Су́дно на подво́дных кры́льях (СПК) — судно, поддерживаемое над водной поверхностью при движении на эксплуатационном режиме гидродинамическими силами, возникающими на подводных крыльях«Справочник по управлению кораблём» под ред. А. А. Александрова. Глава 2.2. Корабли на подводных крыльях . М.: Военное издательство Минобороны СССР, 1974..
Находящиеся под корпусом подводные крылья создают подъёмную силу и частично или полностью поднимают корпус судна над поверхностью воды, что приводит к значительному уменьшению сопротивления движению и позволяет развивать скорость, недостижимую для традиционных водоизмещающих судов.
Описание На стоянке и при следовании с малой скоростью судно на подводных крыльях удерживается на воде за счёт силы Архимеда, как и обыкновенное водоизмещающее судно. На высокой скорости за счёт создаваемой этими крыльями подъёмной силы судно поднимается над водой. При этом значительно уменьшается площадь контакта с водой, и, следовательно гидродинамическое и лобовое сопротивление воды, что позволяет развивать более высокую скорость.
Для СПК экономически целесообразная скорость движения ограничена величиной около 100 км/ч (в современных СПК военного назначения скорость ограничена 180 км/ч). Такое ограничение вызвано проблемой кавитации подводного крыла (кипение воды вследствие понижения давления в зоне обтекания крыла), которая наступает при скорости 60—80 узлов и резко снижает его гидродинамические характеристики. И хотя на созданных под руководством Р. Е. Алексеева судах на малопогруженных подводных крыльях удалось достичь скоростей до 140 км/ч при безкавитационном обтекании крыла, СПК оказались малоперспективными для дальнейшего повышения скорости.
Преимущества и недостатки Преимущества Высокая скорость Низкое сопротивление при движении на крыльях Высокая мореходность, при достаточной длине стоек крыльев, нечувствительность к качке.
Недостатки Основной минус этих судов — низкая экономичность в сравнении с тихоходными водоизмещающими судами. Низкая мореходность при большом волнении, большая волна ударяет в днище своим гребнем или оголяет крылья при прохождении подошвы. Необходимость в мощных и вместе с тем лёгких и компактных двигателях (дизельный двигатель, газотурбинный двигатель) для «выхода на крылья». Невозможность подходить к необорудованным стоянкам ввиду глубокой осадки подводных крыльев (ПК).
Устройство
Крылья Существует два типа подводных крыльев — частично погружённое крыло (или U-образное крыло) и полностью погружённое крыло (крыло в форме перевёрнутого Т).
Суда с полностью погружёнными крыльями менее подвержены качке от волн, поэтому они более стабильны и комфортны, особенно при использовании на море. Однако полностью погруженные крылья требуют постоянного управления, поэтому они стали широко использоваться с появлением компьютеров. Разумеется, такие компьютеры должны быть очень надёжными, так как в случае их отказа судно упадёт на воду и может даже перевернуться.
Суда с полностью погруженными крыльями появились сравнительно недавно, до этого использовались суда с U-образными крыльями, которые не требуют постоянного управления.
Обычно суда на подводных крыльях имеют два крыла, которые могут быть по-разному расположены относительно друг друга и корпуса судна.
При так называемой самолётной компоновке главное (большее) крыло расположено перед центром тяжести судна, меньшее крыло расположено сзади. В схеме «утка» меньшее крыло расположено перед основным крылом. В тандемной схеме оба крыла имеют одинаковую площадь и располагаются спереди и сзади от центра тяжести, на равном от него расстоянии.
Самолётная схема и схема «утка» используются на малых судах, тандемная компоновка — на более крупных.
Управление подводными крыльями осуществляется двумя способами: путём изменения угла атаки (при этом поворачивается всё крыло) или при помощи закрылков.
Корпус Корпус СПК обычно имеет остроскулые обводы. Для уменьшения времени выхода на крылья на днище судна часто используются реданы.
Двигатель и движитель В качестве двигателя на судах с подводными крыльями используется либо дизель (в таком случае они являются теплоходами) либо газотурбинный двигатель (в таком случае они являются газотурбоходами).
