Суда на подводных крыльях

Суда на подводных крыльях, речные или морские суда, использующие устройство в форме крыла для того, чтобы поднять корпус судна над водой и уменьшить силы трения и сопротивления, ограничивающие скорость передвижения обычных судов.
Приподнявшись над поверхностью воды, эти суда проносятся мимо со скоростью курьерского поезда; вместе с тем они предоставляют своим пассажирам такой же комфорт, как на реактивном воздушном лайнере. С идеей лайнера такие суда связывают также прикрепленные к их днищу с помощью тонких стоек крылья, находящиеся под поверхностью воды. При движении в воде подводное крыло создает подъемную силу точно так же, как крыло самолета в воздухе. Профиль подводного крыла изогнут таким образом, что при перемещении в воде он создает суммарную силу, направленную вверх и выталкивающую судно из воды.
В настоящее время суда этого типа с большой степенью безопасности и надежности перевозят миллионы пассажиров во всех концах света по морским заливам, озерам и рекам, а также в каботажном морском сообщении. Только в одном Советском Союзе - ведущей стране по судам этого класса - суда различных типов на подводных крыльях ежегодно перевозили на регулярных линиях более 20 млн. пассажиров. Суда на подводных крыльях получили новое развитие в последние годы XX-го в. И сегодня продолжаются споры о перспективах развития судов на подводных крыльях, причем эти дискуссии носят еще более жаркий характер, чем прежде, так как в технике наметились и другие пути повышения скорости морских судов.
При движении тела в жидкой среде возникают силы трения и другие возмущения, препятствующие движению, которые порождают суммарную силу сопротивления движению (силу торможения). Так как плотность воды в 800 раз больше, чем плотность воздуха, то при одной и той же скорости движения крыло самолета в воздухе и уменьшенное в 800 раз (по площади) подводное крыло будут создавать одинаковую подъемную силу.
Сама идея создания судна на подводных крыльях возникла более 100 лет назад. Первый патент на судно на подводных крыльях был выдан еще в 1891 г. В 1905 г. небольшой катер на подводных крыльях развил необычно высокую по тем временам скорость - 70 км/ч. В период с 1927 по 1944 г., а затем в 50-е гг. исследовательские работы по судам на подводных крыльях велись на верфи в Росслау. Там строились экспериментальные суда массой от 2,8 до 80 т на подводных крыльях. Созданная конструктором Шертелем в Росслау система подводных крыльев нашла применение во многих проектах судов, прежде всего на судах швейцарской фирмы "Супрамар" в г. Люцерне. Новый этап в развитии судов на подводных крыльях начался в 1935 г., когда советские ученые Келдыш и Лаврентьев предложили законченную теорию подводного крыла. Под руководством талантливого конструктора Алексеева развитие судов на подводных крыльях продолжалось так успешно, что Советский Союз в 50-х гг. смог начать их серийное производство. Теперь серийная постройка судов на подводных крыльях осуществляется уже и на верфях США, Японии, Италии, Норвегии и других стран. В эксплуатации находятся уже многие сотни таких судов. Они плавают преимущественно по рекам и водохранилищам, а также вдоль побережий Черного и Балтийского морей. Сотни судов на подводных крыльях эксплуатируются и у берегов Скандинавии, в Средиземном и Карибском морях, у азиатского и австралийского побережий.

Конструкции судов на подводных крыльях
Суда на подводных крыльях различаются расположением крыльев.  По первому признаку можно выделить три основных схемы:
- обычное расположение, при котором площадь носовых подводных крыльев намного превышает площадь кормовых, вследствие чего носовые крылья несут основную нагрузку. Такая схема принята на всех судах фирмы "Супрамар";
- расположение типа саг naг d, при котором площадь кормовых подводных крыльев намного больше площади носовых. Такая схема применяется на некоторых американских военных кораблях на подводных крыльях;
- тандем - расположение, при котором подъемные силы носовых и кормовых крыльевых систем примерно одинаковы. Такая схема принята для большинства советских судов на подводных крыльях. На некоторых больших судах ставят еще третье, промежуточное подводное крыло примерно посередине судна.
По принципам обеспечения устойчивости движения и остойчивости известно большое число различных решений. Трапециевидные, V-образные и аркообразные подводные крылья, пересекающие поверхность воды, являются самостабилизирующимися. Если судно, оснащенное такими крыльями, вследствие действия каких-то внешних сил, например ветра или волнения, проваливается глубже в воду или кренится на борт, то в данном месте в воду входит дополнительная площадь крыльев и возникает добавочная подъемная сила, которая восстанавливает положение. Хотя такие подводные крылья просты по конструкции, однако плавание на подобных судах не очень приятно для пассажиров, так как при плавании с большой скоростью на волнении изменения в величине подъемных сил связаны с периодическими толчками. Такие системы крыльев не годятся для больших судов.

