Введение

Тип быстроходного судна и название используемой им технологии, другие типы крыльев.

Гидрокрыло – это подъемная поверхность, или крыло, работающее в воде. По внешнему виду и принципу действия они схожи с аэродинамическими профилями, используемыми в самолетах. Суда, использующие технологию гидрокрыльев, также называют просто гидрокрылами. По мере увеличения скорости гидрокрыло поднимает корпус судна над водой, снижая сопротивление и позволяя достигать более высоких скоростей.

Описание

Гидрофойл обычно состоит из крыловидной конструкции, установленной на стойках под корпусом или между килями катамарана в различных типах судов (см. иллюстрацию). При увеличении скорости судна, оснащенного гидрофойлом, элементы гидрофойла под корпусом(ами) создают достаточную подъемную силу, чтобы приподнять корпус над водой, что значительно снижает сопротивление воды. Это приводит к соответствующему увеличению скорости и топливной эффективности. Более широкое распространение гидрофойлов сдерживается повышенной сложностью их изготовления и обслуживания. Гидрофойлы, как правило, значительно дороже обычных судов при определенной водотоннажности, поэтому большинство гидрофойльных судов относительно небольшие и в основном используются в качестве скоростных пассажирских паромов, где относительно высокие тарифы на проезд могут компенсировать высокую стоимость самого судна. Однако конструкция достаточно проста, что позволяет создавать множество гидрофойлов с мускульным приводом. Любительские эксперименты и разработка этой концепции популярны.

Гидродинамическая механика

Поскольку воздух и вода подчиняются схожим уравнениям гидродинамики, хотя и с различными значениями вязкости, плотности и сжимаемости, гидрокрыло и крыло самолета (оба являются типами профилей) создают подъемную силу одинаковым образом. Форма профиля плавно движется в воде, отклоняя поток вниз, что, согласно уравнениям Эйлера, создает направленную вверх силу, действующую на профиль. Этот поворот потока воды создает повышенное давление под профилем и пониженное давление над ним. Эта разница давлений сопровождается разностью скоростей, в соответствии с принципом Бернулли, поэтому результирующее поле обтекания вокруг профиля имеет более высокую среднюю скорость с одной стороны, чем с другой. При использовании в качестве подъемного элемента на судне на гидрокрыльях эта сила поднимает корпус судна, уменьшая сопротивление и увеличивая скорость. В конечном итоге подъемная сила уравновешивается весом судна, достигая точки, когда гидрокрыло перестает поднимать судно над водой и оно остается в состоянии равновесия. Поскольку сопротивление волн и другие замедляющие силы, такие как различные виды сопротивления (физика) корпуса, устраняются при подъеме корпуса, турбулентность и сопротивление все больше воздействуют на гораздо меньшую площадь поверхности гидрокрыла и все меньше – на корпус, что приводит к значительному увеличению скорости.

Конфигурация фольги

Ранние гидрофойлы использовали V-образные крылья. Гидрофойлы этого типа известны как "прорезающие поверхность", поскольку части V-образных крыльев поднимаются над поверхностью воды при движении на крыльях. Некоторые современные гидрофойлы используют полностью погруженные перевернутые Т-образные крылья. Полностью погруженные крылья меньше подвержены воздействию волн и, следовательно, более стабильны в море и обеспечивают больший комфорт для экипажа и пассажиров. Однако эта конфигурация не является самостабилизирующейся. Угол атаки крыльев необходимо постоянно корректировать в соответствии с меняющимися условиями, этот процесс управления осуществляется с помощью датчиков, компьютера и управляющих поверхностей.