Существует экспериментальный корабль на подводных крыльях с парусным двигателем «Hydroptère»
В качестве движителя может использоваться гребной винт либо водомётный движитель. На высоких скоростях КПД водомёта выше КПД гребного винта, особенно на скорости свыше 100 узлов. Гребной винт соединяется с двигателем посредством редуктора.
История
Начало
Первые попытки создать судно на подводных крыльях предпринимались ещё в конце XIX века. В 1897 году живший во Франции русский подданный Шарль де Ламбер построил и испытал на Сене небольшое судно на подводных крыльях. Однако мощности паровой машины, использовавшейся на этом судне в качестве двигателя, не хватило для развития скорости, необходимой для того, чтобы корпус судна поднялся над водой.
Более успешными были опыты итальянского изобретателя Энрико Форланини. Он проводил эксперименты с моделями судов на подводных крыльях с 1898 года. В 1906 году созданное им полноразмерное экспериментальное судно в ходе испытаний на озере Лаго-Мажоре достигло скорости в 68 км/ч (42,5 мили/час). Этот катер имел многоярусные крылья наподобие этажерки.
В 1906 году в американском журнале Scientific American изобретатель Уилиам Мичхэм () опубликовал статью о базовых принципах действия судна на подводных крыльях. Эта статья заинтересовала Александра Белла. Сначала он проводил теоретические изыскания, а в 1908 году, совместно с изобретателем Фредериком Болдвином () приступил к испытаниям моделей.
Болдвин изучал работу итальянского изобретателя Энрико Форланини и занимался испытанием моделей, основанных на его разработках. В ходе мирового тура Белла в 1910—1911 годах Белл и Болдвин встретились в Италии с Форланини. Они вместе катались по озеру Лаго-Мажоре на созданном Форланини катере на подводных крыльях. По описаниям Болдвина катер двигался так гладко, как будто он летел. Вернувшись в Канаду, изобретатели продолжили разрабатывать судно на подводных крыльях. В результате они построили судно, получившее индекс HD-4. Это судно приводилось в движение двигателями «Рено». Оно развивало скорость до 87 км/ч (54 мили/час), быстро разгонялось, без проблем преодолевало волны, легко управлялось и отличалось высокой стабильностью. Белл отправил отчёт ВМС США. ВМС заинтересовались его опытами, и дали ему возможность приобрести два двигателя мощностью по 260 кВт (350 л. с.). 9 сентября 1919 года HD-4 установил мировой рекорд скорости на воде — 114 км/ч (70,86 миль/ч). Этот рекорд продержался десять лет.
В период между 1873 и 1914 годами британский кораблестроитель работал над серией моделей судов на подводных крыльях. Эти модели имели только одно подводное крыло в носовой части реданного корпуса. В 1909 году его компания построила полноразмерное судно длиной в 22 фута, получившее название Miranda III. Оно приводилось в движение двигателем мощностью в 60 л. с. Как и модели, это судно имело только одно носовое подводное крыло и корпус не поднимался полностью из воды. Во время движения судно опиралось на носовое крыло и плоскую часть днища у кормы. После Miranda III было построено судно Miranda IV, которое развивало скорость до 35 узлов.
Германия В 1930-е — 1940-е годы в Германии работал видный специалист по СПК Ганнс фон Шертель (Baron Hanns von Schertel). В 1944 году он построил судно с водоизмещением в 80 тонн. Имея на борту груз в 20 тонн, оно развивало скорость до 40 узлов (около 74 км/ч) при высоте волн в 1,8 м. После войны сотрудники из его конструкторского бюро были вывезены в СССР, но сам Шертель сумел перебраться в Швейцарию, где основал компанию «Supramar».
