Краткие сведения
о технико-теоретических
характеристиках судовых корпусов
Отрывки из книги
О.Курти "Постройка моделей судов"
В настоящее время имеется множество различных чертежей обычных самоходных и спортивных моделей всех типов, отвечающих предъявляемым требованиям. Однако нам представляется полезным заострить внимание судомоделиста на ряде технико-теоретических характеристик, определяющих поведение самоходной модели.
Для расчета и конструирования модели требуются обширные знания, изложить которые в рамках настоящей книги не представляется возможным, поэтому тем, кто хочет заняться этим делом, следует изучить соответствующие разделы теории корабля.
Самоходные модели, по существу, являются маленькими суденышками, и для них в основном подходят результаты геометрических, статических и динамических исследований, используемых в судостроении. Существующие исследования и расчеты касаются почти исключительно спортивных моделей, особенно парусных. При конструировании обычных самоходных моделей в большей степени полагаются на опыт и интуицию, чем при постройке спортивных моделей.
Уточним теперь, что следует понимать под терминами «спортивная модель» и «обычная самоходная». Первые правильнее было бы называть не моделями, а суденышками, так как их специально конструируют и строят для соревнований, а к моделям относят только из-за небольших размеров. Обычна самоходные модели являются масштабными уменьшениями настоящих судов, т. е. действительно моделями.
В последние годы по инициативе Европейского союза судомоделистов обычные самоходные модели разделяют на определенные категории, для того чтобы можно было проводить соревнования и тем самым вовлечь в них большое число моделистов.
Самоходная модель должна обладать хорошими остойчивостью, ходкостью, скоростью, маневренностью и иметь двигатель. Все качества модели не могут быть одновременно оптимальными, по-этому при конструировании исходят из ее назначения. Ниже кратко рассмотрим основные качества судна, причем математические расчеты будут опущены.
Плавучесть
погруженного в жидкость тела
В первой части упоминался известный закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом. Таким образом, на погруженное тело действуют две силы: одна тянет его вниз, а другая выталкивает вверх. Первая сила есть равнодействующая всех весов отдельных частей тела, приложена в центре тяжести тела; вторая — сила поддержания — есть равнодействующая всех выталкивающих сил, действующих на отдельные части тела, приложена в центре погруженного объема тела (в центре тяжести вытесненной жидкости). При погружении тела в жидкость возможны три случая:
На рисунке слева: Равновесие частично погруженного в жидкость тела: а - тело находится в равновесии под действием силы веса и силы
поддержания, или силы плавучести; b - на наклоненное тело действует пара сил, стремящихся вернуть его в исходное положение.
Если вес тела больше, чем вес вытесненной жидкости, т. е.
если сила поддержания меньше веса тела, то тело тонет.
Если вес тела меньше, чем вес жидкости в объеме тела, то
тело плавает, причем часть его выступает над поверхностью жид-
кости. Другими словами, тело погружается в жидкость до тех пор,
пока вес жидкости, вытесненной частью тела, погруженной в нее,
не сравняется с весом всего тела.
На этом рисунке: Равновесие плавающего тела: G - центр тяжести тела; С - центр величины; М - метацентр;
r - метацентрический радиус; Р - сила веса; S - сила поддержания; а - расстояние между центром тяжести тела и центром
величины; b - плечо восстанавливающего момента.
Если вес тела равен весу жидкости в объеме тела, то тело
«парит» в жидкости.
Перейдем теперь к корпусу судна. Корпус есть не что иное, как прочный пустотелый объем, ограниченный внешними поверхностями. Вес корпуса равняется весу его конструкций и, конечно, меньше веса воды в объеме корпуса. Центр тяжести судна или модели — это точка, к которой приложена результирующая всех весов отдельных частей судна (корпуса, надстроек, различных грузов, двигателя, вооружения и пр.). Центр тяжести вытесненной жидкости есть точка приложения равнодействующей всех сил поддержания, действующих на судно, а так как форма вытесненного количества жидкости одинакова с формой погруженной части корпуса, то точка приложения силы поддержания совпадет с центром тяжести жидкости в объеме погруженной части корпуса.
Равновесие частично погруженного тела
Рассмотрим второй из приведенных случаев, касающийся равновесия сил и связанной с ним остойчивости тела, частично погруженного в жидкость. На рис. 544 изображено плавающее тело. Точка G — центр тяжести тела, С —точка приложения силы поддержания, так называемый центр величины. Опыт показывает, что если центр величины С находится выше центра тяжести G, то корпус находится в положении устойчивого равновесия: при наклоне тела возникает пара сил,
которая выравнивает тело и возвращает его в прежнее положение равновесия.
Приведенное условие является достаточным, но не обязательным: плавающее тело может возвратиться в первоначальное положение равновесия и если центр величины находится ниже центра тяжести тела. Отметим, что при определенной (неменяющейся) загрузке положение центра тяжести неизменно, а положение центра величины зависит от формы погруженной части тела.
