HU-1222 Budapest, Nagytétényi út 88/A/11. 1775 Bp. Pf.: 130- T/F.: +36-1-424-7490 andreas@andreas.hu web: www.andreas.hu
ULTRAVÉKONY, JAVÍTOTT MENETTULAJDONSÁGÚ HAJÓTEST P 99 03782 (HU) és EP.1.230.121 (EU) szabadalom Bevezető, előzmények Az emberiség több már több mint 4000 éve hajózik a tengereken, kiszolgáltatva az elemek harcának, az időjárás viszontagságainak. A viharos tengerfelszín alatt néhány méterrel azonban mindig nyugodt a víz. A szabadalmaztatott megoldás csápokat ereszt ebbe a vízrétegbe és stabilizáló szárnyakra támasztja a különlegesen vékony hajótestet, ezzel biztos támaszt és nyugodt futást biztosít az alsó vízrétegeken. A különlegesen vékony hajótest-kialakítás következménye, hogy a sebesség négyzetével arányos menetellenállás nagyságrenddel kisebb, mint a hagyományos monotestű hajóknál, sőt még a katamaránoknál, trimaránoknál is sokkal jobb megoldást biztosít. A hajósok régi álma a gyors, stabil, hullámálló hajó. A leggyorsabb típusok közül is kiemelkedik az ultravékony hajótesttel () készült vízi-jármű család, legyen az egytestű tőkesúlyos vízimotor, katamarán, trimarán, vagy akár qvadromarán, motoros, vagy vitorlás kivitelben. A megoldás lényege a speciális alakú test ultravékony gerinckialakítással, mely felső részén konkávba áthajló Y alakú. A hajót a kettő, vagy több test alsó részére, a nyugodtvíz-szintre helyezett, torziós rugóval rögzített excentrikus stabilizáló szárnyak emelik meg a sebesség miatt kialakuló menetvíz nyomásának hatására. A vízvonalat a hajó álló helyzetében a felül kiszélesedő test élvonalára, menetben az ez alatti vékony gerinc legmagasabb pontjára kell a beállítani. A megoldás felkínálja a motoros hajtás súlypont-közeli elhelyezési lehetőségét azzal, hogy a testek közötti rész szabadon maradt. A testek statikus tervezése a rugalmas ágyazású, kéttámaszú tartó elvén alapul, mely teljesen új és nagy stabilitás biztosítására képes menetben. A test inerciája az I alakú kialakítás miatt kiemelkedően jó és a fövenyre való felfutásoknál is hasznos lehet a speciális alsó talpkialakítás. A szárnyak kétoldali, illetve hosszirányban kéttámaszú elhelyezése miatt a hajó viselkedése a hagyományos motoros siklóhajóktól jelentősen eltér: azonnal, nagy sebességgel indul, orrát és farát egyszerre emeli ki a vízből. A menetsebesség hatására kialakuló áramlási nyomás a szárnyakon felhajtóerőt indukál és a testet megemeli, de ugyanakkor a torziós rugós kapcsolat miatt a vízáramlás irányába a nyomással arányosan- a szárny el is fordul. Így a kiemelkedés mértéke határos, a megemelésmértéke egy sebesség elérése után szinttartó. A szárnyakat rögzítő torziós rugó különböző karakterisztikával rendelkezhet, mely alapvetően behatárolja az -hajó menetviselkedését. Megálláskor a helyzet fordított, azaz a lassuló hajótest stabilizáló szárnyai a rugóerő hatására az áramlási nyomás csökkenése miatt újra szögbe fordulnak és a test kiemelkedését a kisebb sebesség ellenére is biztosítják egészen a megállásig, amikor a test a tervezett álló-merülési mélység (konkáv Y felső ág) állapotába kerül. Az excentrikus rögzítésű stabilizáló szárnyak torziós rugóval történő rögzítése fontos előrelépés a hullámállóság és menetstabilitás tekintetében. Az egymástól független mozgású szárnyak ugyanis a függőleges irányú vízterhelésre külön-külön reagálnak. A felfelé ható