Подводное крыло — это подъемная поверхность или крыло , которое работает в воде. По внешнему виду и назначению они похожи на крылья самолетов . Лодки , в которых используется технология подводных крыльев, также называются просто подводными крыльями. По мере того, как судно на подводных крыльях набирает скорость, они поднимают корпус лодки над водой, уменьшая сопротивление и позволяя развивать большую скорость.
Подводное крыло обычно представляет собой крыловидную конструкцию, установленную на стойках под корпусом или на килях катамарана в различных лодках (см. Иллюстрацию). По мере того, как судно, оснащенное подводными крыльями, увеличивает скорость, элементы подводных крыльев под корпусом (корпусами) развивают достаточную подъемную силу , чтобы поднять корпус из воды, что значительно снижает сопротивление корпуса . Это обеспечивает соответствующее увеличение скорости и топливной экономичности .
Более широкому внедрению судов на подводных крыльях препятствует возросшая сложность их строительства и обслуживания. Суда на подводных крыльях, как правило, непомерно дороже, чем обычные плавсредства, превышающие определенное водоизмещение, поэтому большинство судов на подводных крыльях относительно небольшие и в основном используются в качестве высокоскоростных пассажирских паромов, где относительно высокие сборы с пассажиров могут компенсировать высокую стоимость самого судна. Однако конструкция настолько проста, что существует множество конструкций подводных крыльев с приводом от человека . Любительские эксперименты и развитие концепции популярны. [1]
Поскольку воздух и вода подчиняются одинаковым уравнениям жидкости , хотя и с разными уровнями вязкости , плотности и сжимаемости , подводное крыло и аэродинамическое крыло (оба типа крыла ) создают подъемную силу одинаковым образом. Форма фольги плавно движется сквозь воду, отклоняя поток вниз, что, согласно уравнениям Эйлера , оказывает на фольгу восходящую силу. Такое вращение воды создает более высокое давление на нижнюю часть фольги и пониженное давление на верхнюю. Эта разница давлений сопровождается разницей скоростей в соответствии с принципом Бернулли , поэтому результирующее поле потока вокруг фольги имеет более высокую среднюю скорость с одной стороны, чем с другой.
При использовании в качестве подъемного элемента на лодке на подводных крыльях эта восходящая сила поднимает корпус судна, уменьшая сопротивление и увеличивая скорость. Подъемная сила в конечном итоге уравновешивается весом корабля, достигая точки, когда подводное крыло больше не поднимается из воды, а остается в равновесии. Поскольку волновое сопротивление и другие мешающие силы, такие как различные типы сопротивления (физики) на корпусе, устраняются по мере того, как корпус поднимается вверх, турбулентность и сопротивление в большей степени действуют на гораздо меньшую площадь поверхности подводного крыла и в меньшей степени на корпус, создавая заметное увеличение скорости. [2]
Ранние суда на подводных крыльях использовали крылья V-образной формы. Подводные крылья этого типа известны как «пронизывающие поверхность», поскольку части подводных крыльев V-образной формы поднимаются над поверхностью воды при движении на крыле. На некоторых современных подводных крыльях используются полностью погруженные крылья перевернутой Т-образной формы. Полностью погруженные суда на подводных крыльях менее подвержены воздействию волн, а значит, более устойчивы на море и более комфортны для экипажа и пассажиров. Однако этот тип конфигурации не является самостабилизирующимся. Угол атаки на подводные крылья должен постоянно корректироваться в зависимости от меняющихся условий, процесс управления осуществляется датчиками, компьютером и активными поверхностями.
Первое свидетельство наличия подводного крыла на судне появляется в британском патенте, выданном в 1869 году парижанину Эммануэлю Дени Фарко. Он утверждал, что «приспособление к бортам и днищу судна ряда наклонных плоскостей или клиновидных частей, которые, когда судно движется вперед, будут поднимать его в воде и уменьшать осадку». [3] Итальянский изобретатель Энрико Форланини начал работу над подводными крыльями в 1898 году и использовал «лестничную» систему крыльев. Форланини получил патенты на свои идеи и разработки в Великобритании и США. [4] [5]
Между 1899 и 1901 годами британский конструктор лодок Джон Торникрофт работал над серией моделей со ступенчатым корпусом и одинарным носовым крылом. В 1909 году его компания построила полномасштабную лодку «Миранда III» длиной 22 фута (6,7 м) . Приведенный в движение двигателем мощностью 60 л.с. (45 кВт), он двигался на носовой части и плоской корме. Последующая Miranda IV имела скорость 35 узлов (65 км/ч; 40 миль в час). [6]
В мае 1904 года было описано, как лодка на подводных крыльях проходила испытания на реке Сена «в окрестностях Парижа ». [7] Эта лодка была спроектирована графом де Ламбером . [8] У него было 5 килей изменяемого шага на корпусе под водой, настолько наклоненных, что, когда лодка начинает двигаться, «лодка поднимается, и самолеты всплывают на поверхность», в результате чего «она скользит по поверхности с минимальными усилиями, кроме пропеллеры под поверхностью». Лодка имела двойной корпус длиной 18 футов, соединенный одной палубой шириной 9 футов, и была оснащена двигателем De Dion-Bouton мощностью 14 л.с. , как сообщалось, лодка развивала скорость 20 миль в час. Было заявлено, что «Лодка, идущая практически на плавниках, напоминает самолет».