Прототипы

Первое свидетельство о применении гидрокрыла на судне содержится в британском патенте, выданном в 1869 году парижанину Эммануэлю Денису Фарко. Он утверждал, что "адаптация к бокам и дну судна ряда наклонных плоскостей или клиновидных элементов, которые при движении судна вперед будут поднимать его в воде и уменьшать осадку". Итальянский изобретатель Энрико Форланини начал работы над гидрокрыльями в 1898 году и использовал систему "лестничных" крыльев. Форланини получил патенты в Великобритании и США на свои идеи и конструкции. В период с 1899 по 1901 год британский судостроитель Джон Торникрофт работал над серией моделей с корпусом со ступенькой и одним носовым крылом. В 1909 году его компания построила полноразмерную лодку длиной 7 метров, "Миранда III". Приводимая в движение двигателем, она шла на носовом крыле и плоской корме. В мае 1904 года сообщалось об испытаниях лодки с гидрокрыльями на реке Сене "в окрестностях Парижа". Эта лодка была спроектирована графом де Ламбертом. Она имела 5 регулируемых плавников на корпусе под водой, наклоненных таким образом, что при движении лодки "лодка поднимается, и плоскости выходят на поверхность", в результате чего "она скользит по поверхности, оставляя под водой лишь винты". Лодка имела два корпуса длиной 18 футов, соединенных единой палубой шириной 9 футов, и была оснащена двигателем De Dion Bouton мощностью 14 л.с. Сообщалось, что лодка развивала скорость 20 миль в час. Отмечалось, что "лодка, идущая практически на своих плавниках, напоминает аэроплан". В мартовском выпуске журнала Scientific American за 1906 год американский пионер в области гидрокрыльев Уильям Э. Мичем объяснил основной принцип работы гидрокрыльев. Александр Грэм Белл считал изобретение гидроплана (который сейчас рассматривается как отдельный тип, но также использующий подъемную силу) очень значительным достижением и, прочитав статью, начал делать наброски концепций того, что сейчас называется лодкой на гидрокрыльях. Вместе со своим главным инженером Кейси Болдуином Белл начал эксперименты с гидрокрыльями летом 1908 года. Болдуин изучал работы итальянского изобретателя Энрико Форланини и начал испытывать модели, основанные на этих конструкциях, что привело к разработке гидрокрыльев. Во время кругосветного путешествия Белла в 1910–1911 годах Белл и Болдуин встретились с Форланини в Италии, где они совершили поездку на его лодке по озеру Маджоре. Болдуин описал поездку как плавную, словно полет. Вернувшись в большую лабораторию Белла в его поместье Бейн-Брейг около Баддека, Новая Шотландия, они экспериментировали с рядом конструкций, кульминацией которых стала HD 4 Белла. Используя двигатели Renault, была достигнута максимальная скорость, быстрое ускорение, лодка легко преодолевала волны, хорошо управлялась и демонстрировала хорошую устойчивость. Отчет Белла для ВМС США позволил ему получить два двигателя мощностью 260 кВт (350 л.с.). 9 сентября 1919 года HD 4 установила мировой рекорд скорости для морских судов, который продержался два десятилетия. Полномасштабная копия HD 4 выставлена в музее Национального исторического памятника Александра Грэма Белла в Баддеке, Новая Шотландия. В начале 1950-х годов английская пара построила "White Hawk" – гидрокрыльевую лодку с реактивным двигателем, в попытке побить абсолютный рекорд скорости на воде. Однако в ходе испытаний "White Hawk" едва превысила рекордную скорость HD 4 1919 года. Конструкторы столкнулись с инженерным явлением, которое ограничивает максимальную скорость даже современных гидрокрыльев: кавитация нарушает подъемную силу, создаваемую крыльями при движении по воде на скорости выше, изгибая подъемное крыло.

Первые пассажирские лодки

Немецкий инженер Ханс фон Шертель работал над гидроглиссарами до и во время Второй мировой войны в Германии. После войны советские войска захватили команду Шертеля. Поскольку Германии не разрешалось строить скоростные суда, Шертель переехал в Швейцарию, где основал компанию Supramar. В 1952 году Supramar спустила на воду первый коммерческий гидроглиссар PT10 "Freccia d'Oro" (Золотая стрела) на озере Маджоре, между Швейцарией и Италией. PT10 относится к типу с частично погруженными крыльями, может перевозить 32 пассажира и развивать скорость. В 1968 году банкир из Бахрейна Хуссейн Наджади приобрел Supramar AG и расширил ее деятельность в Японии, Гонконге, Сингапуре, Великобритании, Норвегии и США. Компания General Dynamics из США стала лицензиатом, а Пентагон выделил финансирование на первый научно-исследовательский проект в области военно-морских исследований в сфере сверхкавитации. Hitachi Shipbuilding из Осаки, Япония, также получила лицензию Supramar, как и многие ведущие судовладельцы и судостроительные верфи стран ОЭСР. С 1952 по 1971 год Supramar разработала множество моделей гидроглиссаров: PT20, PT50, PT75, PT100 и PT150. Все они относятся к типу с частично погруженными крыльями, за исключением PT150, который сочетает в себе частично погруженное крыло в передней части и полностью погруженное крыло в кормовой части. Было построено более 200 судов по проектам Supramar, большинство из них на верфи Rodriquez (возглавляемой в то время инженером Карло Родрикесом в Сицилии, Италия). В тот же период Советский Союз активно экспериментировал с гидроглиссарами, строя речные суда и паромы с обтекаемыми формами в период холодной войны и в 1980-е годы. К таким судам относятся типы "Ракета" (1957), "Метеор" большего размера и "Восход" меньшего размера. Одним из самых успешных советских конструкторов и изобретателей в этой области был Ростислав Алексеев, которого некоторые считают «отцом» современного гидроглиссара благодаря его высокоскоростным конструкциям гидроглиссаров 1950-х годов. Позже, примерно в 1970-х годах, Алексеев объединил свой опыт в области гидроглиссаров с принципом поверхностного эффекта для создания Экраноплана. Значительные инвестиции в эту технологию в СССР привели к созданию крупнейшего в мире гражданского флота гидроглиссаров и появлению типа "Метеор" – самого успешного гидроглиссара в истории, было построено более 400 единиц. В 1961 году SRI International опубликовала исследование на тему «Экономическая целесообразность пассажирских гидроглиссаров для внутренних и международных перевозок в США». Коммерческое использование гидроглиссаров в США началось в 1961 году, когда два пассажирских судна были заказаны компанией North American Hydrofoils, принадлежащей Гарри Гейлу Най-младшему, для обслуживания маршрута из Атлантических-Хайлендс, штат Нью-Джерси, в финансовый район Нижнего Манхэттена.

Германия

17-тонный немецкий корабль VS 6 Hydrofoil был спроектирован и построен в 1940 году и завершен в 1941 году для использования в качестве тральщика-миноукладчика. Он был испытан в Балтийском море, где развил скорость 47 узлов. В течение последующих трех лет его сравнивали со стандартным торпедным катером типа E, и он показал хорошие результаты, но в серийное производство не был запущен. Благодаря более высокой скорости он мог перевозить большую полезную нагрузку и проходить над минными полями, однако был подвержен повреждениям и отличался повышенным уровнем шума.

Канада

Во время Второй мировой войны в Канаде Болдуин работал над экспериментальным гидрофойлом для постановки дымовых завес (позже названным "Торпедо Комокс"), который впоследствии был заменен другими технологиями дымообразования, а также над экспериментальным гидрофойлом для буксировки целей. Две передние крыльевые установки, предположительно принадлежавшие последнему из этих гидрофойлов, были подняты в середине 1960-х годов из затонувшего корпуса в Бадекке, Новая Шотландия, Колином Макгрегором Стивенсом. Они были переданы в Морской музей в Галифаксе, Новая Шотландия. Канадские вооруженные силы построили и испытали несколько гидрофойлов (например, Baddeck и два судна под названием Bras d'Or), что привело к созданию высокоскоростного противолодочного гидрофойла HMCS Bras d'Or в конце 1960-х годов. Однако программа была отменена в начале 1970-х годов в связи с изменением приоритетов канадской армии и отказом от противолодочной войны. Bras d'Or был гидрофойлом с поверхностным пробоем крыла, который показал хорошие результаты во время испытаний, достигнув максимальной скорости .

