Стабилизированный корпус однокорпусного моторного судна, использующий серфирование на водной подушке, c глубоко погруженным опорным элементом - RU2708813C1

Чертежи

Описание

Область применения.

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при постройке и модернизации морских быстроходных однокорпусных моторных судов, где используется единственный корпус, движущийся в режиме серфирования на водной подушке.

Описание уровня техники.

Глиссирование и Серфирование.

Определение «морские быстроходные» суда, в данном случае включает мореходные суда весом 3 тонны и более, способные поддерживать крейсерскую скорость в 20 узлов и выше в условиях открытого Моря, т.е. при наличии волны. При весе в 3 тонны и более, факторы формы корпуса и выбора способа достижения высокой скорости в условиях открытого Моря, становятся основополагающими, и существует большая разница между режимами «глиссирование» и «серфирование». Некоторые корпуса современных морских судов способны двигаться как в своём обычном режиме, так, при наличии попутной пологой волны превышающей своей длиной длину корпуса, и в режиме серфирования.

Глиссирование – это режим движения судна, при котором: а) судно своей формой корпуса и силой упора своих движителей создаёт необходимую для своего глиссирования волну, подходящей длины и ширины, и б) используя тягу движителей, переваливает свой корпус через верх этой волны, на её переднюю кромку, где в) корпус развивает большую скорость глиссируя на своей небольшой глиссирующей «пятке», находящейся в корме. Для глиссирования необходима скорость, глиссирующий корпус оставляет за собой характерную резаную волну «крыло чайки».

Современные морские быстроходные глиссеры имеют форму корпуса, являющуюся компромиссом для достижения режима устойчивого глиссирования. Типичны острые передние обводы, V-образные средние и более плоская глиссирующая опорная «пятка» небольшой длины и ширины, в кормовой части корпуса. Кроме «пятки», в режиме глиссирования, глиссеры не имеют другой опоры на водную поверхность, при этом глиссирование на небольшой «пятке» имеет ограничения по стабильности хода на большой волне – большие крены, неизбежные прыжки с последующим жёстким приземлением при пересечении волны, соскальзывание глиссирующей «пятки» с волны в произвольном направлении при боковой и резаной волне, при таком соскальзывании нос судна с большим ускорением и амплитудой, и с сильным характерным ударом зарывается в водную поверхность. Безопасное управление глиссером в условиях высокой волны требует большого мастерства.

Логично было бы предположить увеличение размера глиссирующей «пятки» для увеличения стабильности хода. При увеличении длины «пятки», однако, увеличивается и длина волны, которую необходимо создать и «перевалить» глиссирующему корпусу, соответственно увеличивается и скорость необходимая для выхода на режим глиссирования. При увеличении ширины пятки увеличивается ширина волны, которую необходимо «перевалить», лодка начинает «грести кормой», при этом резко возрастают энергозатраты (и мощность движителей) необходимые для выхода на режим, и поддержание глиссирования.

Особенностью глиссеров является необходимость использования части тяги движителей на создание и поддержание волны на которой корпус затем глиссирует, и на переваливание корпусом этой волны – что происходит по сути безостановочно для поддержания режима глиссирования. При этом с умеренным увеличением размера и массы корпуса, необходимые энергозатраты возрастают в разы.

Современная индустрия пришла к компромиссному «стандарту» дизайна большинства глиссирующих судов: выход на глиссирование происходит при скорости в 15-16 узлов при относительно небольших энергозатратах – что требует изготовления сравнительно узких корпусов с короткой «пяткой», и соответственно приводит к малой стабильности на морской волне. Максимальная длина глиссеров принята в 18-20 метров. Современные глиссеры отличаются простотой конструкции и отличной обитаемостью жилых отсеков.

Серфирование – это режим движения судна, при котором корпус своей формой, поджимает под себя набегающий водный поток, и создаёт его избыток под своим большим плоским днищем, где избыточный динамический водный поток самостоятельно распределяется, и формирует прослойку устойчивой формы большой площади между более статичной водной средой (ниже), и днищем корпуса (сверху) – эта прослойка «водная подушка», при этом судно скользит на водной подушке, а его вес распределён на всей её площади. Главной особенностью серфирования, по сравнению с другими скоростными корпусами, является отсутствие какого-либо влияния на набегающий водный поток, кроме его поджимания. Серфирующий корпус не оставляет за своей кормой волны – для стороннего наблюдателя, визуально это и есть главное отличие глиссера и серфера, одинаковой массы, идущих рядом на одинаковых скоростях.

Серфирование характеризуется крайне малым сопротивлением движению – только силой трения днища о водную подушку, при этом важнейшими условиями являются: обеспечение ламинарности и неразрывности потока в водной подушке, отсутствие элементов корпуса «раздвигающих» водный поток в стороны, а также обеспечение невозможности прорыва воздушных масс под днище корпуса в работающую водную подушку.

