БЫСТРОХОДНЫЙ АКВАПЕД

Суда, использующие для движения мускульную силу человека, никогда не относились к разряду скоростных. Исключение составляют разве что гоночные лодки для академической гребли, являющиеся наиболее быстроходными из судов-мускулоходов. Благодаря их удачной конфигурации и наиболее полному использованию мышечной энергии спортсменов, лодки-«восьмерки» способны на двухкилометровой дистанции развивать скорость до 12 узлов. Но это отнюдь не означает, что такая скорость является пределом возможностей движения человека по водной поверхности. Если отойти от канонических конструкций гребных судов, предназначенных для официальных соревнований, то появляется возможность создания аппаратов-мускулоходов, развивающих скорость до 20 узлов!

При проектировании скоростных безмоторных судов конструктору приходится решать две основные задачи: создание эффективного движителя и изготовление корпуса с минимальным сопротивлением движению.

Варианты судов-мускулоходов:

А — педальный катамаран с гребным колесом;

Б — быстроходный педальный катамаран с тянущим гребным винтом и гибким дейдвудным валом;

В — скоростное педальное проа с поплавком-балансиром;

Г — скоростной мускулоход с подводным корпусом и подводными крыльями, не обладающий статической плавучестью;

Д — аппарат с подводными крыльями и легким поплавковым шасси для старта и финиша.

Дальнейшее совершенствование весельного движителя вряд ли может привести к сколько-нибудь заметному росту его эффективности. Цикличность действия весла, проскальзывание его в воде при гребке, аэродинамическое сопротивление при нерабочем (обратном) ходе, потери при входе лопасти в воду в начале гребка и при выходе из воды в конце — все это приводит к тому, что коэффициент полезного действия этого движителя составляет лишь около 65 процентов.

Компоновка быстроходного аквапеда:

1 —  передний обтекатель;

2 — передний шпан-гоут (фанера s10);

3 — ведущая звездочка (от велосипеда);

4 — опорная рукоятка (только слева);

5 — сиденье;

6 — задний шпангоут кокпита (фанера s10);

7 — вал привода рулевого устройства (дюралюминиевая лыжная палка);

8 — опора вала;

9 — рычаг привода рулевого устройства;

10 — перо руля (фанера s8);

11 — гребной винт переменного шага;

12 — дейдвуд;

13 — sхомут фиксации сиденья;

14 — поворотная рукоятка рулевого устройства (только справа);

15 — мультипликатор (от ручной двухскоростной дрели);

16 — кронштейн мулытипликатора (сталь, полоса 50×5);

17 — балка(сталь, труба 30×30);

18 — корпус (выклейка из стеклоткани и эпоксидной смолы);

19 — ведомая звездочка (от велосипеда);

20 — рычаг педального узла;

21 — каретка;

22 — тяга привода рулевого устройства (стальная проволока Ø5).

Заметно большим кпд обладает гребной винт. Мало кому известно, что гребным винтом с мускульным приводом еще в начале минувшего века оснащались обычные весельные лодки. Достоинства его очевидны: у него отсутствуют цикличность рабочего хода, а так называемый упор лопастей винта при его вращении постоянен. К тому же при сравнительно небольшой мощности привода и малой частоте вращения можно использовать низкооборотные гребные винты большого диаметра с узкими лопастями — коэффициент полезного действия такого движителя доходит до 90 процентов.

При создании корпуса с малым сопротивлением движению нужно учитывать, что перемещение его на границе двух сред вызывает большое волновое сопротивление. Избавиться от него можно, переместив корпус полностью в одну из сред — под воду либо в воздух. В первом случае придется создавать аппарат, состоящий из движущегося под водой обтекаемого поплавка с гребным винтом и расположенного над ним, в воздушной среде, сиденья с педальным узлом привода. Во втором — создавать педальный глиссер или аппарат на подводных крыльях. Нужно сказать, что все эти схемы в свое время были реализованы конструкторами, и наиболее скоростные (с подводными крыльями) мускулоходы развивали скорость до 13 узлов!

