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.
Изготовил легкие подводные крылья (из алюминия толщиной 1 мм, 6 шт. на фото слева).
Установил их на текущую основу.
Испытал все это на воде. Результаты - смешанные. С одной стороны, есть мощная сила тяги (такая что при вытягивании катамарана назад нить в кожу пальцев врезается).
С другой стороны - поднятие на крылья не происходит. Точнее - происходит лишь частично, поднимается корма судна (и то - ненадолго). Нос - не поднимается.
Подумал, что можно два передних крыла увеличить. Создать на них больше подъемной силы - путем добавления подводной поперечной планки, соединяющей их между собой. Возможно, тогда нос так же поднимется над водой - и катамаран пойдет таки над водой (на одних подводных крыльях).
Надо бы с этими доработками до заморозков успеть (пока лед водоемы не сковал 😃)
Добавил дополнительные плоскости (цифра “1”) и два боковых крыла (цифра “2”).
Цель установки плоскостей - увеличивать подъемную силу. Предназначение дополнительных крыльев - так же генерировать подъемную силу + обеспечивать боковую устойчивость в движении (препятствовать опрокидыванию модели вбок).
Демонстрация того, как именно наклонены крылья относительно направления движения модели.
Предполагаю, что данного количества плоскостей (подводных крыльев) точно хватит для того, чтобы катамаран “полетел”. Судя по достигнутой ранее скорости под парусами (оценил бы ее в 3-4 км/час при ветре в 5-7 м/с) - рассчитываю, что получится осуществить “взлет” (движение над водой на подводных крыльях) на скорости в 3 км/ч. Выдаваемой мощности парусами должно быть достаточно (и даже - с небольшим запасом) - сужу об этом по предыдущим испытаниям.
Количество генерируемой подъемной силы должно хватить для перекрытия силы тяжести (масса катамарана равна примерно 600-650 граммам).
Боковую устойчивость (заваливание вбок, устойчивость от опрокидывания) должны обеспечить боковые крылья.
Теоретические предположения свои я озвучил. А что покажет практика - увидим 😃 Жду ветра - но на ближайшие дни по прогнозу штиль (ветер 1-2 м/с максимум).