Гидрофоил в судостроении.
Откуда появилась идея подводного крыла? Кто был первым изобретателем гидрофойла и кто впервые попробовал его? Узнаем в статье.
Прототипы гидрофойла
Первый патент на подводное крыло был зарегистрирован в 1869 году и выдан парижанину Эммануэлю Дени Фарко. В патенте гидрофоил был описан так:
«На бортах и днище судна закреплены наклонные плоскости или клиновидные элементы, которые при движении судна вперед поднимают его над водой и таким образом снижают сопротивление при движении».
Наклонные плоскости или клиновидные элементы Дени Фарко.
M. de Sanderval (де Сандерваль) в 1876 году экспериментировал со способом поднятия судна путем движущей подъемной силы 4-х горизонтальных гребных винта. Ему удалось поднять свою лодку достаточно, чтобы подтвердить жизнеспособность своей идеи и свои расчеты.
Винтовой гидрофоил де Сандерваля.
Первая относительно успешная реализация гидрофойла в жизнь была осуществлена нашим соотечественником, проживавшем в Версале, пионером глиссеростроения — графом де Ламбером в 1891 г. Он так же запатентовал свое изобретение, а в 1897 г. построил катер на подводных крыльях, гребной винт которого вращал небольшой паровой двигатель De Dion-Bouton мощностью 14 л.с. К сожалению, катер лишь ненадолго и совсем невысоко поднимался над водой.
Совместными усилиями с Полом Тиссандье, автором первых гидроглиссеров, в октябре 1913 года пилотный гидроглиссёр Тиссандье установил рекорд скорости двигателя на воде, достигнув скорости 98,6 км/ч с двигателем мощностью 160 л.с.
Во время Первой мировой войны де Ламбер и Тиссандье продали гидросамолеты вооруженным силам Франции, Великобритании и США. В 1918 году он вместе с Полем Тиссандье основал «Société Anonyme des Hydroglisseurs de Lambert».
Компания продолжала производить гидросамолеты до 1931 года для французского правительства. Однако де Ламбер был больше инженером, чем бизнесменом, его унаследованные деньги закончились, и компания обанкротилась в 1941 году.
Между 1899 и 1901 годами британский конструктор лодок Джон Торникрофт работал над серией моделей со ступенчатым корпусом. В 1909 году его компания построила полномасштабную 22-футовую (6,7 м) лодку Miranda III. Приводимый в движение двигателем мощностью 60 л.с. (45 кВт), он двигался на подъемной силе гидрофойла в носовой части. Последующей Миранде IV приписывали скорость 35 узлов (65 км / ч; 40 миль в час).
Через восемь лет состоялось успешное испытание итальянским инженером — Enrico Forlanini (Э. Форланини). Еще до построения Ламбером катера на подводных крыльях, он начал работу над своим проектом, в котором использовал "лестничную" систему крыльев: несколько побортно укрепленных больших пластин, которые напоминали лестницу.
11 апреля 1904 года он подал патент на моторную лодку, оснащенную рапирами. Именно они должны «позволять лодкам и летательным аппаратам избегать контакта с поверхностью воды, когда они движутся, что приведет к гораздо меньшему сопротивлению и значительному увеличению скорости. »
Во время испытаний Forlanini использует двигатель внутреннего сгорания мощностью 70 л.с. Ему удается заставить свою лодку лететь со скоростью 50 км/ч.
Alberto Santos-Dumont заключил пари что сможет разогнать свою лодку до 100 км\ч. Во время испытаний в сентябре 1907 года корабль затонул, и Сантос-Дюмон чуть не утонул, он проиграл пари. Благодаря своей популярности (Альберт Сантос-Дюмон разработал, построил и испытал первый практически пригодный управляемый воздушный шар) и последствиям своих действий, Альберто упоминается в нашей истории гидрофоила.
Известный бренд механических часов Картье создали специальную серию уникальных симпатичных часиков, вдохновленные геометрическими формами его изобретений.
Alberto Santos-Dumont и его изобретения.
Gaetano Crocco (Гаэтано Крокко) вместе с Оттавио Рикалдони (пионером авиации) разработал в 1907 году экспериментальную 8-метровую лодку Barchino Idroscivolante, оснащенную двумя стальными крыльями в форме треугольника. Лодка приводилась в движение 80 л.с. французским двигателем Clément-Bayard, который приводит в движение два двухлопастных воздушных винта с изменяемым шагом, вращающихся в противоположных направлениях.