dinamikus nyomást (amikor a testet emelné a hullám) fékezett elfordulással követi, azaz emelő hatást fékezi. Lefelé (amikor a víz kifut a test alól) a torziós rugó hatásirányával egyező vízmozgás miatt gyors szárnyszög-váltást és ezzel víztámasztást eredményez. E két hatás miatt a hajó bólintó mozgása nyugtalan vizeken is nagymértékben lecsökken és a különleges viselkedéshez jelentősen hozzájárul. Hullámos, viharos vizeken való közlekedés szempontjából kimondottan kedvezően hasznosul a menetben magasan kiemelt test. Katamarán, trimarán kialakításban a borulékonyság tekintetében is stabil hajó tervezhető. A konkávba áthajló Y alakú hajótest az eddigi hajótípusok közül leginkább a magas gerincű, ősi Viking wochstadt-hoz hasonló, melynek sebessége minden elképzelést felülmúlt. A - 2 -
Gottlandi kőtáblákról megismert és a hullámsírból kiemelt Viking hajók kedvező tulajdonságai most az -hajóban kelhetnek életre. Az (Ultra Thin Hulls) testek alkalmazása hozzáértő szemeknek az első pillantásra sok kellemetlen tulajdonsággal járó és megoldásra váró feladatot ad. Ilyen a hasznos terhelés hatására bekövetkező nagy merülési mélység, a speciális testkialakítás fizikai megoldása, a fedélzettel való összekapcsolás problémája, a szárnyak formájának kialakítása, elhelyezése és a szárnyakat rögzítő különleges torziós rugó -szerű rögzítés karakterisztikája. Ezeknek a hajózásban eddig teljesen szokatlan problémáknak a szisztematikus elemzése és megoldása rendkívüli feladatot, élvezetes munkát és igazi sikerélményt jelentett. A végül kialakult megoldás új lehetőséget, új szerkezetet, ezek alkalmazásával pedig egy teljesen új típusú hajózást képes biztosítani. A vízi sportokat, hajózást kedvelők népes tábora bizonyára átélte már át azt az érzést, melyet a végtelen tér meghódítása, a szabadság pótolhatatlan érzése okoz, miközben a nap süt, a szél arcunkba fúj és a víz széles országútja megnyílik előttük. A mindent vállaló sporthajósok mellett ugyanakkor sokan szenvednek az eddig elkerülhetetlennek hitt hánykódástól és a hajó állandó mozgásától, mely sokakat riaszt el e nagyszerű sport és egyben olcsó közlekedési mód választásától. Az -hajó mind a két tábor részére különleges élményt nyújt és számos meglepetést tartogat. Száguldó hajótípusok és kritikájuk az új megoldás szempontjából Katamarán-trimarán hajók közismerten gyorsjárásúak. Jellemző rájuk az úszótesteket összekötő tartószerkezet (mely a fedélzet része) és a víz alatti testek korlátozott térkihasználása. A mi szempontunkból azonban ezek a testek még nem elég vékonyak, támasztó szárnyak sincsenek. Arányai eltérőek az -tól, bár ahhoz az összes más hajótípus közül a legközelebb állnak. Vékony, hosszú testük miatt a hullámhosszra kevésbé érzékenyek, mint a hagyományos monotestek, emiatt járásuk simább (kevésbé dobálja a hullámmal való keresztezés), de a vízbefúródásuk nem védhető ki. A nyugodt vízszintre helyezett futástól azonban ezek a megoldások igen messze állnak. Vitathatatlan azonban, hogy a katamaránok alkalmazása már felismerte a vékonyabb testek menetellenállásra gyakorolt kedvező hatását, ezzel a nagyobb menetsebesség elérhetőségét. Szárnyas hajóknál a test alatt elhelyezett fix szárnyakon a menetsebesség hatására létrejövő felhajtó erő emeli ki a hajót (úszótestet), annak teljes tömegét. A szárnyak felülete ezért jelentős