Wodolot - Hydrofoil

The US Navy XCH-4 , z wodoloty podnoszenia kadłuba z wody

Wodolotu jest powierzchnią podnoszenia lub folii , która działa w wodzie. Są one podobne w wyglądzie i przeznaczeniu do płatów używanych przez samoloty . Łodzie wykorzystujące technologię wodolotów są również po prostu nazywane wodolotami. Gdy wodolot nabiera prędkości, wodoloty unoszą kadłub łodzi z wody, zmniejszając opór i umożliwiając większą prędkość.

Opis

Wodolot zwykle składa się z konstrukcji podobnej do skrzydła zamontowanej na rozpórkach poniżej kadłuba lub w poprzek stępki katamaranu w różnych łodziach (patrz ilustracja). Gdy jednostka pływająca wyposażona w wodolot zwiększa prędkość, elementy wodolotu pod kadłubem (kadłubami) rozwijają wystarczającą siłę nośną, aby podnieść kadłub z wody, co znacznie zmniejsza opór kadłuba . Zapewnia to odpowiedni wzrost prędkości i zużycia paliwa .

Szerszemu przyswajaniu wodolotów zapobiega zwiększona złożoność ich budowy i konserwacji. Wodoloty są na ogół nieproporcjonalnie droższe niż konwencjonalne wodoloty powyżej określonej wyporności, więc większość wodolotów jest stosunkowo niewielka i jest używana głównie jako szybkie promy pasażerskie, gdzie stosunkowo wysokie opłaty pasażerskie mogą zrekompensować wysokie koszty samego statku. Jednak projekt jest na tyle prosty, że istnieje wiele projektów wodolotów napędzanych przez człowieka . Popularne jest amatorskie eksperymentowanie i rozwijanie koncepcji.

Mechanika hydrodynamiczna

Dwa rodzaje wodolotów: przebijające powierzchnię i całkowicie zanurzone

Ponieważ powietrze i woda rządzą się podobnymi równaniami płynów — aczkolwiek o różnych poziomach lepkości , gęstości i ściśliwości — wodolot i płat (oba typy folii ) tworzą siłę nośną w identyczny sposób. Kształt folii płynnie porusza się w wodzie, odchylając przepływ w dół, co zgodnie z równaniami Eulera wywiera na folię siłę skierowaną w górę. To obracanie się wody wytwarza większe ciśnienie na spodzie folii i mniejsze ciśnienie na górze. Tej różnicy ciśnień towarzyszy różnica prędkości, zgodnie z zasadą Bernoulliego , tak więc powstałe pole przepływu wokół folii ma wyższą prędkość średnią po jednej stronie niż po drugiej.

Gdy jest używany jako element podnoszący na wodolotu, ta siła skierowana do góry unosi korpus statku, zmniejszając opór i zwiększając prędkość. Siła nośna ostatecznie równoważy się z ciężarem jednostki, osiągając punkt, w którym wodolot nie unosi się już z wody, ale pozostaje w równowadze. Ponieważ opór fal i inne siły utrudniające, takie jak różne rodzaje oporu (fizyka) na kadłubie są eliminowane, gdy kadłub unosi się w górę, turbulencje i opór działają coraz bardziej na znacznie mniejszą powierzchnię wodolotu, a słabiej na kadłub, tworząc wyraźny wzrost prędkości.

Konfiguracje folii

Wczesne wodoloty wykorzystywały folie w kształcie litery V. Wodoloty tego typu są znane jako „przebijające powierzchnię”, ponieważ części wodolotów w kształcie litery V wznoszą się ponad powierzchnię wody po naniesieniu na folię. Niektóre nowoczesne wodoloty wykorzystują całkowicie zanurzone folie w kształcie odwróconej litery T. Całkowicie zanurzone wodoloty są mniej podatne na działanie fal, dzięki czemu są bardziej stabilne na morzu i wygodniejsze dla załogi i pasażerów. Ten typ konfiguracji nie jest jednak samostabilizujący. Kąt natarcia na skrzydłach musi być regulowana w sposób ciągły do zmieniających się warunków, to proces sterowania przeprowadzane przez czujniki, komputer, a czynnych powierzchni.