В отличии от воздушной среды, водная среда практически несжимаема, поэтому некорректно описывать действие водной подушки по аналогии с воздушной подушкой. Воздушная подушка – это область повышенного давления воздуха, в то время как водная подушка – это область с избыточным объёмом динамического водного потока. На водной подушке не происходит ощутимого подъёма корпуса – так как водный поток имеет плотность превышающую воздушную среду примерно в 800 раз, соответственно и рабочий эффект водной подушки достигается при крайне малом фактическом подъёме корпуса – не более нескольких сантиметров, при этом ламинарный неразрывный динамический поток огибает плоское днище снизу, по всей длине судна и на всей его ширине, и уже выйдя за корму, рассеивается. При переходе в режим серфирования, корпус «вспухает» на водном потоке, резко падает сопротивление движению и растёт скорость.

Плоское днище корпуса серфера обеспечивает простоту его конструкции и отличную обитаемость жилых отсеков. Энергозатраты для достижения режима серфирования невелики и не возрастают пропорционально с увеличением размера и массы судна, ключевыми является достаточный водный поток, поджимаемы й в водную подушку и распределённая масса судна на плоское днище корпуса. При этом водная подушка постоянно подпитывается скоростным набегающим водным потоком, что приводит к её независимости от окружающих волновых возмущений. В отличии от глиссирования, собственной волны создаваемой корпусом, и сопутствующих энергозатрат для её создания, для серфирования не требуется.

Из уровня техники известно серфирование, где роль движителя выполняет сила гравитации, а водная подушка представляет собой длинную пологую попутную волну, существующую независимо от хода судна, и превышающую своей длиной длину корпуса судна («гравитационное серфирование»). При этом волна является природным явлением, а не создаётся самим судном. Рассмотрим килевую яхту с водоизмещающим корпусом, движущуюся в режиме гравитационного серфирования, при этом:

1. яхта набирает значительную скорость, сравнимую с глиссирующими корпусами и значительно превышающую максимальную скорость своего водоизмещающего хода, при этом корпус не выходит на режим глиссирования,

2. за яхтой нет заметной волны создаваемой корпусом яхты,

3. скорость скольжения ограничена силой трения нижней поверхности корпуса о набегающий водный поток,

4. яхта становится независимой от окружающего волнения – серфирование на одной волне стабилизирует яхту относительно других волновых возмущений, прекращаются крен и качка,

5. потенциально яхта может быть сколь угодно тяжёлой – при наличии плоского днища корпуса достаточной площади,

6. размер серфирующей поверхности может быть сколь угодно большим – на практике чем больше, тем лучше, т.е. нет ограничений характерных для глиссеров, по длине и ширине глиссирующей пятки,

7. крайне малые энергозатраты, ход лодки на высокой скорости зависит только от постоянства волны и от мастерства Шкипера удержать на ней яхту.

То есть режим серфирующего скольжения можно охарактеризовать как «движение тяжёлого водоизмещающего корпуса на высокой скорости, без режима глиссирования, с малым гидродинамическим сопротивлением, без образования корпусом кормовой волны, без кренов и раскачки, независимо от окружающих волн, при корпусе практически любого размера и веса, и с малыми энергозатратами», в совокупности здесь и далее «преимущества серфирующего скольжения».

Однако, без дополнительных элементов стабилизации, корпус судна, находящийся в режиме серфирующего скольжения, представляет собой крайне нестабильную конструкцию. Плоское днище корпуса подвижно в любом направлении, и старается соскользнуть с динамического избыточного водного потока под собой. В примере килевой яхты находящейся в режиме гравитационного серфирования (см. выше), поддержание стабильности хода требует большого мастерства Шкипера.

В патенте RU2615031 автор указывает «известны высокоскоростные водные транспортные средства: экранопланы, глиссеры, суда на подводных крыльях, с воздушной каверной и подушкой - все они имеют движители, создающие упор - силу для движения судна, и корпус судна, создающий основную силу сопротивления движению, за исключением серферной доски, движителем которой является бегущая волна прибоя». В патенте RU2615031 описан принцип действия водной подушки. При принудительном нагнетании водного потока под корму корпуса судна, создаётся водная подушка, характеризующаяся выпуклой водной поверхностью, обеспечивающей серфирующее скольжение кормы судна по синхронно бегущей волне «водной подушки». Для достижения данного результата используются упорные движители вынесенные в нос судна, а их векторы направлены под кормовую часть судна. К недостаткам данной конструкции можно отнести необходимость выноса движителей в нос за пределы корпуса судна, а также серфирующее скольжение кормы судна в произвольном направлении в условиях морской волны. Таким образом, заявленный в патенте RU2615031 корпус не может являться морским быстроходным судном.

