Сила тяжести гидросамолета G приложена в центре масс самолета (ц.м.), сила поддержания (архимедова сила, сила воздействия вытесненной жидкости на лодку гидросамолета) Р приложена в центре масс вытесненного лодкой объема воды, или, по корабельной терминологии (которой широко пользуются проектировщики гидросамолетов), в центре величины (ц.в.).

Рис. 7.76. Гидросамолет на плаву

   Очевидно, что для обеспечения равновесия самолета на плаву (рис. 7.76) силы G и P должны лежать на прямой, соединяющей ц.м. и ц.в., в вертикальной продольной плоскости симметрии гидросамолета - диаметральной плоскости лодки (ДП). Очевидно также, что основная плоскость лодки (ОП) - горизонтальная плоскость, проходящая через нижнюю точку поверхности лодки перпендикулярно к диаметральной плоскости, и, соответственно, нижняя строительная горизонталь лодки (НСГ), строительная горизонталь самолета (СГС) и палуба 1 - верхняя поверхность лодки в общем случае не параллельны плоскости водной поверхности и линии соприкосновения поверхности воды с корпусом лодки гидросамолета W_оL_о.
   Линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпусом лодки гидросамолета W_оL_о при полной взлетной массе и выключенных двигателях - грузовая ватерлиния (от голл. water - вода и lijn - линия). Грузовая ватерлиния (ГВЛ) при плавании в пресной воде не совпадает с ГВЛ при плавании в морской воде, поскольку плотность пресной речной или озерной воды ρ_в=1000 кг/м3, плотность морской воды ρ_в = 1025 кг/м³.
   Соответственно, осадка Т (расстояние от ГВЛ до самой нижней части лодки, характеризующее погружение лодки ниже уровня воды) при одинаковой взлетной массе гидросамолета в пресной воде будет больше, чем в морской.
   Значения осадок носом и кормой определяют посадку лодки гидросамолета относительно поверхности воды - дифферент лодки (от лат. differens (differetis) - разница) - наклон ее в продольной плоскости, который измеряется углом дифферента φ ₀ или разностью между осадками кормы и носа. Если разность равна нулю, говорят, что лодка "сидит на ровном киле"; если осадка кормы больше осадки носа - лодка "сидит с дифферентом на корму" (как показано на рис 7.76), если меньше - лодка "сидит с дифферентом на нос".
   Остойчивость (аналог термина "устойчивость" в морской терминологии) при плавании - способность гидросамолета, отклоненного внешними возмущающими силами от положения равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действия возмущающих сил.
   Очевидно, что при плавании частично или вполне (полностью) погруженного в воду тела нет никаких других сил для возвращения его в положение равновесия, кроме силы тяжести G и равной ей силы поддержания Р. Следовательно, только взаимное положение этих сил определит остойчивость или неостойчивость плавающего тела, что иллюстрирует рис. 7.77.

Рис. 7.77. К объяснению остойчивости плавающего тела

   Если центр масс тела расположен ниже центра величины (рис. 7.77,а), при отклонении от положения равновесия возникает стабилизирующий момент ΔМ = Gl, возвращающий тело в исходное положение остойчивого равновесия.
   Если центр масс тела расположен выше центра величины (рис. 7.77,в), при отклонении от положения равновесия возникает дестабилизирующий момент ΔМ = Gl, и тело не может самостоятельно возвратиться в исходное положение неостойчивого равновесия.
   Если положение центра масс тела совпадает с положением центра величины (рис. 7.77,б), тело находится в безразличном равновесии.
   Следует отметить, что положение центра величины существенным образом зависит от формы погруженной части тела и угла отклонения его от исходного положения равновесия.
   Остойчивость гидросамолета (как и остойчивость судна) принято определять взаимным положением центра масс и метацентра - центра кривизны линии, по которой смещается центр величины водоизмещающего тела при выведении его из равновесия.
   Метацентр - от греч. meta - между, после, через - составная часть сложных слов, означающих промежуточность, следование за чем-либо, переход к чему-либо другому, перемену состояния, превращение и лат. - centrum средоточие, центр.
   Различают поперечную и продольную остойчивость гидросамолета (при наклонении самолета соответственно в поперечной и продольной плоскостях).
   Поперечная остойчивость. Рассмотрим случай поперечного наклонения - отклонение диаметральной плоскости лодки (ДП) от вертикали, например под воздействием порыва ветра.
   Гидросамолет (рис. 7.78,а) находится на плаву в состоянии равновесия, сила тяжести G и сила поддержания Р равны, лежат в диаметральной плоскости, размер а определяет возвышение центра масс над центром величины.

