ОТ КАТАМАРАНА К ТРИМАРАНУ

В своей предыдущей статье (см. «М-К» №№ 12-2019 и 1-2020) я рассказал об опыте постройки и эксплуатации разборного глиссирующего катамарана типа Craig Cat. Подобное плавсредство позволяет с мотором мощностью 12-15 л.с. и экипажем два человека выйти на глиссирование и радостно перемещаться со скоростью 30-35 км/ч. Плохо одно: расход топлива такого двигателя составляет 6-7 литров в час. Прогулка на рыбалку и… 20-литровой канистры бензина как не бывало! А если до ближайшей АЗС, как это и бывает в самых живописных местах нашей большой страны, не один десяток километров? Именно для такого случая на транце нашего судна обычно висит скромный четырехтактник мощностью 4-5 л.с., расход топлива которого не превышает одного-полутора литров в час. Но приходится мириться и с крейсерской скоростью, ограниченной 10-15 км/ч. При этом глиссирующий катамаран движется в невыгодном для него переходном режиме: плоскодонные поплавки поднимают высокую волну и, как говорят яхтсмены, «тащат за собой воду».

МНОГОКОРПУСНИКИ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ

Со временем я пришел к выводу, что экономичное плавсредство должно быть водоизмещающим, рассчитанным на мотор мощностью 5-7 л.с. и скорость 15-20 км/ч, не более. С точки зрения теории маломерного судна, это переходный режим, когда гидродинамических сил еще недостаточно для выхода на глиссирование, но их уже хватает для интенсивного волнообразования. Наука утверждает, что в переходном режиме волновое сопротивление составляет основную часть полного сопротивления судна и рекомендует этого режима избегать. Известная из учебников картина волнообразования, так называемая система волн лорда Кельвина, показана на рисунке.

Движущееся со скоростью V судно создает две системы волн. Расходящиеся, огибающая которых образует с траекторией судна угол 19-20° (теоретически, ровно 19,47°). И поперечные, длину которых можно рассчитать по формуле λ = 2πV2/g. Интенсивность волнообразования определяется относительной скоростью судна, называемой числом Фруда F = V/√g³ √D, где V [м/с] — скорость катера, D [т] — его водоизмещение в тоннах, g = 9,81 м/с. Наибольшее волнообразование наблюдается при переходном режиме движения, когда число Фруда находится в пределах от 1 до 3, что соответствует для большинства маломерных судов скорости от 10 до 30 км/ч. Таким образом, избежать движения в переходном режиме у нас не получится.

На мелководье, когда глубина водоема сравнима с размерами судна, картина волнообразования еще интереснее. Расходящиеся волны почти не образуются, зато поперечные увеличиваются настолько, что на их создание расходуется почти вся мощность двигателя.

Существуют ли способы уменьшить волнообразование? Да, существуют, но для этого, в первую очередь, корпус судна должен иметь большое удлинение, как говорят, «длина бежит». Практика судостроения показала, что оптимальное удлинение, то есть отношение длины корпуса к его ширине, должно находиться в пределах от 8 до 12. При большем удлинении выигрыш от уменьшения волнового сопротивления в значительной степени «съедается» увеличением сопротивления трения. Кроме того, для уменьшения волнообразования в переходном режиме, обводы судна должны быть достаточно плавными, а корма — обтекаемой, чтобы не «тащить воду». А так как в этом режиме корма судна попадает как раз во впадину поперечной волны, ее нужно какими-либо способами «приподнимать», для чего можно использовать достаточно большой кормовой участок плоского днища, транцевые плиты или подводное крыло. Можно и сместить вперед центровку.

Для многокорпусного судна, катамарана или тримарана, необходимо учитывать еще и наложение (интерференцию) волн, создаваемых его корпусами. Практика судостроения показала, что вредное для сопротивления взаимовлияние корпусов отсутствует, если корпуса разнесены настолько широко, что расходящиеся волны не достигают соседнего корпуса. Из приведенной схемы следует, что для этого расстояние между корпусами должно быть больше В = L*tg20° = 0,36L.

А можно ли построить многокорпусник так, чтобы взаимовлияние корпусов было бы не вредным, а полезным, — чтобы создаваемые ими волны не усиливали, а гасили бы друг друга? В случае симметричного катамарана такое нереально, поскольку волны, создаваемые корпусами, всегда будут складываться. А вот для тримарана это возможно. Взгляните на схему волнообразования тримарана с тремя одинаковыми корпусами, средний из которых выдвинут вперед относительно двух других. Видно, что при правильном взаиморасположении корпусов, создаваемые ими волны будут гасить друг друга.