В статье американского пионера судов на подводных крыльях Уильяма Э. Мичема, опубликованной в журнале Scientific American в марте 1906 года , объясняется основной принцип работы судов на подводных крыльях. Александр Грэм Белл считал изобретение гидросамолета ( теперь рассматриваемого как отдельный тип, но также использующий подъемную силу) очень значительным достижением и после прочтения статьи начал набрасывать концепцию того, что сейчас называется лодкой на подводных крыльях. Летом 1908 года Белл вместе со своим главным инженером Кейси Болдуином начал эксперименты с судами на подводных крыльях. Болдуин изучил работы итальянского изобретателя Энрико Форланини и начал испытания моделей, основанных на этих конструкциях, что привело к разработке плавсредств на подводных крыльях. Во время мирового турне Белла в 1910–1911 годах Белл и Болдуин встретились с Форланини в Италии, где они ехали на его лодке на подводных крыльях по озеру Маджоре . Болдуин описал это как полет.
Вернувшись в большую лабораторию Белла в его поместье Бейнн Бри недалеко от Баддека, Новая Шотландия , они экспериментировали с рядом конструкций, кульминацией которых стал HD-4 Белла . С использованием двигателей Renault была достигнута максимальная скорость 87 км/ч (47 узлов; 54 миль в час), быстрое ускорение, без труда преодолевание волн, хорошее рулевое управление и хорошая устойчивость. Отчет Белла ВМС США позволил ему получить два двигателя мощностью 260 кВт (350 л.с.). 9 сентября 1919 года HD-4 установил мировой морской рекорд скорости в 114 км/ч (62 узла; 71 миль в час), который сохранялся на протяжении двух десятилетий. [9] Полномасштабную копию HD -4 можно увидеть в Национальном историческом музее Александра Грэма Белла в Баддеке, Новая Шотландия.
В начале 1950-х годов английская пара построила White Hawk , водометное судно на подводных крыльях с реактивным двигателем, в попытке побить абсолютный рекорд скорости на воде. [10] Однако в ходе испытаний White Hawk едва смог превзойти рекордную скорость HD-4 1919 года . Конструкторы столкнулись с инженерным явлением, которое ограничивает максимальную скорость даже современных судов на подводных крыльях: кавитация нарушает подъемную силу, создаваемую крыльями, когда они движутся по воде со скоростью более 60 узлов (110 км / ч; 69 миль в час), изгибая подъемное крыло. . [11]
Немецкий инженер Ханс фон Шертель работал над судами на подводных крыльях до и во время Второй мировой войны в Германии . После войны русские захватили команду Шертеля. Поскольку Германии не было разрешено строить быстроходные лодки, Шертель отправился в Швейцарию , где основал компанию Supramar. В 1952 году компания Supramar спустила на воду первое коммерческое судно на подводных крыльях PT10 «Freccia d'Oro» («Золотая стрела») на озере Маджоре, между Швейцарией и Италией . PT10 относится к надводному типу, может перевозить 32 пассажира и двигаться со скоростью 35 узлов (65 км/ч; 40 миль в час). В 1968 году банкир из Бахрейна Хуссейн Наджади приобрел Supramar AG и расширил свою деятельность на Японию, Гонконг, Сингапур, Великобританию, Норвегию и США. Компания General Dynamics из США стала ее лицензиатом, а Пентагон наградил ее первым научно-исследовательским военно-морским исследовательским проектом в области суперкавитации . Hitachi Shipbuilding из Осаки, Япония, была еще одним лицензиатом Supramar, а также многих ведущих судовладельцев и верфей в странах ОЭСР.
С 1952 по 1971 год компания Supramar разработала множество моделей судов на подводных крыльях: PT20, PT50, PT75, PT100 и PT150. Все они относятся к поверхностному типу, за исключением PT150, в котором сочетается поверхностное крыло в носовой части и полностью погруженное крыло в кормовой части. Было построено более 200 экземпляров Supramar, большинство из них Родригес (возглавляемый в то время инженером Карло Родригесом на Сицилии , Италия).