Рис. 7.78. Неостойчивая лодка

   От боковой составляющей порыва ветра V_в (рис. 7.78,б) возникнет кренящий момент М_{кр в}, зависящий от скоростного напора, площади и размаха наветренной (обращенной в ту сторону, откуда дует ветер) консоли крыла, площади боковой проекции гидросамолета. Под действием этого момента самолет накренится на некоторый малый (будем считать - бесконечно малый) угол γ и новое положение лодки определит новую грузовую ватерлинию W₁L₁, плоскость которой наклонена на угол γ от исходной ватерлинии W_оL_о.
   Форма подводной (водоизмещающей) части лодки изменится: объем, ограниченный в каждом поперечном сечении лодки фигурой 1, выйдет из-под воды, а равный ему объем, ограниченный в каждом поперечном сечении лодки фигурой 2, уйдет под воду. Таким образом, величина поддерживающей силы не изменится (Р = Wρ_вg = G), однако центр величины сместится из исходного положения С_о в точку С₁. Точка М_о пересечения двух смежных линий действия архимедовых сил при бесконечно малом угле g между ними и является начальным метацентром.
   Метацентрический радиус ρ₀ определяет начальную кривизну линии смещения центра величины лодки при крене.
   Мерой поперечной остойчивости гидросамолета является значение метацентрической высоты h_о = ρ_о - а:
      - если h_о > 0 - лодка остойчива;
      - если h_о = 0 - равновесие безразличное;
      - если h_о < 0 - лодка неостойчива.
   В рассмотренном примере h_о< 0. Нетрудно видеть, что перпендикулярные к поверхности воды и равные силы Р и G будут составлять пару с плечом l, причем момент этой пары М_{кр G} = Gl совпадает по направлению с возмущающим моментом М_{кр в} и увеличивает угол крена. Таким образом, гидросамолет, показанный на рис. 7.78,б, при действии внешних возмущений не возвращается к исходному положению, т. е. не обладает поперечной остойчивостью.
   Очевидно, что для обеспечения поперечной остойчивости центр масс должен находиться ниже самого низкого положения метацентра.
   Большинство современных гидросамолетов выполнено по классической аэродинамической схеме с фюзеляжем - лодкой, которой придаются соответствующие формы для выполнения взлета с воды и посадки на воду, высокорасположенным крылом с установленными на нем или на лодке двигателями для максимального удаления их от водной поверхности с целью исключить при движении по воде заливание крыла водой и попадание ее в двигатели и на винты самолетов с винтомоторной силовой установкой, поэтому в большинстве случаев центр масс самолета выше метацентра (как на рис. 7.78,б) и однолодочный гидросамолет в поперечном отношении неостойчив.
   Проблемы поперечной остойчивости гидросамолета однопоплавковой или однолодочной схемы могут быть решены применением подкрыльных поплавков (рис. 7.79).