Historia

Prototypy

Pierwszy dowód istnienia wodolotu na statku pojawia się w brytyjskim patencie przyznanym w 1869 roku paryżanowi Emmanuelowi Denisowi Farcotowi. Twierdził, że „przystosowanie do burt i dna statku szeregowych lub nachylonych płaszczyzn lub kawałków o kształcie klina, które w miarę poruszania się statku do przodu będą miały wpływ na podniesienie go w wodzie i zmniejszenie zanurzenia”. Włoski wynalazca Enrico Forlanini rozpoczął prace nad wodolotami w 1898 roku i zastosował system folii „drabinowy”. Forlanini uzyskał patenty w Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych na swoje pomysły i projekty.

W latach 1899-1901 brytyjski projektant łodzi John Thornycroft pracował nad serią modeli ze schodkowym kadłubem i pojedynczą folią dziobową. W 1909 roku jego firma zbudowała pełnowymiarową łódź o długości 22 stóp (6,7 m) Miranda III . Napędzany silnikiem o mocy 60 KM (45 kW), jechał na dziobie i płaskiej rufie. Kolejnej Mirandy IV przypisano prędkość 35 węzłów (65 km/h; 40 mph).

Alexander Graham Bell „s HD-4 na próbnej, c. 1919

W maju 1904 opisano testowanie wodolotu na Sekwanie „w okolicach Paryża ”. Ta łódź została zaprojektowana przez hrabiego de Lamberta . Miał on 5 płetw o zmiennym skoku na kadłubie pod wodą tak pochyloną, że gdy łodzie zaczynają się poruszać, „łodzi wznoszą się, a samoloty wychodzą na powierzchnię”, co powoduje, że „prześlizguje się po powierzchni, mając niewiele oprócz śmigieł pod powierzchnia". Łódź miała bliźniacze kadłuby o długości 18 stóp, połączone pojedynczym pokładem o szerokości 9 stóp i była wyposażona w 14 - konny silnik De Dion-Bouton , który podobno osiągnął prędkość 20 mil na godzinę. Stwierdzono, że „Łódź poruszająca się praktycznie na płetwach przypomina samolot”.

Artykuł z marca 1906 w Scientific American autorstwa amerykańskiego pioniera wodolotów Williama E. Meachama wyjaśnił podstawową zasadę działania wodolotów. Alexander Graham Bell uznał wynalezienie wodolotu (obecnie uważanego za odrębny typ, ale także wykorzystującego windę) za bardzo znaczące osiągnięcie i po przeczytaniu artykułu zaczął szkicować koncepcje tego, co obecnie nazywa się wodolotem. Wraz ze swoim głównym inżynierem Caseyem Baldwinem Bell rozpoczął eksperymenty z wodolotem latem 1908 roku. Baldwin studiował prace włoskiego wynalazcy Enrico Forlaniniego i zaczął testować modele oparte na tych projektach, co doprowadziło do opracowania wodolotu. Podczas światowej trasy Bella w latach 1910-1911, Bell i Baldwin spotkali się z Forlaninim we Włoszech, gdzie przepłynęli jego wodolotem nad jeziorem Maggiore . Baldwin opisał to jako gładkie jak latanie.

Po powrocie do dużego laboratorium Bella w jego posiadłości Beinn Bhreagh w pobliżu Baddeck w Nowej Szkocji , eksperymentowali z wieloma projektami, których kulminacją był HD-4 Bella . Używając silników Renault , osiągnięto prędkość maksymalną 87 km/h (47 węzłów; 54 mph), szybko przyspieszając, bez trudu pokonując fale, dobrze sterując i wykazując dobrą stabilność. Raport Bella dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych pozwolił mu na zakup dwóch silników o mocy 260 kW (350 KM). 9 września 1919 HD-4 ustanowił światowy rekord prędkości morskiej 114 km/h (62 węzły; 71 mph), który trwał przez dwie dekady. Pełną skalę replikę HD-4 można obejrzeć w Narodowym Muzeum Historycznym im. Aleksandra Grahama Bella w Baddeck w Nowej Szkocji.