és bár állíthatók, nem önbeállók (más a szerepük). A felhajtóerő létrehozásához és a kiemelkedéshez szükséges nagy sebességet igen jelentős motorteljesítménnyel, megfelelő testkialakítással lehet elérni. Az első szárnyak dőlésszögén ugyan lehet állítani, de a hátsó szárnylapok általában fix rögzítésűek. Az első szárnyak V alakú kialakítása a szárnyashajók stabilitását növeli, de ugyanakkor szögbe állíthatóságukat a menetvíz irányával kizárja. A sebesség csökkenésével a szárnyas hajóknál a test aljának vízbeérésekor hirtelen fékerő jön létre. Mivel a vízfelszínhez közeli a szárnyak elhelyezése, a szárnyas hajók a viharos vizeken alkalmatlanok a közlekedésre, ilyenkor a járatok szünetelnek. Ezért inkább a parti hajózásban terjedtek el, ahol a járatok indítása az időjárási viszonyoktól jobban függővé tehetők. Hagyományos megoldások hátrányai A hagyományos hajótesteknél a vízbe merülő úszótest nem elég vékony, nagy sebességeknél a menetellenállásuk az -hoz képest igen nagy. A motoros meghajtásnál a monotestre általában jellemző siklás csak komoly motorteljesítménnyel érhető el, ekkor a hajóhossz mintegy fele-harmada van csak vízben. Ez azt jelenti, hogy a víz feletti test tömegét a siklásban szerepet játszó felület és siklási szög hatásából származó erő emeli meg, azaz az típusnál hasonló méretű szárnyfelületből kisebb is elegendő lenne. A siklásban lévő motoros hátránya, hogy nem többtámaszú, a vízfelület egyenetlensége a szabad kétharmad testhosszon dinamikus ütéseket okoz, rázza a testet. Megszoktuk, hogy az orrhossz jelentős része ilyenkor csak súlynak van, ezért kihasználatlan (az újabban alkalmazott orrkiüléses megoldások ezt kissé tompítják). Oldalirányban a monotest támasztás nélküli, könnyen borul és dől. - 3 -
Az Offshore hajóversenyeken előforduló súlyos balesetek, mint a felpattanás, vízbefúródás, jól mutatják a motoros monotestek az alkalmazhatósági határait. Ha ezeknél az -szerinti szárnyakat, mint víz alatti vezérsíkokat alkalmaznák, a menetviselkedés és biztonság jelentősen javulhatna a sebesség további növelése mellett is. Mentő motorhajóknál gyors hajó kell, ezeknél ideális a V test-alak, mely azonban eleve magas hajóoldalt ad. Az ilyen testtel való haladás ugyan gyorsabb, de a mentés mindig nehézkes, sőt oldalról szinte lehetetlen. A laposabb hajók mentési szempontból ugyan kedvezőbbek, de ezek nehezen bírják a viharos vizeket. Az -hajó e szempontból kimondottan ideális. A vitorlás meghajtásnál lényegesen kisebb a hajó menetsebessége. Emiatt az testek is teljesen eltérő elv szerint kerülnek kialakításra. Oldalsó szárnyak helyett fordított T alakú, de szintén torziós rugó rögzítésű talpakat alakítunk ki a testek alsó részén, mely egyben a fövenyre való felfutást is biztonságosabbá teszik. A szél erősségével a menetsebesség nem arányos. A sebességgel négyzetesen növekvő menetellenállás miatt a hajó sebessége egy adott szélsebességnél egyensúlyba kerül. Azaz hiába erősebb a szél, nem növekszik a menetsebesség. Ez típusonként változó és a víz alatti test alakjától, tömegétől függően (átlagos szélben) általában 7-15 csomó közötti. A mai monotestes vitorlásoknál (főleg pedig a versenyhajóknál) jellemző a kiélezett, pontos testformálás, az igényes árbóc- és vitorlatervezés. Gyakorlatilag minden új megoldás már csak egy kicsit képes növelni a