Рис. 7.79. Подкрыльный поплавок

   Подкрыльный поплавок 1 устанавливают на пилоне 2 по возможности ближе к концу крыла 3. Опорные (поддерживающие) подкрыльные поплавки не касаются воды при движении гидросамолета на ровной воде 4 и обеспечивают остойчивое положение гидросамолета с углами крена 2-3° при стоянке, несущие подкрыльные поплавки частично погружены в воду и обеспечивают стоянку без крена.
   Водоизмещение поплавка выбирается таким образом, чтобы под воздействием ветра с определенной скоростью V _в гидросамолет, находящийся на скате волны 5, соответствующей предельному волнению акватории, заданному в ТЗ на проектирование, накренился на определенный угол γ. В этом случае восстанавливающий момент поплавка, определяемый поддерживающей силой поплавка Р_п и расстоянием b_п от диаметральной плоскости поплавка до диаметральной плоскости лодки, М_п = Р_пb_п, должен парировать (уравновесить) кренящие моменты М_{кр в} от ветра и М_{кр G} от неостойчивой лодки.
   Продольная остойчивость определяется такими же условиями, как и поперечная. Если под действием какого-либо внешнего возмущения гидросамолет (рис. 7.80) получит продольное наклонение от исходного положения, определяемого ватерлинией W _оL_о, например увеличение на угол Δφ дифферента на нос, это определит новую грузовую ватерлинию W₁L₁.
   Объем лодки 1 выйдет из-под воды, а равный ему объем 2 уйдет под воду, при этом значение поддерживающей силы не изменится (Р = Wρ_вg = G), однако центр величины сместится из исходного положения С₀ в точку С₁.

Рис. 7.80. К объяснению продольной остойчивочти

Точка М_о^* пересечения двух смежных линий действия поддерживающих сил при бесконечно малом угле Δφ между ними определит положение начального продольного метацентра.
   Мера продольной остойчивости гидросамолета - продольная метацентрическая высота H_о = R_о - а.
   Обеспечить продольную остойчивости гидросамолета проще, чем поперечную, в том смысле, что сильно развитая в длину лодка почти всегда обладает естественной продольной остойчивостью (H_о > 0).
   Отметим, что пикирующий момент от силы тяги двигателя, линия действия которой обычно проходит выше центра масс самолета, заглубляет носовую часть лодки, уменьшает угол начального дифферента, т. е. заставляет лодку принять некоторый дифферент на нос, что определит новую грузовую ватерлинию, которая называется "упорной".
   Гидростатические силы (силы поддержания), обеспечивающие плавучесть и остойчивость лодки в состоянии покоя, естественно, в большей или меньшей мере проявляются и в процессе движения по воде.
   Весьма важной характеристикой гидросамолета, определяющей его мореходность, является способность преодолевать сопротивление воды и развивать необходимую скорость движения по воде при минимальных затратах мощности.
   Гидродинамическая сила сопротивления воды движению лодки в режиме плавания определяется трением воды в пограничном слое (сопротивление трения) и распределением гидродинамического давления потока воды на лодку (сопротивление формы, связанное с образованием вихревых течений - его иногда называют водоворотным сопротивлением) и зависит от скорости движения (скоростного напора ρ_вV²/2), формы и состояния поверхности лодки.
   Здесь уместно напомнить, что плотность воды ρ_в больше плотности воздуха на уровне моря примерно в 800 раз !
   К этому сопротивлению добавляется волновое сопротивление, которое, в отличие от волнового сопротивления, связанного с необратимыми потерями энергии в скачке уплотнения при полете с закритическими скоростями (см. раздел 5.5), возникает при движении тела вблизи свободной поверхности жидкости (поверхности раздела воды и воздуха).
   Волновое сопротивление - часть гидродинамического сопротивления, характеризующая затрату энергии на образование волн.
   Волновое сопротивление в воде (тяжелой жидкости) возникает при движении погруженного или полупогруженного тела (поплавка, лодки) вблизи свободной поверхности жидкости (т. е. границы воды и воздуха). Движущееся тело оказывает добавочное давление на свободную поверхность жидкости, которая под влиянием собственной силы тяжести будет стремиться вернуться к исходному положению и придет в колебательное (волновое) движение. Носовая и кормовая части лодки образуют взаимодействующие между собой системы волн, оказывающие существенное влияние на сопротивление.
   В режиме плавания равнодействующая сил гидродинамического сопротивления практически горизонтальна.
   Форма водоизмещающей части гидросамолета (как и форма судна) должна обеспечить способность движения по воде с минимальным сопротивлением и, как следствие, с минимальными затратами мощности (ходкость судна, по морской терминологии).
   При проектировании гидросамолетов (как и судов) для выбора форм и оценки гидродинамических характеристик используются результаты испытаний путем буксировки ("протаски") динамически подобных моделей в опытовых бассейнах (гидроканалах) или в открытых акваториях.
   Однако, в отличие от судна, комплекс характеристик мореходности гидросамолета значительно шире, основной из них является способность производить безопасные взлеты и посадки на взволнованной поверхности с определенной высотой волны, при этом скорости хода по воде гидросамолетов во много раз превышают скорости морских судов.
   Благодаря особой форме днища лодки гидросамолета возникают гидродинамические силы, поднимающие носовую часть и вызывающие общее значительное всплытие лодки.
   Следовательно, движение гидросамолета, в отличие от судна, происходит при переменном водоизмещении и угле дифферента лодки (фактически угле набегания водяного потока на днище, аналогичном углу атаки крыла). На скоростях движения по воде, близких к скорости отрыва при взлете, водоизмещение практически равно нулю - гидросамолет идет в режиме глиссирования (от франц. glisser - скользить) - скольжения по поверхности воды. Характерная особенность режима глиссирования заключается в том, что равнодействующая сил гидродинамического сопротивления воды имеет настолько большую вертикальную составляющую (гидродинамическую силу поддержания), что лодка большей частью своего водоизмещающего объема выходит из воды и скользит по ее поверхности. Поэтому обводы (очертания наружной поверхности) лодки гидросамолета (рис. 7.81) существенно отличаются от обводов судна.