We wczesnych latach pięćdziesiątych pewna angielska para zbudowała White Hawk , wodolot napędzany odrzutowcem, próbując pobić absolutny rekord prędkości na wodzie. Jednak w testach White Hawk ledwo przekroczył rekordową prędkość 1919 HD-4 . Projektanci zmierzyli się ze zjawiskiem inżynieryjnym, które ogranicza prędkość maksymalną nawet nowoczesnych wodolotów: kawitacja zaburza siłę nośną stworzoną przez folie, gdy poruszają się po wodzie z prędkością powyżej 60 węzłów (110 km/h; 69 mph), zginając folię nośną .

Schematyczna ilustracja systemów samostabilizujących dla całkowicie zanurzonych wodolotów. Jego komputer zbiera dane dotyczące pozycji belki i aktualnego poziomu wody, aby określić wymaganą pozycję klap.

Pierwsze łodzie pasażerskie

Niemiecki inżynier Hanns von Schertel pracował na wodolotach przed i podczas II wojny światowej w Niemczech . Po wojnie Rosjanie zdobyli drużynę Schertela. Ponieważ Niemcy nie miały uprawnień do budowy szybkich łodzi, Schertel wyjechał do Szwajcarii , gdzie założył firmę Supramar. W 1952 roku Supramar wypuścił pierwszy komercyjny wodolot, PT10 „Freccia d'Oro” (Złota Strzała), na jeziorze Maggiore, między Szwajcarią a Włochami . PT10 jest typu przebijającego powierzchnię, może przewozić 32 pasażerów i podróżować z prędkością 35 węzłów (65 km/h; 40 mph). W 1968 roku urodzony w Bahrajnie bankier Hussain Najadi nabył Supramar AG i rozszerzył swoją działalność na Japonię, Hongkong, Singapur, Wielką Brytanię, Norwegię i USA. General Dynamics of the United States został jej licencjobiorcą, a Pentagon przyznał swój pierwszy projekt badań i rozwoju marynarki w dziedzinie superkawitacji . Hitachi Shipbuilding z Osaki w Japonii był kolejnym licencjobiorcą Supramaru, a także wielu wiodących armatorów i stoczni w krajach OECD.

Od 1952 do 1971 Supramar zaprojektował wiele modeli wodolotów: PT20, PT50, PT75, PT100 i PT150. Wszystkie są typu przebijającego powierzchnię, z wyjątkiem modelu PT150 ​​łączącego folię przebijającą powierzchnię z przodu z folią całkowicie zanurzoną w tylnej części. Zbudowano ponad 200 projektów Supramar, większość z nich wykonał Rodriquez na Sycylii we Włoszech.

W tym samym okresie Związek Radziecki intensywnie eksperymentował z wodolotami, konstruując wodoloty rzeczne i promy o opływowych konstrukcjach w okresie zimnej wojny i w latach 80. XX wieku. Takie statki obejmują typ Raketa (1957), a następnie większy typ Meteor i mniejszy typ Voskhod . Jednym z najbardziej udanych sowieckich projektantów/wynalazców w tej dziedzinie był Rostislav Alexeyev , którego niektórzy uważają za „ojca” nowoczesnego wodolotu ze względu na jego projekty szybkich wodolotów z lat 50. XX wieku. Później, około lat 70., Aleksiejew połączył swoje doświadczenie związane z wodolotem z zasadą efektu powierzchniowego, aby stworzyć Ekranoplan . Intensywne inwestycje w tego typu technologię w ZSRR skutkują powstaniem największej cywilnej floty wodolotów na świecie i uczynienie z typu Meteor najbardziej udanego wodolotu w historii, z ponad 400 zbudowanymi jednostkami.

