Увеличение «зоопарка» крыльевых систем ставит новые вопросы: какие крылья предпочесть для лодок того или иного типа, как быть с сертификацией и нужны ли новые научные исследования в этой области?
В последние годы интерес к судам на подводных крыльях — как спортивным, так и широкого назначения, — существенно возрос. В обзорной статье «Зачем яхте крылья?» мы коснулись истории появления подводных крыльев и рассказали о таких интересных лодках, как Foiler, SEAir и Princess R35. И вот сейчас решили вернуться к этой теме по двум причинам. Во-первых, на рынке продолжают появляться новые, весьма новаторские лодки вроде шведской Candela Seven, а во‑вторых, в индустрии начали понимать, что очень скоро потребуется навести порядок в этой группе судов, а значит, нужно разрабатывать новые стандарты, подкрепляя их научными данными.
Остроконечники и тупоконечники
Известная аллегория Джонатана Свифта вполне применима к двум «школам» проектировщиков судов на подводных крыльях. Никакой войны между ними, конечно, нет, но идеологические расхождения все же присутствуют. Речь идет о сторонниках активных систем, где бортовой компьютер в зависимости от положения корпуса постоянно воздействует на находящиеся под водой крылья, и апологетов пассивных систем, в которых крылья сложной геометрии пересекают поверхность воды, задавая позицию судна в пространстве и его динамическую остойчивость. При этом у каждой из школ есть свои плюсы и минусы.
Активная крыльевая система, примененная на катере Candela Seven, напоминает крылья современного самолета: крупное несущее π-крыло расположено близко к центру тяжести судна, а в «хвосте» оборудовано второе, Т-образное, крыло меньших размеров. Во время стоянки и на мелководье крылья подняты, а перед использованием они опускаются; в нижнем положении стойки переднего крыла жестко фиксируются шплинтом (электропривод). Гидравлические приводы двигают стойки вперед и назад, обеспечивая заданное скручивание карбонового крыла. Его соединение со стойками имеет две степени свободы, при этом наибольшее расхождение «ног» в нижней точке достигает 200 мм. Такая конструкция позволяет на ходу регулировать крен и остойчивость лодки, не уводя ее при этом в поворот.
Чтобы точно и быстро управлять геометрией крыла, разработчикам потребовалось оснастить лодку целым набором сенсоров и написать сложное программное обеспечение, которое «крутится» на сравнительно мощном бортовом компьютере. На форштевне Candela Seven установлены два ультразвуковых приемопередатчика, которые посылают импульсы строго вниз. Ультразвук отражается от поверхности воды, система измеряет время, за которое сигнал вернется к датчикам, и вычисляет расстояние до воды. По сути, для оценки этого параметра достаточно одного датчика, однако дублирование нужно, чтобы исключить возможные помехи, возникающие, например, во время дождя. В этом случае компьютер на лету вычисляет, какой из датчиков дает верные показания, а какой врет. Чтобы учесть влияние волн, на борту предусмотрены три датчика ускорений, а за креном следят три гироскопа, размещенных максимально близко к центру тяжести. Довершают этот набор два GPS-приемника. Благодаря такому дублированию система продолжит работать при выходе из строя одного из датчиков, а если вдруг электрика полностью откажет, то можно будет вернуться в марину без задействования крыльев, как на обычном катере.
Здесь нужно сказать несколько слов о подвесном моторе Candela Seven. В его основе — стандартный электродвигатель словенского производства мощностью 55 кВт, к которому для охлаждения подведена морская вода (алюминиевый радиатор). Управляют положением этого кастомного подвесника в карбоновых «доспехах» гидравлические цилиндры. Один (по правому борту) поднимает и опускает мотор, еще два на ходу меняют угол атаки кормового крыла, что позволяет контролировать дифферент, когда, скажем, пассажиры в кокпите пересели. Наконец, четвертый, расположенный под кожухом, цилиндр обеспечивает изменение курса. «Ногу» и редуктор подвесника компания тоже разработала сама, поскольку «стандартные решения для бензиновых подвесников довольно крупные и работают недостаточно эффективно». По словам Густава Хассельскога, конструктора и генерального директора Candela, мощность порядка 40 кВт нужна лодке лишь для выхода на глиссирование, а уже на 20 узлах требуется всего 16 кВт.
