.

Именно поэтому преимущества применения подводных крыльев наиболее ощутимы для относительно небольших судов и кораблей. Так, обычное судно водоизмещением 50 т при скорости 50 уз нужно оснастить энергетической установкой мощностью около 7500 л. с., а его "крылатому" аналогу для достижения такой скорости достаточно примерно 3500 л. с.

Первые по-настоящему крылатые суда были созданы советским конструктором Р. Е. Алексеевым и возглавляемым им коллективом. Вот почему во всем мире за судами на подводных крыльях утвердилось название "русских".

Осенью военного 1941 г. дипломник Горьковского политехнического института Ростислав Алексеев защищал дипломный проект на тему "Морской теплоход на подводных крыльях". Государственная экзаменационная комиссия признала работу соответствующей уровню кандидатской диссертации. Но шла война. Молодой инженер трудился на заводе и не прекращал, хотя и урывками, заниматься теорией проектирования крылатых судов.

В 1943 г. на заводе "Красное Сормово" им. А. А. Жданова был построен первый катер на подводных крыльях. В 1949 г. там же был разработан проект крылатого теплохода, а с 1957 г. начата серийная постройка советских судов на подводных крыльях.

В 1962 г. главный конструктор завода "Красное Сормово" Р. Е. Алексеев стал доктором технических наук. Вклад молодого ученого был высоко оценен: ему и группе конструкторов за создание судов на подводных крыльях была присуждена Ленинская премия. Кроме Р. Е. Алексеева большой вклад в создание крылатых судов внесли также Б. А. Зобнин, А. И. Маскалик, И. М. Шапкин и другие.

Способом движения на крыльях заинтересовались и кораблестроители других стран. В гитлеровской Германии с середины 30-х гг. и вплоть до окончания второй мировой войны проводились исследования в этой области. В ходе войны немцы построили несколько торпедных катеров, патрульных и десантных кораблей на подводных крыльях различного водоизмещения со скоростью 45—50 уз. Самым крупным из них был десантный танконосец водоизмещением около 80 т. Однако из-за низких мореходных качеств и неустойчивости хода ни один из этих кораблей не был запущен в серию.

В послевоенные годы значительное внимание в военных флотах уделялось боевым катерам разных типов. Совершенствование боевых катеров сопровождалось ростом их водоизмещения, которое у ракетных катеров достигало порядка 400 т, а у артиллерийских и торпедных 250 т. Подводные крылья открывали для этих небольших кораблей реальную возможность резкого увеличения скорости. В 60-х гг. во флотах появляются первые боевые катера на подводных крыльях, а в 70-х они уже строятся серийно.

Наряду с успехами возникали и новые проблемы, одной из которых явилось преодоление кавитационного барьера. При скорости порядка 50 уз и выше создаются условия, когда на гребных винтах и крыльях невозможно избежать кавитации. Давление на засасывающей (верхней) поверхности крыла становится ниже давления насыщенных паров воды. Вода вскипает, и металл крыла разрушается под действием ранее рассмотренных причин. Эрозия поверхности крыла приводит к снижению его подъемной силы. На второй стадии кавитации каверны захватывают всю засасывающую полость, в результате чего при увеличении скорости корабля давление на засасывающей поверхности крыла больше не изменяется. При этом рост подъемной силы происходит только за счет увеличения давления на нагнетающей (нижней) поверхности крыла, а значит, с увеличением скорости корабля рост подъемной силы будет очень небольшим. Казалось бы, неразрешимая проблема!

И вновь ум человека оказался способным преодолеть то, что представлялось непреодолимым. Этим человеком был академик В. Л. Поздюнин (1883—1948), который в начале 40-х гг. предложил парадоксальное на первый взгляд техническое решение: бороться с кавитацией путем ее интенсификации. Открытое Поздюниным явление получило название "суперкавитация".

В. Л. Поздюнин предложил для быстроходных кораблей применять винты, специально приспособленные для работы в условиях сильно развитой кавитации и получившие название "суперкавитирующих". Внешним отличием таких винтов является клиновидный профиль сечения лопасти с острой входящей кромкой, вогнутой нагнетающей стороной и смещенной к выходящей кромке максимальной толщиной профиля лопасти. По сравнению с обычными, суперкавитирующие винты быстроходных кораблей имеют на 15—20% больший КПД. Частота вращения суперкавитирующих винтов может достигать 3000 об/мин, что позволяет применять прямодействующие (безредукторные) двигатели, облегчая и упрощая энергетическую установку.

Аналогичным образом решается проблема кавитации и для подводных крыльев. Применяют специальный профиль крыла, который позволяет ускорить появление кавитации и снижает давление на засасывающей (верхней) его стороне. В этом случае подъемная сила растет только за счет повышения давления на поверхности (например, с увеличением угла атаки крыла).

Одной из основных проблем для судов и кораблей на подводных крыльях является обеспечение устойчивости хода, особенно в штормовых условиях. Хотя подводное крыло работает по тем же законам, что и воздушное, оно имеет специфические особенности. Крыло движется на некоторой глубине и, казалось бы, находится в однородной среде. Но его заглубление относительно невелико, и атмосферный воздух стремится прорваться к засасывающей (верхней) поверхности, где давление на 20—40% ниже давления в условиях отсутствия движения. С увеличением скорости подъемная сила возрастает, и крыло приближается к поверхности воды, облегчая возможность прорыва воздуха к засасывающей поверхности. Когда это случается (подсосы через кронштейны крыльев, при плавании на волнении, когда крылья оказываются у "подошвы" волны и т. п.), воздух проникает в область разрежения, и оно исчезает. Крыло полностью выходит из воды, превращаясь в плиссирующую пластину. Но у такой пластины подъемная сила намного меньше, чем у крыла, и корабль "проваливается". Затем по мере увеличения скорости, крыло снова начинает всплывать,— цикл повторяется.

Указанного явления удается частично избежать, если придать крылу особую форму, при которой оно пересекает поверхность воды. Тогда по мере увеличения подъемной силы в воде будет оставаться все меньшая площадь крыльев.

В условиях шторма угол атаки крыльев изменяется, и соответственно изменяется подъемная сила. За рубежом для устранения этого недостатка крылья оборудуют автоматически управляемыми закрылками.

Несмотря на то что крылатые корабли находят все большее признание в военных флотах, поиск оптимальных технических решений еще далек от завершения. Кроме вышеуказанных требуют решения вопросы живучести и пожаробезопасности. Наряду с серийными продолжают строиться опытные и экспериментальные корабли. Один из них — противолодочный корабль США "Плейнвью" водоизмещением около 330 т в процессе достижения проектной скорости 70 уз прошел ряд модернизации.

Около 10 лет продолжались эксперименты на канадском опытном противолодочном корабле "Бра Д'0р" водоизмещением 215 т. Оснащенный суперкавитирующими винтами корабль развил около 60 уз при волнении 2—3 балла. На базе опыта, полученного в процессе отработки "Бра Д'0р", в Канаде разработан проект многоцелевого ракетного катера на подводных крыльях.

В США рассматриваются возможности создания кораблей на подводных крыльях большого водоизмещения, в том числе авианесущих. Самолетостроительная фирма "Боинг" сообщила о проектных проработках кораблей на подводных крыльях водоизмещением 1680 и 4470 т со скоростью 45—50 уз. Будущее покажет, насколько реальны подобные перспективы.