Швейцария В 1952 «Супрамар» построил первое в мире коммерческое судно на подводных крыльях. Оно получило обозначение PT 10 и название Freccia d’Oro. Это судно совершало рейсы по озеру Лаго-Мажоре между Локарно (Швейцария) и Стресой (Италия). Это судно имело частично погружённые крылья, брало на борт 32 пассажира и развивало скорость в 35 узлов. Коммерческая эксплуатация началась 15 мая 1953 года. Это судно имело довольно скромные размеры: длина составляла 14,2 метра, водоизмещение — около десяти тонн. Корпус был деревянным. Судно приводилось в действие дизельным двигателем Daimler Benz type MB 507 мощностью в 800 л. с.
Первым в мире пассажирским судном на подводных крыльях, пошедшим в серию, стал тип PT 20. С 1950-х годов эти суда строились по лицензии «Супрамар» фирмой Rodriquez. Rodriquez начала строительство PT 20 в 1955 году. Первый PT 20 вступил в строй в 1956 году. Это судно, получившее название Frecia del Sole, использовалось в качестве парома через Мессинский пролив. Оно стало первым судном на подводных крыльях, получившим разрешение на использование в море. PT 20 имел водоизмещение в 32 тонны, брал на борт 72 пассажира и развивал скорость в 35 узлов.
С 1953 по 1971 «Супрамаром» была разработана целая серия судов на подводных крыльях: PT 20, PT 50, PT 75, PT 100 и PT 150. За исключением PT 150, все они относились к судам с частично погружённым крылом. В общей сложности было построено более двухсот судов, разработанных «Супрамаром», в основном их по лицензии строила фирма Rodriquez в Италии. Также некоторое количество таких судов было построено «Хитачи» в Японии.
Советский Союз
В Советском Союзе экспериментальные работы по судам на подводных крыльях начались с 1933 года. Инженеры ЦАГИ Фролов В. Г. и Владимиров А. Н. провели первые исследования подводных крыльев в гидроканале ЦАГИ, первая самоходная модель СПК массой 300 кг с двигателем мощностью 10 кВт развила на крыльях скорость 32 км/ч, одновременно учёные Келдыш М. В., Кочин Н. Е., Лаврентьев М. А., Седов Л. И. и Л. Н. Сретенский выполнили первые фундаментальные теоретические исследования гидродинамики крыла вблизи водной поверхности, работы были переведены на многие языки.
В 1937 и 1941 годах в ЦАГИ испытывались катера с управляемыми глубокопогруженными крыльями системы Эпштейна Л. А.. При массе 1,3 тонны и мощности 96 кВт катер с воздушным винтом развил скорость 100 км/ч. В послевоенный период 1946-47 годов в ЦАГИ изучались катера с V-образными крыльями системы Шретеля.
Наибольших практических успехов добился молодой выпускник Горьковского индустриального (политехнического) института Ростислав Алексеев, в 1941 году начавший трудовую деятельность на заводе «Красное Сормово» контрольным мастером по приёмке танков Т-34. Во многом благодаря собственной инициативе и поддержке со стороны руководства, в сложные дни войны ему удалось организовать конструкторское бюро по разработке судов на подводных крыльях, впоследствии ставшее ведущим КБ страны по скоростным судам и экранопланам.
Первое СПК Алексеева — катер А-4 — был испытан в ноябре 1943 года. Созданный в 1947 году экспериментальный катер А-7 по своей схеме фактически являлся прообразом будущих речных пассажирских СПК на малопогруженных крыльях. Первый проект речного пассажирского СПК выполнен КБ в 1949 году, но была изготовлена только самоходная модель. Дальнейшие работы ориентировались на создании торпедных катеров на подводных крыльях, гражданские разработки шли инициативным порядком.
Успехи Ганса Шретеля и фирмы «Супрамар» середины 1950-х годов всколыхнули в СССР интерес к пассажирским СПК. В 1955 году КБ Алексеева (филиал ЦКБ-19) посещает министр речного флота Шашков З. А. и поражается увиденным. На последующем расширенном заседании парткома завода рассматривается, утверждается и рекомендуется к постройке эскизный проект первого пассажирского теплохода на подводных крыльях. С 1956 года начинается проектирование а затем и строительство, которое финансирует Министерство речного флота.