Другие быстроходные морские конструкции корпусов

Узкие водоизмещающие волнопронизывающие корпуса малого гидродинамического сопротивления и малой креновой остойчивости, применимы в основном на многокорпусных катамаранах и тримаранах, имеющих большое расстояние между корпусами для своей стабилизации. Помимо больших и неудобных эксплуатационных габаритов, при своей ширине сравнимой с длиной, катамараны и тримараны, при определённой длине морской волны, не могут быть стабилизированы изменением курса относительно волны, что влечёт за собой ограничения в их мореходности, также такие конструкции имеют узкие обитаемые отсеки. Такие корпуса не движутся в режиме серфирующего скольжения.

SWATH – корпуса с узкой ватерлинией где центр водоизмещения находится глубоко ниже водной поверхности. Такие конструкции требуют систем автоматического управления и сложны в эксплуатации. Такие корпуса не движутся в режиме серфирующего скольжения.

Суда на подводных крыльях – их применение ограничено по высоте волны, когда на большой скорости часть крыла вылетает из одной волны и врезается в другую, что сопровождается сильными ударами и быстрым износом подводных крыльев и их креплений. Такие корпуса не движутся в режиме серфирующего скольжения.

Катамараны и тримараны, глиссирующие на нижней поверхности своих поплавков – также известны как Морские Сани. Обладают повышенной мореходностью по сравнению с однокорпусными глиссерами, так как глиссирующая «пятка» распределена по большей части длины корпуса. Повышение мореходности, однако, ограничивается на курсах перпендикулярным к волне, в то время как на параллельных к волне курсах, Морские Сани ведут себя также, как и обычный однокорпусный глиссер. Кроме того, при длине Морских Саней более 7-8 метров, такие конструкции требуют очень специфичных глубоко погруженных движителей – так как при узких глиссирующих поверхностях и напоре воздушного потока в тоннельных полостях, расположенных над водной поверхностью под днищем, набегающий водный поток сильно газируется и обычный движитель теряет свой упор. По этим причинам Морские Сани получили малое распространение. Пример такого корпуса приведён в патенте US 2006/0288922 A1, где элементы корпуса «Морские Сани-тримаран» поднимают корпус над волновыми возмущениями водной поверхности. Также пример из патента RU 2 624 142, где глиссирующий корпус имеет тримаранные обводы. Такие корпуса не движутся в режиме серфирующего скольжения.

В Патенте US 6,131,529 заявлена комбинация высокоскоростного центрального волнопронизывающего корпуса со стабилизирующими глиссирующими элементами-лыжами. По сути, это конструкция Морские Сани-тримаран с центральным не глиссирующим волнопронизывающим корпусом. Такая конструкция имеет небольшую ширину (т.е. не требует габаритов обычных тримаранов для своей стабилизации), в то время как глубоко погруженный центральный узкий корпус обеспечивает стабильность на волне лучше, чем у глиссеров и Морских Саней – т.к. корпус не соскальзывает с волны в сторону и не «скачет» на волнах. К недостаткам можно отнести необходимость затрачивать энергию движителей на подъём корпуса на «глиссирующие лыжи», а также необходимость глубоко погруженного специфичного движителя – как и на традиционных Морских Санях. На практике была протестирована такая конструкция – было показано практическое улучшение стабильности на поперечных к волне курсах. На продольных к волне курсах, продемонстрирована раскачка, как и у обычного глиссера, и на любых курсах – водная взвесь в винтах и потеря упора винтов на волне. Критичным здесь является наличие напора воздушного потока сквозь полости между центральным лезвием и глиссирующими лыжами. Такие корпуса не движутся в режиме серфирующего скольжения.

Известно конструктивное решение «воздушная подушка», где под корпусом судна создаётся повышенное давление воздушной массы, при этом корпус судна приподнимается над водной поверхностью, тем самым исчезает гидродинамическое сопротивление движению, оставляя только аэродинамическое. Конструктивно воздушная подушка может быть выполнена двух типов:

Закрытого контура – когда в замкнутый объём под днищем корпуса принудительно нагнетается воздушный поток и таким образом давление под корпусом судна растёт, создавая воздушную подушку, что ведёт к подниманию корпуса над водной поверхностью, и

Открытого типа – также известные как «экранопланы», где в процессе движения вдоль водной поверхности на крайне низкой высоте, большое крыло экраноплана с соответствующим углом атаки, создаёт под собой область повышенного давления «экран», который и является опорой для поддержания экраноплана в полёте над водой.

К недостаткам воздушной подушки закрытого контура можно отнести малую мореходность судна, когда на высокой волне воздух начинает вырываться из воздушной подушки в стороны, тем самым теряется требуемое рабочее давление внутри воздушной подушки и корпус опускается на воду. Такие корпуса не движутся в режиме серфирующего скольжения.