В тот же период Советский Союз широко экспериментировал с судами на подводных крыльях, создавая речные суда и паромы на подводных крыльях обтекаемой конструкции в период холодной войны и в 1980-е годы. К таким судам относятся суда типа «Ракета» (1957 г.), за которыми следуют более крупный тип «Метеор» и меньший тип «Восход» . Одним из самых успешных советских дизайнеров/изобретателей в этой области был Ростислав Алексеев , которого некоторые считают «отцом» современных судов на подводных крыльях благодаря его конструкциям высокоскоростных судов на подводных крыльях 1950-х годов. [ нужна цитата ] Позже, примерно в 1970-х годах, Алексеев объединил свой опыт работы на подводных крыльях с принципом поверхностного эффекта , чтобы создать Экраноплан . Обширные инвестиции в этот тип технологий в СССР привели к созданию крупнейшего в мире гражданского парка судов на подводных крыльях и созданию типа «Метеор», самого успешного судна на подводных крыльях в истории, всего было построено более 400 единиц.
В 1961 году SRI International опубликовала исследование «Экономическая целесообразность использования пассажирских судов на подводных крыльях во внутренней и внешней торговле США». [12] Коммерческое использование судов на подводных крыльях в США впервые появилось в 1961 году, когда компания North American Hydrofoils Гарри Гейла Най-младшего заказала два пригородных судна для обслуживания маршрута из Атлантик-Хайлендс, штат Нью-Джерси, в финансовый район Нижнего Манхэттена. [13]
17-тонный немецкий корабль VS-6 на подводных крыльях был спроектирован и построен в 1940 году, достроен в 1941 году для использования в качестве минного заградителя; он прошел испытания в Балтийском море , развивая скорость 47 узлов. Протестированный на стандартной электронной лодке в течение следующих трех лет, он показал хорошие результаты, но не был запущен в производство. Будучи более быстрым, он мог нести большую полезную нагрузку и мог передвигаться по минным полям, но был склонен к повреждениям и был более шумным. [14]
В Канаде во время Второй мировой войны Болдуин работал над экспериментальным подводным крылом с дымовой установкой (позже названным Comox Torpedo), которое позже было заменено другой технологией дымовой постановки и экспериментальным подводным крылом, буксирующим цель. Два передних крыла того, что предположительно является последним судном на подводных крыльях, были спасены в середине 1960-х годов с заброшенного остова в Баддеке, Новая Шотландия, Колином МакГрегором Стивенсом. Они были переданы в дар Морскому музею в Галифаксе, Новая Шотландия.
Канадские вооруженные силы построили и испытали ряд судов на подводных крыльях (например, Baddeck и два судна под названием Bras d'Or ), кульминацией которых в конце 1960-х годов стало создание высокоскоростного противолодочного судна на подводных крыльях HMCS Bras d'Or . Однако программа была отменена в начале 1970-х годов из-за отказа канадских вооруженных сил от противолодочной борьбы . Bras d'Or был надводным типом, который хорошо показал себя во время испытаний, достигнув максимальной скорости 63 узла (117 км/ч).
СССР ввел в состав своего ВМФ несколько быстроходных ударных кораблей на подводных крыльях , в основном:
ВМС США начали эксперименты с подводными крыльями в середине 1950-х годов, профинансировав строительство парусного судна, которое использовало подводные крылья для достижения скорости в диапазоне 30 миль в час. [15] XCH -4 (официально — экспериментальное судно на подводных крыльях № 4 ), спроектированный Уильямом П. Карлом, развивал скорость 65 миль в час (56 узлов; 105 км/ч) и из-за своей формы был принят за гидросамолет. . [16]
ВМС США внедрили небольшое количество боевых судов на подводных крыльях, таких как класс Pegasus , с 1977 по 1993 год. Эти суда на подводных крыльях были быстрыми и хорошо вооруженными. [17]
С конца 1970-х годов ВМС Италии используют шесть судов на подводных крыльях класса Sparviero . Они были вооружены 76-мм пушкой и двумя ракетами и могли развивать скорость до 50 узлов (93 км/ч). Три подобных катера были построены для Морских сил самообороны Японии .
Несколько раз Кубок Америки проводился на парусных яхтах. В 2013 и 2017 годах соответственно классы катамаранов AC72 и AC50 , а в 2021 году — класс однокорпусных судов на крыльях AC75 с наклоняемыми рычагами.