teljesítményen, ugyanakkor az erre fordított költségek egyre jelentősebbek. A monotestű vitorláshajókra erős szélben oly jellemző megdőlés sem előnyös a szélenergia kihasználását tekintve, mert ekkor a szél kisiklik a vitorlázatból és nyomó-szívó hatása jóval kisebb lesz. Durván azt lehet megállapítani, hogy a vitorlás hajóknál mára szinte minden technikai lehetőséget kimerítettek, ami a sebesség fokozására szolgál. Egyes vitorlás típusoknál a siklásba hozható test a tömegegyensúlyra igen érzékeny. A vízfelület egyenetlensége (a hullámzás) a sebességet mindig csökkenti, nagy energiaveszteséget okoz, emiatt a haladást fékezi. A nyújtott orrhossz a vitorlázat kezelése és rögzítése miatt szükséges, de egyébként csak az áramvonalas testforma kialakítása indokolja. Oldalirányban az egytestű hajó támasz nélküli, ezért típustól függően különböző mértékben dől meg, illetve esetenként borítható is. Az igen szoros versenyek, az előforduló borulások mutatják ezeknek a vitorlás monotesteknek alkalmazhatósági határait. Ha a vitorlás katamarán, trimarán, qvadromarán testeknél az -szerinti testkialakítást és talpszerűen kialakított víz alatti vezérsíkokat alkalmaznának, akkor a menetviselkedés és az elérhető sebesség jelentősen javulna. testekkel készült hajók tervezési szempontjai Az (Ultra Thin Hulls) testkialakítású hajók tervezését általánosságban a vonatkozó és érvényes szabványok betartásával (Magyarországon a 2/2000 VII.26. KöVIM rendeletben előírtak szerint), kell végezni. Az általunk készített tervezési útmutató ezért nem tér ki a kötelezően betartandó tervrészletekre, mint a biztonsági távolság mértéke, kapaszkodó fülek, fedélzet vízmentesítése, csúszásgátlás, kikötőbakok, korlátok, habléc, látási viszonyok, úszóképesség, elárasztás, mentőeszközök, vészhelyzeti és kötelező felszerelés elhelyezése, menekülési utak, tűzvédelem. Bemutatjuk viszont azokat a sajátosságokat, mely a speciális testkialakítású hajót jellemzi. Az hajótípus jelenleg kísérleti jellegű (ennek összes következményével), de ennek ellenére különböző méretű és szolgáltatási szintű lehet. A tervezett nagymodell kísérlet során a motoros hajó-típusokat és méreteiben egyező hagyományos testeket azonos meghajtásokkal célszerű tesztelni, menetellenállásukat és sebességüket összehasonlítani. A kísérlet része a vontatott testekkel elérhető sebesség, a menetellenállás mérése, a hagyományos testek menetellenállásának mérése azonos motor fordulatszámnál. - 4 -
Az így kialakított hajótípusok jellegzetessége, hogy többnyire több (kettő-három-négy) testre épülnek, ugyanakkor a víz feletti részükön jellegzetes változás nincs, a jelenlegi katamaránokhoz hasonlóak. A víz alatti tér kihasználhatósága minimális, jellemzően a fedélzetre kell települni. Az testek igen vékonyak (igen kis menet-ellenállással), magasak, motoros meghajtásnál a test alsó harmadábannegyedében elhelyezett speciális szárnyakkal (lásd ábra). A szárnyak torziós-rugó elvén rögzülnek a testhez, azaz elfordulásuk arányában egyre jobban fékezettek. A rugó (vagy hidraulika) karakterisztikája ugyanakkor tervezhető és igen változatos lehet (felkeményedő, lineáris, lágyuló, kombinált, vagy akár megadott függvénykarakterisztika-kialakítású). Az UHT test alul kiszélesedő áramvonalas talpa egyrészt többlet felhajtóerőd ad, másrészt a fövenyre futásnál a bevágódás elkerülését segíti. - 5 -