К недостаткам экранопланов можно отнести их низкую грузоподъёмность по сравнению с другими судами, так как для полного отрыва от водной поверхности и движения в режиме «экрана» вес судна должен быть низким, а также их малую мореходность – а именно влияние волновых и ветровых атмосферных возмущений на низколетящую над водой конструкцию. Такие корпуса не движутся в режиме серфирующего скольжения.

В заявке EP 2007/056614 20070630 указан узкий корпус с увеличивающейся к носу осадкой, с минимальным расширением носовых секций, с высоким, расположенным в передней части, и глубоко погруженным острым форштевнем. Форштевень находиться только в носовой, но не в кормовой части корпуса, используется для оптимизации разрезания поперечной волны. Данное судно не движется в режиме серфирующего скольжения, форштевень не является опорным лезвием, обеспечивающим мореходность серфирующего корпуса, находится только в носу судна, не используется для создания ламинарного неразрывного водного потока в левой и правой водных подушках, судно не имеет плоской серфирующей поверхности.

В патенте US 4,981,099 указан корпус с глубоко погруженным водоизмещающим корпусом-торпедой. Это один из вариантов корпуса SWATH с малой ватерлинией. Корпус не имеет плоской серфирующей поверхности и не движется в режиме серфирующего скольжения, водоизмещение погруженного корпуса-торпеды не используется для уменьшения распределённого веса судна на серфирующую поверхность и для стабилизации корпуса.

В патенте EP 2769909 A3 указан корпус, имеющий продолговатое водоизмещающий элемент округлого сечения под ватерлинией, высокий форштевень, понижающиеся к корме округлые боковины, понижающуюся нижнюю поверхность корпуса, туннельные обводы нижней поверхности корпуса имеющие округлую форму. Затем боковины и нижняя поверхность повышаются в корме значительно выше ватерлинии. Такой корпус не имеет плоской серфирующей поверхности и не может двигаться в режиме серфирующего скольжения, округлая форма боковин и нижней поверхности, а также их подъём в корме выше ватерлинии, тоннельные полости на уровне ватерлинии, где при увеличении скорости неизбежен прорыв воздуха, предопределяют невозможность режима серфирующего скольжения, округлая форма погруженного элемента приведёт к килевой раскачке на высокой скорости.

Известна формула полезной модели 2014116954/11, где глиссирующий корпус снабжён гидродинамической лыжей, с размером, приближающимся к размеру корпуса. При таком размере глиссирующей лыжи, по своей сути это не глиссирующий, а серфирующий корпус. Заявленный корпус не имеет опорного лезвия, а также каких-либо других элементов стабилизации для обеспечения мореходности в условиях морской волны, и по этой причине не может быть применён на тяжёлом быстроходном морском судне.

По совокупности своих достоинств и недостатков, наибольшее распространение получили глиссирующие корпуса быстроходных морских судов. В данной заявке данные виды корпусов принимаем за «современный уровень техники».

Раскрытие изобретения.

По мнению заявителя, из уровня техники не известен стабилизированный корпус морского быстроходного судна, использующий серфирование на водной подушке.

Заявителем было построено, и испытано в Августе 2018 года в условиях открытого Моря, однокорпусное моторное судно c заявляемым корпусом, использующим серфирование на водной подушке, с глубоко погруженным опорным лезвием. Длина корпуса 12,5м, ширина 3,9м, вес 5,800 кг, двигатели подвесные 2x 150л.с. Выводы о технических результатах, достигнутых данным изобретением, а также о его сравнении с глиссирующими корпусами, получены непосредственно из практических испытаний заявленного решения в открытом Море, и из сравнения однокорпусного моторного судна с заявленным корпусом, с глиссерами схожего размера и массы.

Стабилизированный корпус однокорпусного моторного судна имеет опорное глубоко погруженное лезвие длиной 12.5м, шириной 50см и высотой (исключая форштевень) 90см. Опорное лезвие имеет наибольшую ширину в 50% своей длины, и треугольную в поперечном сечении форму. Отношение длины к ширине опорного лезвия 25 раз, его высота (исключая форштевень) составляет 23% от максимальной ширины корпуса. Угол нисхождения нижней поверхности в носовых 40% длины корпуса составляет 7 градусов, в кормовых 60% длины корпуса 4 градуса.

Стабилизированный корпус однокорпусного моторного судна уверенно выходит на режим серфирующего скольжения при скорости 14-15 узлов, развивает максимальную скорость в 24 узла и, по сравнению с глиссерами, имеет фундаментально лучшие мореходные характеристики и экономию топлива, в условиях морской волны.

