Модель на подводных крыльях - парусный катамаран, hydrofoil

Volmir

Хочу поделиться своим опытом по поводу создания модели катамарана на подводных крыльях. Вдохновили меня вот такие вот катамараны, которые с огромной скоростью элегантно летели над волнами:

На видео, в жизни это выглядит следующим образом: World's Most Advanced Hydrofoil Boats Fly Above Water

Часть 1. Теория.

Я много (и долго) покопался в Интернете и таки немного разобрался, что это такое и как оно работает.

Все крыльевые схемы кораблей на подвод­ных крыльях делятся на малопогруженные, глубокопогруженные и их комбинации.

Малопогруженные крыльевые схемы обеспечивают регу­лирование подъемной силы за счет изменения (увеличения или уменьшения) подъемной силы крыла. При приближении крыла к поверхности воды — первая группа крыльев, за счет изменения площади погруженной части крыла — вторая группа крыльев, за счет принудительного изменения угла атаки подводного крыла — третья группа крыльев.

Различают следующие схемы расположения крыльев на корпусе корабля (рис. 2.8): «тандем», «самолетная», «утка».

В схеме «тандем» могут применяться два плоских малопогруженных крыла, два глубокопогруженньгх, два V-образных или носовое V-образное, а кормовое плоское, а также другие их комбинации. Каждое крыло несет около половины (40—60%) весового водоизмещения корабля.

В схемах типа «самолетная» и «утка» крылья имеют разную глубину погружения. Наиболее погруженное крыло является главным несущим крылом, которое воспринимает 80—90% весового водоизмещения. Другое (малопогруженное) крыло служит как стабилизатор. В «самолетной» схе­ме главным является носовое крыло, в схеме «утка» — кормовое.

За основу для проектирования (воплощения на практике) я решил взять примерно такую модель (см. фото ниже). Но - выбрал малопогруженную крыльевую схему с тандемным расположение крыльев. Регулировка подъемной силы - за счет изменения площади погруженной части крыла. Т.е. это самое элементарное, что можно сделать без расчетов и максимально быстро и просто.

Желающие более подробно погрузиться в теоретические основы - добро пожаловать в “читальный зал”.

Источники использованной литературы, ссылки:

  1. sudomodeli.masteraero.ru/yaxta_model-9.php
  2. flot.com/publications/books/shelf/conning/12.htm
  3. ru.wikipedia.org/wiki/Судно_на_подводных_крыльях
  4. www.barque.ru/…/underwater_wings_yacht
  5. Летящие над волнами - суда на крыльях
Volmir

Часть 2. Практика

Пропишу цели, которые я хочу достичь:

  • прочувствовать (на практике) как работает подъемная сила крыла в водной среде
  • создать простейшую модель, которая реализует это в материале, на воде
  • испытать все это самому, пережить этот опыт

На цель “создать рабочую копию” современного парусного катамарана с подводными крыльями я не замахиваюсь - так как оцениваю ее достаточно сложной, длительной в реализации, ресурсо-, финансово- и материалоемкой. Но если получится это реализовать - буду рад 😃

Радиоуправляемые модели я так же пока не буру во внимание - так как радиоуправление - это отдельный контур, подсистема, по сути мало что лично мне дающая. Да, прикольно, но и дополнительные расходы (времени, материалов и денег) она несет немало (точнее - много).

На данный момент я лично выбираю запуск моделей, которые вытягиваются назад на веревке.

После “загрузки” теорией я начал воплощать идеи на практике. Как писал выше - выбрал малопогруженную крыльевую схему с тандемным расположение крыльев. Регулировка подъемной силы - за счет изменения площади погруженной части крыла.

В 3Д программе начертил крылья и сборный копрус катамарана (из фанеры).

Все компоненты - заказывал резку на лазере и доставку почтой. Пенопластовые поплавки вырезал и шкурил/красил сам. Подводных крыльев сделал три разных набора (по ширине). Предполагаю таким образом (путем замены комплектов) - добиваться необходимой подъемной силы, подбирать ее экспериментально.

Мачту реши попробовать сделать Л-образную. Пишут, что ее преимуществом является устойчивость в поперечном сечении, и - минимальное количество вант-оттяжек. Делал ее наборной из бамбуковых шпажек. В результате мачту много раз дорабатывал - ей не хватало жесткости. Пока ферма (набор треугольников) не сделал - гнулась она во всех направлениях.

Volmir

Паруса - пленка для цветов. Стандартная схема расположения и натяжения (как у яхт). Использовал свой прошлый опыт и быстро собрал весь комплект (стаксель + грот).

Характеристики:

  • Площадь парусов: 10 кв. дм.
  • Площадь крыльев-швертов: 1/10 от площади парусов.
  • Общий вес модели (в сборе): 520 гр.
  • Длина х Ширина х Высота: 500 х 400 х 600 мм

Кили-шверты-крылья расположены симметрично относительно центра тяжести. Они наклонены под углом 5 градусов - чтобы создавать подъемную силу в воде.

Volmir

Идеи после долгого обдумывания сложной задачи 😃

Как говорят, что при продолжительном обдумывании (неск. дней, недель, месяцев) сложной задачи могут родиться новые мысли и идеи.

Задумал я работу над катамараном примерно полтора месяца назад. И - вот что мне пришло в голову на днях. Я понял, что: можно разделить одну большую цель (создание катамарана на подводных крыльях) на две поменьше:

  1. Создание корпуса судна с подводными крыльями.
  2. Установка двигателя на этот корпус (который будет приводить в движение этот корпус).

Отлаживать корпус, крылья (их вид, количество, угол наклона, расположение, размер и т.п.) можно на модели. Тестировать эту модель можно независимо от применяемого двигателя/движителя. И даже - в его отсутствие.

Здесь (барабанная дробь) на сцену появляется понятие "опытный бассейн для испытаний моделей судов".

Т.е. в простейшем случае можно буксировать корпус, и смотреть - достигается ли устойчивый эффект парения над водой или нет. А уже паруса на этот корпус ставить, или гребной винт, или воздушный винт, или водомет и т.п. - это следующий этап.

Volmir

Планирую в ближайшее время испытать на воде то, что построил и собрал ранее.

Буду рад услышать идеи, замечания, предложения, критику, похвалу и т.п. по озвученным выше мыслям от других участников форума.

Volmir

Испытал модель на воде.

Часть 1 - парусный катамаран.

С этим дела обстоят плохо - модель зарывается носом в воду. Причина - недостаточный объем поплавков для вывода модели наверх. Весь корпус погружен в воду. Паруса работают - но сдвинуть, протолкнуть корпус сквозь воду не могут.

Площадь парусов недостаточна - ветер в 12-14 м/с не может ее перевернуть (т.е. устойчивость и масса слишком велика).

Volmir

Часть 2 - модель на подводных крыльях.

Вот здесь все немного поинтереснее. Я срезал все ванты и мачту. Оставил только корпус и, привязав веревку к носу модели потащил ее вперед. Т.е. придал ей достаточную скорость и силу, чтобы можно было посмотреть - выйдет ли она в режим полета над водой или нет.

Удивительно - но модель “полетела”!

Ненадолго - так как отрезок пути был небольшой, но - поднялась над водой на крыльях. На фото это было сложно заснять - но тем не менее приглянувшись - можно рассмотреть как модель приподнялась до начала изгиба крыльев.

Далее я продолжил запуски в режиме “испытания в опытном бассейне”, работая в качестве подвижной тяговой платформы и измерителя одновременно 😃

Но, так как для этого я забрасывал модель в воду буквально, как сеть/камень (а потом тянул за веревку вдоль берега) - не выдержали места крепления крыльев к корпусу. Поломка. Причина - многочисленные удары крыльями об воду и врезание передних плавников в песчаный берег на финише.

Довольный и немного усталый я прекратил испытания. Сам момент подъема модели на подводных крыльях очень воодушевляет (когда это наблюдаешь). Силу для этого надо относительно большую - не знаю даже, какой парус может такую тягу создать.

В момент “взлета” над поверхностью воды требуемое усилие тяги уменьшалось (отметил это по своим ощущениям).

Volmir

Обдумал еще раз тему “hydrofoil”, посмотрел опыт других людей - понял, что тема эта не так проста как кажется на первый взгляд.

Ссылки на различные реализации и вариации на эту тему:

  1. www.rcgroups.com/forums/showthread.php?2180752-Ame…
  2. Can a HYDROFOIL Fly like an Airplane???
  3. rc-network.de/…/international-ac-62rc-class.488819…
  4. Катер на подводных крыльях. Возобновление темы. #35
  5. что такое гидрофоил (hydrofoil) или подводное крыло. из чего он состоит и как он работает.
Volmir

Отремонтировал поломку крыльев, добавил еще одну их пару (теперь их стало 6 шт. - по 3 с каждой стороны). Т.е. площадь подводных крыльев (на единицу массы модели) возросла. Значит - она (модель) должна будет подыматься над водой при меньшей скорости (но, большем тяговом усилии - закон сохранения энергии никто не отменял).

Проверил эту теорию на практике - да, все так и есть (даже и не удивительно где-то). Достаточно задать модели небольшую скорость - и она “выходит на крыло” над водой. Требуемая тяга при этом уменьшается. Самобалансировка положения модели в движении так же происходит, как и должна (в поперечном направлении).

Вот здесь наглядно сфотографировал наклон крыла на 5 градусов вперед. Т.е. таким образом создается подъемная сила.

Volmir

Немного нестандартного, современного подхода в теме конструирования и моделирования. Решил я попробовать рассчитать, модель какой массы могут поднять сделанные мной подводные крылья (для разных скоростей).

Т.е. чтобы не экспериментировать натурно, а - немного расчетов предварительных сделать. Вычислил площадь подводных крыльев - получилось 200 кв. см. А далее - обратился к чат GPT - узнал у него по какой формуле вычисляется подъемная сила, и какие исходные данные нужны для этого.

Получи следующие расчеты:

Скорость модели | Подъемная сила


  • 3 км/ч - 3,47 Ньютонов (354 грамм)
  • 4 км/ч - 6,17 Ньютонов (630 грамм)
  • 5 км/ч - 9,65 Ньютонов (986 грамм)

Скриншоты моего “общения” с нейросетью прилагаю:

Volmir

Переделал немного модель:

  • вдвое увеличил объем поплавков (нарастил их в высоту)
  • немного увеличил площадь и форму парусов
  • поставил шверты и рули (вместо подводных крыльев)

Масса модели сейчас составляет 440 грамм. Рули и шверты - алюминий толщиной 2 мм. А с тройными подводными крыльями из стали (ка было ранее) - масса составляла около 670-700 грамм.

Понимаю, что площадь парусов недостаточна для заплыва в тихий ветер. Но площадь парусов завязана на высоте мачты, ее обвесе, способах ее крепления и т.п. Буду испытывать в средний и сильный ветер.

Планы - для начала испытать текущую модель на воде. Если расчеты по генерированию подъемной силы верны (см. мой пост выше) и на воде будет достигнута скорость примерно в 5 км/час (и более) - то можно будет создать более легкие подводные крылья (рассматриваю алюминиевые пластины толщиной 0.9 мм). Поставив легкие крылья на текущую модель можно будет ожидать, что она “поднимется над водой”, перейдет в режим “hydrofoil”.

Если же “нет” (т.е. скорость модели в данными парусами не превзойдет порог в 4 км/час) - то предполагаю более кардинальную замену мачты/парусов: увеличение площади парусов, их формы/крепления.

Может даже - и замена мачты потребуется. Кстати - буду признателен за идеи по модернизации мачты. Что с ней можно сделать? Варианты:

  • поставить наверху мачты некий крюк (под углом 90 градусов, параллельно палубе - не знаю как он называется) - который смотрит в сторону кормы и позволяет установить грот большей площади. Грот более квадратным в этом случае получается. Также этот крюк-оттяжка позволяет ахтерштагу не задевать за парус.
  • увеличить высоту мачты (на 1/4 - 1/5 часть примерно). Это позволит установить треугольные паруса большей площади.
  • изменить тип мачты с “Л-образной” на классическую “мономачту”. Но возникнет множество вопросов с ее закреплением на модели. Гик надо будет к ней делать и т.п.

В общем - рассматриваю варианты, открыт для новых идей в этом плане.

