ВІД КАТАМАРАНУ ДО ТРИМАРАНУ

У своїй попередній статті (див. «М-К» №№ 12-2019 та 1-2020 ) я розповів про досвід будівництва та експлуатації розбірного глісуючого катамарану типу Craig Cat. Подібний плавзасіб дозволяє з двигуном потужністю 12-15 к.с. та екіпажем дві людини вийти на гліссування та радісно переміщатися зі швидкістю 30-35 км/год. Погано одне: витрата палива такого двигуна становить 6-7 літрів на годину. Прогулянка на рибалку і … 20-літровий каністри бензину як не бувало! А якщо до найближчої АЗС, як це буває в наймальовничіших місцях нашої великої країни, не один десяток кілометрів? Саме для такого випадку на транці нашого судна зазвичай висить скромний чотиритактник потужністю 4-5 к.с., витрата палива якого не перевищує одного-півтора літрів на годину. Але доводиться миритись і з крейсерською швидкістю, обмеженою 10-15 км/год. При цьому глісуючий катамаран рухається в невигідному для нього перехідному режимі: плоскодонні поплавці піднімають високу хвилю і, як кажуть яхтсмени, «тягнуть за собою воду».

БАГАТОКОРПУСНИКИ З ТОЧКИ ЗОРУ ГІДРОДИНАМІКИ

З часом я дійшов висновку, що економічний плавзасіб має бути водовипромінюючим, розрахованим на двигун потужністю 5-7 к.с. і швидкість 15-20 км/год, трохи більше. З точки зору теорії маломірного судна, це перехідний режим, коли гідродинамічних сил ще недостатньо для виходу на гліссування, але їх вистачає для інтенсивного хвилеутворення. Наука стверджує, що у перехідному режимі хвильовий опір становить основну частину повного опору судна і рекомендує уникати цього режиму. Відома з підручників картина хвилеутворення, так звана система хвиль лорда Кельвіна, показано малюнку.

Судно, що рухається зі швидкістю V, створює дві системи хвиль. Розбіжні, що обгинає, утворює з траєкторією судна кут 19-20° (теоретично, рівно 19,47°). І поперечні, довжину яких можна розрахувати за формулою = 2πV2/g. Інтенсивність хвилеутворення визначається відносною швидкістю судна, що називається числом Фруда F = V/√g ³ √D, де V [м/с] – швидкість катера, D [т] – його водотоннажність у тоннах, g = 9,81 м/с. Найбільше хвилеутворення спостерігається при перехідному режимі руху, коли число Фруда знаходиться в межах від 1 до 3, що відповідає більшості маломірних суден швидкості від 10 до 30 км/год. Таким чином, уникнути руху у перехідному режимі у нас не вийде.

На мілководді, коли глибина водоймища порівнянна з розмірами судна, картина хвилеутворення ще цікавіша. Хвилі, що розходяться, майже не утворюються, зате поперечні збільшуються настільки, що на їх створення витрачається майже вся потужність двигуна.

Чи існують способи зменшити хвилеутворення? Так, існують, але для цього насамперед корпус судна повинен мати велике подовження, як кажуть, «довжина біжить». Практика суднобудування показала, що оптимальне подовження, тобто відношення довжини корпусу до його ширини, має знаходитися в межах від 8 до 12. При більшому подовженні виграш від зменшення хвильового опору значною мірою з’їдається збільшенням опору тертя. Крім того, для зменшення хвилеутворення в перехідному режимі обводи судна повинні бути досить плавними, а корми — обтічною, щоб не «тягти воду». А оскільки в цьому режимі корма судна потрапляє якраз у западину поперечної хвилі, її потрібно якими-небудь способами «піднімати», для чого можна використовувати досить велику кормову ділянку плоского днища, транцеві плити або підводне крило. Можна і посунути вперед центрування.

Для багатокорпусного судна, катамарану або тримарану, необхідно враховувати ще й накладення (інтерференцію) хвиль, створюваних його корпусами. Практика суднобудування показала, що шкідливий для опору взаємовплив корпусів відсутній, якщо корпуси рознесені настільки широко, що хвилі, що розходяться, не досягають сусіднього корпусу. З наведеної схеми випливає, що для цього відстань між корпусами має бути більшою за В = L*tg20° = 0,36L.