Теоретический чертеж корпуса аквапеда

Впрочем, все эти рекордные аквапеды, сконструированные для достижения наивысшей скорости, вряд ли когда-нибудь смогут найти практическое применение. Дело в том, что они обладают или неудовлетворительной остойчивостью, или недостаточным водоизмещением, и для движения на таком аппарате требуется специальная подготовка. Наша же цель состояла в создании скоростного мускулохода, способного стать настоящим водным велосипедом, управлять которым сможет практически любой человек.

Водоизмещающий корпус аквапеда выполнен предельно удобообтекаемым, с большим соотношением длины к ширине. Для того, чтобы он получился легким, целесообразно сделать его методом выклейки на болване. Сам же болван проще всего изготовить из древесины, цемента и гипса.

Последовательность изготовлении болвана корпуса:

А — установка шпангоутов;

Б — монтаж деревянной обшивки;

В — нанесение слоя цементного раствора.

Прежде всего нужно сделать основание для болвана — им может стать участок ровного пола в сарае, а лучше — щит из ровных досок: его длина 4,5 и ширина 0,7 м. В соответствии с теоретическим чертежом на щите изображается ось симметрии (диаметральная плоскость) корпуса и перпендикулярно ей — линии расположения шпангоутов. Последние выпиливаются из фанеры толщиной 6—8 мм; на щите они временно закрепляются с помощью планок-раскосов.

Далее на каждом из шпангоутов с обеих сторон закрепляются рейки — они будут основой деревянной обшивки болвана. Учтите, что располагать рейки следует так, чтобы расстояние от поверхности деревянной обшивки до внешнего контура шпангоута составляло не менее 10 мм. Для обшивки можно использовать любые обрезки досок, реек или планок штакетника.

Обшитый болван доводится до нужной формы с помощью цементно-песчаного раствора. Чтобы раствор держался на обшивке, в дощечки желательно забить побольше гвоздей, чтобы головка каждого выступала над поверхностью на 6—8 мм. Раствор сначала набрасывается на обшивку мастерком, а затем разглаживается с помощью ровной доски, как это показано на рисунке. При этом доска должна опираться на торцы фанерных шпангоутов.

Окончательно болван доводится до нужной формы с помощью гипса или алебастра, а также шпаклевки. Завершающая стадия работы — ошкуривание, окрашивание и покрытие поверхности антиадгезийным покрытием (восковой паркетной мастикой). В качестве разделительного слоя можно использовать также пищевую упаковочную пленку — она весьма тонкая и буквально прилипает к любой поверхности.

Теоретический чертеж лопасти гребного винта.

Для формовки оболочки корпуса потребуется стекло-рогожа (на два-три начальных слоя), более тонкая отделочная стеклоткань для выравнивания поверхности, а также связующее — эпоксидная или полиэфирная смола. Выклейку желательно произвести в один прием с тем, чтобы каждый последующий слой связующего и стеклоткани ложился на еще не до конца отвержденную смолу предыдущего слоя. После завершения выклейки к поверхности корпуса желательно прикатать тонкую полиэтиленовую пленку — она препятствует улетучиванию из эпоксидной смолы отвердителя и пластификатора, что ускоряет полимеризацию, а в итоге улучшает прочность и долговечность оболочки.

Через сутки после выклейки оболочка снимается  болвана, и к ней подгоняются фанерные шпангоуты, образующие кокпит аквапеда, привальный брус, рейки киля и фальшкиля, планширя и стрингеров. Вклеивать их в корпус желательно после изготовления дейдвуда и педального механизма.

Верхняя часть корпуса (палуба и обтекатель)— из фанеры толщиной 3 мм; после сборки она оклеивается одним слоем стеклоткани с использованием эпоксидной смолы.

При изготовлении корпуса необходимо предусмотреть в передней и задней его частях сливные отверстия, заглушенные парой пробок — через них после каждого плавания необходимо сливать попавшую в корпус воду.

