Стабилизированный корпус однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна c серфирующей поверхностью.
STABILISED HULL OF A SINGLE-HULL KEEL SAILING/MOTOR-SAILING VESSEL WITH A SURFING SURFACE

Область применения.
Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при постройке и модернизации морских быстроходных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов с большой парусной энерговооруженностью, где используется единственный водоизмещающий узкий волнопронизывающий корпус.
Описание уровня техники.
Уровень техники в отношении судна с узким водоизмещающим корпусом был раскрыт в российском Патенте 2 623 348 с приоритетом от 24.12.2015., данное решение является новым конструктивным решением стабилизированного корпуса однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна c использованием в конструкции серфирующей поверхности.
Из российского Патента 2 708 813 с приоритетом от 15.08.2018., известно что “серфирование - это режим движения судна, при котором корпус своей формой, поджимает под себя набегающий водный поток, и создаёт его избыток под своим большим плоским днищем, где избыточный динамический водный поток самостоятельно распределяется, и формирует прослойку устойчивой формы большой площади между более статичной водной средой (ниже), и днищем корпуса (сверху) - эта прослойка «водная подушка», при этом судно скользит на водной подушке, а его вес распределён на всей её площади. Главной особенностью серфирования, по сравнению с другими скоростными корпусами, является отсутствие какого-либо влияния на набегающий водный поток, кроме его поджимания“, таким образом это позволяет развивать более высокую скорость.
Применительно к стабилизированному корпусу, раскрытому в Патенте 2 623 348, гидродинамическая подъёмная сила, создаваемая серфирующей поверхностью, размещённой на подветренной стороне корпуса, на ходу также позволяет существенно увеличить силу противодействия парусному крену, действующему на судно при средних и высоких силах ветра.
По своей сути, данное решение конкретизирует форму нижней поверхности корпуса, образующей верхний свод каждой из тоннельных полостей, известных из Патента 2 623 348, путём использования технологии серфирующей поверхности, известной из Патента 2 708 813. Размещая такие серфирующие поверхности между центральным корпусом и спонсонами, в такой конфигурации гидродинамическая подъёмная сила подветренной серфирующей поверхности работает однонаправленно с силой водоизмещения подветренного спонсона, усиливая в 2-ва и более раз момент противодействия парусному крену, при этом не создавая дополнительного ощутимого гидродинамического сопротивления.
Раскрытие изобретения.
Заявленное решение, по мнению заявителя, неизвестное из уровня техники, позволяет использовать серфирующую поверхность в конструкции однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов с единственным узким волнопронизывающим корпусом и с большой парусной энерговооруженностью, обеспечивая достижение технического результата, заключающегося в:
- стабильном управляемом движении однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна в режиме волнопронизывания - т.е. в водоизмещающем режиме малого волнового/гидродинамического сопротивления - как при наличии, так и при отсутствии парусного крена, при этом обеспечивая эффективное гашение энергии разбитой волны;
- обеспечении существенного упора и большого плеча его приложения, создающего пропорциональную силу противодействия парусному крену и раскачке корпуса;
- минимизации инерционных моментов, действующих на корпус;
- при критическом крене (положение “паруса на воде”), обеспечении самостоятельного восстановления судна на ровный киль.
В результате чего заявленный стабилизированный корпус, примененный на морском быстроходном однокорпусном килевом парусном/парусно-моторном судне с большой парусной энерговооруженностью (в 7-10м2 и более на тонну водоизмещения), обеспечивает, по сравнению с современным уровнем техники известном из Патента 2 623 348:
- существенное увеличение не менее чем в 2-ва раза, восстанавливающего момента корпуса противодействующему парусному крену, при средних и сильных ветрах.