Рассмотрим случай, когда плавающее тело наклонилось (рис. 545). Центр тяжести приложен в той же точке G, так как вес наклоненного тела не изменился, а центр величины переместился из точки С в точку С- вследствие изменения формы погруженной части, хотя ее общий объем остался прежним. Плавающее тело вернется в первоначальное положение равновесия, если точка М— точка пересечения линии действия силы поддержания и продолжения вертикальной оси, проходящей через точку G (линии действия силы поддержания в первоначальном положении равновесия), находится над точкой G. Эту точку М называют метацентром. Корпуса судов, у которых центр величины расположен ниже центра тяжести, а метацентр — выше центра тяжести, восстанавливают положение равновесия, будучи выведенными из него. Расстояние от метацентра до центра тяжести называют метацентрической высотой и обозначают MG, а, расстояние от метацентра до центра величины — метацентрическим радиусом
r. Равные силы, приложенные к точкам G и С, силы веса Р и поддержания S, образуют пару сил, момент которых называют восстанавливающим. Он равен М = Р x b или М = S x b, где b— плечо момента (статическое плечо остойчивости).
Остойчивость корпуса судна
Под остойчивостью корпуса судна или модели понимают их способность восстанавливать первоначальное положение равновесия. Другими словами, если, например, модель под действием внешних сил будет выведена из вертикального положения, то после прекращения их действия она должна снова вернуться в исходное положение. Различают поперечную и продольную остойчивость. Обычно рассматривают лишь более важную поперечную остойчивость; продольная остойчивость всегда велика и достаточна. Напомним, что наклон судна или модели в поперечной плоскости называют креном, а в продольной — дифферентом. Различают еще статическую и динамическую остойчивость. При статической остойчивости рассматривают равновесие статически действующих сил возмущения и восстанавливающего момента судна, а при динамической — работу, которую производит восстанавливающий момент при различных углах динамического крена для возвращения судна в положение равновесия.
Исследуют остойчивость путем накренения судна на малые (до 10°) и большие углы (больше 10°). При малых углах крена расчеты ведут по так называемой метацентрической формуле остойчивости
Мвосст = Р xMG х sin
Θ,
где Θ — угол крена.
При больших углах применяют различные способы расчета и по полученным данным строят диаграмму статической остойчивости. Для моделей достаточно вычислить восстанавливающий мо-мент по метацентрической формуле остойчивости.
Статическая остойчивость зависит от высоты центра тяжести и от формы подводной части судна: ее ширины, глубины погружения и площади действующей ватерлинии. Чтобы добиться хорошей остойчивости, надо увеличить площадь ватерлинии и особенно ширину корпуса. Этого можно достичь, если выбрать широкие плоские формы поперечного сечения корпуса, в результате чего при крене площадь ватерлинии увеличится. Однако при этом другие качества судна не всегда будут улучшаться. Например, увеличение ширины приводит к уменьшению скорости. Поэтому для увеличения остойчивости 'приходится опускать центр тяжести. В свою очередь положение центра тяжести зависит ют распределения грузов на судне. Положив внутрь корпуса на киль соответствующий вес — балласт, можно уменьшить высоту центра тяжести и тем самым добиться повышения остойчивости. На судах в качестве балласта применяют чугунные чушки, цементные блоки, водяной балласт и пр.; на моделях балласт (свинцовые или латунные брусочки) стараются поместить как можно ниже.
Таким образом, можно различать корпуса, остойчивость которых основывается преимущественно на использовании балласта (с остойчивостью веса), и корпуса, остойчивость которых зависит в первую очередь от их ширины (с остойчивостью формы).
Запас плавучести
Запас плавучести зависит от высоты непроницаемой для воды надводной части корпуса и площади его ватерлинии и будет тем больше, чем больше высота надводного борта и площадь ватерлинии судна. Широкие и плоские корпуса обычно имеют большой запас плавучести. Ясно, что с проникновением воды в корпус уменьшается высота надводного борта и, следовательно, плавучесть судна.
Сопротивление движению судна
Корпус, движущийся в воде, испытывает сопротивление воды и воздуха, препятствующее его движению.
Сопротивление воды складывается из сопротивления трения, формы (вихревого) и волнового сопротивления. Если внимательно пронаблюдать за движущейся моделью, то можно заметить, что часть воды движется вместе с ней. Модель, даже если ее днище совершенно гладкое, во время движения сопровождает слой воды. При малых скоростях поток воды, обтекающий днище, имеет упорядоченное движение (это ламинарный поток), а при высоких скоростях — беспорядочное (турбулентный поток).