Привод гребного винта — педальный, с использованием стандартной велосипедной каретки, звездочки и пары шатунов с педалями. Вращающий момент от звездочки передается с помощью втулочно-роликовой цепи на мультипликатор от ручной дрели, а далее на дейдвудный вал и, соответственно, гребной винт. Мультипликатор желательно использовать от двухскоростной дрели — это позволит подобрать оптимальное передаточное число цепной и зубчатой передач от педалей на движитель.

Перед установкой мультипликатора желательно загерметизировать его корпус с помощью состава «гермесил» или «автогерметик», а его полость заполнить трансмиссионным маслом — это увеличит долговечность механизма и кпд зубчатой передачи. Полной герметичности при этом, скорее всего, не получится (масло все равно будет проникать наружу по зазорам в подшипниках скольжения входного и выходного валов), поэтому под мультипликатором следует установить пластиковое корытце для сбора масла.

Каретка педального узла приварена к балке (стальная труба квадратного сечения), которая, в свою очередь, закреплена на переднем и заднем шпангоутах кокпита. На балке установлено и сиденье аквапедиста. В качестве последнего использован штампованный пластиковый остов небольшого офисного кресла, хотя, в принципе, такое можно сделать самостоятельно. Крепление сиденья к балке — с помощью пары хомутов.

Дейдвуд в сборе со втулкой гребного винта:

1 — дейдвудный вал (сталь, пруток Ø14);

2,10 — пружинные упорные кольца;

3,9 — шарикоподшипники № 200;

4 — фиксатор переднего подшипникового корпуса (винт М5);

5 — передний подшипниковый корпус (дюралюминий, Ø60);

6 — дейдвудная труба (дюралюминий, труба 20×2);

7 — задний подшипниковый корпус (дюралюминий, Ø40);

8 — фиксатор заднего подшипникового корпуса (винт М5);

11 — опорный диск фиксирующего устройства (дюралюминий, Ø40);

12 — кок (дюралюминий, Ø40);

13 — ступица лопасти (дюралюминий, Ø20; на виде сверху не показана);

14 — нажимной диск фиксирующего устройства (дюралюминий, Ø40); 15 — штифты Ø5;

А — отверстие под вороток.

Дейдвуд состоит из дюралюминиевой трубы с двумя подшипниковыми узлами на ее концах — в них вращается стальной вал. В задней части дейдвуда располагается втулка с фиксирующим устройством, позволяющим  изменять шаг винта (углы установки лопастей) с тем, чтобы добиться оптимального кпд гребного винта и, соответственно, максимальной скорости аквапеда. Втулка состоит из дюралюминиевого кока и двухдискового зажима, которым и фиксируются ступицы винта.

В технологии изготовления фиксирующего устройства есть одна особенность, которую необходимо учесть. Перед разделкой резьбовых отверстий М10 под ступицы гребного винта между дисками зажимается круглая дюралюминиевая пластина толщиной 0,5 мм. После сверления и нарезания резьбы пластина удаляется — гарантированный зазор в 0,5 мм обеспечит надежную фиксацию ступиц во втулке.

При сборке дейдвуда в полость между дейдвудной трубой и дейдвудным валом необходимо ввести несколько войлочных колец, пропитанных консистентной смазкой «циатим». Это не позволит воде проникать в корпус аквапеда по дейдвудной трубе.

На аквапеде выгоднее всего использовать гребной винт диаметром 400 мм с узкими лопастями, вырезанными из листового дюралюминия толщиной 4 мм. Такие винты наиболее эффективны при небольшой передаваемой мощности и малой нагрузке на лопасть и имеют кпд свыше 90 процентов! Заготовка сначала изгибается в соответствии с формой вогнутой части лопасти винта и закручивается, после чего выпуклой ее части придается профиль в соответствии с теоретическим чертежом гребного винта. Готовые лопасти закрепляются на ступицах алюминиевыми заклепками, а при регулировке шага винта устанавливаются строго под одним углом к оси втулки с помощью шаблона. Оптимальный шаг винта подбирается в пробных заездах.