Силы, действующие на глиссирующую поверхность

Силы, действующие на глиссирующую поверхность со сто­роны воды, разделяются на следующие группы1:

а) гидростатическиесилы,

б) гидродинамические силы,

,г в) силы трения.

В процессе разбега гидросамолета каждая из этих групп проявляет себя в большей или меньшей степени, придавая тем самым определенную окраску каждому этапу разбега гидроса­молета. Принято поэтому рассматривать следующие основные режимы разбега гидросамолета:

а) режим плавания,

б) переходный или критический режим,

в) режим глиссирования (гидропланирование).

Режим плавания простирается от начала разбега до скоро­стей, равных 0,25—0,30 скорости отрыва.

Характерным для этого режима является преобладание гидро­статических сил, уменьшающихся с увеличением скорости (рис. 54). Вначале при трогании с места момент от тяги винтов и от сопротивления воды вызывает резкий клевок гидросамолета на нос, так как Направление силы тяги обычно проходит выше центра тяжести гидросамолета.

Угол диферента на нос увеличивается до тех пор, пока работа этого момента не сделается равной работе соответствующего вос­станавливающего момента. [3]

Волны, образуемые Гидросамолетом при очень малых скоро­стях, аналогичны волнам, сопровождающим движущийся корабль; характер их образования рассмотрен нами в главе III.

Я кг Рис. 64. Соотношение гидростатических и гидродинамических сил при режиме плавания

С увеличением^скорости носовая волна постепенно сдвигается от форштевня к|’редану, а поперечная волна принтом пропа­дает и наблюдается только • у кормовой части гидросамолета. Затем в носу появляется так называемый шатер: [куполообраз­ная водяная пленка небольшой толщины (рис. бб). С дальней­шим увеличением скорости шатер преобразуется в брызговые сгруи (усы),^при этом уменьшается также и всплывание центра тяжести,’вследствие понижения уровня [воды около гидросамо­лета.

Рис. бб. Образование шатра при плавании гидросамолета

Одновременно с возрастанием скорости увеличиваются гидро­динамическое давление на днище лодки и подъемная сила крыльев. Нагрузка на воду, представляющая разность веса самолета и подъемной силы крыльев, уменьшается.

Всплывание центра тяжести начинает постепенно возрастать. Центр давления на днище перемещается к носу и вследствие этого увеличивается диферент лодки на корму.

С дальнейшим увеличением скорости угол атаки и водяное сопротивление, возрастая, достигают своего максимального зна­чения (критическая скорость), всплывание центра тяжести резко возрастает — наступает переходный или критический режим.

Борта лодки постепенно очищаются от воды, которая сры­вается с днища по скуле.

Расстояние между гребнями поперечных волн постепенно воз­растает, волны делаются более пологими из-за быстрого умень­шения статической осадки. С задней кромки редана срываются две волновые стенки, замыкающиеся за кормой, и образуют при этом бурун (фонтанчик), удаляющийся от редана с увеличе­нием скорости. Бурун, отставая от кромки редана, при этом совпадает с первым гребнем поперечной волны. Второй редан лежит во впадине от первого. Это обусловливает большие углы диферента.

При критическом режиме гидродинамические силы имеют величину одинакового порядка с гидростатическими силами. Необходимо заметить, что этот режим, вследствие характерного для него максимума водяного сопротивления, является наиболее существенным при разбеге гидросамолета.

При дальнейшем увеличении скорости наступает режим глиссирования (гидропланирование), при этом среднее по­гружение лодки (осадка по редану) делается настолько незначи­тельным, что гидростатическими силами можно. пренебречь. Основными силами поддержания будут теперь динамические подъемные силы.

Смоченная площадь уменьшается, и центр давления опять начинает приближаться к редану, вместе с этим уменьшается и угол атаки днища. Второй редан отрывается от воды. Нагрузка на воду падает приблизительно пропорционально квадрату ско­рости; вместе с ней, как правило, падает и водяное сопроти­вление лодки.

В то время, как при критическом режиме сопротивление обу­словливается затратой энергии на волнообразование, теперь большее относительное значение приобретает сопротивление

Рис. 50. Выход гидросамолета иа редан

трения. Вся картина волнообразования в значительной степени видоизменяется. Волны уменьшаются. Брызги низко стелются над водой (рис. 56).

При очень малых диферентах иногда появляется неустойчи­вость при глиссировании, приводящая в некоторых случаях к преждевременному выбрасыванию лодки из воды, когда подъ­емная сила крыльев еще недостаточна для полета гидросамолета (барсы). Продольная неустойчивость также часто наблюдается в момент отрыва второго редана (дельфение).

Силы водяного сопротивления при переходе из движений пла­вания к глиссированию возникают вследствие изменения харак­тера обтекания водой плавательных приспособлений. При скоростях плавания равнодействующая R сил водяного сопроти­вления близка к горизонтальному положению; местное увеличе­ние скорости относительно средней части корпуса способствует

подсасыванию, понижению уровня свободной поверхности и уве­личению осадки против нормальной. Перед моментом перехода на режим глиссирования происходит увеличение диферента на корму, вызванное смещением заднего ската носовой волны к корме, а переднего ската кормовой волны — за корму. Вслед­ствие изменения диферента изменяется картина обтекания: днище начинает испытывать большие нормальные давления, которые отклоняют силу водяного сопротивления от её начального гори­зонтального положения и создают вертикальную составляющую.