test részleteinek tervezési szempontjai Az új testtípussal célunk egy ultravékony, igen kis menet-ellenállású hajó, illetve több test felhasználásával és az ezeket összekötő fedélzettel pedig egy új víziközlekedési eszköz létrehozása. Testkialakítás általában A bemerülő hajótest gerince igen keskeny (L/W>>10), viszonylag magas (W/H<<0,5) ezért nagy sebességeknél igen kis menet-ellenállású, a vízszálakat maga mögött jól záró test. Alapelv, hogy minél nagyobb a tervezett menetsebesség, annál vékonyabb a test (például a motoros versenyhajónál csak 2-5mm vastag vezérsík-lemez kell, de vitorlásoknál legalább 25-30 cm vastagságú a testgerinc). A párhuzamos oldalú vékony test a terhelésre igen rosszul reagál, merülése a terheléssel lineáris. Ha azonban a test felső részét úgy tervezzük, hogy a tervezett nyugalmi vízszintre a testet homorú ívvel (konkáv Y alakban) kiszélesítjük, alatta pedig magas és vékony testalakot meghagyjuk és az egyensúlyba állított testet a menetvíz nyomását kihasználva szárnyakkal emeljük meg, akkor a menetellenállást is alacsonyan tartottuk, és egyben kellően terhelhető testet alkottunk. A vékony test nagy és bizonytalan merülését már a tervezéskor kell szabályozzuk, azzal, hogy a hajó hasznos terhelésére tervezett test méreteit úgy állítjuk be, hogy a konkáv Y alsó éle éppen a terhelt, nyugalmi (azaz álló helyzetű hajó) vízvonalára essen. Ezt két jellemző műszaki megoldással biztosítjuk, a durva gyártói és a finom üzemi ballansztal. A durva beszabályozást nagyobb típusoknál az test alsó síkjában elhelyezett gyártói ballanszttal biztosítjuk, a vízszintes üregben vezetett ólómhengerekkel. A finom beszabályozás a konkáv Y test testben, annak víz feletti részében történik, az e célra kialakított ballansztvíz-üregek feltöltésével, vagy leszívásával. A szabályozott vízszintet az elindulást követően indulás alatt- kell elérni és kialakítani. Üzem közben ez úgy történik, hogy az elinduló hajó az éppen aktuális hasznos terhelésének megfelelően a finom beszabályozást a vízszint fölé helyezett (konkáv Y alsó felében elhelyezett) ballanszttartályokat vízzel telíti vagy üríti mindaddig, amíg a test a megfelelő vízszintre, azaz egyensúlyba nem kerül. Ezt a hajón a mindig a kapitány indítja és automatika vezérli, pl. úszógolyó szabályozással. A tervezéskor a ballanszt-kamrák félig való feltöltöttségét kell beállítani és a számításokban feltételezni, illetve a pontos beállíthatóságot műszakilag megtervezni. test felső részének kialakítási lehetőségei Az test fentieken kívül maradó hézagait, víz alatti részeit habbal kell kitölteni, a konkáv Y felső részének nem ballansztra használt üregeit pedig olyan mértékben, hogy a szükséges elmerülésmentességet biztosítani lehessen. Csak ezek felett elhelyezkedő üregek hasznosíthatók a hajó további kialakítása szempontjából. Az hajó ilyen kialakítása rugalmas ágyazású, kéttámaszú (vagy többtámaszú) tartóként viselkedik, mely jelentősen eltérő az eddigiekhez képest, amikor a hajótestet csavarásra, hajlításra is méretezni kellett. Emiatt az test tervezése is egyszerűbb és biztosabb, egyben a test emiatt könnyebb. - 6 -
