Подводное крыло — это подъемная поверхность или крыло , которое работает в воде. По внешнему виду и назначению они похожи на аэродинамические крылья, используемые в самолетах . Лодки , использующие технологию подводных крыльев, также называются просто подводными крыльями. Когда судно на подводных крыльях набирает скорость, подводные крылья поднимают корпус судна из воды, уменьшая сопротивление и позволяя развивать большую скорость.
Подводное крыло обычно состоит из крыловидной конструкции, установленной на стойках под корпусом или поперек килей катамарана в различных лодках (см. иллюстрацию). По мере того, как судно, оснащенное подводным крылом, набирает скорость, элементы подводного крыла под корпусом(ами) развивают достаточную подъемную силу , чтобы поднять корпус из воды, что значительно снижает сопротивление корпуса . Это обеспечивает соответствующее увеличение скорости и топливной эффективности .
Более широкому внедрению судов на подводных крыльях препятствует возросшая сложность их строительства и обслуживания. Суда на подводных крыльях, как правило, непозволительно дороже обычных судов с водоизмещением выше определенного значения, поэтому большинство судов на подводных крыльях относительно небольшие и в основном используются как высокоскоростные пассажирские паромы, где относительно высокие пассажирские сборы могут компенсировать высокую стоимость самого судна. Однако конструкция достаточно проста, поэтому существует множество конструкций судов на подводных крыльях с человеческим приводом . Любительские эксперименты и разработка концепции пользуются популярностью. [1]
Поскольку воздух и вода подчиняются схожим уравнениям текучести — хотя и с разными уровнями вязкости , плотности и сжимаемости — гидрокрыло и аэродинамическое крыло (оба типа крыльев ) создают подъемную силу идентичным образом. Форма крыльев плавно движется по воде, отклоняя поток вниз, что, следуя уравнениям Эйлера , оказывает на крыльчатку направленную вверх силу. Этот поворот воды создает более высокое давление на нижнюю часть крыльев и пониженное давление на верхнюю часть. Эта разница давлений сопровождается разницей скоростей, согласно принципу Бернулли , поэтому результирующее поле потока вокруг крыльев имеет более высокую среднюю скорость с одной стороны, чем с другой.
При использовании в качестве подъемного элемента на судне с подводными крыльями эта направленная вверх сила поднимает корпус судна, уменьшая сопротивление и увеличивая скорость. Подъемная сила в конечном итоге уравновешивается весом судна, достигая точки, в которой подводное крыло больше не поднимается из воды, а остается в равновесии. Поскольку волновое сопротивление и другие препятствующие силы, такие как различные типы сопротивления (физика) на корпусе, устраняются по мере того, как корпус поднимается, турбулентность и сопротивление все больше действуют на гораздо меньшую площадь поверхности подводного крыла и все меньше на корпус, создавая заметное увеличение скорости. [2]
Ранние подводные крылья использовали V-образные крылья. Гидрокрылья этого типа известны как «проникающие в поверхность», поскольку части V-образных подводных крыльев поднимаются над поверхностью воды при движении на крыльях. Некоторые современные подводные крылья используют полностью погруженные перевернутые Т-образные крылья. Полностью погруженные подводные крылья меньше подвержены воздействию волнового воздействия и, следовательно, более устойчивы в море и более удобны для экипажа и пассажиров. Однако этот тип конфигурации не является самостабилизирующимся. Угол атаки на подводных крыльях должен постоянно регулироваться в соответствии с изменяющимися условиями, процесс управления выполняется датчиками, компьютером и активными поверхностями.
Первое свидетельство о подводном крыле 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 деталей, которые по мере движения судна вперед будут иметь эффект подъема его в воде и уменьшения осадки». [3] Итальянский изобретатель Энрико Форланини начал работу над подводными крыльями в 1898 году и использовал систему крыльев «лестница». Форланини получил патенты в Великобритании и Соединенных Штатах на свои идеи и конструкции. [4] [5]
Между 1899 и 1901 годами британский конструктор лодок Джон Торникрофт работал над серией моделей со ступенчатым корпусом и одним носовым крылом. В 1909 году его компания построила полномасштабную 22-футовую (6,7 м) лодку Miranda III . Приводимая в движение двигателем мощностью 60 л. с. (45 кВт), она шла на носовом крыле и плоской корме. Последующая Miranda IV развивала скорость 35 узлов (65 км/ч; 40 миль/ч). [6]
В мае 1904 года было описано испытание судна на подводных крыльях на реке Сена «в окрестностях Парижа ». [7] Это судно было спроектировано графом де Ламбером . [8] Оно имело 5 плавников с переменным шагом на корпусе под водой, наклоненных так, что когда судно начинало движение, «судно поднималось, и плоскости выходили на поверхность», в результате чего «оно скользило по поверхности, имея под поверхностью лишь винты». Судно имело два корпуса длиной 18 футов, соединенных одной палубой шириной 9 футов, и было оснащено двигателем De Dion-Bouton мощностью 14 л. с . Сообщалось, что судно достигало скорости 20 миль в час. Было заявлено, что «судно, движущееся практически на своих плавниках, напоминает аэроплан».
Статья американского пионера судов на подводных крыльях Уильяма Э. Мичема в журнале Scientific American за март 1906 года объясняла основной принцип судов на подводных крыльях. Александр Грэхем Белл считал изобретение гидроплана ( теперь рассматриваемого как отдельный тип, но также использующего подъемную силу) очень значительным достижением и после прочтения статьи начал набрасывать концепции того, что сейчас называется судном на подводных крыльях. Вместе со своим главным инженером Кейси Болдуином Белл начал эксперименты с подводными крыльями летом 1908 года. Болдуин изучал работу итальянского изобретателя Энрико Форланини и начал испытывать модели, основанные на этих конструкциях, что привело к разработке судов на подводных крыльях. Во время мирового турне Белла в 1910–1911 годах Белл и Болдуин встретились с Форланини в Италии, где они катались на его судне на подводных крыльях по озеру Маджоре . Болдуин описал его как плавное, как полет.
Вернувшись в большую лабораторию Белла в его поместье Бейнн-Бреаг недалеко от Баддека, Новая Шотландия , они экспериментировали с рядом конструкций, кульминацией которых стал HD-4 Белла . Используя двигатели Renault , была достигнута максимальная скорость 87 км/ч (47 узлов; 54 мили в час), судно быстро разгонялось, без труда преодолевало волны, хорошо управлялось и демонстрировало хорошую устойчивость. Отчет Белла в ВМС США позволил ему получить два двигателя мощностью 260 кВт (350 л. с.). 9 сентября 1919 года HD -4 установил мировой рекорд скорости на море в 114 км/ч (62 узла; 71 миля в час), который продержался два десятилетия. [9] Полномасштабную копию HD -4 можно увидеть в Национальном историческом музее Александра Грэхема Белла в Баддеке, Новая Шотландия.
В начале 1950-х годов английская пара построила White Hawk , реактивное судно на подводных крыльях, в попытке побить абсолютный рекорд скорости на воде. [10] Однако на испытаниях 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 свыше 60 узлов (110 км/ч; 69 миль/ч), изгибая подъемное крыло. [11]
Немецкий инженер Ганс 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 разрешалось строить быстроходные лодки, Шертель отправился в Швейцарию , где основал компанию Supramar. В 1952 году Supramar спустила на воду первое коммерческое судно на подводных крыльях PT10 «Freccia d'Oro» (Золотая стрела) на озере Маджоре между Швейцарией и Италией . PT10 — судно поверхностного типа, оно может перевозить 32 пассажира и развивать скорость 35 узлов (65 км/ч; 40 миль/ч). В 1968 году банкир Хуссейн Наджади, родившийся в Бахрейне, приобрел Supramar AG и расширил свою деятельность на Японию, Гонконг, Сингапур, Великобританию, Норвегию и США. Ее лицензиатом стала компания General Dynamics из США, а Пентагон выдал ей первый научно-исследовательский военно-морской проект в области суперкавитации . Еще одним лицензиатом Supramar была компания Hitachi Shipbuilding из Осаки, Япония, а также многие ведущие судовладельцы и верфи в странах ОЭСР.
С 1952 по 1971 год Supramar разработала множество моделей подводных крыльев: PT20, PT50, PT75, PT100 и PT150. Все они относятся к типу прокалывающих поверхность, за исключением PT150, сочетающего прокалывающее поверхность крыло спереди с полностью погруженным крылом в кормовой части. Было построено более 200 моделей Supramar, большинство из них — Родригес (в то время возглавляемый инженером Карло Родригесом в Сицилии , Италия).
В тот же период Советский Союз активно экспериментировал с судами на подводных крыльях, строя речные суда на подводных крыльях и паромы с обтекаемыми конструкциями в период холодной войны и в 1980-х годах. К таким судам относятся тип «Ракета» (1957), за которым последовали более крупный тип «Метеор» и меньший тип «Восход» . Одним из самых успешных советских конструкторов/изобретателей в этой области был Ростислав Алексеев , которого некоторые считают «отцом» современных судов на подводных крыльях из-за его высокоскоростных конструкций судов на подводных крыльях 1950-х годов. [ необходима цитата ] Позже, около 1970-х годов, Алексеев объединил свой опыт в области судов 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 флота судов на подводных крыльях и созданию типа «Метеор», самого успешного судна на подводных крыльях в истории, построенного более 400 единиц.
В 1961 году SRI International опубликовала исследование «Экономическая целесообразность пассажирских судов на подводных крыльях во внутренней и внешней торговле США». [12] Коммерческое использование судов на подводных крыльях в США впервые началось в 1961 году, когда два пригородных судна были заказаны компанией Harry Gale Nye, Jr. 's North American Hydrofoils для обслуживания маршрута от Атлантик-Хайлендс, Нью-Джерси, до финансового района Нижний Манхэттен. [13]
17-тонный немецкий корабль VS-6 Hydrofoil был спроектирован и построен в 1940 году, завершен в 1941 году для использования в качестве минного заградителя; он был испытан в Балтийском море , развивая скорость 47 узлов. Испытанный против стандартной E-boat в течение следующих трех лет, он показал себя хорошо, но не был запущен в производство. Будучи быстрее, он мог нести большую полезную нагрузку и был способен проходить через минные поля, но был склонен к повреждениям и был более шумным. [14]
В Канаде во время Второй мировой войны Болдуин работал над экспериментальным подводным крылом для постановки дыма (позже названным Comox Torpedo), которое позже было заменено другой технологией постановки дыма и экспериментальным подводным крылом для буксировки цели. Передние два крыла, которые, как полагают, были последним подводным крылом, 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.
Вооруженные силы Канады построили и испытали ряд судов на подводных крыльях (например, Baddeck и два судна под названием Bras d'Or ), что привело к созданию высокоскоростного противолодочного судна на подводных крыльях HMCS Bras d'Or в конце 1960-х годов. Однако программа была отменена в начале 1970-х годов из-за отказа канадских военных от противолодочной войны . Bras d'Or был типом судна, пробивающего подводные лодки, который хорошо показал себя во время испытаний, достигнув максимальной скорости 63 узла (117 км/ч).
СССР принял на вооружение несколько быстроходных ударных катеров на подводных крыльях , в частности:
_underway_US_Navy_DN-SC-87-07089.jpg/1280px-Aerial_port_beam_view_of_USS_Aquila_(PHM-4)_underway_US_Navy_DN-SC-87-07089.jpg)
В середине 1950-х годов ВМС США начали эксперименты с подводными крыльями, профинансировав парусное судно, которое использовало подводные крылья для достижения скорости в диапазоне 30 миль в час. [15] XCH -4 (официально, Experimental Craft, Hydrofoil No. 4 ), спроектированное Уильямом П. Карлом, превышало скорость 65 миль в час (56 узлов; 105 км/ч) и было ошибочно принято за гидросамолёт из-за своей формы. [16]
ВМС США ввели в эксплуатацию 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]
Итальянский флот использовал шесть подводных крыльев класса Sparviero , начиная с конца 1970-х годов. 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 выпусков Кубка Америки проводились с участием яхт с подводными крыльями. В 2013 и 2017 годах соответственно классы катамаранов AC72 и AC50 , а в 2021 году класс AC75 однокорпусных судов с подводными крыльями и наклонными лопастями.
Французский экспериментальный парусный гидрокрыло Hydroptère является результатом исследовательского проекта, в котором задействованы передовые инженерные навыки и технологии. В сентябре 2009 года Hydroptère установил новые мировые рекорды скорости парусного судна 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/ч). [18] [19]
Рекорд скорости на дистанции 500 м для парусных судов в настоящее время принадлежит Vestas Sailrocket , экзотической конструкции, которая по сути работает как подводное крыло. [20]
Еще один парусный тримаран — Windrider Rave. [21] Rave — это коммерчески доступный 17-футовый (5,2 м) двухместный тримаран на подводных крыльях, способный развивать скорость до 40 узлов (74 км/ч). Лодка была спроектирована Джимом Брауном.
Шлюпка «Мотылёк» эволюционировала в несколько радикальных конфигураций крыльев. [22]
Hobie Sailboats выпустила серийный тримаран на подводных крыльях Hobie Trifoiler, самую быструю серийную парусную лодку. Trifoilers разгонялись до скорости более тридцати узлов.