SAN
Volmir:
  • поставить наверху мачты некий крюк (под углом 90 градусов, параллельно палубе - не знаю как он называется

Гафель
Но он не параллельно палубе а градусов 45 (плюс-минус). Крепится чуть ниже верха мачты и оттяжка к верху мачты

Volmir

Гафель, тоже вариант, кстати. Я о нем не подумал.

Для него надо делать точку крепления (шарнир), чтобы он мог проворачиваться вправо-влево относительно продольной оси симметрии копруса? Т.е. как бы повторять повороты паруса - и, при этом, держать парус в натяжении? Конструктивно гафель должен работать как гик?

Я имел в виду черную штучку вверху мачты для крепления оттяжки архтерштага, вынесения ее назад (как на изображениях ниже).

Volmir

Модифицировал парус - сделал его гафелем 😃

@SAN - спасибо за идею! 😃

Теперь уже есть надежда, что площади парусов будет более-менее достаточно для обеспечения прироста скорости модели.

Volmir

Провел испытания новой версии модели. Сила ветра была порядочная: 5-7 м/с с порывами до 8-9 м/с.

Положение ЦП/ЦБС нашел оптимальное - в движении катамаран движется прямо. Площадь парусов: 1200 кв/см. Площадь швертов/килей: 100 кв/см. Соотношение парусности к погруженным поверхностям: 12:1 соответственно.

Результаты:

  • бейдевинд парусник не идет (его как-бы сносит вбок).
  • галфинд - идет, наиболее стабильный курс.
  • бакштаг/фордевинд - идет, но при малом/среднем ветре. Во время сильных порывов ветра - зарывается в воду и хочет сделать переворот через нос.

Я столкнулся с кучей противоречий и вопросов по результатам испытаний:

  • Л-образная мачта - это удобно (с одной стороны), но она не позволяет крепить жестко паруса (+ требует сложной формы с распорками в виде фермы).
  • паруса жестко не закреплены - в результате ветер их загибает и скручивает как хочет: придать форму крыла им становится очень сложно. Паруса принимают не оптимальную форму.
  • грот и стаксель (в данной реализации) работают сами по себе, отдельно друг от друга (набегание потока от стакселя на грот происходит лишь в очень узком диапазоне углов положений парусов).
  • корпус я выбрал “скоростной” формы, малой погруженной площади и небольшого объема сечения (для быстроты хода), но на некоторых курсах (бакштаг/фордевинд) его выталкивающей/поддерживающей способности не хватает.

Конечная цель (модель катамарана “летит” на подводных крыльях по поверхности воды, воспроизведение явления “hydrofoil) требует очень точного подгона/балансирования соотношением всех элементов модели:

  • итоговой финальной массы
  • материала, формы и площади подводных крыльев (создания ими подъемной силы)
  • формы, положения и площади парусов (как источника движения)
  • выбор объема и формы корпуса
  • работ по взаимоувязке всех компонентов (и учитывание их влияния друг на друга)
  • обеспечение устойчивого движения при различных скоростях (от начальной до максимальной)
  • правильный изначальный выбор конструкции, наличие чертежей, материалов и проведения работ по сборке
  • и т.п.

Примерное копирование (“на глазок”) не работает - слишком много нюансов. Сложность задачи достаточно велика для меня.

SAN

Аж завидую как вас зацепило
И как быстро прогрессируете
Удачи!

21 days later
Volmir

Решил я далее экспериментировать с текущей платформой - задумал поменять количество и тип мачт на катамаране, добавить парусов. За основу взял вот такой тип парусного вооружения:

Так же захотелось расширить используемые приемы/технологии. А именно - сделать мачты из стеклопластика, дать возможность быстро снимать/устанавливать ванты (растяжки мачт). Подверглись модернизации корпуса и форма поплавков.

В результате парусник (в текущей конфигурации) получился следующим:

Вот детали отдельных узлов:

Общая задумка следующая:

  • увеличить тягу путем увеличения площади парусности.
  • поэкспериментировать с соотношением площади парусов (и их формой) к площади основания парусника (точками опоры его об воду).
  • запускать катамаран курсом галфвинд/бакштаг/фордевинд (на движение курсом бейдевинд я не рассчитываю при такой площади парусов и их форме).
  • если тяга/скорость будут достаточные - то тогда устанавливаю на модель подводные крылья и запускаю на воду: ожидая, что катамаран выйдет на режим “полета”/“парения”.