test alsó részének talpkialakítási lehetőségei (nem méretarányos ábrázolás) Az testek vízkiszorítása vékony testvastagsága ellenére jól biztosítható. Egy 40 lábas 2 m széles hagyományos vitorlás test 5 tonnás vízkiszorítása például biztosítható 2 db hasonló hosszúságú, 18 cm vastag 1,2 méter magas testtel. Ebből a 2*0,5 tonna gyártási ballanszt miatti merülés talp nélkül is legföljebb 25cm, azaz a hasznos terhelésre és önsúlyra további max 95cm (azaz 4 tonna) marad. A vízvonal beállítás üzemi korrekciója A nyíl alakú, igen vékony és nagy merülési mélységű test menet alatti kiemelésének mértékét, intervallumát már a tervezéskor biztosítani kell. A konkáv Y élvonal vízvonal a hasznos terhelés melletti veszteglés alatt, míg a szárnyak megemelő hatása menetben kell teljesüljön, mindkét merülési vízszint pontos tervezésével. Ennek további korrekciójára is gondolni kell, ezért a test konkáv Y részének víz feletti üregei vízzel feltölthetők legyenek, ha például a hasznos terhelés a tervezettől eltérően alakul. A kiegyensúlyozás módját szivattyúval, automatikusan kell megoldani úgy, hogy a kellő stabilitás, egyensúly a menetben végig biztosított maradjon. Mindez elindulás után, a már fedélzeten lévő legénységgel és terheléssel, szabályozott, üzembiztos módon és gyorsan (tűrhető időn belül) kell történjen, az elindulás, kihajózás alatt. A víz ürítése leálláskor, a parkoló-állásban szintén automatikus kell legyen. Nagyobb hajóknál a ballansztvíz belengésének elkerülésére is gondolni kell a tervezéskor, mely megfelelően kiosztott cellakialakításokkal, a testmerevítés követelményeit is kihasználva könnyen biztosítható. Menetben a testek hosszirányú dőlésének állását, korrekciós lehetőségét az alsó testrészen (főleg vitorlásnál) a papucsban végigvezetett üregben előre-hátra mozgatható, felfűzött ólom-polisztirol vegyes hengersor ballanszttal lehet biztosítani. A ballanszt elhelyezése az test alsó részén kialakított csőüregben, egyenletesen elosztva, akár előre, hátra mozgathatóan is megoldható. Ezzel egy további igen izgalmas lehetőség teremthető a hajó viselkedésének menet közbeni szabályozására. Testkialakítás motoros meghajtásnál A testekre azok hosszának kb. ötödében, két végen, egymástól függetlenül mozgó kétoldali szárnyak kerülnek elhelyezésre, speciális rögzítéssel. A testek megemelkedését az elindulás után ezekkel a menetsebességtől függően elforduló és önbeálló szárnyakkal befolyásoljuk, melyeket torziós rugóval rögzítünk a testhez. Ezek alapállapotban az áramló menetvíz irányával szöget szárnak be, majd a szárnyak a menetsebességtől függő mértékben elfordulnak, hátrahajlanak, emiatt a test emelkedni kezd. (Az elforduló szárnyak kialakítása lehet olyan is, hogy a szögelfordulás és a felületét képező többrétegű lemezek egymásra csúszása miatt nem csak szögállásuk, hanem felületük is fokozatosan csökken a sebesség növekedésével, illetve fordítva.) A szárnyakat a tervezés során méretezni kell, melyre külön útmutatót adunk. - 7 -
Az hajó általában több ilyen vékony testből áll, de tőkesúlyos kivitelben egytestű is elképzelhető (vízimotor). A testek egymáshoz való kapcsolását a deck kialakításával együtt kell megoldani. Ez az egyik verzióban szétszedhető a könnyebb szállíthatóság érdekében, de többségében fix rögzítésű. A kialakításban szokatlan igénybevétel a keresztirányú hajlítóerő (az testet a fedélzet alá csavaró nyomás), melynek felvételéről gondoskodni kell. Ennek legcélszerűbb módja az test megfelelő keresztirányú belső merevítése a felső (konkáv