Углеволоконные подводные крылья для парусников и паромов: несущие поверхности и нагрузки

Введение

Подводные крылья преобразили оба конца морского рынка. На спортивном конце одноместный швертбот International Moth на крыльях развивает более 25 узлов, а яхты класса America's Cup AC75 разгоняются за 50 узлов на крыльях, полностью поднимающих корпус из воды. На коммерческом конце электрические крыльевые паромы, такие как Candela P-12 и Navier N-30, крейсируют на скорости свыше 25 узлов, потребляя долю энергии обычного глиссирующего корпуса. Углеволокно — нить, связывающая все это: каждое современное крыло — стойка, крыльевая поверхность и рулевой орган — построено из углеволоконных композитов, поскольку ни один другой материал не дает сочетания жесткости, прочности и веса, которого требуют летающие корпуса.

В этой статье объясняется, как несущие поверхности крыла создают подъемную силу, рассматриваются нагрузки, доминирующие в проектном расчете подводных крыльев, и подробно описаны материалы и технологические решения, делающие углеволоконные крылья надежными в морской воде.

Как крыло поднимает корпус

Подводное крыло работает точно так же, как крыло самолета, но в воде. Крыло создает подъемную силу, пропорциональную квадрату скорости судна, площади крыла и коэффициенту подъемной силы: подъемная сила равна одной второй произведения плотности воды, квадрата скорости, площади плана и коэффициента подъемной силы. Ниже скорости отрыва корпус остается на воде, а по мере роста скорости крыло создает достаточную подъемную силу, чтобы нести вес судна, корпус поднимается из воды, и сопротивление резко падает, поскольку смоченная поверхность радикально уменьшается.

Движение на крыльях полностью меняет картину нагрузок. Корпус больше не поглощает удары волн — это делает крыльевая система, передавая нагрузки на корпус через крепления стоек. Поэтому конструкторы рассчитывают крылья не на приятный установившийся режим крейсерского хода, а на переходные нагрузки волн, слеминга и смены скоростей.

Тип судна	Типичная крейсерская скорость	Схема крыльев	Доминирующие нагрузки
Швертбот International Moth	18-25 узлов	Одно основное крыло плюс Т-руль	Нагрузки управления экипажем, слеминг волн
Гоночная яхта AC75	35-50 узлов	Два наклонных крыла с закрылками, VLM	Вентилируемая подъемная сила, мощный слеминг
Крыльевой электрический паром	25-30 узлов	Два передних C-крыла и одно кормовое	Усталость от регулярных волн, циклы веса пассажиров
Крыльевой многокорпусный паром	30-40 узлов	L-крылья или V-крылья на каждом корпусе	Непрерывные высокоскоростные удары волн

Нагрузки, определяющие проектирование крыла

Четыре случая нагрузки доминируют в структурном проектировании углеволоконных подводных крыльев, и каждый оставляет свой след в ламинате.

• Установившийся подъем на крыльях: Крыло несет вес судна за вычетом остаточной подъемной силы корпуса, распределенный по размаху. Это базовый случай, задающий требование высокой жесткости, которое благоприятствует высокомодульному углеволокну.
• Слеминг и удары волн: Когда крыло на скорости пронзает гребень волны, кратковременный скачок давления может в несколько раз превысить установившуюся подъемную силу. Гоночные крылья рассчитываются на слеминг при больших углах атаки; паромные — на повторяющиеся умеренные слеминги в прибрежной толчее.
• Кавитация и вентиляция: Зоны низкого давления на верхней поверхности крыла могут вызывать кавитацию — облака пузырьков пара, схлопывающиеся с большой силой, — и вентиляцию, когда воздух затягивается с поверхности и срывает несущий поток. Оба явления вызывают нестационарные колебания нагрузки и локальную эрозию поверхности крыла.
• Усталость: Крыло парома накапливает миллионы циклов волновых нагрузок за срок службы, поэтому ламинат должен проектироваться на усталость при реалистичном распределении амплитуд, а не только на предельную прочность. Гоночные крылья, напротив, ограничены по усталости несколькими тысячами тяжелых гоночных часов.

Косание грунта и удары мусора — непредсказуемый случай. Крылья встречаются с бревнами, контейнерами и мелководьем, поэтому нижние законцовки обычно усиливаются локальными ударопрочными выкладками и оборудуются сменными законцовками, которые дешевле заменить, чем ремонтировать.

Архитектура крыла: стойки, крылья и рулевые поверхности

Большинство углеволоконных крыльев построено по схеме стойка плюс крыло. Стойка несет вертикальную нагрузку и обеспечивает плечо, уравновешивающее восстанавливающий момент судна, а крыло создает горизонтальную подъемную силу, поднимающую корпус. Парусники предпочитают Т-крылья, где крыло перпендикулярно стойке, и L-крылья, где крыло отогнуто назад; обе схемы решают проблему восстанавливающего момента без чрезмерной длины стойки. Крупные паромы используют два передних C-крыла и одно кормовое, при этом угол каждого крыла в реальном времени регулируется управляющим компьютером, удерживающим корпус ровным на волнах.