W 1961 roku SRI International opublikowało studium „Ekonomiczna wykonalność wodolotów pasażerskich w handlu krajowym i zagranicznym Stanów Zjednoczonych”. Komercyjne wykorzystanie wodolotów w USA pojawiło się po raz pierwszy w 1961 roku, kiedy Harry Gale Nye Jr. 's North American Hydrofoils zlecił dwóm podmiejskim statkom obsługę trasy z Atlantic Highlands w stanie New Jersey do dzielnicy finansowej Dolnego Manhattanu.

Zastosowanie wojskowe

Projekt 206m „Shtorm” atak patrol szybko łodzie wodolotem z kubańskiej marynarki .
Widok na belkę portu lotniczego włoskiego wodolotu klasy Sparviero-pocisk NIBBIO P-421 w drodze.
USS Aquila , wojskowy wodolot. Folie w kształcie litery T są widoczne tuż pod wodą.
HMCS Bras d'Or , wojskowy wodolot koncepcyjny.

17-tonowy niemiecki statek VS-6 Hydrofoil został zaprojektowany i skonstruowany w 1940 roku, ukończony w 1941 roku jako układacz min, testowany na Morzu Bałtyckim , osiągając prędkość 47 węzłów. Testowany ze standardową łodzią elektryczną przez następne trzy lata, działał dobrze, ale nie został wprowadzony do produkcji. Będąc szybszym, mógł przenosić większy ładunek i przemieszczać się po polach minowych, ale był podatny na uszkodzenia i głośniejszy.

W Kanadzie podczas II wojny światowej Baldwin pracował nad eksperymentalnym wodolotem do układania dymu (później nazwanym Comox Torpedo), który został później zastąpiony inną technologią układania dymu i eksperymentalnym wodolotem do holowania celu. Dwa przednie zespoły foliowe tego, co uważa się za ten ostatni wodolot, zostały uratowane w połowie lat 60. z opuszczonego kadłuba w Baddeck w Nowej Szkocji przez Colina MacGregora Stevensa. Zostały one przekazane do Muzeum Morskiego w Halifax w Nowej Szkocji. The Armed Forces kanadyjskie budowane i testowane szereg wodolotów (np Baddeck i dwa statki o nazwie Bras d'Or ), co doprowadziło do szybkiego zwalczania okrętów podwodnych wodolotu HMCS Bras d'Or pod koniec 1960 roku. Jednak program został odwołany na początku lat 70. z powodu odejścia od walki z okrętami podwodnymi przez kanadyjskie wojsko. Bras d'Or był typem powierzchni przebijania, że dobre wyniki podczas swoich prób, osiągając maksymalną prędkość 63 węzłów (117 km / h).

ZSRR wprowadził do swojej marynarki kilka szybkich statków szturmowych opartych na wodolotach , głównie:

US Navy rozpoczęła eksperymenty z wodolotów w połowie 1950 roku, finansując statek żaglowy, że zużyty wodoloty do osiągnięcia prędkości w przedziale 30 mph. XCH-4 (oficjalnie jednostki doświadczalne Wodolot nr 4 ), zaprojektowany przez William P. Carl przekroczyła szybkości 65 mil na godzinę (56 kN 105 km / h) i mylony z hydroplanie ze względu na swój kształt. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych wprowadziła w latach 1977-1993 niewielką liczbę wodolotów bojowych, takich jak klasa Pegasus . Wodoloty te były szybkie i dobrze uzbrojone.

Italian Navy wykorzystała sześć wodoloty na Sparviero klasy od końca 1970 roku. Były one uzbrojone w działo 76 mm i dwa pociski i mogły osiągać prędkość do 50 węzłów (93 km/h). Trzy podobne łodzie zbudowano dla Japońskich Sił Samoobrony Morskiej .

Żeglarstwo i sport

Drużyna AC72 z Nowej Zelandii podczas Pucharu Ameryki 2013 w Zatoce San Francisco.

W kilku edycjach America's Cup ścigano się z foliowaniem jachtów. W 2013 i 2017 odpowiednio klasy AC72 i AC50 katamaranów , a w 2021 klasa AC75 jednokadłubowców foliujących z ramionami uchylnymi .