Y) részen, illetve annak többpontos, vagy folytonos csatlakoztatása a fedélzethez. A fedélzet keresztirányú merevítéséről emiatt szintén figyelni kell. Az így kialakított motoroshajó nem siklóhajó. Induláskor nem emelkedik meg az orra és nem olyan a mozgása, mint a hagyományos motorcsónaké, mely a vizet tolva először megemeli az orrát, majd ha a sebességet növeljük, kiemelkedve az orrvíz fölé fut és végül a farát is felemelve és egy egyensúlyi állapotban siklik. Az test rugalmas ágyazású többtámaszú tartóként a szárnyaira, azaz a nyugodt vízszintre támaszkodik. Ha a sebességet növeljük, akkor teljes hosszában egyszerre és azonnal megemelkedik (mint a régi Citroen), leálláskor pedig a konkáv Y élével jelölt terhelt-nyugalmi vízszintre süllyed. Az test arányait, szélességét úgy kell meghatározni, hogy a szárnyakat rögzítő torziós rugó rögzítéséhez szükséges befoglaló méret adja a legkisebb testgerinc-vastagságot, magassága pedig a szükséges teherbírástól és az elérendő nyugodt víz szintjétől függő. A szárnyak arra szolgálnak, hogy elindulás után a hajó tömegközéppontját a típustól függően 15-25 cm-rel (belvízi), 0,5-1,5 m-rel (tengeri partihajó), illetve 1,5-2,5 m-rel (tengeri nyíltvízi hajó) emelje meg. Nagyobb hajótípusoknál szóba jöhet az test magasságától függetlenül mélyebbre helyezhető, leengedhető - felhúzható támaszokon való szárnyrögzítés különböző módozata is (csúszkával, vagy hidraulikával szabályozva). Az hajóknál tehát nem kell a teljes tömeget megemelni, mint a szárnyas hajóknál, csak annak a testrésznek a tömegerejét kell a szárnyak felhajtó erejével legyőzni, melyet a vízből az adott magasságig ki akarunk emelni. Valamennyi esetben a nyugodt vízszintre kell tervezni a szárnyakat. Motor A motoros meghajtás ideális helye páros test esetén súlypont-közeli középhelyzet, mely a hasznos terhelés elosztását is kedvezően befolyásolja (nem kell orrfelé kitolni). Ha a motor egy darab külmotor, akkor elhelyezése a helytakarékosság miatt a hátsó szárnyak környékén, középen legyen. Ezzel a stabilitás még megőrizhető. A motor súlyvonalának egybeesése a hátsó szárnyak hatásvonalával határeset, erre a pontra, vagy ennél kissé előbbre kell tervezni. Nem kizárt, hogy a súlyelosztás miatt a hátsó szárnyak mérete eltérő kell legyen, ezzel számolni kell. Előnyös kialakítás a két test mögött két külmotor, mely emiatt kisebb súlyú és jobbos-balos csigájú lehet. Motoros meghajtású páratlan test esetén az elméleti kialakítás az egymotorossal egyező azzal a különbséggel, hogy a külmotort tartó középső test ennek megfelelően rövidebb, a motor súlyát pedig kereszttartóval áttételezve a többi test is viselheti. - 8 -
Szárnyak rögzítése A szárnyak torziós rugó elvével rögzülnek a testhez, melyet a sebesség miatt növekvő víznyomás vízszintes irányba fokozatosan növekvő ellenállással tud elfordítani. Emiatt a test kiemelkedésének mértéke a sebesség növekedésével egyre kisebb és egy idő után szinttartó lesz. Lassulásnál a folyamat fordított, a torziós rugó miatt a szárny a vízszintestől egyre jobban elfordul és a testet kiemelő erőt a megállásig egyre erőteljesebben biztosítja. A szárnyak ilyen rögzítése különleges és a hajó működésének egésze szempontjából igen lényeges. A torziós rugó legegyszerűbb változata a gumibetétes hengertok, melyben az elfordulás miatt deformálódó gumibetét