Рис. 7.81. Лодка гидросамолетa

   Основное отличие состоит в том, что днище (нижняя поверхность лодки, которая является основной опорной поверхностью при движении гидросамолета по воде) имеет один или несколько реданов (франц. redan - уступ), первый из которых, как правило, располагается вблизи центра масс гидросамолета, а второй в кормовой части. Прямые в плане реданы (рис. 7.81,а) создают в полете значительно большее сопротивление, чем заостренные (стреловидные, оживальные) реданы (рис. 7.81,б), гидродинамическое сопротивление и брызгообразование которых существенно меньше. Со временем ширина второго редана постепенно уменьшалась, межреданная часть днища стала сходиться в одной точке (рис. 7.81,в) на корме лодки.
   В процессе развития гидроавиации изменялась и форма поперечного сечения лодки (рис. 7.82).

Рис. 7.82. Форма поперечного сечения лодки

Лодки с плоским днищем (рис. 7.82,а) и с продольными реданами (рис. 7.82,б), слабокилеватые (т. е. с небольшим наклоном участков днища от центральной килевой линии к бортам - рис. 7.82,в) и с вогнутым днищем (рис. 7.82,г) постепенно уступали место килеватым лодкам с плоскокилеватым днищем (рис. 7.82,д) или с более сложным (в частности, криволинейным) профилем килеватости (рис. 7.82,е).
   Здесь следует отметить, что гидросамолеты не имеют амортизаторов (см. раздел 7.3), способных поглощать и рассеивать энергию ударов при посадке на воду. Поскольку вода - практически несжимаемая жидкость, то сила удара о воду соизмерима с силой удара о землю. Основное назначение килеватости - заменить собой амортизатор и при постепенном погружении в воду клиновой (килеватой) поверхности при посадке смягчить посадочный удар, а также удары воды о днище лодки при движении на взволнованной поверхности воды.
   Характерные обводы лодки современного гидросамолета представлены на рис. 7.83. Лодка имеет поперечную и продольную килеватость днища.
   Поперечная килеватость лодки (или угол, образуемый килем и скулами) выбирается исходя из условий обеспечения приемлемых перегрузок на взлетно-посадочных режимах и обеспечения динамической путевой остойчивости.
   Угол поперечной килеватости носовой части лодки начиная от первого редана β_{р н} плавно увеличивается к носу лодки (на виде спереди А-А - наложенные сечения по носовой части лодки) таким образом, что формируется волнорез в носовой частим лодки, "разваливающий" встречную волну и уменьшающий волно- и брызгообразование.
   Скула (линия пересечения днища и борта лодки) препятствует прилипанию воды к бортам. Для создания приемлемого волно- и брызгообразования применяют выгиб носовых скул, т. е. профилировку днища носовой части лодки по сложным криволинейным поверхностям.

Рис. 7.83. Характерные обводы лодки гидросамолетов

   Днище межреданной части лодки (на виде сзади Б-Б - наложенные сечения по кормовой части лодки) обычно плоскокилеватое - значение угла β_{р м} постоянно. Углы поперечной килеватости на редане обычно порядка 15-30°.
   Продольная килеватость лодки γ_л = γ_н + γ _м определяется углом продольной килеватости носовой части γ_н и углом продольной килеватости межреданной части γ_м.    Длина, форма и продольная килеватость носовой части (γ_н = 0¸3°), влияющие на продольную остойчивость и угол начального дифферента, выбираются такими, чтобы исключить зарывание носом и заливание палубы водой при высоких скоростях хода.
   Продольная килеватость межреданной части (γ_м = 6¸9°) выбирается так, чтобы обеспечить устойчивое глиссирование, посадку на сушу при максимально допустимом угле атаки и сход на воду (для самолета-амфибии) по существующим слипам (англ. slip, букв. - скольжение) - уходящим в воду наклонным береговым площадкам для схода амфибии на воду и выхода на берег.
   При достаточной продольной килеватости межреданной части отрыв при взлете с воды может происходить "с подрывом" (увеличением угла атаки) на максимально допустимом коэффициенте подъемной силы.
   Отрыв с воды при взлете осложнен тем, что кроме сил сопротивления воды движению лодки, рассмотренных выше, между днищем лодки и водой действуют силы сцепления (подсасывания), особенно в задней части лодки.
   Назначение редана - уничтожить подсасывающее действие воды (подсос) при разбеге, уменьшить этим сопротивление воды, дать возможность лодке "отлипнуть" от воды.
   Редан, нарушая плавность обводов лодки, естественно, способствует вихреобразованию, при увеличении скорости хода по воде интенсивность вихреобразования возрастает, начинается срыв водяных струй с редана и, как следствие, кавитация (от лат. cavitas - пустота) - нарушение сплошности внутри жидкости с образованием полостей, заполненных воздухом (кавитационных пузырьков). Эта воздушная прослойка способствует отрыву воды от зареданного участка днища, что приводит к общему значительному всплытию лодки - начинается режим глиссирования (гидропланирования ), или режим бега на редане, наиболее выгодный по величине гидродинамического сопротивления.
   Перед выходом на режим глиссирования за счет взаимодействия носовой и кормовой волн, создаваемых лодкой на поверхности воды, происходит увеличение дифферента на корму, изменяется картина обтекания, днище начинает испытывать большие нормальные давления, увеличивается и отклоняется от начального горизонтального положения равнодействующая сил гидродинамического сопротивления - появляется вертикальная составляющая (гидродинамическая сила поддержания), которая выталкивает лодку из воды, что уменьшает смоченную поверхность днища и бортов.
   Таким образом, гидросамолет при взлете должен выходить на редан, сохранять достаточную продольную устойчивость при глиссировании и легко отрываться от воды.
   В режиме глиссирования (рис. 7.84) гидросамолет движется на относительно малой контактной (смоченной) поверхности 1 с водой на треугольнике в районе первого редана, резко уменьшается горизонтальная составляющая Х_гид равнодействующей сил гидродинамического сопротивления R_гид и возрастает скорость хода.
   Второй редан (корма лодки) улучшает продольную устойчивость при беге на первом редане.
   Сила тяжести самолета G уравновешивается частично гидродинамической силой поддержания Р_гид контактной поверхности днища, а частично подъемной силой самолета Y_сам = Y_кр - Y_г.о.

Рис. 7.84. Гидросамолет в режиме глиссирования

   Сила тяги двигателей Р_дв больше суммы сил аэродинамического Х и гидродинамического Х_гид сопротивления - гидросамолет в режиме глиссирования движется с ускорением, увеличивая скорость движения до скорости отрыва.
   Характер изменения основных параметров движения гидросамолета при взлете в зависимости от относительной скорости разбега V = V/V_отр (здесь V_отр - скорость отрыва гидросамолета от воды) проиллюстрирован рис. 7.85.
   В режиме плавания при скоростях V = (0¸0,25)V_отр сила тяжести гидросамолета практически полностью уравновешивается силой гидростатического поддержания, значение аэродинамической подъемной силы в общем балансе сил невелико.

Рис. 7.85. Зависимость параметров движения гидросамолета при взлете от тоносительной скорости разбега

   Сила гидродинамического сопротивления определяется в основном сопротивлением поверхностного трения Х_т и волнообразования Х_в (за счет резких уступов на водоизмещающей части лодки - скул и редана). Примерно в середине режима начинает увеличиваться угол дифферента φ, появляется срыв струй воды с редана, возникает весьма незначительная гидродинамическая сила поддержания и соответствующая ей сила сопротивления глиссирования Х_гл.
   На переходном режиме при скоростях V = (0¸0,25)V_отр интенсивно растет угол дифферента, сила гидростатического поддержания и соответствующая ей сила сопротивления глиссирования Х_гл. Лодка резко всплывает, борта выходят из воды, соответственно уменьшается сопротивление поверхностного трения Х_т и волнообразования Х_в, тем не менее на этом режиме сила гидродинамического сопротивления Х_гид достигает максимального значения ("горб" на кривой гидродинамического сопротивления). Значение аэродинамических сил в общем балансе сил относительно невелико.
   На режиме глиссирования при скоростях V = (0,50¸1,00)V_отр угол дифферента постепенно уменьшается, соответственно уменьшается сила гидростатического поддержания и сила сопротивления глиссирования, поскольку с ростом скорости движения на редане возрастает аэродинамическая подъемная сила, полностью уравновешивающая силу тяжести г идросамолета на скорости отрыва.
   Отметим еще раз, что для обеспечения взлета гидросамолета сила тяги двигателей должна быть больше максимального значения суммы сил аэродинамического и гидродинамического сопротивления (в районе "горба" на кривой гидродинамического сопротивления).
   Характер изменения основных параметров движения гидросамолета при посадке (точнее - при послепосадочном пробеге, от момента касания реданом воды на посадочной скорости V_пос до полной остановки) в зависимости от относительной скорости пробега V = V/V_пос является, по существу, зеркальным отражением рис. 7.85.
   Здесь следует отметить только, что значения гидродинамического сопротивления при пробеге будут отличаться от значений при посадке вследствие того, что нагрузка на воду будет меньше (посадка совершается самолетом с массой меньшей, чем взлетная) и практически отсутствует при изменении угла дифферента вертикальная составляющая силы тяги двигателей, поскольку пробег совершается с двигателями, работающими на режиме "малого газа", т. е. при незначительной силе тяги.
   Гидродинамическое совершенство гидросамолета характеризуется минимальным значением гидродинамического качества

К = А/Х_гид,