Главная/ Каяк/ Отчёты/ 20211010-Surfski hydrofoil
Main/ Kayak/ Reports/ 20211010-Подводные крылья для сёрфски
Surfski hydrofoil

ОКР "Подводные крылья" ;)

ОКР проводится в целях создания набора подводных крыльев для лёгких маломерных гребных судов (каяк, сёрфски). ОКР предусматривает создание рабочего прототипа комплекта подводных крыльев для лодки Carbonology Atom.

ТТХ лодки Carbonology Atom:

  • Длина 5.95м
  • Ширина по миделю 44см
  • Масса 10кг.

Цель создания крыльев:

  1. Устойчивое движение лодки по гладкой воде с крейсерской скоростью, превосходящей крейсерскую скорость без крыльев не менее, чем на 2км/ч.
  2. Устойчивое движение лодки по гладкой воде с максимальной скоростью, превосходящей максимальную скорость без крыльев не менее, чем на 2км/ч.
  3. Существенное повышение остойчивости лодки

Требования к крыльям:

  1. Скорость выхода в надводное положение 8...11км/ч при усилии на весле, соответствующем спринтерскому старту
  2. Грузоподъёмность не менее 100кг.
  3. Простота транспортировки и монтажа/демонтажа в походных условиях
  4. Защита лодки от повреждения в случае столкновения с дном или берегом
  5. Отсутствие изменений в конструкцию лодки

Первый прототип

Конструкция

Из множества вариантов конструкций была выбрана схема с малым передним и большим задним крылом, так как работоспособность этого варианта подтверждена практически работающим проектом Flyak. При такой схеме движение лодки при разгоне состоит из фаз:
  1. Начальный разгон -- лодка находится в полностью водоизмещающем положении, углы атаки исходные.
  2. Начало выхода -- переднее крыло, имеющее большую удельную подъёмную силу, поднимается к поверхности. Лодка получает дифферент на корму, углы атаки обоих крыльев увеличиваются.
  3. Окончание выхода -- заднее крыло, получив бОльший угол атаки, поднимается к поверхности, дифферент устраняется, углы атаки уменьшаются до исходных
  4. Движение в надводном положениии -- оба крыла двигаются под поверхностью.
Удельная подъёмная сила определяется как отношение подъёмной силы крыла к весу, приходящемуся на крыло. В свою очередь, вес, приходящийся на крыло в полностью водоизмещающем или полностью надводном положении определяется положением крыла относительно центра масс лодки.

Модульность

Для упрощения проведения экспериментов, было принято решение сделать конструкцию модульной, разделив каждое из крыльев на три элемента: 1. крыло, 2. стойка, 3. крепление. При этом передние и задние элементы должны быть взаимозаменяемы, то есть и стойки, и крылья можно менять местами и заменять на элементы с другими характеристиками. Все соединения винтовые, один винт М6 с потайной головкой

Крылья

Крылья первого прототипа прямые, имеют одинаковую толщину и хорду. Предполагается использовать законцовки для предотвращения срыва потока и увеличения тем самым подъёмной силы. Параметры:
Параметр Переднее1 Переднее2 Заднее
Профиль Вальхнера Вальхнера Вальхнера
Толщина профиля 24мм 24мм 24мм
Размах 450мм 550мм 1000мм
Хорда 125мм 125мм 125мм
Удлиннение 3.6 4.4 8
Угол атаки
Смещение от центра масс пустой лодки1400мм1400мм700мм
Распределение веса в статике33% 33% 67%

Стойки

Стойки имеют симметричный профиль, высота стойки (размах) 200мм, хорда 80мм, толщина 30мм.

Крепления

Для обеспечения требования по отстутствию изменений в конструкцию лодки, было решено изготовить плотно прилегающие к лодке "кроватки", с посадочными местами для крепления стоек.

2021/10/02 Изготовление

Метод проб и ошибок привёл к слудующему способу изготовления:

Крылья

  1. Из фанеры 4мм вырезать: плоскость крыла, усиление центральной части плоскости, две нервюры и лонжерон
  2. Рубанком придать кромкам плоскости форму
  3. Склеить все детали
  4. Из пенополистирола вырезать бруски и вклеить их в крыло
  5. Проволочным терморезаком отформовать крыло
  6. Ламинировать крыло стеклотканью (для заднего крыла использовать от 3 слоёв на концах до 7 в середине)
  7. Вырезать посадочное углубление, крепёжное отверстие, ламинировать
  8. Отшлифовать
Покраска прототипов не производилась.

Стойки

Стойки изготавливаются методом, аналогичным крыльям. В торцах стоек используется фанера 18мм с футорками для крепёжных винтов. Полости в торцах стоек запечатываются эпоксидной смолой.