А чи можна побудувати багатокорпусник так, щоб взаємовплив корпусів був би не шкідливим, а корисним, — щоб хвилі, що ними створювалися, не посилювали, а гасили б один одного? Що стосується симетричного катамарана таке неможливо, оскільки хвилі, створювані корпусами, завжди будуть складатися. А ось для трімарану це можливо. Погляньте на схему хвилеутворення тримарану з трьома однаковими корпусами, середній з яких висунутий уперед щодо двох інших. Видно, що при правильному взаєморозташуванні корпусів, створювані ними хвилі гаситимуть один одного.

Цей короткий та нескладний екскурс у гідродинаміку дозволить нам підійти до будівництва багатокорпусників з наукового погляду.

Катамаран на поплавках від «Мефодія»

Перейти від мрій та теоретичних міркувань до практичної діяльності мені допомогли епідемія коронавірусу та самоізоляція на дачі. Надлишок вільного часу дуже сприяє технічній творчості.

Є у Підмосков’ї компанія «Мефодій», за діяльністю якої я давно з цікавістю спостерігаю. Там методом ротаційного формування з поліетилену роблять різні човни та інші плавзасоби, у тому числі й поплавки двох типорозмірів, менший з яких якраз підходив під мої завдання.

Одна з переваг поліетиленових човнів — простота їхнього ремонту. Поліетилен, як відомо, дуже погано клеїться, зате плавиться при температурі всього 96 ° С. Всі пошкодження легко заварюються за допомогою звичайного будівельного фена, що було перевірено на практиці.

Можливі вологостійкі матеріали настилу містка

Довжина малого поліетиленового поплавця від Мефодія складає 4500 мм, ширина – 400 мм, висота -300 мм. Обводи нагадують класичні округлі форми байдарки, ніс та корми – симетричні. Є поздовжні та поперечні пази для стикування з містком катамарану. Об’єм поплавця (повна водотоннажність) -0,28 м3, маса – всього 18 кг. Вантажопідйомність поплавця можна розрахувати як 0,5*(280 кг – 18 кг) = 131 кг. Небагато, але якщо грамотно побудувати місток, згадавши, чого нас навчали в Московському авіаційному інституті, то може вийти непоганий і дуже легкий двомісний моторний катамаран.

Спочатку слід визначитися з розмірами. Поплавці треба розставити якнайширше: за нашою формулою при L = 4500 мм відстань між корпусами повинна бути не менше 1620 мм. Однак є й інша “вступна” – ширина верхнього багажника автомобіля УАЗ – 1500 мм. Значить, і місток буде саме такої ширини, таким же доведеться вибрати відстань між поплавцями. Довжина поперечних балок може бути трохи більшою – до 1800 мм за габаритною шириною машини. Довжина містка визначається з досвіду експлуатації катамарана, що глісує: для двомісного судна 1700 мм цілком достатньо.

Для полегшення складання та перевезення важливо, щоб маса містка у зборі не перевищувала 25-30 кг. Його конструкція для цього має бути найпростішою: поперечна силова балка, що несе все навантаження, та легкий настил. Як матеріал палуби найкраще підходить бакелізована фанера ФБС-1. Вона відрізняється максимальною водостійкістю, тому що при її виробництві шпон перед склеюванням просочується фенолформальдегідною смолою (бакелітовим лаком). Однак розміри стандартного листа ФБС складають 2500 х 1250 мм, що не дозволяє отримати настил з одного листа і потребує посилення та обтяження стику. З тієї ж причини, а також через підвищену, порівняно з фанерою, щільність відкинули листовий склотекстоліт. У продажу є і ще один дуже цікавий матеріал – дерево-шаруватий пластик ДСП-10 (не плутати з деревостружковою плитою, що правильно позначається ДСтП). Це не що інше, як знаменита дельта-деревина, з якої в роки війни будували винищувачі ЛаГГ-3. Я схилявся до вибору саме цього матеріалу, але виявилося, що в наші «коронавірусні» часи чекати на його постачання треба не один місяць, що мене зовсім не влаштовувало. Залишалася лише обмежено водостійка фанера ФСФ. Вона теж склеюється фенолформальдегідними смолами, але без попереднього просочення, на жаль. Зате вона випускається великими листами 1500 х 3000 мм.

Товщину листів фанери, щоб по ній можна було ходити, суднобудівники-любителі рекомендують використовувати не менше 5 мм, я взяв із невеликим запасом – 6,5 мм. Отже, з матеріалом та розмірами містка визначились: фанера ФСФ, розмір 1700 х 1500 мм, товщина 6,5 мм.