Новая конструкция каяка, названная Flyak , имеет подводные крылья, которые поднимают каяк достаточно, чтобы значительно уменьшить сопротивление, позволяя развивать скорость до 27 км/ч (17 миль/ч). Некоторые серферы разработали доски для серфинга с подводными крыльями, называемые фойлбордами , специально предназначенные для серфинга на больших волнах дальше в море. [23]
Quadrofoil Q2 — это двухместное, четырехкрылое электрическое судно для отдыха на подводных крыльях. Его первоначальный дизайн был разработан в 2012 году, и он поступил в продажу в конце 2016 года. Оснащенный литий-ионным аккумулятором на 5,2 кВт·ч и двигателем мощностью 5,5 кВт, он развивает максимальную скорость 40 км/ч и имеет запас хода 80 км. [24] [25]
Manta5 Hydrofoiler XE-1 — это электровелосипед Hydrofoil, разработанный и построенный в Новой Зеландии , который с тех пор доступен для предварительного заказа с конца 2017 года. [26] Приводимый в движение двигателем мощностью 400 Вт, он может развивать скорость более 14 км/ч при весе 22 кг. Одного заряда батареи хватает на час для райдера весом 85 кг. [27]
Шведская компания Candela производит прогулочный катер на подводных крыльях, делая серьезные заявления об эффективности, производительности и дальности плавания. [28]
Гидрокрылья теперь широко используются в кайтсерфинге , [29] то есть тяговых воздушных змеях над водой. Гидрокрылья являются новой тенденцией в виндсерфинге [30] - включая новый летний олимпийский класс, IQFoil , [31] и совсем недавно с Wing Foiling , которые по сути являются воздушным змеем без веревок или ручным парусом. [32]
_and_Bodrum_Lines_Kometas_at_Rhodes_with_MV_Costa_Fortuna_11am_5-8-2011.jpg/1280px-MV_Flying_Poseidon_(1982)_and_Bodrum_Lines_Kometas_at_Rhodes_with_MV_Costa_Fortuna_11am_5-8-2011.jpg)
«Восходы» советской постройки являются одним из самых успешных проектов пассажирских судов на подводных крыльях. Изготовленные в советском, а затем и украинском Крыму, они эксплуатируются в более чем 20 странах. Самая последняя модель, «Восход-2М FFF» , также известная как Eurofoil, была построена в Феодосии для голландского оператора общественного транспорта Connexxion . [35]
В середине 2010-х годов в России была принята государственная программа по восстановлению производства пассажирских судов на подводных крыльях. «Комета 120М» , созданная на основе более ранних моделей «Комета» , «Колхида» и «Катран», стала первой, запущенной в производство [36] , первоначально на заводе «Вымпел» судостроительном заводе «Море» в Феодосии. [37] С 2018 года суда курсируют по маршрутам Севастополь-Ялта и Сочи-Геленджик-Новороссийск, а в ближайших планах на 2021 год — сообщение Севастополь-Сочи. [38] В то же время Бюро Алексеева начало строить на собственном заводе в Нижнем Новгороде [39] более легкие и меньшие суда на подводных крыльях «Валдай 45Р» , основанные на широко успешной модели «Полесье» , — относительно мелкосидящие суда, используемые на Оби и Волге. «Метеор 120Р» , являющийся развитием «Метеора» , стал более крупным братом «Валдая», первым судном, спущенным на воду в Нижнем Новгороде в августе 2021 года. [40]
Boeing 929 широко используется в Азии для пассажирских перевозок, между Гонконгом и Макао и между многочисленными островами Японии , а также на Корейском полуострове . Основным пользователем является частная корпорация Гонконга.
В настоящее время эксплуатантами судов на подводных крыльях являются:
В настоящее время основным оператором судов на подводных крыльях в Италии является Liberty Lines, которая осуществляет сообщение между небольшими сицилийскими островами с Сицилией и Калабрией, а также между Триестом и некоторыми городами на побережье Хорватии. SNAV осуществляет сообщение между Неаполем и небольшими островами Кампании, а в летний период — между Неаполем и Эолийскими островами. Летом Aliscost осуществляет сообщение между Салерно и некоторыми прибрежными городами Кампании и Эолийских островов.
.jpg/1280px-Peterhof_hydrofoil_(18272163540).jpg)
.jpg/1280px-Polesye-1_(ship,_1986,_Gomel,_7).jpg)