Соединенные Штаты

ВМС США начали эксперименты с гидрокрылами в середине 1950-х годов, финансируя парусное судно, которое использовало гидрокрылья для достижения скорости около 48 км/ч. XCH 4 (официально, Экспериментальное судно, Гидрокрыл No. 4), спроектированный Уильямом П. Карлом, развивал скорость более высокую и из-за своей формы его принимали за гидросамолет. ВМС США использовали небольшое количество боевых гидрокрылов, таких как класс "Пегас", с 1977 по 1993 год. Эти суда были быстрыми и хорошо вооруженными.

Италия

В конце 1970-х годов итальянский флот использовал шесть гидроглиссеров класса "Sparviero". Они были вооружены 76-мм орудием и двумя ракетами и развивали скорость до 50 узлов. Три аналогичных судна были построены для Морских сил самообороны Японии.

Парусный спорт

Несколько розыгрышей Кубка Америки проводились с использованием фолирующих яхт. В 2013 и 2017 годах соответственно классы катамаранов AC72 и AC50, а в 2021 году – класс фолирующих монокорпусов AC75 с поворотными килями. Французский экспериментальный парусный гидроплан Hydroptère является результатом исследовательского проекта, требующего передовых инженерных навыков и технологий. В сентябре 2009 года Hydroptère установил новые мировые рекорды скорости для парусных судов в категории 500 м, со скоростью, и в категории со скоростью. Текущий рекорд скорости для парусных судов на дистанции 500 м принадлежит Vestas Sailrocket, экзотической конструкции, которая фактически функционирует как гидроплан. Другой тримаран – Windrider Rave. Rave – коммерчески доступный 17-футовый (5 м), двухместный гидроплановый тримаран, способный развивать скорость до. Швертбот Moth эволюционировал в радикальные конфигурации фольгирования. Hobie Sailboats выпустила серийный фолирующий тримаран Hobie Trifoiler – самый быстрый серийный парусник. Трифойлеры развивают скорость свыше 30 узлов. Новая конструкция каяка под названием Flyak оснащена гидропланами, которые поднимают каяк достаточно высоко, чтобы значительно снизить сопротивление, позволяя развивать скорость до. Некоторые серферы разработали доски для серфинга с гидропланами, называемые фойлбордами, специально предназначенные для серфинга на больших волнах в открытом море. Quadrofoil Q2 – двухместное, четырехфойловое электрическое водное транспортное средство для отдыха. Его первоначальный дизайн был разработан в 2012 году, а коммерчески он доступен с конца 2016 года. Питаемый литий-ионной батареей емкостью 5,2 кВтч и приводимый в движение двигателем мощностью 5,5 кВт, он достигает максимальной скорости 40 км/ч и имеет запас хода 80 км. Manta5 Hydrofoiler XE 1 – это Hydrofoil E-bike, разработанный и построенный в Новой Зеландии, который с конца 2017 года доступен для предварительного заказа. Приводимый в движение двигателем мощностью 400 Вт, он может развивать скорость более 14 км/ч при весе 22 кг. Одной зарядки батареи хватает на час для райдера весом 85 кг. Шведская компания Candela производит гидроплановую моторную лодку для отдыха, заявляя о высокой эффективности, производительности и дальности хода. Гидропланы широко используются в кайтсерфинге, то есть в буксировке воздушных змеев над водой. Гидропланы – это новая тенденция в виндсерфинге, включая новый летний олимпийский класс IQFoil, и, в последнее время, вингфойлинг, который по сути представляет собой воздушный змей без строп или парус, управляемый руками.

