Модель на подводных крыльях - парусный катамаран, hydrofoil
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:
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.
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.
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:
- Создание корпуса судна с подводными крыльями.
- 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.
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.
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).
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).
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:
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.
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:
Класс 👌 поздравляю 👉
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.
- 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
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).
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.
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.
Аж завидую как вас зацепило
И как быстро прогрессируете
Удачи!
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”.
Провел очередные испытания модели катамарана. Результаты - успешные (все что ожидал - оправдалось). Сила ветра была примерно 4-5 м/с. Увеличение площади парусности (и изменение ее формы, расположения - относительно предыдущего варианта) положительно сказалось на характеристиках (скорость, центровка, управляемость и т.п.).
Запускал модель всеми галсами:
- бейдевинд - успешно идет (хотя я и не ожидал такого результата!). Курсовой угол (между диаметральной плоскостью судна и направлением на ветер) определить было сложно, примерно “на глаз” он составлял 50-60 градусов. Скорость - достаточно резво.
- галфвинд, бакштаг - наибольшая сила тяги и наибольшая скорость (из всех испробованных сегодня). Все - как и пишут в учебниках/теории. Есть небольшие тенденции к опрокидыванию и перевороте через нос (при сильных порывах ветра) - предполагаю, это можно частично устранить удлинением поплавков (корпуса) на 1/5 - 1/4 части.
- фордевинд - идет относительно медленно, курс держит боле-менее стабильно, но иногда модель виляет вправо-влево. Паруса я поставил “бабочкой” (см. фото ниже).
Немного технических подробностей.
Вот так я закрепляю паруса и меняю им угол поворота (выдаю-вытравливаю) веревку. Сделал из двух саморезов подобие кнехтов - обматываю веревку вокруг них (как швартовы), потом - закрепляю резинкой от разматывания.
Вот так выглядит катамаран в собранном виде (для переноса и транспортировки). Помещается в пакет, весит 0.5 кг. Собирается на месте примерно за 3-4 минуты. Никакие инструменты не требуются - все на “быстросъемах” (разве что нож - обрезать нить крепления к катушке, за которую модель возвращается на берег).
Паруса установлены “бабочкой” для тестирования хождения модели курсом фордевинд.
Итоги и планы на будущее:
- модель относительно стабильна и развивает скорость, которой теоретически должно хватить для взлета на подводных крыльях (воспроизведения эффекта hydrofoil).
- буду покупать легкий алюминиевый профиль (полосу 0.9 мм ориентировочно), гнуть из него подводные крылья, устанавливать все это на модель и - испытывать.