В 1907 г. Кроко экспериментировал с морскими судами, поддерживаемыми простыми двугранными крыльями моноплана, но это не имело большого успеха в применении их к летательным аппаратам. И их архитектуру применили в экспериментах с водном транспорте.
Лестничная система крыльев Рикалдони осуществила первый взлет и посадку на подводных крыльях в 1911 году.
Это произошло потому, что он принял функцию двугранного крыльев Кроко, которая позволила избежать внезапного перехода с одного крыла на другое при различных условиях скорости.
В 1910-1921 годах Кроко участвовал в разработке гидросамолетов на подводных крыльях, чтобы уменьшить ударные нагрузки и улучшить посадочные характеристики судов на воде.
В марте 1906 года в статье американского пионера подводных крыльев Уильяма Э. Мичема (William M. Meacham) "Scientific American" объяснялся основной принцип работы подводных крыльев, используемых на гидроплане. Александр Грэм Белл счел изобретение гидроплана (теперь рассматриваемого как отдельный тип, но также использующего подъемную силу) очень значительным достижением и после прочтения статьи начал набрасывать концепции того, что сейчас называется лодкой на подводных крыльях.
Александр Грэхем Белл вместе со своим главным инженером Кейси Болдуином начал эксперименты на подводных крыльях летом 1908 года.
Белл изучил статью Вилиама Мешам, счел изобретение гидроплана (теперь рассматриваемого как отдельный тип, но также использующего подъемную силу) очень значительным достижением и после прочтения статьи начал набрасывать концепции того, что сейчас называется лодкой на подводных крыльях.
Болдуин же изучил работы Энрико Форланини и взял его разработки за основу для своих изысканий. Им удалось лично познакомиться с итальянцем и покататься на его лодке с подводным крылом.
Впечатлившись от «плавного скольжения над водой», они экспериментировали с конфигурациями и конструкциями, кульминацией которых стал катер HD-4 Белла.
Эксперимент пришел на пик развития в области машиностроения, с помощью двигателей Renault была достигнута максимальная на тот момент скорость 87 км/ч. , а девятого сентября 1919 года Белла HD-4 установила мировой морской рекорд скорости 114 км /ч!
R. Gilruth and Bill Carl. на основе более ранних трудов, американцами было создано первое парусное судно (катамаран) с подводным крылом в 1938 году.
Осенью 1941 г. студент 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 работал на заводе и лишь урывками занимался теорией проектирования, мечтая создать натуральный летающий корабль!
Исследуя гидродинамику подводных крыльев, Алексеев быстро понял что максимальный, экономически целесообразный, скоростной предел СПК не будет выше 100—120 км/ч. На этих скоростях начинается кавитация и быстрое разрушение металла крыла. Однако спортивный характер Алексеева не позволял ему останавливаться на достигнутом. Преодолеть кавитацию можно было только полностью исключив контакт судна с водой на крейсерском режиме движения.
В 1943 г. на заводе «Красное Сормово» им. А. А. Жданова в г. Горьком был построен первый советский катер на подводных крыльях, а в 1949 г. там же был разработан проект теплохода на подводных крыльях, ставших эталонным во всем мире.
Сложность судов на подводных крыльях требовала обеспечения высокой надёжности и качества изготовления, прямо во время работы над судном вносились изменения в первоначальную модель, было принято множество рационализаторских предложений изобретателей: снижение массы судна достигалось применением новых конструкционных материалов, в том числе алюминиевых и титановых сплавов. Приходилось на ходу осваивать технологию сварки алюминия в защитной среде аргона. Масса корпуса и крыльевого устройства судна на подводных крыльях составляет в среднем 45—55% от массы порожнего судна, и особое внимание при проектировании первого судна на подводных крыльях обращалось на уменьшение именно этих составляющих нагрузок.
Чтобы выдержать сроки и воспользоваться благоприятной ситуацией для демонстрации судна в столице, Ростислав Евгеньевич работал в экспериментальном цеху в три смены. После напряжённой работы в конце апреля 1957 года первый образец ещё безымянного пассажирского судна на подводных крыльях, имевшего непривычную в то время для глаз форму ии яркий жёлто-зеленый цвет, был спущен на воду.
Конструкторы уделяли большое внимание эстетике и архитектуре судна и даже приглашали художников: Алексеев, сам обладавший навыками рисования и лучше других чувствовавший скорость на воде, набрасывал эскизы, а художники доводили эскизы до идеала и тут же лепили из пластилина макеты.
Конструкция «Ракеты» получилась очень удачной, можно сказать, классической. Внешне она сильно напоминала первые наброски Алексеева, сделанные им ещё в 1940-е гг. Причем всё — от двигателя до последней заклёпки в корпусе — было сделано из отечественных материалов.
Во время первых рабочих «выходов» судна капитаном и рулевым был сам конструктор Р.Е. Алексеев. Но не высокомерие им руководило, а нежелание подвергать людей риску.
Летом 1957 года Алексеев представил «Ракету» на суд мировой общественности, эффектно приведя корабль своим ходом в Москву в дни Международного фестиваля молодёжи и студентов.
Судно преодолело 420 км за семь часов, многие специалисты отказывались в это верить. Популярность «Ракеты» росла, заводы наращивали темпы выпуска таких судов.
После триумфального возвращения «Ракеты» из Москвы в г. Горький, она была принята в состав Волжского объединенного пароходства и начала регулярные перевозки на пассажирской линии Горький — Казань. Судно пошло в серийное производство: 9 сентября 1958 года по решению Министерства речного флота РСФСР было заложено первое серийное судно на подводных крыльях типа «Ракета». С того памятного дня и началась эра крылатых судов.
«Ракета» стала символом Горького, а в Сормово образовался коллектив конструкторов и производство, способных решать самые сложные задачи скоростного судостроения.
В 1959 году был построен первый «Метеор» — судно с большей в два раза пассажировместимостью, чем у «Ракеты» (120 человек).
В 1961 году начались регулярные морские рейсы теплохода «Комета». На этом судне конструктор применил уже другую схему крыльевого устройства — с частично погруженными крыльями — которая лучше подходила для движения по морю.
Во время Нью-Йоркского бот-шоу 1952 года публика впервые услышала о семейной паре Фрэнке и Стелле Ханнинг-Ли. В Old Madison Square Gardens, где проходило Боут-шоу. Там стояла потрясающая белоснежная лодка на подводных крыльях, предназначенная для высоких скоростей.
У «Белого Ястреба» был обтекаемый, наподобие носу самолета, нос, и полностью алюминиевый корпус. Система стального фойла состояла из U-образного профиля в передней части и одного хвостового профиля на корме. Кормовая часть фойла была управляемой, реактивный двигатель Rolls Royce Derwent на 6000 л.с.
Лодка с винтовым двигателем имеет тенденцию поднимать нос из-за низкого положения тяги. Реактивный катер имеет тенденцию опускаться носом в воду. Чтобы преодолеть эту тенденцию, конструкторы расширили носовую часть корпуса. На максимальной скорости подводные крылья не дают носу зарыться в воду.
Но проблему кавитации не решил даже такой мощный двигатель и новейший аэродинамический дизайн. На скорости выше 70 миль в час подводное крыло подвергается кавитации. В отличие от гидроплана, который создает подъемную силу, находясь сверху и скользя по поверхности, гидрокрыло полностью погружается, создавая подъемную силу как на верхней, так и на нижней поверхности. По мере увеличения скорости давление вокруг гидрофойла меняется до тех пор, пока в конце концов давление на верхней поверхности не станет настолько низким, что аэрированная вода разрушает подъемную силу на верхней поверхности. В этот момент можно потерять до двух третей подъемной силы, и при такой скорости судно снова упадет носом в воду. Таким образом, он сначала поднимается, набирает скорость до поверхности, а затем падает вниз.
Baron von Schertel в период 1952-1972 гг. проводил испытания суден на подводных крыльях на озере Люцерн. Компания Supramar AG, основанная двумя немецкими инженерами - бароном Ханнсом фон Шертелем и Готтхардом Заксенбергом, была создана в Центральной Швейцарии. Компания посвятила себя разработке коммерческих судов на подводных крыльях и заняла лидирующие позиции на мировом рынке.
Армия США выпускала тестовые модели военных судов на подводных крыльях и периодически (в своих интересах) спонсировала на разработки подающих надежды мечтателей. Самый большой в мире военный корабль с подводным крылом был построен армией США — USS Plainview (AGEH — 1) в 1969 году.
Гэри Симэн, инженер, работавший в Windsurfing International, экспериментально установил подводное крыло на скоростных испытаниях Тихоокеанской ассоциации многокорпусных судов. Эта лодка на подводном крыле выиграла скоростные испытания в Hurricane Gulch, Калифорния, в 1972 году.
В 1979 году Joop Nederpelt разработал первый фоил для виндсерфинга Mistral. Вероятно, это был первый момент в истории подводного крыла на индивидуальном водном снаряде.
Во второй части нашего исследования мы рассмотрели гидрофойлы на малых водных транспортных средствах. Спасибо за внимание!
Автор исследования: Цейслер Настя.