周建明
為了更好地推動(dòng)航海模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,提升航海模型比賽的觀賞性與趣味性,提高普通大眾的觀賽熱情,近年來,世界航海模型聯(lián)合會(huì)(NAVIGA)在航海模型世界錦標(biāo)賽競速艇模型項(xiàng)目比賽中,推出了幾項(xiàng)無線電遙控多艇同場追逐競賽的新項(xiàng)目,HYDRO艇競賽就是其中重要的一項(xiàng)(競賽分MINI-HYDRO、HYDRO-I、HYDRO-II三個(gè)級別)。我國也將該項(xiàng)目列入了全國航海模型錦標(biāo)賽的正式項(xiàng)目。
HYDRO艇的性能和特點(diǎn)
1.直線快速性
HYDRO艇是電動(dòng)雙浮體三點(diǎn)式滑行艇,靠半浸式螺旋槳推進(jìn)航行。由于HYDRO艇只靠前面兩個(gè)浮體的滑行面(點(diǎn))和主艇體的尾部(螺旋槳)接觸水面滑行,因此艇的濕水面積很小,航行阻力極低,在風(fēng)平浪靜時(shí)直線速度相當(dāng)快。特別是在100m的直線賽道上,能充分發(fā)揮HYDRO艇直線速度快的優(yōu)點(diǎn)。
2.迴轉(zhuǎn)性能
三點(diǎn)式HYDRO滑行艇在轉(zhuǎn)向時(shí),因?yàn)橄蛐牧Φ淖饔茫源w會(huì)向所轉(zhuǎn)方向的圓心傾側(cè),導(dǎo)致內(nèi)側(cè)浮體的速度減慢、下沉,吃水瞬間加大,滑行阻力也隨之顯著增大,這使艇的轉(zhuǎn)向變得困難。這也正是HYDRO艇最大的缺點(diǎn)——迴轉(zhuǎn)性能差。由于比賽中6-8艘賽艇追逐競賽的場面復(fù)雜多變,迫使HYDRO艇航行時(shí)不得不經(jīng)常左閃右躲,以避免被其它賽艇撞擊或撞到其它賽艇,因此固有的迴轉(zhuǎn)能力差和需要良好的迴轉(zhuǎn)性能,成為HYDRO艇設(shè)計(jì)中一個(gè)很大的矛盾。
3.加減速性能
與其它多艇追逐競賽項(xiàng)目一樣,HYDRO艇在競賽過程中,也經(jīng)常要利用加減速避開突然減速或轉(zhuǎn)向的其它賽艇。而根據(jù)滑行艇的滑行原理,賽艇從靜浮狀態(tài)到正?;行枰粋€(gè)過程,競賽中則應(yīng)使這個(gè)過程越短越好,這就要求賽艇擁有良好的起滑性能。不過,因?yàn)镠YDRO艇艇底的起滑面只有很窄的左右兩個(gè)浮體的底部以及未起滑時(shí)主艇體的底部,所以在低速狀態(tài)下,水面給予艇底的升力太小,導(dǎo)致HYDRO艇的起滑性能并不好。因此,自身起滑性能差與需要起滑性能好以利于頻繁的加減速,是HYDRO艇設(shè)計(jì)中另一個(gè)很大的矛盾。
4.半浸螺旋槳的影響
競賽規(guī)則規(guī)定,HYDRO艇只能安裝和使用半浸螺旋槳。半浸螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)(從艇艉向艇艏看為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)),兩個(gè)槳葉一個(gè)在水里,另一個(gè)在空中,相互交替。其最大優(yōu)點(diǎn)是,消除了螺旋槳兩個(gè)槳葉同時(shí)在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)水流互相干擾并產(chǎn)生渦流的不利因素,螺旋槳的效率得到很大提高,產(chǎn)生的扭矩以及反扭矩也大大增加。扭矩增大,能增強(qiáng)HYDRO艇的動(dòng)力,是好事,而反扭矩隨之相應(yīng)增加,卻會(huì)給HYDRO艇帶來麻煩:一是航行時(shí)賽艇會(huì)繞自身軸線向右旋轉(zhuǎn)傾側(cè);二是賽艇在直線航行時(shí),會(huì)受到向右的扭矩作用,使其向右偏航.