Современные пассажирские лодки

Советские "Восходы" – одни из самых успешных пассажирских судов на воздушной подушке. Производившиеся в советском, а затем и в украинском Крыму, они эксплуатируются более чем в 20 странах мира. Самая современная модель, Voskhod 2M FFF, также известная как Eurofoil, была построена в Феодосии для нидерландского оператора общественного транспорта Connexxion. В середине 2010-х годов была запущена государственная программа России, направленная на возобновление производства пассажирских судов на воздушной подушке. "Комета 120М", разработанная на базе более ранних моделей "Комета" (теплоход), "Кольхида" и "Катран", стала первым серийным судном, изначально выпускавшимся на заводе "Вымпел" (судостроительный завод) в Рыбинске, а затем на судоверфи "Море" в Феодосии. С 2018 года суда осуществляют рейсы по маршрутам Севастополь – Ялта и Сочи – Геленджик – Новороссийск, а в ближайших планах – запуск маршрута Севастополь – Сочи в 2021 году. Параллельно, конструкторское бюро Алексеева начало строительство более легких и компактных судов на воздушной подушке "Валдай 45Р", основанных на широко распространенной модели "Полесье" (теплоход), на собственном заводе в Нижнем Новгороде. Эти суда с небольшой осадкой используются на реках Обь и Волга. "Метеор 120Р", являющийся развитием модели "Метеор" (теплоход), стал более крупной версией "Валдая", первое судно которого было спущено на воду в Нижнем Новгороде в августе 2021 года. Boeing 929 широко используется в Азии для пассажирских перевозок между Гонконгом и Макао, а также между многочисленными островами Японии и на Корейском полуострове. Основным эксплуатантом является частная корпорация из Гонконга.

Прекращенные операции

До 31 декабря 2013 года Fast Flying Ferries, эксплуатируемые Connexxion, осуществляли регулярные общественные транспортные перевозки по Северному морскому каналу между Центральным вокзалом Амстердама и Велсен-Зюйд в Нидерландах, используя гидрофойлы Voskhod 2M. Перевозки были прекращены из-за введения нового ограничения скорости. В период с 1981 по 1990 год компания Transmediterranea осуществляла рейсы на подводных крыльях, соединяющие Сеуту и Алхесирас в Гибралтарском проливе. Переправа занимала полчаса, по сравнению с полутора часами у обычных паромов. Из-за частых сильных ветров и штормов, характерных для Гибралтарского пролива зимой, в 1990 году гидрофойлы были заменены катамаранами, способными перевозить и автомобили. В летний период, в пик сезона, осуществлялось движение каждые полчаса в обоих направлениях. Это высокоскоростное сообщение оказало значительное влияние на развитие Сеуты, облегчив возможность однодневных деловых поездок в континентальную Испанию. В период с 1964 по 1991 год гидрофойлы курсировали в Сиднейской гавани между Circular Quay и Manly. С 1969 по 1998 год компания Red Funnel осуществляла перевозки между Саутгемптоном и Коусом на острове Уайт. В 1970-х и 1980-х годах существовало регулярное сообщение между Белградом и Текией в ущелье Джердап. Расстояние преодолевалось за 3 часа 30 минут по течению и 4 часа против течения. В 1980–1981 годах компания B+I Line эксплуатировала реактивный глиссер Boeing 929 под названием Cú Na Mara (Морской пес) на маршруте Ливерпуль – Дублин. Линия оказалась нерентабельной и была закрыта в конце сезона 1981 года. С 1960-х по 1985 год гидрофойлы курсировали между Мальмё (Швеция) и Копенгагеном (Дания). Они были выведены из эксплуатации и заменены катамаранами. Сообщение было отменено после строительства Эресуннского моста в начале 2000-х годов. Компания Condor Ferries в течение 29 лет эксплуатировала шесть судов на подводных крыльях на маршрутах между Нормандскими островами, южным побережьем Англии и Сен-Мало (Франция). После восстановления независимости Эстонии в 1990-х годах регулярное паромное сообщение между Хельсинки и Таллинном в летний сезон, при благоприятных погодных условиях, дополнялось советскими гидрофойлами. Более высокая скорость движения конкурировала с традиционными паромами, но позволяла легко совершать однодневные поездки пешеходам. В конечном итоге их заменили высокоскоростные катамараны, способные перевозить транспортные средства и обладающие лучшей мореходностью; однако последние прекратили свою деятельность, поскольку оператор объявил о банкротстве в мае 2018 года.