Закон, определяющий величину сопротивления трения, был получен Фрудом. Он установил, что сопротивление зависит от размеров подводной части корпуса, состояния наружной поверхности и пропорционально квадрату скорости. Более длинная подводная часть имеет меньшее удельное сопротивление, чем более короткая. Более шероховатая поверхность создает большее трение, чем более гладкая.
При повышении скорости не только значительно увеличивается сопротивление трения, но и образуются волны, на что затрачивается ощутимая доля мощности. Это приходится учитывать при скоростях более 5—6 км/ч. Высота создаваемых волн в основном зависит от длины и ширины корпуса судна: более короткий корпус вызывает волны большей высоты, чем более длинный.
Величина вихревого сопротивления зависит от формы тела, способствующей образованию завихрений в потоке в кормовой части судна: завихрения уменьшают давление на корму судна и, следовательно, увеличивают сопротивление движению. Вихревое сопротивление возрастает с увеличением скорости.
Таким образом, сопротивление движению модели в воде пропорционально плотности среды (воды), поперечному сечению модели по мидель-шпангоуту, размерам и форме корпуса и состоянию его подводной поверхности, а также квадрату скорости. Для уменьшения сопротивления желательно, чтобы подводная часть корпуса по отношению к ширине была бы довольно длинной. Обводы, образующие нос, корму и среднюю часть корпуса, должны быть плавными, если нужно уменьшить возникновение волн и завихрений. Важно и состояние внешней поверхности корпуса: она должна быть совершенно гладкой.
Ветер тоже действует на корпус судна и его вооружение.. Он вызывает сопротивление движению, хотя и в меньшей степени, чем вода. Для уменьшения воздушного сопротивления у моторных и спортивных моделей надводные формы корпуса делают обтекаемыми, а у парусных моделей и мачты должны иметь обтекаемое поперечное сечение, кроме того, на них, по возможности, уменьшают стоячий такелаж.
Наконец, нельзя забывать, что и судовые винты вызывают в воде вихревые потоки, которые накладываются на завихрения, вызываемые корпусом судна. Это увеличивает сопротивление движению (Работающие гребные винты отбрасывают воду от кормы судна, что приводит к появлению местного ускорения потока воды и одновременно появлению сопротивления воды, омывающей корпус с увеличенной скоростью. Это явление называют засасыванием. —
Прим. науч. ред.). Необходимо следить, чтобы упор движителя модели совпадал с осью корпуса. В противном случае модель начнет двигаться под углом к диаметральной плоскости и сопротивление воды резко возрастет. Такое боковое движение называют дрейфом. Чтобы уменьшить его, многие корпуса выполняют с постоянными или выдвижными килями — швертами. Кили противодействуют боковому смещению и помогают удерживать судно на курсе.
Корпуса скоростных судов
Форма корпуса судна или модели должна быть наилучшим образом приспособлена для передвижения в определенном направлении и преодоления сопротивления воды при минимальной движущей силе. Выше было сказано, что корпуса судов при движении встречаютразличные сопротивления, которые ограничивают их скорость. Проблема повышения скорости судов волнует многих конструкторов. Водоизмещающие корпуса с «остойчивостью веса», глубоко сидящие в воде, не могут достичь очень больших скоростей. Развить такие скорости могут суда с легкими и прочными корпусами особой формы, которые для уменьшения сопротивления при движении могут выйти из воды, т. е. перейти от классического движения по воде к движению над водой. Модель будет тем быстрее двигаться, чем больше она выйдет из воды и оторвется от ее поверхности. При этом модель должна иметь достаточную остойчивость и вне воды, т. е. большую «остойчивость формы».
Рисунок слева: Сечения по мидель-шпангоутам корпусов скоростных парусных и моторных катеров и формы днища:
а — поперечное сечение легкого корпуса парусной или гребной шлюпки; b — поперечные сечения катамарана и тримарана;
с — мидель-шпангоут водоизмещаемого моторного катера; d — «килеватые» поперечные сечения; е — днище глиссирующего моторного
катера; f — днище с реданом; g — трехточечное днище; h — поперечный профиль днища Ханта (стрелкой «а» показано действие
силы поддержания на горизонтальную поверхность продольного редана; стрелкой «b» — боковая сила, действующая на вертикальную
поверхность продольного редана и повышающая устойчивость судна при маневрировании); i — днище «крыло чайки».
При скольжении по воде —
глиссировании — судно мчится во взвешенном состоянии и вытесняет объем воды меньший, чем его вес. При этом значительно уменьшается волнообразование. Чтобы поднять корпус из воды, требуется воздействие определенной гидродинамической силы. У моторных катеров значительного подъема удалось добиться благодаря применению «полозьев» (итал. pattini) на подводной части корпуса, а у парусных судов — благодаря использованию двух-трех корпусов (катамараны, тримараны) (рис. 546, а и
b). Заметим, что при определенных условиях корпуса с постоянным килем и небольшим количеством балласта могут переходить в полуглиссирующее состояние. Продольные обводы днища на глиссирующих парусных судах должны иметь минимальную кривизну.