Этот краткий и несложный экскурс в гидродинамику позволит нам подойти к строительству многокорпусников с научной точки зрения.

КАТАМАРАН НА ПОПЛАВКАХ ОТ «МЕФОДИЯ»

Перейти от мечтаний и теоретических рассуждений к практической деятельности мне помогли эпидемия коронавируса и самоизоляция на даче. Избыток свободного времени очень способствует техническому творчеству…

Есть в Подмосковье компания «Мефодий», за деятельностью которой я давно с интересом наблюдаю. Там методом ротационного формования из полиэтилена делают различные лодки и другие плавсредства, в том числе и поплавки двух типоразмеров, меньший из которых как раз и подходил под мои задачи.

Одно из достоинств полиэтиленовых лодок — простота их ремонта. Полиэтилен, как известно, очень плохо клеится, но зато плавится при температуре всего 96° С. Все повреждения легко завариваются при помощи обычного строительного фена, что было проверено мною на практике.

Возможные влагостойкие материалы настила мостика

Длина малого полиэтиленового поплавка от «Мефодия» составляет 4500 мм, ширина — 400 мм, высота -300 мм. Обводы напоминают классические округлые формы байдарки, нос и корма — симметричные. Имеются продольные и поперечные пазы для стыковки с мостиком катамарана. Объем поплавка (полное водоизмещение) -0,28 м3, масса — всего 18 кг. Грузоподъемность поплавка можно рассчитать как 0,5 * (280 кг — 18 кг) = 131 кг. Немного, но если грамотно построить мостик, вспомнив, чему нас учили в Московском авиационном институте, то может получиться неплохой и очень легкий двухместный моторный катамаран.

Для начала следует определиться с размерами. Поплавки надо расставить как можно шире: по нашей формуле при L = 4500 мм расстояние между корпусами должно быть не менее 1620 мм. Однако есть и другая «вводная» — ширина верхнего багажника автомобиля УАЗ — 1500 мм. Значит, и мостик будет именно такой ширины, таким же придется выбрать и расстояние между поплавками. Длина поперечных балок может быть немного больше — до 1800 мм по габаритной ширине машины. Длина мостика определяется из опыта эксплуатации глиссирующего катамарана: для двухместного судна 1700 мм вполне достаточно.

Для облегчения сборки и перевозки важно, чтобы масса мостика в сборе не превышала 25-30 кг. Его конструкция для этого должна быть простейшей: поперечная силовая балка, несущая всю нагрузку, и легкий настил. В качестве материала палубы лучше всего подходит бакелизированная фанера ФБС-1. Она отличается максимальной водостойкостью, так как при ее производстве шпон перед склеиванием пропитывается фенолформальдегидной смолой (бакелитовым лаком). Однако размеры стандартного листа ФБС составляют 2500 х 1250 мм, что не позволяет получить настил из одного листа и потребует усиления и утяжеления стыка. По той же причине, а также из-за повышенной, по сравнению с фанерой, плотности был отвергнут листовой стеклотекстолит. В продаже есть и еще один очень интересный материал — древесно-слоистый пластик ДСП-10 (не путать с древесностружечной плитой, которая правильно обозначается ДСтП). Это не что иное, как знаменитая дельта-древесина, из которой в годы войны строили истребители ЛаГГ-3. Я склонялся к выбору именно этого материала, но оказалось, что в наши «коронавирусные» времена ждать его поставки надо не один месяц, что меня совершенно не устраивало. Оставалась только ограниченно водостойкая фанера ФСФ. Она тоже склеивается фенолформальдегидными смолами, но без предварительной пропитки, к сожалению. Зато она выпускается большими листами 1500 х 3000 мм.

Толщину листов фанеры, чтобы по ней можно было ходить, судостроители-любители рекомендуют использовать не менее 5 мм, я взял с небольшим запасом — 6,5 мм. Итак, с материалом и размерами мостика определились: фанера ФСФ, размер 1700 х 1500 мм, толщина 6,5 мм.