К крыльевым системам, пересекающим поверхность воды и также обладающим свойством самостабилизации, относятся системы типа "этажерка", или "лестница", где подводные крылья установлены в два и больше рядов по высоте, одно над другим. При крене или дифференте в воду входят дополнительные крылья, находившиеся ранее над водой, что приводит к росту подъемной силы и к восстановлению положения судна. Такие системы, принятые для советских судов на подводных крыльях, очень просты по конструкции и допускают эксплуатацию крылатых судов с малой осадкой на реках. Сильное волнение, однако, противопоказано и для таких крыльевых систем. Весьма сомнительно, чтобы применение таких крыльевых систем давало какие-либо преимущества в смысле уменьшения осадки по сравнению с крыльевыми системами другого типа. Скорее наоборот. Кстати, на подавляющем большинстве советских судов на подводных крыльях применяются выпавшие почему-то из поля зрения авторов малопогруженные подводные крылья, подъемная сила которых регулируется автоматически, уменьшаясь при приближении к поверхности воды (подъемная сила увеличивается при отдалении крыла от поверхности).
Наиболее приспособлены для плавания на волне полностью погруженные крылья с изменяемым углом атаки. Изменение угла атаки осуществляется с помощью автоматически действующих исполнительных механизмов по сигналам от механических или акустических датчиков уровня поверхности воды перед крылом. Благодаря этому подъемная сила крыльев автоматически регулируется, сохраняя почти неизменное значение. Корпус судна, оборудованного такой крыльевой системой, двигается без всяких толчков на почти постоянном удалении от гребней волн. При этом, однако, необходимо, чтобы подводные крылья при проходе подошвы (впадины) волны не оголялись, а стойки, крепящие подводные крылья к корпусу, были такой длины, чтобы гребни (вершины) волн не касались корпуса судна. Но, поскольку высота стоек должна находиться в определенном соотношении с длиной судна, максимальная высота волн, которые может преодолеть судно на подводных крыльях, зависит от размеров судна. Самые большие из современных судов на подводных крыльях могут эксплуатироваться при высоте волн не более 3-3,5 м. На более крупных перспективных судах будут устанавливаться только полностью погруженные подводные крылья с изменяемым углом атаки. Чем больше размеры судна, тем длиннее могут быть стойки и тем лучше будет его мореходность.
При повышении скорости сверх определенного предела на подводные крылья начинает действовать кавитация. Давление на всасывающей (верхней) поверхности крыла падает до такой степени, что вода там закипает и образуются пузырьки пара. Затем эти пузырьки сносятся потоком в область более высокого давления, где разрушаются, нанося сильные повреждения верхней части подводного крыла. До сего времени еще не удалось создать подводных крыльев, пригодных для скоростей выше 70 уз.

Дальнейшее повышение скорости и связанное с этим увеличение размеров судов на подводных крыльях во многом зависят от того, удастся ли преодолеть вредные воздействия кавитации. Скорость и масса судна на подводных крыльях находятся в непосредственной взаимосвязи: увеличение гидродинамических сил поддержания, создаваемых подводными крыльями, целесообразно осуществлять за счет повышения скорости, а не увеличения площади крыльев, так как подъемная сила крыла пропорциональна квадрату скорости и только первой степени площади подводного крыла. Таким образом, с увеличением размеров судна на подводных крыльях должна повышаться и его скорость. Здесь возникает трудно разрешимая проблема главных двигателей. Мощность энергетической установки судна на подводных крыльях примерно пропорциональна произведению массы судна на его скорость. Для 100-тонного судна на подводных крыльях со скоростью 40 уз требуется примерно 2800 кВт. Для судна, в 10 раз более тяжелого, со скоростью 65 уз, потребуется уже от 45 до 60 тыс. кВт. У перспективного же 3000-тонного судна на подводных крыльях со скоростью около 150 уз мощность главных двигателей едва ли будет меньше 300 тыс. кВт.

Силовая установка
Для создания тяги на судах с подводными крыльями используют гребной винт или водомет (струя воды, создающая реактивную силу). Винт, располагающийся в хвостовой части гондолы, приводится в движение судовым двигателем с помощью системы передаточных шестерен и валов (редуктора). В случае водомета тягу создает реактивная сила струи воды, накапливаемой внутри корпуса и с помощью насоса выбрасываемой с большой скоростью через отверстие в транце корабля. На большинстве гражданских судов с подводными крыльями используются дизельные двигатели. На судах большого водоизмещения с движителями обоих типов для повышения скорости движения часто применяют газотурбинные установки.

Другие проблемы
Судно на подводных крыльях часть времени движется, как и обычный корабль, с погруженным в воду корпусом. Стойки, подводные крылья и гребные винты, расположенные под днищем корпуса, увеличивают осадку корабля. Чтобы устранить связанные с этой особенностью проблемы, подводные крылья можно сделать убирающимися. Однако и неубирающиеся подводные крылья находят широкое применение в конструкциях судов.

Как и в случае самолета, каждая дополнительная единица веса судна на подводных крыльях требует соответствующего увеличения мощности двигателя и расхода топлива. По этой причине в конструкции судов на подводных крыльях находят широкое применение легкие высокопрочные материалы (алюминий, пластмассы, композиты) и высокоэффективные силовые установки большой мощности. Наряду с обычными судовыми дизелями используются газотурбинные двигатели и вспомогательные устройства, аналогичные тем, которые применяются в авиации. Стойки и профили крыла изготавливают из лучших сортов стали. Для судов на подводных крыльях были разработаны уникальные трансмиссии, гребные винты и системы управления.

Скоростные пассажирские суда типа "ВОСХОД"

Скоростные пассажирские суда типа "КОМЕТА"

Энциклопедический Фонд

А

Б

В

Г

Д

Е

Ё

Ж

З

И

Й

К

Л

М

Н

О

П

Р

С

Т

У

Ф

Х

Ц

Ч

Ш

Щ

Ъ

Ы

Ь

Э

Ю

Я