В настоящее время продолжаются исследования, цель которых сделать парусные суда еще более быстрыми. Один из таких проектов предусматривает создание корпуса с «полозьями» и обтекаемыми надстройками (для уменьшения сопротивления воздуха).
Отличительным признаком моторных катеров с момента их появления была скорость. Поперечные сечения первых катеров были аналогичны сечениям водоизмещающих судов, чаще всего круглые (рис. 546, с). Позднее появились «бороздящие» корпуса с очень острым V-образным поперечным сечением в носовой части (для лучшего разреза волн), которое постепенно становится все более тупым, а в кормовой части почти плоским. Подобные днища в носу имеют угол, равный приблизительно 20°, а в корме — около 170° (рис. 546, d).
У глиссирующих катеров днища имеют V-образное поперечное сечение в носу и почти плоский профиль в корме (рис. 546, е). Существуют еще глиссирующие катера с круглым днищем (между днищем и закругленными боковыми поверхностями имеются ребра — «брызгоотбойники») и «одноуголковым»
днищем (V-образ-ное поперечное сечение переходит в плоское уже в середине корпуса).
У многих катамаранов, как парусных, так и моторных, корпуса имеют V-образные сечения.
У наиболее быстрых моторных катеров гидродинамическое сопротивление снижено еще в большей степени, а аэродинамическая подъемная сила увеличена. У таких судов днища делают с реданом или «трехточечные». Редан — нечто иное, как попереч-ный уступ (рис. 546, f), на передний край которого опирается корпус при движении. Трехточечный корпус, изобретенный американцами, имеет два больших боковых поплавка с плоскими днищами. При движении корпус опирается на три точки: кромки поплавков и погруженный винт (отсюда и происходит название). Воздух, обтекающий поплавки, увеличивает аэродинамическую подъемную силу (рис. 546, g). Такие корпуса имеют гоночные модели, кордовые или глиссеры.
Новый тип днища предложен американцем Хантом (рис. 546, h). Оно имеет V-образное поперечное сечение; на его погруженной внешней поверхности устанавливают уступы — продольные ре-, даны. Последние оказывают такое же действие, как «полозья»: они приподымают корпус и позволяют ему перейти на режим глиссирования.
Существуют и днища, которые называют «крыло чайки». Они имеют ясно выраженную V-образную форму, более плоскую у кормы, при переходе к боковым поверхностям образуют как бы два туннеля (рис. 546, i).
Глиссирующие корпуса имеют скоростные радиоуправляемые модели; у парусных моделей делают «пол у глиссирующие» днища
с минимально возможной кривизной; у радиоуправляемых моделей, предназначенных для выполнения фигурных курсов, делают бороздящие корпуса, либо глиссирующие днища.
Управляемость судна
Управляемость — способность модели при наименьшем угле перекладки руля на ограниченной водной поверхности изменять направление своего движения, сохраняя при этом хорошую остойчивость.
Управляющим органом, как известно, является руль. Плоскость пера руля обтекается потоком воды, набегающим на нее под определенным углом. Результирующая сил, возникающих на руле, приложена к центру давления. Обычно эта точка не совпадает с центром поверхности руля; ее положение изменяется в зависимости от угла его перекладки. Действующая на руль гидродинамическая сила приводит к появлению силы, увеличивающей дрейф, и возникновению моментов, один из которых вращает модель и изменяет ее наклон относительно поперечной оси (дифферентует), другой кренит относительно продольной оси.
Форму и величину руля выбирают в зависимости от скорости модели, соотношения между площадью руля и площадью погруженной части диаметральной плоскости корпуса, отстояния руля относительно мидель-шпангоута и угла перекладки руля. Необходимое соотношение между площадью руля и погруженной боковой поверхностью модели определяют опытным путем. Обычно площадь руля у парусных моделей составляет 1/30—1/60 площади боковой поверхности, а у самоходных моделей — 1/60—1/80 (выбирают в зависимости от скорости судна).
Положение руля относительно мидель-шпангоута также определяет маневренность корпуса. Чем дальше руль от мидель-шпангоута, тем больше плечо действующей пары сил. Поэтому руль с большей поверхностью вблизи мидель-шпангоута оказывает на модель такое же действие, как руль с меньшей площадью, но находящийся дальше к корме. Отметим, что наибольшая эффективность руля наблюдается при углах перекладки от 30 до 35°, а при дальнейшей перекладке уменьшается.
У корпусов с большой осадкой рули делают узкими и длинными, а с малой осадкой — короткими, но широкими.
жен обладать определенными техническими знаниями и опытом, который при постройке спортивных моделей является, пожалуй, главным.