Поставленная задача достигается тем, что стабилизированный корпус однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна известный из Патента 2 623 348, характеризующийся тем, что “корпус с общей шириной не более 50% его длины, который в своей нижней части:
- выполнен с продольно расположенной, симметричной относительно диаметральной плоскости судна и соизмеримой с его длиной, вертикально ориентированной узкой секцией малого волнового/гидродинамического сопротивления, с водоизмещающим сегментом, включающим киль с тяжелой бульбой,
- при этом отношение длины ватерлинии к ширине ватерлинии сегмента не менее 7-ми раз, с водоизмещением сегмента соответствующим полной снаряжённой массе судна,
- при этом узкая секция выполнена с волнопронизывающими обводами, высоким волнопронизывающим форштевнем, обтекаемыми задними обводами, и обтекаемым объёмным утолщением в своей передней верхней части,
- также включает два продольно ориентированных симметричных относительно диаметральной плоскости судна спонсона, расположенных выше ватерлинии по нижней поверхности корпуса на максимальной ширине корпуса, по отношению к длине корпуса расположение спонсонов может быть, как ближе к кормовой, так и к средней, либо к носовой частям корпуса,
- при этом отношение длины спонсона к его ширине не менее 7-ми раз, с собственным объемом достаточным для парирования парусного крена при погружении подветренного спонсона, но не достаточным для поддержания судна на плаву,
- при этом спонсоны имеют обтекаемую веретенообразную форму с волнопронизывающими передними, обтекаемыми задними и глиссирующими средними обводами.
- при формировании выше ватерлинии двух тоннельных полостей между узкой секцией и каждым из спонсонов, размера, достаточного для гашения энергии, разбитой форштевнем и спонсонами волны”.
При этом нижняя поверхность корпуса, образующая верхний свод каждой из тоннельных полостей:
- на всей своей длине, имеет нисходящую форму в направлении нос-корма,
- находится полностью выше ватерлинии при отсутствии парусного крена, таким образом обеспечивая режим «ненагруженного серфирования» малого гидродинамического сопротивления при наличии парусного крена,
- в передних 40% длины корпуса, имеет нисходящую форму, плавно перетекающую в нижнюю поверхность кормовой части корпуса, и имеет угол наклона относительно ватерлинии без хода не менее 4-х градусов,
- при этом, в задних 60% длины корпуса, имеет нисходящую форму, и угол наклона относительно ватерлинии без хода не более 4-х градусов, при этом имеет практически плоскую форму в своём поперечном сечении, где погруженная часть при парусном крене при средних и сильных ветрах является «серфирующей поверхностью» скользящей на водной подушке на ходу судна.
Краткое описание чертежей.
Заявленная конструкция стабилизированного корпуса поясняется приложенными графическими иллюстрациями.
На Фиг. 1 показан общий вид корпуса однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна 1 (мотор на чертежах не показан), где затемнением 2 отмечена его смоченная поверхность при отсутствии парусного крена - например, на ходу при полных парусных курсах или под мотором. Основными элементами являются верхняя часть корпуса 3, узкая секция 4 с волнопронизывающим водоизмещающим сегментом 5, правый 6 и левый 7 спонсоны, киль 8 с тяжёлой бульбой, перо руля 9, серфирующие поверхности 10 образующие верхний свод тоннельных полостей, передний высокий волнопронизывающий форштевень 11.
Детальное описание функционирования такой гидродинамической схемы, за исключением серфирующих поверхностей, известно из Патента 2 623 348.
На Фиг. 2 показана в деталях серфирующая поверхность подветренного правого борта корпуса (правый спонсон для наглядности иллюстрации не показан), которая в своих первых 40% длины имеет установочный угол не менее 4-х градусов, и в своих задних 60% длины имеет установочный угол не более 4-х градусов, при этом серфирующая поверхность практически плоская в своём поперечном сечении. Серфирующая поверхность не нагружена весом судна, и при отсутствии парусного крена находится над ватерлинией корпуса, таким образом подветренная серфирующая поверхность при средних и сильных ветрах, нагружается только силой парусного крена - это условие необходимо для обеспечения серфирования малого гидродинамического сопротивления.
Заявленный стабилизированный корпус может быть выполнен, например, из стеклопластика, других композитных материалов, дерева, металла, полиэтилена, и их комбинаций, и/или других материалов, принятых в судостроении.