Поперечна балка має нести на собі все навантаження, у тому числі вага двох людей. Найкращим матеріалом для легких силових конструкцій був і залишається дюралюміній Д16Т. Дещо поступається йому в міцності алюмінієво-магнієвий сплав АМг6. Зате він добре зварюється і не схильний до корозії в морській воді. Поки я міркував про вибір, з’ясувалося, що й ці матеріали стали важкодоступними: звичайний вітчизняний алюмінієвий профіль можна придбати тільки на замовлення, і чекати потрібно до осені.

З тієї ж причини виявилося неможливим і придбання новинки, що широко рекламується, — склотекстолітового профілю. У період «нокдауну» всі виробники «скоротилися» і пропонують лише склопластикову арматуру, тобто простий дротик круглого перерізу.

Залишалося розраховувати лише те, що продавалося у підмосковних будівельних магазинах. Але там був лише алюмінієвий профіль марки АД31. Цей будівельний метал алюмінію з магнієм і кремнієм продається під торговим найменуванням «авіаль», але до авіації не має жодного відношення. За межею плинності він більш ніж у чотири рази «слабший» за дюралюмінію. Єдина його перевага – висока пластичність.

Натомість у магазинах і на ринках продавалися удосталь високоякісні пиломатеріали — від найміцнішої модрини до найлегшої липи. Висока ціна за моїх малих потреб – всього кілька брусків і дощечок – не мала великого значення.

Таким чином, обмеженому реаліями «епохи пандемії», мені довелося робити змішану конструкцію, використовуючи міцний брусок з модрини та допоміжні деталі з «пластилінового» авіалю. Втім, дуже схоже у лихоліття війни саме так будували літаки і нічого — відбилися від ворога!

Можливі матеріали силових конструкцій (стандартні профілі)

Місток має фанерний настил, поперечну силову балку змішаної конструкції довжиною 1800 мм і дві аналогічні, але полегшені траверси: носову та кормову. Кормова сприймає штовхаючі зусилля та вагу підвісного мотора, а носова призначена для кріплення хвилевідбійника, сонячної панелі, кронштейна допоміжного носового мотора або навісу, що знімається, на вибір. Волновідбійник виготовлений з монолітного полікарбонату товщиною 2 мм. Настил посилено чотирма поздовжніми дошками з липи, а місце встановлення підвісного мотора – склотекстолітовою плитою товщиною 5 мм. На задній траверсі встановлені невеликі коліщатка для перевезення містка до місця збирання катамарану. Вся конструкція зібрана на гвинтах та шурупах і проклеєна епоксидним клеєм.

Маса містка у зборі становила 29 кг. Я вважав, що це для мене це забагато і зробив настил та поперечну балку роз’ємними. Тепер навантаження катамарана на багажник УАЗа відбувається наступним чином: спочатку насувається настил з носовою та кормовою траверсами загальною масою 23 кг, потім до нього кріпиться поперечна силова балка масою 6 кг, а вже до неї – поплавці, кожен масою по 18 кг.
Поворотні крісла, кронштейн підвісного мотора, леєрна огорожа, весла з кронштейнами для них, багажні рундуки використані від попередньої конструкції (див. М-К № 1-2020). Повна маса катамарана у зборі без підвісного двигуна склала близько 95 кг.

СОНЯЧНИЙ КАТАМАРАН

На фото катамарана у зборі видно, що в носовій частині містка встановлена ​​сонячна панель потужністю 150 Вт – це подарунок на мій ювілей, а також продовження експериментів з електрорухом, що розпочався з будівництва саморобного електромотора човна і блоку живлення до нього потужністю 300 Вт (див. « М-К »№ 6-2020).

Мотор є 12-вольтовим двигуном постійного струму від електролебідки, встановлений на «ногу» від радянського підвісного мотора «Салют». Джерелом струму служить блок живлення та управління зі стартерно-тяговою морською свинцево-кислотною батареєю ємністю 85 А*год та безступінчастим ШІМ-регулятором споживаної потужності. У вільний від “морської служби” час акумулятор використовується на моєму експедиційному автомобілі як один із двох стартерних.

Можна помітити, що максимальна потужність сонячної батареї за ідеальних умов освітлення приблизно вдвічі менша за максимальну потужність електромотора. Це зроблено свідомо: надмірна потужність електромотора необхідна як резервна для складних умов руху, таких як сильна зустрічна течія або сильний вітер. Дефіцит потужності в цьому випадку заповнює буферна акумуляторна батарея, яку можна зарядити на стоянці від тієї ж сонячної панелі або бензогенератора. Цікаво, що до того ж висновку дійшли і конструктори екологічно чистих великих суден, що входять зараз у моду, з електрорухом: максимальна потужність силової установки повинна бути приблизно вдвічі більшою за сумарну потужність сонячних батарей.