Заявленное решение, по мнению заявителя, неизвестное из уровня техники, позволяет использовать корпус, серфирующий на водной подушке, с глубоко погруженным опорным лезвием, в конструкции морских быстроходных однокорпусных моторных судов, что позволяет использовать известные преимущества серфирующего скольжения, а именно «движение тяжёлого водоизмещающего корпуса на высокой скорости, без режима глиссирования, с малым гидродинамическим сопротивлением, без образования корпусом кормовой волны, без кренов и раскачки, независимо от окружающих волн, при корпусе практически любого размера и веса, и с малыми энергозатратами», при этом применение глубоко погруженного опорного лезвия позволяет стабилизировать серфирующий корпус в условиях морской волны, что является фундаментальным условием для практического применения серфирующих корпусов в морском судостроении. Заявленная форма опорного лезвия является очень специфичной для достижения результата мореходного серфирования тяжёлого корпуса, при этом важнейшими факторами являются:

А. Крайне узкая острая обтекаемая форма опорного лезвия, с отношением длина / ширина не мерее 20-ти раз, при этом

- набегающий поток сохраняет свою ламинарность и неразрывность на всём пути обтекания опорного лезвия, что позволяет успешное наполнение водных подушек, а также обеспечивает работу винтов кормовых движителей в нормальном режиме;

- опорное лезвие оказывает минимальное влияние на скорость судна своим гидродинамическим сопротивлением;

- передняя кромка опорного лезвия представляет собой узкий волнопронизывающий форштевень, при этом волна рассекается опорным лезвием, а её энергия гасится при наполнении водных подушек, без ударов о корпус судна;

Б. Опорное лезвие треугольной формы в поперечном разрезе, его центр водоизмещения находится в его верхней трети, и в его продольной середине, при этом

– в центре водоизмещения опорного лезвия находится центр ротации корпуса «по тангажу» во время набора скорости и выхода на скоростной режим серфирования, с требуемым плечом приложения вращающего момента упора водной подушки по отношению к центру ротации;

- центр водоизмещения корпуса находится высоко, примерно на уровне нижней поверхности корпуса, позволяя самостоятельную стабилизацию корпуса при килевой и бортовой качке;

В. Большое заглубление нижней кромки опорного лезвия относительно ватерлинии, не менее 20% ширины корпуса, при этом

- обеспечивается невозможность поперечного соскальзывания корпуса с водной подушки, и невозможность бортовой раскачки и рысканья корпуса на ходу;

- обеспечивается разделение потоков правой и левой водных подушек, что фундаментально в обеспечении поперечной остойчивости корпуса, где поперечная остойчивость обеспечивается упором глубоко погруженного лезвия и под-волновой серфирующей поверхности, о динамический водный поток;

Г. Водоизмещение опорного лезвия в пределах 30-50% веса полностью снаряжённого судна, при этом

- нагрузка веса судна на серфирующую поверхность составляет не более 70% веса судна, что облегчает выход на режим серфирования, а также обеспечивает стабильное поддержание режима серфирования;

- упором своего водоизмещения опорное лезвие обеспечивает продольную балансировку и требуемое положение корпуса судна относительно ватерлинии, формирование над ватерлинией высокого волнопронизывающего форштевня, обеспечивающего прохождение волны, возможности размещения носовой оконечности нижней поверхности над уровнем волновых возмущений;

- упором своего водоизмещения обеспечивает необходимый угол нисхождения нижней поверхности, требуемый для поджимания потока в водную подушку, и рабочий угол атаки серфирующей поверхности, а также необходимое заглубление серфирующей поверхности при скольжении на водной подушке, что обеспечивает устойчивое серфирование без прорыва воздуха под днище корпуса;

- упором своего водоизмещения в передней части, балансирующим упор водной подушки, обеспечивает продольную стабилизацию корпуса при скольжении на водной подушке, обеспечивая две широко разнесённые точки продольной опоры серфирующего корпуса, таким образом обеспечивая отсутствие килевой качки.

Что позволяет добиться технического результата, заключающегося в:

- стабильном управляемом движении быстроходного морского однокорпусного судна в режиме серфирующего скольжения на водной подушке, со скоростью 20 узлов и выше, в условиях морской волны;

- крайне малом сопротивлении движению – только за счёт трения серфирующей поверхности, при этом, в отличии от глиссеров, энергия движителей расходуется только на движение вперед;

- большой грузоподъёмности судна – при наличии распределённого веса на единицу площади плоского днища;

- независимости водной подушки от вариаций набегающих волн, т.к. водная подушка динамически подпитывается набегающим водным потоком, который стабилен и его скорость много выше любых окружающих волновых возмущений;

- обеспечении стабильного прохождения поперечной волны, которая беспрепятственно рассекается опорным лезвием, а затем поджимается нижней поверхностью корпуса в левую и правую водные подушки;

- обеспечении стабильного прохождения продольной волны в силу бокового упора глубоко погруженного лезвия и упора боковины корпуса о водную подушку;

- увеличении скорости на 30-50% или экономии 30-50% топлива по сравнению с глиссерами, т.к. энергия движителей не требуется для создания / переваливания глиссирующей волны;

- простоту конструкции и эксплуатации, с применением обычных движителей, включая подвесные моторы.