На Фиг. 3 (вид спереди) проиллюстрирован принцип действия заявленного стабилизированного корпуса на различных режимах 3.1, 3.2 и 3.3, где показаны действия сил:
3.1 - при ходе без парусного крена (на полных парусных курсах или под мотором),
3.2 - при парусном крене на левый борт 15 градусов при средних и сильных ветрах,
3.3 - в положении критического крена “паруса на воде”,
где:
Ст - сила тяжести киля с тяжёлой бульбой,
Свс - сила водоизмещения подветренного спонсона,
Гпс - гидродинамическая подъёмная сила подветренной серфирующей поверхности,
Свк - сила водоизмещения корпуса,
Пу - плечо упора.
При этом размер стрелок, отражающих силы, не пропорционален их величине.
На 3.1 показано что при слабых ветрах, на полных курсах или под мотором, спонсоны расположенные на максимальной ширине корпуса обеспечивают большое плечо упора (Пу) приложения восстанавливающего момента силы водоизмещения спонсона (Свс) - тем самым корпус эффективно противодействует парусному крену и раскачке.
На 3.2 показано что при средних и сильных ветрах, подветренный спонсон погружен, и сила его водоизмещения (Свс) противостоит парусному крену, в то же время подветренная серфирующая поверхность погружена на свою рабочую глубину и эффективно серфирует, создавая гидродинамическую подъёмную силу серфирующей поверхности (Гпс), также противодействующую парусному крену. Таким образом Гпс дополняет Свс и их совместная работа позволяет более эффективно противостоять парусному крену. При этом как подветренный спонсон (т.к. обладает узкой волнопронизывающей формой), так и подветренная серфирующая поверхность (т.к. не нагружена весом судна), не создают ощутимого дополнительного гидродинамического сопротивления.
На 3.3. в положении “паруса на воде”, при критическом крене, водоизмещения подветренного спонсона недостаточно для поддержания судна на плаву, и он полностью затапливается - тем самым смещая центр водоизмещения ближе к диаметральной плоскости судна. Сила водоизмещения корпуса (Свк) приложена при этом таким образом, что обеспечивает самостоятельное восстановление корпуса на ровный киль.
На 3.4, 3.5 и 3.6 приведены иллюстрации известные из Патента 2 623 348. Из их сравнения с данным решением следует, что единственным и главным отличием данного решения по сравнению с корпусом известным из Патента 2 623 348, является наличие серфирующей поверхности в подветренной тоннельной полости, где серфирующая поверхность создаёт гидродинамическую подъёмную силу (Гпс) при средних и сильных ветрах (см. 3.2 и 3.5). По сравнению с корпусом известным из Патента 2 623 348, наличие такой Гпс увеличивает момент противостояния парусному крену в 2-ва и более раз. В остальных случаях (см. 3.1 и 3.4, 3.3 и 3.6), оба корпуса ведут себя аналогично.
Для однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов, заявленный стабилизированный корпус обеспечивает комбинацию применения узкой секции с единственным волнопронизывающим водоизмещающим сегментом с величиной относительного удлинения ватерлинии L/W WL в 7-мь и более раз (и соответственно использование преимуществ малого волнового/гидродинамического сопротивления, высокой мореходности и стабильности хода), и в тоже время (при высокой парусной энерговооруженности судна в 7-10м2 и более на тонну водоизмещения) эффективной системы стабилизации (а именно противодействия парусному крену и раскачке) для обеспечения статической и динамической остойчивости корпуса на уровне лучше чем у современных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов. Использование подветренной серфирующей поверхности создаёт дополнительную гидродинамическую подъёмную силу, противодействующую парусному крену, и её совместная работа с силой водоизмещения подветренного спонсона, обеспечивает эффективное парирование парусного крена при средних и сильных ветрах.
Что ведёт к увеличению расчётной скорости в водоизмещающем режиме в 2-ва и более раз, или (что аналогично) снижению в 2-ва и более раз энергозатрат (энергия ветра или мотора) необходимых для перехода однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна из точки А в точку Б.
При этом обеспечивая следующие характеристики на уровне современных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов: объём и удобство обитаемых отсеков и отличную управляемость.