Крепления

Крепления изготавливаются путём слепка с лодки. В качестве релиз-агента использовалась пищевая упаковочная плёнка. Нижняя часть крепления выполняет несущую функцию и имеет около 7 слоёв стеклоткани. Верхняя -- 2...3 слоя. Переднее крепление изготовлено в виде замкнутого кольца, что вызвало трудности с отделением его от корпуса лодки. Для успешного отделения пришлось разрезать крепление вдоль борта и после склеить его. Заднее крепление изготовлено незамкнутым.
Передняя посадочная площадка изготовлена из фанеры, задняя -- из деревянного бруса. После установки лодки по водяному уровню, площадки наклеены на крепления с соблюдением уровня горизонта.

2021/10/10 Ходовые испытания

Погодные условия

Погода в день испытаний была ветренная. Для испытаний было выбрано наиболее тихое место на пруду West Lakes -- Tiranna Reserve. Скорость ветра 30-33км/ч с порывами до 44, направление с юга, направление волн с юго-востока.

Установка крыльев

Установка крыльев "с нуля" заняла пару минут. Переднее крепление было просто надето на лодку, заднее зафиксировано на корпусе стропой.

Спуск на воду, посадка в лодку

Общая высота конструкции крыльев превышает 200мм, кроме того, при посадке в лодку могут возникнуть крены, которые при использовании крыла размахом 1000мм существенно затрудняют посадку в лодку на мелководье. Самый безопасный способ посадки -- с воды "remount". Вероятно, можно использовать продвинутые способы посадки сходу. С учётом прохладной погоды и нежелания купаться, я избрал способ посадки с напарником, придерживающим корму для предотвращения кренов.
При посадке было замечено, что переднее крепление пытается соскользнуть вперёд, пришлось поправлять.

Гребля в водоизмещающем положении

Первый сегмент пришёлся против ветра. Грести было очень тяжело, лодка не разгонялась быстрее 6км/ч. Никаких намёков на подъём на крылья не было. Несмотря на сложные погодные условия (сильный ветер и короткая волна), лодка вела себя очень стабильно. Подводные крылья отлично стабилизировали лодку в вертикальном положении даже во время разворота на обратный курс, при боковой волне и при боковом порывистом ветре.

После разворота по ветру разогнать лодку так же не получилось. Максимальная достигнутая скорость около 7.5 км/ч. Признаков выхода на крыло так же не наблюдалось.

При движении наблюдалось образование волны от передней кромки крепления.

Заподозрив ошибку с установкой угла атаки, решил проверить крепения. Оказалось, в задней стойке винт был немного длиннее допустимого и не прижимал стойку к креплению, что, в свою очередь, вызвало уменьшение угла атаки заднего крыла. Из подручных материалов сделал подкладочку под оба крыла, тем самым увеличив угол атаки на пару градусов. Снова попробовал прогрести с тем же результатом.

Напоследок попробовал запустить лодку вручную, без нагрузки. Лодка легко вышла в надводное положение и стабилизировалась в вертикальном положении. На этом испытания закончились.

Выводы и последующие шаги

  1. Сопротивление, создаваемое крыльями слишком большое. Проверить скорость движения с установленными стойками, но без крыльев. Изготовить комплект тонких крыльев.
  2. Вероятно, углы атаки выставлены неверно с учётом изначального дифферента. Проверить дифферент, выставить углы. Проверить выход на переднее крыло со снятым задним крылом.
  3. Фиксация креплений. Для переднего крепления использовать резиновый жгут к кокпиту. Для заднего крепления изготовить поперечную планку и использовать резиновую обвязку для крепления.
  4. При установке креплений следить за отсутствием песка между креплением и лодкой.
  5. Для уменьшения сопротивления крепления, сделать форму кромок креплений более обтекаемой.
  6. С учётом отличных стабилизирующих свойств крыльев, рассмотреть возможность использования подводных стабилизаторов на базе существующей конструкции, с меньшим заглублением и размахом
  7. На видео угол зрения камеры направлен по касательной к корпусу лодки в точке ватерлинии, переднее крыло видно только в преломлённом свете, заднее -- не видно. Камеру наблюдения устанавливать ниже.





Версия 2

2021/10/14 изготовлена новая пара крыльев.

Параметры:

Параметр Переднее Заднее
Профиль Вальхнера Вальхнера
Толщина профиля 24мм 24мм
Размах 550мм 980мм
Хорда мм мм
Удлиннение
2021/10/16 испытания Сегодня поставил тонкие крылья (~10мм), обратботал кромки креплений, чтобы сопротивление было помменьше. Кроме того, притянул переднее крепление назад. Вышел на ходовые испытания. И... снова ничего. Хотя грести стало легче. Решил попробовать поменять крылья местами, чтобы заставить выйти из воды хотя бы носовую часть лодки. Результат в видео. Самый последний эпизод -- со снятым задним крылом.
Проектирование и расчет подводных крыльев. Журнал «Катера и Яхты»: 3/1964. The International Hydrofoil Society