Поперечная балка должна нести на себе всю нагрузку, в том числе вес двух человек. Лучшим материалом для легких силовых конструкций был и остается дюралюминий Д16Т. Немного уступает ему в прочности алюминиево-магниевый сплав АМг6. Зато он хорошо сваривается и не подвержен коррозии в морской воде. Пока я размышлял о выборе, выяснилось, что и эти материалы стали труднодоступными: обычный отечественный дюралевый профиль можно приобрести только на заказ, и ждать нужно до осени.

По той же причине оказалось невозможным и приобретение широко рекламируемой новинки — стеклотекстолитового профиля. В период «нокдауна» все производители «сократились» и предлагают только стеклопластиковую арматуру, то есть простой пруток круглого сечения.

Оставалось рассчитывать лишь на то, что продавалось в подмосковных строительных магазинах. Но там был только алюминиевый профиль марки АД31. Этот строительный сплав алюминия с магнием и кремнием продается под торговым наименованием «авиаль», но к авиации не имеет никакого отношения. По пределу текучести он более чем в четыре раза «слабее» дюралюминия. Единственное его преимущество — высокая пластичность.

Зато в магазинах и на рынках продавались в изобилии высококачественные пиломатериалы — от самой прочной лиственницы до самой легкой липы. Высокая цена при моих малых потребностях -всего несколько брусков и дощечек — не имела большого значения.

Таким образом, ограниченному реалиями «эпохи пандемиии», мне пришлось мастерить смешанную конструкцию, используя прочный брусок из лиственницы и вспомогательные детали из «пластилинового» авиаля. Впрочем, очень похоже в тяжелые годы войны именно так строили самолеты и ничего — отбились от врага!

Возможные материалы силовых конструкций (стандартные профили)

Мостик имеет фанерный настил, поперечную силовую балку смешанной конструкции длиной 1800 мм и две аналогичные, но облегченные траверсы: носовую и кормовую. Кормовая воспринимает толкающие усилия и вес подвесного мотора, а носовая предназначена для крепления волноотбойника, солнечной панели, кронштейна вспомогательного носового мотора или съемного навеса, по выбору. Волноотбойник сделан из монолитного поликарбоната толщиной 2 мм. Настил усилен четырьмя продольными досками из липы, а место установки подвесного мотора -стеклотекстолитовой плитой толщиной 5 мм. На задней траверсе установлены небольшие колесики для перевозки мостика к месту сборки катамарана. Вся конструкция собрана на винтах и шурупах и проклеена эпоксидным клеем.

Масса мостика в сборе составила 29 кг. Я посчитал, что это для меня это многовато и сделал настил и поперечную балку разъемными. Теперь погрузка катамарана на багажник УАЗа происходит следующим образом: вначале надвигается настил с носовой и кормовой траверсами общей массой 23 кг, затем к нему крепится поперечная силовая балка массой 6 кг, а уже к ней — поплавки, каждый массой по 18 кг.
Поворотные кресла, кронштейн подвесного мотора, леерное ограждение, весла с кронштейнами для них, багажные рундуки использованы от предыдущей конструкции (см. «М-К» № 1-2020). Полная масса катамарана в сборе без подвесного мотора составила около 95 кг.

СОЛНЕЧНЫЙ КАТАМАРАН

На фото катамарана в сборе видно, что в носовой части мостика установлена солнечная панель мощностью 150 Вт — это подарок на мой юбилей, а также продолжение экспериментов с электродвижением, начавшегося с постройки самодельного лодочного электромотора и блока питания к нему мощностью 300 Вт (см. «М-К» № 6-2020).

Мотор представляет собой 12-вольтовый двигатель постоянного тока от электролебедки, установленный на «ногу» от советского подвесного мотора «Салют». Источником тока служит блок питания и управления со стартерно-тяговой морской свинцово-кислотной батареей емкостью 85 А*ч и бесступенчатым ШИМ-регулятором потребляемой мощности. В свободное от «морской службы» время аккумулятор используется на моем экспедиционном автомобиле как один из двух стартерных.

Можно заметить, что максимальная мощность солнечной батареи при идеальных условиях освещения примерно вдвое меньше максимальной мощности электромотора. Это сделано сознательно: избыточная мощность электромотора необходима как резервная для сложных условий движения, таких, как сильное встречное течение или сильный ветер. Дефицит мощности в этом случае восполняет буферная аккумуляторная батарея, которую можно подзарядить на стоянке от той же солнечной панели или от бензогенератора. Интересно, что к тому же выводу пришли и конструкторы входящих сейчас в моду экологически чистых больших судов с электродвижением: максимальная мощность силовой установки должна быть примерно вдвое больше суммарной мощности солнечных батарей.