В чем же заключаются аргументы адептов активных крыльев? «Такие лодки, как Foiler, Quadrofoil и SEAir, используют простейшие системы с крыльями, пересекающими поверхность воды, — говорит Густав Хассельског. — Их принцип таков: когда судно кренится, опорная площадь крыла увеличивается и крен компенсируется, то есть имеет место самоподстраивающаяся конструкция. Однако проблема в том, что при этом лодка в повороте всегда будет крениться наружу, и если за штурвалом неопытный рулевой, то она легко перевернется. Достаточно посмотреть видеозаписи испытаний Quadrofoil, где норвежский журналист, дважды опрокинув судно, задается вопросом: в этом ли заключается будущее яхтинга? Кроме того, я считаю, что эффективность катеров с такими крыльями на практике оказывается ниже. Взять тот же Foiler: если бы это была обычная глиссирующая лодка, то ей требовалось бы меньше энергии, чем с крыльями».
.jpg)
Таким образом, в Candela уверены, что для скоростных, в особенности электрических моторных лодок нет смысла использовать прижившиеся на парусниках пассивные крыльевые системы, которые Густав Хассельског считает не более чем красивой маркетинговой уловкой, призванной привлечь внимание людей, уставших от однотипных катеров.
Управляемые крылья, продвинутая электроника, программные алгоритмы, позволяющие «отфильтровывать» волны, трансляция телеметрии в облако через сотовую сеть — все это, конечно, здорово, но на другой чаше весов лежит стоимость конечного продукта, и тут пассивные крыльевые системы оказываются в приоритете благодаря своей простоте и доступности.
Хороший пример — проект Foiling Dinghy от компании Advanced Sailing Technologies (Потсдам). По словам ее директора и главного конструктора Тило Келлера, управлять этой лодкой не сложнее, чем швертботом Laser, при этом «полет» на крыле остается контролируемым и прощает даже серьезные ошибки со стороны шкипера, не приводя к печальным последствиям. Подготовка лодки «к бою» занимает не более десяти минут, карбоновые шверты-крылья автоматически подстраиваются во время движения благодаря запатентованной конструкции, а совмещенный с кормовым Т-образным крылом руль с румпелем позволяет контролировать дифферент. Стоит такая технологичная игрушка 12 990 евро, то есть примерно вдвое больше «Лазера», тогда как за 245 000 евро, которые просят за Candela Seven, можно приобрести чуть ли не пять быстроходных катеров. Сторонники пассивных крыльев выдвигают в качестве аргументов не только относительно невысокую стоимость таких систем, но также простое облуживание и сравнительно недорогой ремонт.
Слово за наукой
Основной объем научно-исследовательских работ, связанных с крыльевыми системами судов, был выполнен в 1960—1970-е годы, и даже спустя полвека их результаты ложатся в основу новых проектов. Однако с тех пор кое-что изменилось. Во-первых, благодаря инновационным материалам теперь можно строить гораздо более легкие корпуса с обводами сложной формы. Во-вторых, современная вычислительная техника позволяет создавать более совершенные системы управления крыльями, которые моментально реагируют на встречу с волной на высоких скоростях. А раз так, настало время провести новые изыскания, одним из инициаторов которых стал Морской научно-исследовательский институт Нидерландов (MARIN), запустивший соответствующую программу.
«Спонсорами этого многолетнего исследования, помимо MARIN, выступят государство, научные фонды и яхтенная индустрия, — рассказывает его руководитель Франсиско Монтеро. — Мы опробуем новую форму сотрудничества — общий отраслевой проект, реализуемый на взносы партнеров. Это выгодно всем, поскольку, заплатив, скажем, 20 000 евро, компания-участник получит доступ к результатам исследований стоимостью, быть может, четверть миллиона».
MARIN анонсировал «крыльевую» программу во время Monaco Yacht Show 2019, и к ней сразу возник высокий интерес. Начальный этап исследований рассчитан на два года, а продолжение будет зависеть от желания партнеров. На выходе исследователи планируют получить близкие к полной оптимизации крылья, которые потребуют минимальной адаптации под конкретный корпус.