5.抗浪要求
從圖1可以看到,HYDRO艇競賽航行的水域較大,容易受風(fēng)力、風(fēng)向的影響。同時(shí),HYDRO艇的主尺度較小,多艇航行產(chǎn)生的波濤更容易使賽艇在航行時(shí)上下顛簸。為此,如何使HYDRO艇的直線速度與迴轉(zhuǎn)性能俱佳,是艇型設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮的問題。
HYDRO艇的艇型設(shè)計(jì)
1.滿足HYDRO艇快速性的要求
依照一般滑行艇快速性的設(shè)計(jì)要求,首先要減少艇底的濕水面積、減小滑行阻力。但HYDRO艇是三點(diǎn)式滑行艇,其艇底面積本來就不大,如果將兩個(gè)浮體和主艇體做得太小,會(huì)導(dǎo)致浮力不足,可能使賽艇沉沒。因此,須在保證賽艇裝上所有設(shè)備不沉的前提下,將兩個(gè)浮體和主艇體的寬度設(shè)計(jì)得盡量窄一些。此外還應(yīng)注意,太窄的浮體底部并不利于HYDRO艇的滑行。
航海模型愛好者都知道,平底滑行艇艏底部沖角的大小對賽艇起滑性能有較大影響。因此,可將這一原理應(yīng)用到HYDRO艇的浮體上,即在浮體底部中段設(shè)計(jì)一個(gè)沖角,使水對浮體底部的升力加大。實(shí)踐證明,只要沖角角度設(shè)計(jì)適當(dāng),就能加快HYDRO艇的滑行速度。如果沖角太大,會(huì)使賽艇“抬頭”航行。當(dāng)抬起的艇艏失去水面浮力的支撐時(shí),就會(huì)跌落回水面。如此不斷地反復(fù)抬頭跌落,就是所謂的“海豚”現(xiàn)象。而若沖角太小,則會(huì)使整個(gè)浮體底部都埋入水中,導(dǎo)致航行阻力增加,賽艇的滑行速度自然減慢。以MINI-HYDRO艇為例,賽艇的主艇體寬度約54mm、浮體寬度約33mm,合適的浮體滑行面沖角角度應(yīng)在8°-9.5°之間,主艇體艏部的沖角角度約為4.5°-6°。
另外,主軸的推力線角度對HYDRO艇的快速性影響也很顯著。當(dāng)推力線向上時(shí),賽艇會(huì)艏傾航行(低頭);當(dāng)推力線向下時(shí),賽艇會(huì)艉傾航行(抬頭)。艉傾和艏傾航行都不利于賽艇高速滑行,正確的設(shè)計(jì)是使推力線呈水平狀態(tài)。
2.改善迴轉(zhuǎn)性能
由于三點(diǎn)式滑行艇的局限性,HYDRO艇的迴轉(zhuǎn)性能顯然無法與單體滑行艇相提并論。因此,設(shè)計(jì)時(shí)只能盡量改善HYDRO艇的迴轉(zhuǎn)性能。如前所述,HYDRO艇在迴轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)向一側(cè)的浮體會(huì)減慢速度、下沉,不利于航行。為此,應(yīng)使該側(cè)浮體快速滑出水面,減小這一不利因素的影響。而僅靠浮體中后段的滑行沖角產(chǎn)生的升力明顯不夠,故可在浮體的艏部增設(shè)一個(gè)大沖角,以加大起滑效果。
從圖1可以看出,HYDRO艇的正常競賽航線為逆時(shí)針方向,兩端各有一個(gè)半徑10m的半圓形航線,因此只需著重考慮賽艇向右轉(zhuǎn)向的問題。為使賽艇在向右轉(zhuǎn)向時(shí)右側(cè)浮體盡快滑出水面,其大沖角要比左側(cè)浮體的更大。以MINI-HYDRO艇為例,其左側(cè)浮體的大沖角約25°,右側(cè)約29°。
大家知道,賽艇的長寬比越大(瘦長),迴轉(zhuǎn)半徑越大;反之,長寬比越小,迴轉(zhuǎn)性能越好。因此,主艇體的長度應(yīng)設(shè)計(jì)得盡可能短些。當(dāng)然,要以裝下所有的設(shè)備和保證賽艇的浮力為前提。以MINI-HYDRO艇為例,主艇體的長度通常為435mm左右。若按兩個(gè)浮體的最大寬度(325mm)算,其長寬比為1.338。
3.提升加減速性能
前文提到的浮體大沖角,對提升賽艇的加減速性能也有作用。賽艇減速后,能依靠這個(gè)大沖角盡快滑出水面,整個(gè)艇體(包括兩個(gè)浮體和主艇體)都會(huì)浮在水面上。如果主艇體艏部也增加一個(gè)沖角,同樣能產(chǎn)生起滑的作用。以MINI-HYDRO艇為例,可在主艇體艏部設(shè)計(jì)一個(gè)4.5°-6°的沖角.
4.克服反扭矩
根據(jù)圖2與圖3所示,強(qiáng)烈的反扭矩會(huì)使賽艇向右傾側(cè),并導(dǎo)致其向右偏航。
解決賽艇向右傾側(cè)的問題,首先應(yīng)加大賽艇的總寬度;其次,應(yīng)使右側(cè)浮體底部滑行面寬度比左側(cè)更寬一些;第三,在安排主艇體艙內(nèi)設(shè)備、電池時(shí),盡量靠左安裝,以使賽艇重心偏向左側(cè),必要時(shí)可以在左側(cè)浮體上安放適量的壓鉛配重。
而要解決賽艇向右偏航的問題,可在設(shè)計(jì)時(shí)將賽艇的推進(jìn)軸向右偏移8-9mm,使螺旋槳產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)賽艇向左偏航的力矩,抵消螺旋槳的反扭矩。
5.提高抗浪性能
相對于單體滑行艇較大的艇底濕水面積,雖然HYDRO艇的艇底滑行面本身不大,受風(fēng)浪的影響較小,但設(shè)計(jì)時(shí)仍須考慮這一問題。如前所述,加大賽艇總寬度,可兼顧改善其抗浪性能。此外,將浮體橫剖面的V形角設(shè)計(jì)為2.5°-3°,也能改善賽艇的抗浪性能。
艇艉的舵除作為賽艇轉(zhuǎn)向的主要部件外,它在賽艇直航時(shí)垂直插在水中,本身就能起到減少賽艇左右搖擺的作用。然而僅靠舵遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還應(yīng)在右側(cè)浮體內(nèi)側(cè)安裝一塊垂直插在水里的水刀。水刀不但有助于改善賽艇的抗浪性能,還能提高賽艇直線航行時(shí)的航行穩(wěn)定性和迴轉(zhuǎn)性能。
作為航海模型競賽的一個(gè)新項(xiàng)目,盡管大家對于HYDRO艇的經(jīng)驗(yàn)不多,但通過競賽實(shí)踐,相關(guān)的設(shè)計(jì)方案會(huì)變得越來越成熟完善。