Яхты America's Cup AC75 продвинули архитектуру дальше всех, применив вертикальные подъемные крылья, которые намеренно вентилируются — так называемый режим вертикальной подъемной силы, — обменивая часть подъемной силы на резкое снижение сопротивления на экстремальной скорости. Конструкция из углеволокна — то же семейство, что и у паромных крыльев, но оптимизирована на отношение жесткости к весу и стойкость к слемингу при 50 узлах.

Материалы и конструкция в морской воде

Крылья строятся почти исключительно из однонаправленного углеволокна в сэндвич-конструкции: высокомодульное волокно там, где жесткость определяет изгиб по размаху, волокно среднего модуля, такое как T700 и T800, где важны вязкость и ударная стойкость, и пенопластовый или бальзовый сердечник между углеволоконными обшивками для стабилизации тонких профилей против выпучивания и локальных вмятин.

Морская вода добавляет три осложнения, с которыми наземные композиты никогда не сталкиваются:

• Гальваническая изоляция: Углеволокно электрохимически благородно относительно алюминия и нержавеющей стали, поэтому любой контакт углеродной структуры с металлической фурнитурой в морской воде вызывает быструю гальваническую коррозию металла. Изоляционные слои из стеклоламината, изолированный крепеж и протекторная защита обязательны на каждом интерфейсе.
• Проникновение воды: Эпоксидные системы поглощают небольшое количество влаги, со временем размягчая матрицу. Крылья используют морскую эпоксидную смолу, герметизированные кромки и дренируемые сердечники, чтобы удерживать поглощенную воду вне сэндвича.
• Эрозия передней кромки: Высокоскоростной поток воды и взвешенный песок размывают передние кромки. Защитные покрытия и сменные накладки передней кромки продлевают срок службы до того, как обнажится несущий ламинат.

Производство следует установившейся композитной практике: ЧПУ-обработанные пенопластовые сердечники, автоматизированная или ручная выкладка однонаправленного препрега и отверждение в автоклаве или по надежному циклу вне автоклава. Крупные крылья паромов все чаще изготавливаются методом инфузии смолы, что снижает стоимость больших деталей при сохранении качества волокна.

Часто задаваемые вопросы

Почему углеволокно является стандартным материалом для подводных крыльев?

Крылья — это тонкие консоли, подверженные усталости, слемингу и гидродинамическим нагрузкам, и они должны оставаться жесткими под этими нагрузками для сохранения подъемных характеристик. Углеволокно дает самое высокое отношение жесткости к весу и прочности к весу среди всех конструкционных материалов, поэтому строители крыльев достигают требуемой жесткости с тонкими низкосопротивляемыми профилями. Алюминиевые крылья тяжелее и страдают от коррозии в морской воде, а сталь слишком тяжела для крыльевых судов.

В чем разница между Т-крылом и L-крылом?

Т-крыло монтирует крыло под прямым углом к стойке — это просто и структурно эффективно, это классическая схема швертботов и небольших спортивных судов. L-крыло отгибает крыло назад, так что стойка переходит в крыло плавно, снижая вихревое сопротивление законцовки и обеспечивая более плавный путь передачи нагрузки. Обе конструкции — углеволоконные ламинаты; выбор определяется остойчивостью судна, диапазоном скоростей и стратегией управления.

Как крыльевые паромы справляются с волнами?

Системы управления паромов непрерывно регулируют углы крыльев, удерживая корпус ровным, используя датчики высоты хода и гироскопы, считывающие движение волн впереди. Крылья поглощают большую часть энергии волн до того, как она достигнет корпуса, поэтому на крыльевых паромах укачивание значительно реже, чем на обычных судах. Структурное следствие: крылья паромов проектируются на миллионы циклов умеренных волновых нагрузок — это чистый случай усталостного проектирования.

Можно ли отремонтировать углеволоконные крылья после касания грунта или удара?

Да, большинство повреждений крыльев ремонтопригодны. Удары обычно вдавливают или трескают нижнюю законцовку, и многие крылья оснащены сменными законцовками, которые заменяются, а не ремонтируются. Более глубокие структурные повреждения ремонтируются теми же процедурами мокрой выкладки и вакуумной упаковки, которые используются во всей композитной отрасли, с последующим ультразвуковым контролем и повторной балансировкой комплекта крыльев. Верфям следует держать запасные законцовки и задокументированную процедуру ремонта для судов с крыльями.

Заключение

Углеволоконные подводные крылья превратили корпуса, идущие по волнам, в летящие корпуса — от гоночных парусников и спортивных швертботов до коммерческих пассажирских паромов. Несущие поверхности должны выдерживать установившийся подъем на крыльях, переживать удары слеминга в несколько раз выше этого уровня, управлять кавитацией и вентиляцией и выдерживать миллионы циклов усталости в морской воде — сочетание требований, которое в разумном весовом бюджете удовлетворяет только углеволоконная композитная конструкция. Для проектировщиков судов и судостроителей выбор правильной марки волокна, сэндвич-сердечника и деталей гальванической изоляции — это разница между крылом, которое летает десятилетиями, и крылом, которое каждые сезон возвращается в верфь.

Ознакомьтесь с углеволоконными материалами YongXian для строительства подводных крыльев или свяжитесь с нашей инженерной командой для выбора высокомодульных ровингов, учета препрега и программ поставок для морских композитных производителей.