Francuski eksperymentalny wodolot o napędzie żaglowym Hydroptère jest wynikiem projektu badawczego, który obejmuje zaawansowane umiejętności inżynieryjne i technologie. We wrześniu 2009 roku Hydroptère ustanowił nowe rekordy prędkości żaglowca w kategorii 500 m z prędkością 51,36 węzła (95,12 km/h) oraz w kategorii 1 mila morska (1852 m) z prędkością 50,17 węzła (92,91 km) /h).

Rekord prędkości dla łodzi żaglowych na 500 m jest obecnie utrzymywany przez Vestas Sailrocket , egzotyczną konstrukcję, która działa jak wodolot.

Kolejną żaglówką trimaranową jest Windrider Rave. Rave jest dostępnym na rynku 17-stopowym (5,2 m), dwuosobowym trimaranem wodolotowym, zdolnym osiągnąć prędkość 40 węzłów (74 km/h). Łódź została zaprojektowana przez Jima Browna.

Ćma ponton przekształciła radykalnych konfiguracji folii.

Firma Hobie Sailboats wyprodukowała produkcyjny trimaran foliujący, Hobie Trifoiler, najszybszą produkcyjną łódź żaglową. Trifoilery mają prędkość taktowaną do trzydziestu węzłów.

Nowa konstrukcja kajaka, o nazwie Flyak , ma wodoloty, które unoszą kajak na tyle, aby znacznie zmniejszyć opór, umożliwiając prędkość do 27 km/h (17 mph). Niektórzy surferzy opracowali deski surfingowe z wodolotami zwane foliami , specjalnie przeznaczone do surfowania po dużych falach dalej w morze.

Quadrofoil Q2 to dwumiejscowy, czterowarstwowy wodolot elektryczny rekreacyjny. Jego pierwotny projekt powstał w 2012 roku i jest dostępny na rynku od końca 2016 roku. Zasilany akumulatorem litowo-jonowym 5,2 kWh i napędzany silnikiem o mocy 5,5 kW, osiąga prędkość 40 km/h i 80 km zasięgu.

Manta5 Hydrofoiler XE-1 to rower elektryczny Hydrofoil, zaprojektowany i zbudowany w Nowej Zelandii , który od końca 2017 roku jest dostępny w sprzedaży w przedsprzedaży od końca 2017 roku. Napędzany silnikiem o mocy 400 W, może osiągnąć prędkość przekraczającą 14 km/h z waga 22 kg. Jedno ładowanie baterii wystarcza na godzinę dla rowerzysty ważącego 85 kg.

Candela, szwedzka firma, produkuje rekreacyjną motorówkę wodolotową, przedstawiając mocne twierdzenia dotyczące wydajności, osiągów i zasięgu.

Wodoloty są obecnie szeroko stosowane w latawcach trakcyjnych nad wodą, a ostatnio ze skrzydłami, które są zasadniczo latawcem bez sznurków lub z żaglem trzymanym w ręku.

Zbudowany przez Ukraińców Voskhod nad Kanałem Morza Północnego , Holandia

Turboodrzutowych „s Barca Foilcat

Nowoczesne łodzie pasażerskie

Flying Poseidon (zbudowany w 1982 r.) właśnie zacumował na Rodos z Fethiye, kiedy w 2011 r. z Turcji przybył również siostrzany wodolot Kometas z Bodrum .

Woschody zbudowane w Związku Radzieckim są jednym z najbardziej udanych projektów wodolotów pasażerskich. Produkowane na sowieckim, a później ukraińskim Krymie, służą w ponad 20 krajach. Najnowszy model, Voskhod-2M FFF , znany również jako Eurofoil, został zbudowany w Feodosiya dla holenderskiego operatora transportu publicznego Connexxion .