В результате чего заявленный корпус однокорпусного моторного судна, использующий серфирование на водной подушке, с глубоко погруженным опорным лезвием, применённый на морском быстроходном однокорпусном судне, обеспечивает, по сравнению с современным уровнем техники (глиссирующими однокорпусными судами) при условии, что корпус судна с шириной не более 50% своей длины:

- новые гидродинамические характеристики, заключающиеся в преимуществах серфирующего скольжения «движение тяжёлого водоизмещающего корпуса на высокой скорости, без режима глиссирования, с малым гидродинамическим сопротивлением, без образования корпусом кормовой волны, без кренов и раскачки, независимо от окружающих волн, при корпусе практически любого размера и веса, и с малыми энергозатратами»,

- фундаментальное улучшение стабильности хода корпуса, и стабильное без кренов, без продольной раскачки и без рысканья, прохождение морских поперечных и продольных волн;

- более эффективную систему противодействия кренам и раскачке на всех курсах относительно волны;

- новое свойство «динамическую стабилизацию хода на волне» – чем выше скорость, тем более наполнена водная подушка и тем стабильнее судно;

- отсутствие кормовой волны и малое сопротивление движению, что приводит к экономии 30-50% топлива при тех же размерах и скоростях судна;

- аналогичную простоту конструкции и эксплуатации;

- аналогичный объём обитаемых отсеков и отличную управляемость.

При этом стабилизированный корпус однокорпусного моторного судна, использующий серфирующее скольжения на водной подушке, с глубоко погруженным водоизмещающим опорным лезвием, характеризующийся тем, что корпус с общей шириной не более 50% его длины, который в своей нижней части:

- на всей своей длине, имеет нисходящую форму нижней поверхности в направлении нос-корма,

- при этом, носовая оконечность нижней поверхности поднята вверх на расстояние от ватерлинии, соответствующее не менее 25% ширины корпуса судна, где под носовой оконечностью нижней поверхности находится высокий волнопронизывающий форштевень,

- при этом, в передних 40% длины корпуса, нижняя поверхность имеет нисходящую форму, плавно перетекающую в нижнюю поверхность кормовой части корпуса, и имеет угол наклона относительно ватерлинии без хода не менее 5-ти градусов,

- при этом, в задних 60% длины корпуса, нижняя поверхность имеет нисходящую форму, и угол наклона относительно ватерлинии без хода не более 5-ти градусов, при этом имеет практически плоскую форму в своём поперечном сечении, и погружена на 70% и более своей длины ниже ватерлинии считая от кормы, где погруженная часть является «серфирующей поверхностью» скользящей на водной подушке на ходу судна и несущей на себе не более 70% полностью снаряжённого веса судна,

- при этом, корпус выполнен с продольно расположенным под нижней поверхностью, симметричным относительно диаметральной плоскости судна и соизмеримым с его длиной, вертикально ориентированным водоизмещающим глубоко погруженным опорным лезвием, узкой формы и малого волнового/гидродинамического сопротивления,

- при этом отношение длины к ширине опорного лезвия не менее 20-ти раз, с водоизмещением опорного лезвия соответствующим 30-50% полной снаряжённой массы судна, и с высотой (исключая форштевень) не менее 20% максимальной ширины корпуса судна, при этом обеспечивается большое заглубление нижней кромки опорного лезвия относительно ватерлинии,

- при этом опорное лезвие выполнено с волнопронизывающими обводами, высоким волнопронизывающим форштевнем, по высоте достигающим носового окончания нижней поверхности корпуса, острыми задними и передними обводами, плавными средними обводами,

- при этом опорное лезвие имеет на всей своей длине треугольную форму в поперечном сечении, с наиболее острым углом внизу, а наибольшая ширина опорного лезвия расположена в пределах 40-60% его длины, что определяет центр водоизмещения опорного лезвия в 40-60% его длины, в его верхней трети,

- возможно, что корпус на протяжении 30% его длины или более, считая от кормы, на максимальной ширине корпуса, может включать вертикально ориентированные симметричные относительно диаметральной плоскости судна, тонкие продольные пластины-ограничители водного потока, с заглублением ниже ватерлинии на расстояние соответствующим не менее 2.5% ширины корпуса.

Краткое описание чертежей

Заявляемые материалы представлены в следующих графических иллюстрациях.

Общий вид корпуса представлен на фигурах 1, различные пространственные виды корпуса приведены на Фиг. 1.1 – 1.7.