Равнодействующую водяного сопротивления (рис. 57) можно раз­ложить на две силы: одну, направленную по направлению движе­ния, и другую — перпендикулярно ему. Вертикальная составляю­щая волнового сопротивления называется гидродинамиче­ской силой поддержания А, а горизонтальная соста­вляющаяся силой гидродинамического сопротивле­ния Ж

Таким образом, рассмотренные ранее группы сил приведены нами к двум силам А и Ж

Из рис, 57 сила поддержания будет выражаться

4 == Д-COS %

и сила сопротивления
	W — JCsin а	(23)
или
	W = A-tg а,	(24)

где а — угол атаки днища.

Теоретическое исследование позволяет вывести следующую закономерность этих сил, а именно:

1) гидродинамическая сила поддержания не зависит от длины и формы всей глиссирующей поверхности, а определяется лишь шириной и формой реданного сечения и углами наклона, состав­ляемыми поверхностью в реданном сечении с направлением движения; она изменяется пропорционально квадрату скорости движения;

2) хотя величина силы поддержания зависит исключительно от условий при редане, положение точки приложения этой силы определяется формой всей глиссирующей поверхности;

3) величина гидродинамического сопротивления зависит не только от формы и наклона днища у редана, но и от изменения этой формы на протяжение всей поверхности; сила сопротивле­ния изменяется пропорционально квадрату скорости движения[4].

Однако большое разнообразие обводов плавательных приспосо­блений, результатом чего является сложность процессов обте­кания подводной их части, ведет к затруднениям при решении практических задач методами гидромеханики.

Даже простейшие задачи о глиссировании плоской пластины конечной ширины, дающие в результате своего решения про­стые формулы и устанавливающие закономерность движения, требуют в итоге в каждом частном случае введения опытных коэфициентов на основе экспериментальных исследований. Таким образом, при определении водяного сопротивления эксперимент так же необходим, как и в аэродинамике.

Аэродинамические исследования проще в том отношении, что они связаны с изучением обтекания тел, окруженных со всех сто­рон однородной средой — воздухом, в то время как плаватель­ные приспособления гидросамолета движутся по поверхности раздела двух сред: воздуха и воды. Кроме этого, в зависимости от веса на воде и диферента плавательные приспособления имеют различную форму погруженной части.

Эта переменность формы для одного и того же гидросамолета в зависимости от режима движения вносит новый аргумент в его гидродинамическую характеристику. Следовательно, для получе­ния полной характеристики плавательных приспособлений тре­буется получение не одной кривой, а целого семейства их.

Снятие характеристик плавательных приспособлении произ­водится путем протаскивания моделей в специальных опытовых каналах.

Бассейн для испытания моделей гидросамолета обычно предста­вляет собой железобетонный канал с открытой водной поверхностью длиной 200—300 м, шириной 8—12 м и глубиной 4—б м. Испы­тание производится буксировкой модели при помощи тележки, перемещающейся по проложенному с большой точностью рельсо­вому пути.

Тележка перемещается с помощью электромоторов. Измерения во время испытания выполняются автоматически — самопишу­щими приборами на части всего пути с момента установления постоянной скорости движения до начала торможения. Макси­мальная скорость тележки до 15—20 м/сек.

Установка модели производится в доках, расположенных в голов­ной части канала; противоположный конец канала имеет специаль­ное устройство для погашения волн во время испытания.

Таким образом, после изготовления модели (обычно путем отливки из парафина) на нее наносится нормальная ВЛ, и модель взвеши­вается. Для достижения требуемого водоизмещения модель нагру­жают или разгружают, пока не будет достигнута ее диферентовка по нанесенной ВЛ.

Самый процесс буксировки может быть осуществлен либо при ускоренном движении модели, либо с выбранной постоянной скоростью.

Для увеличения сходства с условиями движения гидросамолета модель крепится к тележке так, чтобы тяга была на линии дей­ствия винтомоторной группы гидросамолета.

Испытание модели в бассейне не дает возможности осуществить все условия разбега гидросамолета в виду того, что:

а) построить точную копию действительного гидросамолета с крыльями, винтами и оперением (как это делается для аэро — динамичесвих исследований) и осуществить его протаску невоз­можно; обычно проводят исследования только над плавательными приспособлениями;

б) действительный гидросамолет при разбеге двигается с пере­менной скоростью, в канале же модель испытывается для полу­чения точных отсчетов с постоянной скоростью, а следовательно, ускорение отсутствует.

в) диферент модели определяется только гидродинамическими силами; диферент» же гидросамолета, кроме этого, зависит и от аэродинамических сил;

г) продольное раскачивание гидросамолета в известной мере тормозится действием хвостового оперения; у модели это отсут­ствует;

д) в канале влияние волн на сопротивление и диферент модели не учитывается, тогда как действительный гидросамолет большей частью эксплоатируется при наличии волны и ветра.

Однако других способов исследования плавающих приспособле­ний гидросамолета в настоящее время не существует и прихо­дится пользоваться при исследовании взлета и посадки полу-

чаемыми при протасках данными. Полученные при буксировке записи Приборов после обработки позволяют построить графики, характеризующие гидродинамические качества плавательых при­способлений.