Маса сонячної панелі із зарядним контролером та елементами кріплення становить 17 кг, блоку живлення та управління з буферним акумулятором -21 кг, самого електромоторчика – близько 6 кг, тобто у сумі як хороший човновий мотор потужністю близько 30 к.с. Чи виправдане таке обтяження можливістю розтинати водяні простори без бензину? Перевіримо це практично!

ХОДОВІ ВИПРОБУВАННЯ

На жаль, ті самі обмеження, які стимулювали мою творчість, не дозволили провести повноцінні випробування в дальньому поході. Довелося використовувати як полігон найближче до дачі водоймище. Зате завдяки такій близькій локації за літо мені вдалося випробувати на плаву аж два варіанти багатокорпусників з п’ятьма різними моторами і отримати необхідні для підвищення імунітету позитивні емоції від радості технічної творчості.

Першим на воду був спущений катамаран із сонячною батареєю та тяговим електромотором. Швидкість руху за максимальної потужності 300 Вт склала 6 км/год, при половинній потужності 150 Вт — близько 5 км/год. Це навіть трохи більше за розрахункову, що пояснюється, звичайно, відмінною гідродинамікою поплавків. Випробування на дальність плавання не проводилися, оскільки довжина ставка не перевищувала 200 м-коду.
Коли повіяв сильний зустрічний вітер, катамаран з його великою вітрильністю був загнаний у прибережні очерети. Вибратися з них вдалося лише на повній потужності електромотора, а я ще раз переконався, що 300 Вт – мінімально допустима для впевненого плавання потужність.

Які ж загальні враження у випробувача та пасажирів? У сенсі задоволення від безшумного пересування це здорово! Але… немає динаміки! З такою ж швидкістю катамаран рухається і на веслах, причому він дуже легкий на ходу, а веслувати однаково зручно як уперед, так і назад: все симетрично. Для спокійних річок та невеликих лісових озер такий варіант силової установки має право на існування. Крім того, пригадаємо, що на багатьох цікавих водоймах, таких, наприклад, як Сенезьке та Плещеєве озера, застосування ПЛМ внутрішнього згоряння взагалі заборонено. Можна підняти вітрило, звичайно, але для його використання необхідно бути яхтсменом, а це окрема каста любителів відпочинку на воді. Мені ж більше подобаються двигуни.

Вдосталь насолодившись безшумними та екологічно чистими покатушками, я демонтував сонячну енергоустановку та поставив саморобний чотиритактний двигун потужністю 4 л.с. І був приємно вражений!

Зовсім невеликий моторчик без видимої напруги розігнав судно без нічого до 20 км/год, а з повним навантаженням у дві людини – до 18 км/год. Для порівняння, відповідні швидкості на глісуючому катамарані та невеликому транцевому човнику на перевищували 12-15 км/год. Витрата палива становила трохи більше 1 л/година, що відповідає дорожній витраті не більше 7 л на 100 км. Відмінний результат не тільки для катера, але навіть для автомобіля!

Був випробуваний і мій улюблений 1,5-сильний двигун з колісним рушієм (див. «М-К» № 12-2018). Його головна перевага — здатність рухатися найдрібнішими і зарослими водяними рослинами місцями, де навіть на веслах йти важко. Щоправда, швидкість з такою силовою установкою не перевищувала ті ж 6 км/год. Зате навіть коли поплавці сіли на мілину, колеса, упираючись плицами в ґрунт, продовжували штовхати катамаран уперед.

Чи виявлено у нового катамарану недоліки? Звісно, ​​як же без них! По-перше, його маневреність помітно гірша, ніж у однокорпусного човна, що і зрозуміло: поплавці досить довгі, а точка докладання гвинта, що штовхає зусилля, знаходиться недалеко від середини судна. Суттєвіший недолік — обмежена мореплавність (хоча на дачному ставку це перевірити неможливо). Адже вертикальний кліренс при повному навантаженні становить приблизно 100 мм, і навіть хвилевідбійник, ймовірно, не врятує від сильного забризкування. Хоча для спокійних водойм і навіть для великих річок це цілком надійна та легка конструкція, яка не вимагає за нашими законами реєстрації та документів на керування.

Отримавши загалом позитивні результати, експерименти з катамараном на даному етапі закінчилися, і я перейшов до будівництва складнішого, але й перспективнішого плавзасобу — тримарана. Розповім про нього у наступному номері журналу.

Григорій ДЯКОНОВ