Фиг. 1. Показан общий вид корпуса 1, включающего нижнюю поверхность 2, и глубоко погруженное опорное лезвие 3. Нижняя поверхность 2 имеет нисходящую форму по направлению нос-корма, по всей длине корпуса судна. Посредством опоры на водоизмещающее опорное лезвие 3, носовая оконечность нижней поверхности 2 поднята над ватерлинией судна, на уровень подъёма поверхности «Ппов», составляющий не менее 25% от максимальной ширины корпуса «Шк». Под поднятой в носу нижней поверхностью располагается высокий узкий форштевень 4, продолжающийся в верхнюю часть опорного лезвия 3. Нижняя поверхность 2 в кормовой части корпуса практически плоская.

Опорное лезвие 3 имеет свою высоту «Влез» (не включая форштевень), «Влез» составляет не менее 20% от ширины корпуса «Шк», при этом отношение длины лезвия «Дл» к наибольшей ширине лезвия «Шл» не менее 20-ти раз. Наибольшая ширина лезвия находится на середине длины опорного лезвия (возможны варианты 40-60% длины). Опорное лезвие имеет треугольную форму в поперечном сечении по всей длине, с наиболее острым углом внизу. Таким образом центр водоизмещения лезвия находится в его продольной середине, в верхней трети. Опорное лезвие водоизмещает эквивалентный вес 30-50% полной снаряжённой массы судна, то есть нижняя поверхность корпуса несёт на себе 50-70% массы судна. Снижение нагрузки веса судна на единицу площади серфирующей поверхности способствует созданию и поддержанию ламинарного неразрывного потока в водных подушках.

В передних 40% длины корпуса нисхождение нижней поверхности образует угол к ватерлинии без хода, «Уг1» не менее 5 градусов, формируя поджимающую поверхность водного потока, а в задних 60% длины корпуса «Уг2» не более 5 градусов, при этом в задних 60% длины корпуса, нижняя поверхность имеет близкую к плоской форму в поперечном сечении, формируя серфирующую поверхность корпуса.

При своём движении, опорное лезвие 3 разделяет набегающий водный поток в поток левой водной подушки и в поток правой водной подушки, направляемые под днище корпуса судна.

На фигурах Фиг. 2.1-2.2. разъяснено создание водной подушки. Набегающий на корпус судна водный поток, разделяется опорным лезвием, поджимается передней частью нижней поверхности, и устремляется под серфирующую поверхность, в левую и правую водные подушки. При этом продолжающееся поджатие водного потока принуждает перераспределение его избытка под всей площадью водных подушек, а опорное лезвие предотвращает перетекание потока между ними.

При достаточной скорости набегающего водного потока, поджатие потока под серфирующую поверхность приводит к формированию двух ламинарных неразрывных потоков, левой и правой водной подушки соответственно, обтекающих серфирующую поверхность снизу, при дальнейшем увеличении скорости эти потоки, не теряя своей ламинарности и неразрывности, вырываются из-под кормы и рассеиваются. При этом серфирующая поверхность «вспухает» на водной подушке, что ведёт к скачкообразному падению гидродинамического сопротивления движению корпуса, судно быстро разгоняется, двигатели переходят в мало нагруженный высоко оборотистый режим работы, и пропадает кормовая волна.

Центр водоизмещения опорного лезвия находится в его верхней трети, на середине длины корпуса. При «вспухании» серфирующей поверхности на водной подушке, центр водоизмещения опорного лезвия становиться точкой ротации корпуса по тангажу, на 1-2 градуса. При этом плечо «ПУпод» приложения силы упора водной подушки «Упод» по отношению к центру ротации составляет примерно 25% длины корпуса судна, при этом «вспухание» на водную подушку и ротация корпуса происходят на небольших скоростях в 14-15 узлов, в мягком управляемом режиме, и дальнейшее скольжение на водной подушке сбалансировано в продольном направлении. При скольжении на водной подушке, опорное лезвие предотвращает скольжение в поперечном направлении, и корпус устремляется вперёд с большой скоростью, при этом сила упора водоизмещения передней половины опорного лезвия «Улез» предотвращает увеличение угла ротации, и обеспечивает стабильный угол атаки серфирующей поверхности. Корпус находится в состояние стабильного устойчивого мореходного серфирования.

Фиг. 3.1-3.5. иллюстрируют стабилизацию корпуса. В состоянии без хода (Фиг. 3.1.), продольную балансировку обеспечивает сила водоизмещения опорного лезвия «Влез» (показана распределённой) и сила водоизмещения погруженной серфирующей поверхности «Впов» (показана в центре своего водоизмещения). Таким образом обеспечивается требуемое расстояние подъёма нижней поверхности «Ппов», требуемые углы понижения нижней поверхности относительно ватерлинии в передней и задней частях, требуемое погружение серфирующей поверхности. Практика морских испытаний заявленного корпуса показала, что продольная балансировка опорным лезвием является одним из важнейшим условий, для успешного достижения режима мореходного серфирования.