Французское экспериментальное парусное судно на подводных крыльях Hydroptère является результатом исследовательского проекта, в котором используются передовые инженерные навыки и технологии. В сентябре 2009 года Hydroptère установил новые мировые рекорды скорости парусных судов в категории 500 м со скоростью 51,36 узла (95,12 км/ч) и в категории 1 морская миля (1852 м) со скоростью 50,17 узла (92,91 км). /час). [18] [19]
Рекорд скорости на 500 м для парусных лодок в настоящее время принадлежит Vestas Sailrocket , экзотической конструкции, которая работает по сути как подводное крыло. [20]
Еще один парусник-тримаран — Windrider Rave. [21] Rave — это коммерчески доступный 17-футовый (5,2 м) двухместный тримаран на подводных крыльях, способный развивать скорость 40 узлов (74 км/ч). Лодку спроектировал Джим Браун.
Шлюпка Moth превратилась в несколько радикальных конфигураций фольги. [22]
Компания Hobie Sailboats выпустила серийный тримаран на подводных крыльях Hobie Trifoiler, самую быструю серийную парусную лодку. Трифойлеры развивают скорость до тридцати узлов.
Новая конструкция каяка, получившая название Flyak , оснащена подводными крыльями, которые поднимают каяк настолько, что значительно уменьшают сопротивление, позволяя развивать скорость до 27 км/ч (17 миль в час). Некоторые серферы разработали доски для серфинга с подводными крыльями, называемые фойлбордами , специально предназначенные для серфинга на больших волнах дальше в море. [23]
Quadrofoil Q2 — двухместный электрический прогулочный катер на подводных крыльях с четырьмя крыльями. Его первоначальная конструкция была разработана в 2012 году, а коммерчески он доступен с конца 2016 года. Оснащенный литий-ионным аккумулятором емкостью 5,2 кВтч и приводимый в движение двигателем мощностью 5,5 кВт, он достигает максимальной скорости 40 км/ч и имеет Запас хода 80 км. [24] [25]
Manta5 Hydrofoiler XE-1 — это электровелосипед на подводных крыльях, спроектированный и изготовленный в Новой Зеландии , который с конца 2017 года доступен для коммерческого заказа по предварительному заказу. [26] Приведенный в движение двигателем мощностью 400 Вт, он может развивать скорость, превышающую 14 км. /ч при весе 22 кг. Одного заряда аккумулятора хватает на час гонщику весом 85 кг. [27]
Шведская компания Candela производит прогулочные моторные лодки на подводных крыльях, заявляя о своей эффективности, производительности и дальности полета. [28]
В настоящее время суда на подводных крыльях широко используются в кайтсерфинге , [29] то есть тяге воздушных змеев по воде. Подводные крылья — это новая тенденция в виндсерфинге [30] — включая новый класс летних Олимпийских игр IQFoil [31] и, в последнее время, Wing Foiling , которые по сути представляют собой воздушный змей без веревок или ручной парус. [32]
«Восходы » советской постройки — одна из самых успешных конструкций пассажирских судов на подводных крыльях. Произведенные в советском, а затем и украинском Крыму, они находятся на вооружении более чем в 20 странах. Самая последняя модель, «Восход-2М FFF» , также известная как «Еврофойл», была построена в Феодосии для голландского оператора общественного транспорта Connexxion . [35]
В середине 2010-х годов в России была принята правительственная программа по восстановлению производства пассажирских судов на подводных крыльях. Комета 120М «Комета» , «Колхида» и «Катран», стала первой, запущенной в производство [36] сначала на заводе «Вымпел в Рыбинске, а затем на судостроительном заводе «Море» в Феодосии. [37] С 2018 года суда курсируют по маршруту Севастополь-Ялта и Сочи-Геленжик-Новороссийск, в ближайших планах в 2021 году сообщение Севастополь-Сочи. [38] Одновременно Алексеевское бюро начало строить более легкие и меньшие по размеру «Валдай». 45Р на подводных крыльях, основанные на широко успешной модели «Полесье , на собственном заводе в Нижнем Новгороде, [39] относительно мелкосидящие лодки, используемые на Оби и Волге. «Метеор 120Р , развитие «Метеора , стал более крупным братом «Валдая», первым кораблем, спущенным на воду в Нижнем Новгороде в августе 2021 года. [40]
, созданная на базе более ранних моделейБоинг 929 широко используется в Азии для пассажирских перевозок между Гонконгом и Макао , между многими островами Японии , а также на Корейском полуострове . Основным пользователем является частная корпорация Гонконга.
В настоящее время операторами судов на подводных крыльях являются:
В настоящее время основным оператором судов на подводных крыльях в Италии является Liberty Lines, которая обеспечивает сообщение между небольшими сицилийскими островами с Сицилией и Калабрией, а также между Триестом и некоторыми городами на хорватском побережье. SNAV осуществляет сообщение между Неаполем и небольшими Кампанскими островами, а в летний период - между Неаполем и Эолийскими островами. Летом Аликост осуществляет сообщение между Салерно и некоторыми прибрежными городами Кампании и Эолийских островов.