«Мы проведем серию системных экспериментов, но не методом случайной выборки, как раньше, а с оптимизацией, — поясняет Франсиско Монтеро. — Ведь одним нужны крылья для максимально быстрого выхода на глиссирование, другим — с минимальным сопротивлением, третьим — с высокой остойчивостью. Именно эти конкретные условия определят пространство проектных параметров. Мы не только изучим традиционные параметры вроде сопротивления и подъемной силы, но сможем воздействовать на движущееся крыло и оценивать, как внешние силы влияют на угол атаки в динамике. Кроме того, у нас есть возможность проделать все это в опытовом бассейне с пониженным давлением и установить границы кавитации и вентиляции. Также мы попытаемся понять поведение крыла из эластичного материала. Ведь можно придумать крыло, которое при достижении слишком большой подъемной силы будет подгибаться и частично ее сбрасывать. Вероятно, для этого все равно понадобится некая система активного контроля, но требования к ней будут значительно ниже.
Большая часть сопротивления подводного крыла приходится на индуктивное сопротивление, которое пропорционально квадрату коэффициента подъемной силы, и поэтому современные легкие суда оказываются намного эффективнее. При столкновении с препятствием крылья должны мягко отламываться, а корпус — возвращаться в воду с минимально возможным ускорением. Мы уже проводили подобные исследования для заказчиков, проектировавших небольшие пассажирские суда на крыльях, и знаем, как подходить к этой проблеме.
.jpg)
Что касается самого материала, то это будет композит, позволяющий играть с эластичностью за счет изменения направления волокон. Правда, если он оказывается чрезмерно эластичным, на ходу по мере роста действующих сил может происходить деформация и поломка крыла, а также возникать вибрация.
Подобные прикладные работы сейчас нигде централизованно не ведутся: верфи проводят собственные изыскания в основном с помощью CFD, а в профильных университетах, например в Делфте, идут чисто научные проекты. Участники нашей программы договорятся, какие результаты и когда публиковать, чтобы все партнеры успели использовать свое конкурентное преимущество, однако рано или поздно все полученные данные станут открытыми, так как в исследования вкладывается и государство".
Вопрос сертификации
Действующая редакция стандартов EC/RCD на подводные крылья не распространяется, поэтому официально сертификат соответствия на такие лодки не получить. Впрочем, продавать их не воспрещается, а все необходимые испытания (в том числе проверку остойчивости) пока проводят без крыльев. По словам Яркко Паюсала, генерального директора финской ассоциации производителей прогулочных судов Finnboat, над интеграцией подводных крыльев в RCD уже работают — комиссия провела ряд встреч, однако какого-то однозначного результата пока нет, поскольку из-за обилия вариаций крыльевых систем причесать их под одну гребенку сложно.
Действительно, формально сертифицировать небольшие лодки с крыльевыми системами по RCD невозможно. Но если посмотреть на СЕ-сертификацию широко, то можно увидеть, что она покрывает множество самых разнородных продуктов. При этом производитель, выполнив ряд требований, в силах самостоятельно сертифицировать свои лодки по СЕ без привлечения независимых сюрвейеров или надзорного органа, хотя последний может захотеть проверить производственный процесс. В случае Candela Seven мы все же пригласили консультанта, который работает с другими шведскими верфями, и вместе с ним провели все необходимые процедуры для сертификации по стандартам RCD, хотя сам документ получить не удастся.
Тем временем прогулочные суда на подводных крыльях становятся победителями различных конкурсов. Пожалуй, больше всего наград собрала Candela Seven: международное жюри Best of Boats Award назвало ее лучшей (и единственной!) в номинации Best for Future, а журнал Boat International присудил ей 1-е место среди электрических тендеров для суперяхт. Более того, у «крылатых» лодок уже есть собственный конкурс Foiling Awards: победителей в восьми номинациях награждают во время конференции Foiling Week, которая проходит дважды в год в разных частях Италии. В феврале, помимо Candela, в число номинантов вошли такие заметные лодки, как AC75 Luna Rossa и SYRA NTFM-SYRA18. И если яхтсмены-парусники пока вынуждены использовать в основном пассивные крыльевые конструкции, то борьба остроконечников и тупоконечников за умы (и кошельки) покупателей моторных лодок на подводных крыльях только обостряется.