В состоянии скольжения на водной подушке (Фиг. 3.2.), продольную остойчивость обеспечивает комбинация силы упора водной подушки «Упод» и силы упора передней части лезвия «Улез», при расстоянии между ними примерно в 50% длины корпуса, образуется большой стабилизирующий момент, то есть заявленный корпус, в отличии от глиссера, имеет две продольные далеко разнесённые точки опоры, при этом серфирующая поверхность также несравнимо больше по своему размеру, чем глиссирующая «пятка» глиссера. При увеличении скорости эффект продольной стабилизации растёт, при этом на высокой скорости наполняемость водных подушек увеличивается, а набегающие волны имеют меньшее влияние на опорное лезвие.

При прохождении поперечной волны (Фиг. 3.3.), волна рассекается волнопронизывающим форштевнем и проходит вдоль корпуса судна, где поджимается нижней поверхностью в левую и правую водные подушки, таким образом удар волны о переднюю кромку корпуса отсутствует, волна создаёт дополнительный избыточный поток в водных подушках, что не влияет на стабильность хода и раскачку корпуса.

При ходе без волны (Рис 3.4.), водные подушки заполнена полностью, корпус постоянно подпирается снизу динамическим водным потоком «Управ» и «Улев», и не может открениться влево или вправо без «сдавливания» водной подушки, что практически невозможно. Опорное лезвие своим двусторонним упором «Ул» глубоко под водой не позволяет раскачки корпуса.

При высоких скоростях серфирующего скольжения, при ударе волны слева (Рис 3.5.), левая боковина корпуса приподнимается, поток левой водной подушки утоньшается и его избыток в левой водной подушке уменьшается и предоставляет меньший упор «Улев» левой серфирующей поверхности, в тоже время поток правой водной подушки, напротив, утолщается и представляет больший упор правой половине серфирующей поверхности «Управ», при этом, разделённый опорным лезвием, водный поток не может перетечь из правой водной подушки в левую, таким образом избыток потока и упора в правой водной подушке выравнивает корпус, опорное лезвие при этом препятствует соскальзыванию корпуса вправо, такое соскальзывание неизбежно у глиссеров в подобной ситуации. Во время практических испытаниях, заявляемый корпус продемонстрировал что боковые волны не могут форсировать креновую качку на серфирующем стабилизированном корпусе с опорным лезвием. При попытке создать крен, волна слева встречает сопротивление в виде суммы гидродинамического упора всей правой серфирующей поверхности о водную подушку и гидродинамического упора всего опорного глубоко погруженного лезвия о динамический поток, при этом, совокупная масса динамического водного потока, который упирается в правую серфирующую поверхность и в опорное лезвие, огромна по сравнению с массой волны приходящей слева, корпус при этом не кренится.

Стабилизированный в условиях морской волны управляемый корпус водоизмещающего судна, скользящий на водной подушке, открывает широкие перспективы для строительства морских быстроходных судов. Прежде всего, это фундаментальное улучшение стабильности хода, и отсутствие кренов / продольной раскачки и рысканья в условиях открытого Моря, это увеличение грузоподъёмности и экономия топлива по сравнению с глиссерами, при крейсерских скоростях в 20 узлов и более, так как энергия движителей серфирующего корпуса не тратиться на создание и «переваливание» глиссирующей волны. Скорость движения серфирующего корпуса ограничена только трением его нижней поверхности о динамический поток водной подушки, и это трение может быть далее уменьшено путём применения, например, скользящих покрытий нового поколения. Серфирующий корпус обладает простой конструктивных элементов.

Заявленный стабилизированный корпус может быть выполнен, например, из стеклопластика, других композитных материалов, дерева, металла, полиэтилена, и их комбинаций, и/или других материалов, принятых в судостроении.

Реферат

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и модернизации морских быстроходных однокорпусных моторных судов, использующих серфирующее скольжение на водной подушке с глубоко погруженным водоизмещающим опорным элементом. Изобретение раскрывает конструктивные особенности и форму обводов корпуса быстроходного однокорпусного моторного судна, которые направлены на обеспечение новых гидродинамических характеристик, заключающихся в преимуществах серфирующего скольжения на водной подушке, чем достигается фундаментальное улучшение стабильности хода корпуса; стабильное без крена, без продольной раскачки и без рысканья прохождение морских поперечных и продольных волн; более эффективное противодействие крену и раскачке на всех курсах относительно волны; «динамическая стабилизация хода на волне» – чем выше скорость, тем более наполнена водная подушка и тем стабильнее судно; отсутствие кормовой волны и малое сопротивление движению, что приводит к экономии топлива; простота конструкции и эксплуатации; отличная управляемость. 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

Формула