Масса солнечной панели с зарядным контроллером и элементами крепления составляет 17 кг, блока питания и управления с буферным аккумулятором -21 кг, самого электромоторчика — около 6 кг, то есть в сумме как хороший лодочный мотор мощностью около 30 л.с. Оправдано ли такое утяжеление возможностью рассекать водные просторы без бензина? Проверим это на практике!

ХОДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

К сожалению, те же самые ограничения, которые стимулировали мое творчество, не позволили провести полноценные испытания в дальнем походе. Пришлось использовать в качестве полигона ближайший к даче водоем. Зато, благодаря такой близкой локации, за лето мне удалось опробовать на плаву аж два варианта многокорпусников с пятью различными моторами и получить необходимые для повышения иммунитета положительные эмоции от радости технического творчества.

Первым на воду был спущен катамаран с солнечной батареей и тяговым электромотором. Скорость движения при максимальной мощности 300 Вт составила 6 км/ч, при половинной мощности 150 Вт — около 5 км/ч. Это даже немного больше расчетной, что объясняется, конечно, отличной гидродинамикой поплавков. Испытания на дальность плавания не проводились, так как длина пруда не превышала 200 м.
Когда подул довольно сильный встречный ветер, катамаран с его большой парусностью был загнан в прибрежные камыши. Выбраться из них удалось только на полной мощности электромотора, а я еще раз убедился, что 300 Вт -минимально допустимая для уверенного плавания мощность.

Каковы же общие впечатления у испытателя и пассажиров? В смысле удовольствия от бесшумного передвижения — это здорово! Но… нет динамики! С такой же скоростью катамаран движется и на веслах, причем он очень легок на ходу, а грести одинаково удобно как вперед, так и назад: все симметрично. Для спокойных рек и небольших лесных озер такой вариант силовой установки вполне имеет право на существование. Кроме того, вспомним, что на многих интересных водоемах, таких, например, как Сенежское и Плещееве озера, применение ПЛМ внутреннего сгорания вообще запрещено. Можно поднять парус, конечно, но для его использования необходимо быть яхтсменом, а это — отдельная каста любителей отдыха на воде. Мне же больше нравятся моторы.

Вдоволь насладившись бесшумными и экологически чистыми покатушками, я демонтировал солнечную энергоустановку и поставил самодельный четырехтактный двигатель мощностью 4 л.с. И был приятно удивлен!

Совсем небольшой моторчик без видимого напряжения разогнал судно налегке до 20 км/ч, а с полной нагрузкой в два человека — до 18 км/ч. Для сравнения, соответствующие скорости на глиссирующем катамаране и небольшой транцевой лодочке на превышали 12-15 км/ч. Расход топлива составил чуть более 1 л/час, что соответствует путевому расходу не более 7 л на 100 км. Отличный результат не только для катера, но даже и для автомобиля!

Был опробован и мой любимый 1,5-сильный моторчик с колесным движителем (см. «М-К» № 12-2018). Его главное преимущество — способность двигаться по самым мелким и заросшим водной растительностью местам, где даже на веслах идти затруднительно. Правда, скорость с такой силовой установкой не превышала все те же 6 км/ч. Зато даже когда поплавки сели на мель, колеса, упираясь плицами в грунт, продолжали толкать катамаран вперед.

Выявлены ли у нового катамарана недостатки? Конечно, как же без них! Во-первых, его маневренность заметно хуже, чем у однокорпусной лодки, что и понятно: поплавки довольно длинные, а точка приложения толкающего усилия винта находится недалеко от середины судна. Более существенный недостаток — ограниченная мореходность (хотя на дачном пруду это проверить невозможно). Ведь вертикальный клиренс при полной нагрузке составляет всего примерно 100 мм, и даже волноотбойник, вероятно, не спасет от сильного забрызгивания. Хотя для спокойных водоемов и даже для больших рек это вполне надежная и легкая конструкция, не требующая по нашим законам регистрации и документов на управление.

Получив в целом положительные результаты, эксперименты с катамараном на данном этапе закончились, и я перешел к постройке более сложного, но и более перспективного плавсредства, — тримарана. Расскажу о нем в следующем номере журнала.

Григорий ДЬЯКОНОВ