Pierwsza Kometa 120M, nazwana Chaika (Mewa) na cześć znaku wywoławczego Walentyny Tereshkovej , zacumowała w Sewastopolu

W połowie 2010 roku rosyjski rządowy program miał na celu przywrócenie produkcji wodolotów pasażerskich. Kometa 120M  [ ru ] , na podstawie wcześniejszej Kometa  [ ru ] , modele Kolhida i Katran, stał pierwszy wprowadzony do produkcji, początkowo na VYMPEL  [ ru ] fabryce w Rybinsk, a później More stoczni w Teodozji. Od 2018 roku statki kursują Sewastopol-Jałta i Soczi-Gelenżik-Noworosyjsk, z połączeniem Sewastopol-Soczi w najbliższych planach w 2021 roku. W tym samym czasie Biuro Aleksiejewa rozpoczęło budowę lżejszych, mniejszych wodolotów Valday 45R  [ ru ] , w oparciu o cieszący się dużym powodzeniem model Polesie  [ ru ] , we własnym zakładzie w Niżnym Nowogrodzie, stosunkowo płytkie łodzie używane na Ob i Wołdze. Meteor 120R  [ ru ] , rozwinięciem Meteor  [ ru ] , stał Valday za większy brat, pierwszy statek rozpoczął się w Niżnym Nowogrodzie w sierpniu 2021 r.

Boeing 929 jest szeroko stosowany w Azji do przewozów pasażerskich między wieloma wyspami Japonii , między Hong Kongu i Makau i na Półwyspie Koreańskim .

Aktualna operacja

Obecni operatorzy wodolotów to:

Wodolot szybkobieżny Meteor na jeziorze Ładoga , Rosja .
Wodolot pasażerski Latający Dolphin Zeus poruszający się z dużą prędkością w pobliżu Pireusu , Grecja .

Zaniechana działalność

Zobacz także historię Condor Ferries , która przez 29 lat obsługiwała sześć wodolotów między Wyspami Normandzkimi , południowym wybrzeżem Anglii i Saint-Malo .

  • Po przywróceniu niepodległości Estonii w latach 90. regularne połączenie promowe między Helsinkami a Tallinem zostało wzmocnione przez radzieckie wodoloty w sezonie letnim w okresach dobrej pogody. Usługa o wyższej prędkości konkurowała z tradycyjnymi promami typu ro-ro, ale umożliwiała łatwe jednodniowe wycieczki dla pieszych. Zostały one ostatecznie zastąpione szybkimi katamaranami, które mogły również przewozić pojazdy i mieć lepszą zdolność żeglugi; jednak ten ostatni zaprzestał działalności, ponieważ operator złożył wniosek o upadłość w maju 2018 r.

Niedogodności

Szczyt popularności wodolotów przypadał na lata 60. i 70. XX wieku. Od tego czasu obserwuje się stały spadek ich wykorzystania i popularności do celów rekreacyjnych, wojskowych i komercyjnych przewozów pasażerskich. Istnieje kilka przyczyn takiego stanu rzeczy:

  • Wodoloty są wrażliwe na uderzenia obiektów pływających i zwierząt morskich. Przy uderzeniu w coś wodolot może spaść z folii.
  • Wodoloty są drogie w budowie. Statek taki jak Boeing Jetfoil kosztuje obecnie około trzy razy więcej niż równoważny pasażerski prom katamaranowy . Wzrost kosztów nie zawsze jest ekonomicznie uzasadniony przez konsumentów. Prostsze konstrukcje, takie jak rosyjskie i włoskie Rodriqueza, są bardziej konkurencyjne cenowo i nadal są produkowane do eksploatacji na trasach promowych.
  • Są skomplikowane technicznie i wymagają dużej konserwacji. Na przykład marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych opracowała zaawansowane technicznie wodoloty, ale nie była w stanie zapewnić niezawodności układów napędowych i sterowania jazdą. To ostatecznie doprowadziło do zawieszenia ich projektów wodolotów. Rosyjska marynarka wojenna nadal operuje bardzo dużymi wodolotami i odniosła sukces – głównie dlatego, że wybrała prostsze systemy, które mogą nie mieć takich samych osiągów jak konstrukcje amerykańskie, ale są bardziej solidne i niezawodne. W Hongkongu rosnące koszty utrzymania w ruchu starzejących się samolotów Jetfoils i gwałtowny spadek popytu na pasażerów po otwarciu mostu Hongkong-Zhuhai-Makau powodują, że statki te są powoli wycofywane.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki