При движении судна на крылья действует подъемная сила: чем больше скорость, тем больше подъемная сила, уравновешивающая часть веса судна, и тем меньше его осадка. При некоторой скорости подъемно я сила оказывается достаточной, чтобы весь корпус вышел из воды, сопротивление упало, а скорость резко возросла[12, стр. 131]. Мы уже говорили о том, что у глиссеров подъемная сила создается только в результате увеличения давления на днище. При движении крылатых судов 25—30% подъемной силы создается вследствие увеличения давления на крыло снизу и 70—75% в. результате разрежения над крылом. Поэтому на создание подъемной силы при движении судов на подводных крыльях затрачивается меньше мощности, чем у глиссеров. Кроме того, глиссеры менее мореходны, чем суда на крыльях. Вот почему суда на крыльях более перспективны, чем глиссеры[5, стр. 105].
Несмотря на то, что изобретение С. А. де Ламберта было очень многообещающим, суда на подводных крыльях не строили до начала 40-х годов нашего века. Дело в том, что в то время, когда С. А. де Ламберт получил патент на своеизобретение, теория крыла еще не была создана, не было изучено поведение крыла вблизи границы двух сред — воды и воздуха, не были решены остальные вопросы гидродинамики крыльевого устройства[13, стр. 153].
Только после разработки Н. Е. Жуковским и его последователями теории крыла, после работ академиков Н. Е. Кочина, М. В. Келдыша, М. А. Лаврентьева и ряда других отечественных и зарубежных ученых в области гидродинамики, после созданш легких и прочных сплавов, легких и мощных малогабаритных высокооборотных двигателей можно было начать проектирование судов на подводных крыльях, опираясь на достаточно прочные научные и производственные достижения. Конечно, сначала создавали малые катера на подводных крыльях, затем более крупные суда[12, стр. 132].
Начало строительства судов на подводных крыльях в нашей стране связано с именами Р. Е. Алексеева, Б. А. Зобнина, И. М. Шапкина, А. И. Маскалика. В 1943 г. на заводе «Красное Сормово» был построен первый катер на подводных крыльях, а в 1946 г. катер на жестко закрепленных крыльях, который развивал скорость около 45 уз.[10, стр. 86].
Проект первого теплохода на подводных крыльях был разработан в 1949 г. В 1957 г. началась серийная постройка теплоходов на подводных крыльях типа «Ракета». Затем были созданы разъездной катер «Волга», теплоходы «Метеор», «Спутник», «Чайка», турбоход «Буревестник». В 1961 г. было построено морское судно на подводных крыльях «Комета» и в 1962 г. — «Вихрь»[13, стр. 143].
Первый отечественный газотурбоход «Тайфун» на автоматически управляемых подводных крыльях (созданный ленинградскими корабелами) развивает скорость 44 уз. Он принимает на борт 98—105 пассажиров. У судов на подводных крыльях есть носовые и кормовые крылья. Проследим, как судно выходит на крылья. При увеличении скорости судна подъемная сила носового крыла растет быстрее, чем подъемная сила кормового. Поэтому первым начинает выходить к поверхности носовое крыло, и судно приобретает дифферент на корму. Корпус судна на подводных крыльях в нижней части подобен глиссеру: он имеет резкую килеватость и острые скулы. После того как подъем носового крыла придаст судну дифферент, оно движется как глиссер, и дифферент возрастает. При этом увеличивается угол атаки крыльев и подъемная сила. Но вслед за этим начнет быстро возрастать подъемная сила кормового крыла, оно приблизится к поверхности и корпус выйдет из воды[6, стр.97].
Подводное крыло работает по тем же законам, что и воздушное: создает подъемную силу и испытывает сопротивление движению. Гидродинамическое качество подводных крыльев 10—15, т. е. подъемная сила превышает лобовое сопротивление в 10—15 раз.
Чем быстроходнее судно, тем больше подъемная сила подводных крыльев и тем больше они приближаются к поверхности. Но при приближении крыла к поверхности его гидродинамические характеристики ухудшаются. Следовательно, быстроходные суда, как и суда, предназначенные для плавания па волнении, должны иметь глубокопогруженные крылья. Постоянство подъемной силы и глубины погружения подводных крыльев достигается путем поворота крыла вокруг поперечной оси, т. е. в результате изменения угла атаки. Положение крыльев регулируется специальной автоматической системой, реагирующей на изменение подъемной силы[10, стр. 68].
Чем больше глубина погружения крыла, выше давление воды, тем при большей скорости судна начинается кавитация. Это еще одно важное обстоятельство, говорящее о том, что подводные крылья быстроходных судов должны быть глубокопогруженными.
При плавании без движения или при скоростях до выхода на крылья остойчивость судна на подводных крыльях обеспечивается как у водоизмещающих судов: восстанавливающим моментом, возникающим в результате действия силы веса и гидростатической силы поддержания. После выхода на крылья восстанавливающий момент создается действующими на подводные крылья гидродинамическими силами.
До выхода судна на крылья сопротивление его движению подчиняется' всем законам, установленным для водоизмещающих судов. В момент глиссирования, т. е. до окончательного выхода на крылья, судно испытывает сопротивление воды подобно глиссеру и еще сопротивление крыльев[7, стр. 113].
В отличие от ходовых качеств водоизмещающих судов, ходовые качества судна на подводных крыльях на мелководье улучшаются. Действительно, у дна бассейна поток воды подтормаживается и если подводное крыло движется вблизи от дна, то скорость потока на нижней стороне крыла уменьшается, а давление воды увеличивается, т. е. подъемная сила растет.
К управляемости судов на подводных крыльях предъявляют особенно высокие требования. В самом деле, если бы быстроходному судну на подводных крыльях от момента подачи команды до изменения направления движения требовалось столько же времени, сколько водоизмещающему судну, то оно успевало бы проходить в нежелательном направлении большие расстояния. Кроме того, небольшие угловые отклонения от курса под действием ветра, волнения или течения вызывали бы очень резкие отклонения судна от принятой линии движения.
Управляемость судна на подводных крыльях, как и всех судов, обеспечивается в основном действием руля, но некоторое участие в обеспечении управляемости принимают и крылья. Несколько увеличивает устойчивость на курсе стреловидная в плане форма крыла[8, стр. 99-100].
При скорости порядка 45 узлов сопротивление воздуха и воды станет примерно равным сопротивлению воды при скорости 12,5— 15 узлов.
Благодаря крыльям приращение скорости хода до 30 узлов (около 55 км/час) может быть достигнуто без увеличения мощности двигателей. Выигрыш скорости сопровождается некоторыми потерями. В данном случае они заключаются в том, что стоимость судна на подводных крыльях повышается в пересчете на одно пассажирское место в 3—4 раза. Однако в целом, с учетом ускорения доставки примерно в 3 раза, стоимость перевозки одного пассажира увеличивается всего лишь на 10—15% по сравнению с обычным судном[11, стр.120].
В нашей стране в последние годы построено много таких судов: «Ракета», «Метеор», «Спутник», «Мир», «Комета» «Стрела» и др. Самый большой из них — «Спутник» предназначен для движения по магистральным рекам. Он вмещает 300 пассажиров. Его водоизмещение 4О т, мощность силовой установки 4 тыс. л. с., скорость хода 70—80 км/час. Пассажиры размещаются в трех комфортабельных салонах, оборудованных креслами самолетного типа. При постройке корпуса использованы сплавы легких металлов, павинол и т. п. материалы. Двигатели управляются из рулевой рубки[9, стр. 88].
Ознакомимся подробнее с принципом движения судов на воздушной подушке. Представим себе куполообразное судно. Мощный вентилятор, приводимый во вращение поршневым или турбореактивным двигателем, гонит воздух под купол, который называют камерой. Давление воздуха в камере повышается настолько, что судно отрывается от поверхности воды и повисает на воздушной подушке. По мере подъема судна увеличивается зазор между нижней кромкой камеры (по периметру) и водой, а вместе с этим увеличивается и количество воздуха, вытекающего через зазор. Теперь вентилятор должен непрерывно восполнять расход воздуха, чтобы его подъемная сила в камере оставалась равной весу судна. Вот почему высота парения судов на воздушной подушке камерной схемы невелика и составляет только 50—150 мм.[7, стр. 84].
Чтобы, опустившись на воду, судно на воздушной подушке камерной схемы не затонуло, по бортам его устанавливают лодки плавучести. При крене судна, если лодка плавучести частично погружается в воду, сила плавучести образует восстанавливающий момент и обеспечивает остойчивость судна. Кроме того, для обеспечения остойчивости судна на воздушной подушке камеру делят на части продольными и поперечными переборками: если судно кренится или дифферентуется, то со стороны подъема расход воздуха увеличивается и давление в отсеке камеры падает, а с опустившейся стороны давление в отсеке камеры увеличивается. Так создается восстанавливающий момент[12, стр. 135].
Расход воздуха из воздушной подушки тем больше, чем выше давление в камере. Для уменьшения этого вредного расхода по бортам судна стали устанавливать жесткое ограждение — скеги, которые при парении судна либо остаются частично погруженными, либо незначительно возвышаются над водой. Катер В. И. Левкова Л-5 был построен по камерной схеме со скегами. Позднее по периметру камеры начали устраивать упругое гибкое ограждение в виде юбки из прорезиненной ткани[5, стр. 111].
Некоторые суда на воздушной подушке имели комбинированное ограждение: по бортам — жесткие скеги, а впереди и сзади - гибкое ограждение. Такие суда назвали судами камерной схемы с протоками.
При движении судно на воздушной подушке с гибким ограждением срезает гребни волн, на что затрачивается определенная энергия. Поэтому возникла идея оградить воздух в воздушной подушке воздушной струей, подаваемой по каналам-соплам расположенным по периметру воздушной подушки.
Так возникла сопловая схема судов на воздушной подушке. Соплам-каналам придают такую форму, что воздушная струя подается несколько внутрь подушки и отражается от поверхности воды. Одна часть воздуха при этом уходит в подушку, повышая там давление, а другая часть — в окружающую атмосферу. Теперь подъемная сила слагается из подъемной силы от избыточного давления в воздушной подушке и реакции воздушной струи, вытекающей из сопла. Поэтому суда сопловой схемы могут парить на большей высоте, чем суда камерной схемы, они поднимаются на 300—400 мм от поверхности воды.
Плавучесть и остойчивость судов на воздушной подушке сопловой схемы обеспечивается непроницаемым объемом судна[9, стр. 79].
Кроме судов на воздушной подушке рассмотренных схем, известно много яудов, конструкция которых представляет вариации и комбинации этих схем. Так, есть суда камерной схемы с целым рядом гибких ограждений — лабиринтовым уплотнением, а иногда и с установленными между гибкими ограждениями вентиляторами, которые гонят воздух внутрь подушки.
Известны суда на воздушной подушке, у которых вентиляторы расположены непосредственно в сопле, отчего уменьшаются потери энергии па прохождение воздуха по каналам.
Были созданы суда, у которых ограждением воздушной подушки служила водяная завеса, образуемая выходящей из сопл струей. Некоторые суда на воздушной подушке строят по так называемой схеме с рециркуляцией воздуха: часть выходящего из сопл воздуха, отразившись от поверхности воды, попадает в другие сопла и снова направляется в воздушную завесу. Есть суда камерной схемы со скегами в виде водоизмещающих лодок плавучести по бортам и сопловой схемой завесы впереди и сзади[6, стр. 121].