ellenállása adja a rugóerőt. Természetesen más megoldások is lehetségesek, a spirál-rugótól a pneumatikáig, ennek mikrochipes vezérléséig. A torziós rugók alkalmazása esetén azok egyszerűen cserélhetők kell legyenek, illetve előny, ha ezekből egymás fölé (mellé) több is helyezhető. Bonyolultabb kialakításoknál a rugókarakterisztika határozza meg a hajó kiemelkedését a sebességtől függően, melyek ideális esetben chip-vezérelt. Szárnyak formája A szárnyak kialakítása áramvonalas (keresztmetszetében cseppalakot közelítő, felülnézetben cápauszony-szerű), excentrikusan rögzülő lapok, mellyel a könnyű elmozdulást, illetve a menetnyomás változására bekövetkező gyors reakciót kívánjuk elősegíteni. A szárnyakat oldalirányban egyrészt a test talpkialakításnak (célszerű ha van), másrészt a felső konkáv Y test oldalának kell védeni, attól kijjebb nem lóghat. A szárnyak felületének (hosszának) nagyságát a típushoz, az adott testhez, a tervezett sebességhez kell méretezni. Emiatt lassú sebességeknél a szárnyak felülete nagy, míg nagy sebességeknél ennél jóval kisebbek lehetnek. A testeknek és ezzel együtt a szárnyak számának is összhangban kell lenni a tervezett hajón. A szárnyakat a tervezés során külön méretezni kell. A menetellenállás során legföljebb 42-2 fok közötti elfordulással kell számolni és a felület meghatározásakor a szükséges biztonságos kiemelésre kell törekedni. A kísérleti kialakítás során a szárnyaknak is cserélhetőnek kell lenni, illetve a torziós rugó a legegyszerűbb, gumibetétes kivitelű legyen azzal, hogy a gumibetétek különböző keménységű gumikkal csereszabatosak. A kísérleti hajóknál szükséges mérések során ezek hatásait és a tervezéskor figyelembe vehető számítási módot is pontosítani kívánatos. Egy D kategóriájú folyami hajónál a kiemelés mértéke 15-20 cm illetve hullámosabb tengeri vizekre nagyobb, általában mindig a figyelembeveendő mértékadó hullámmagasság fele + a biztonsági magasság legyen. Mértékadó hullámmagasság meghatározásánál a α=0,1 szignifikanciaszit figyelembevételét ajánljuk. Bonyolultabb, nagyobb hajóknál, a szárnyaknál várhatóan elkerülhetetlen lesz olyan kialakítás, mely az elfordulás létrejöttekor a szárny alkotóelemeit képező részek, lemezek forgásirányba eső elcsúsztatásával a szárnyméretet csökkenteni, vagy növelni is képes. Így minél meredekebb a szögállás menetirányban, annál nagyobb felületű lesz a szárny és fordítva. Kisebb hajótípusoknál ez szükségtelen, ezeknél igen egyszerűnek, meghibásodás mentesnek kell lenni a szárnyaknak. Nagyobb típusoknál ennek vezérlése bonyolultabb és igen izgalmas, hosszú kísérletezésű fejlesztési része az hajótípusnak. Fő szárnykialakítási szempontok: - a szárnyfelület rögzítése excentrikus, ettől önbeálló legyen - a szárnyfelület mérete az elfordulástól mértékétől függően csökkenhet, vagy nőhet - a torziós rugó ereje a szállított tömegtől függően állítható legyen bizonyos határok között, - a torziós rugó cserélhető legyen - 9 -
Testkialakítás vitorlásoknál A jóval kisebb sebesség miatt növelt szárnyméretet alkalmazunk. Ha a szárnyakat nem oldalt, hanem a testgerinc talpán, fordított T-szerűen kialakítva helyezzük el, egyben egy papucsszerű talpat is ad az testnek. A testekre teljes hosszában így elhelyezett elemek egyik pontja csuklós-tengely kialakítású, másik vége pedig rugóval előfeszített szögű, ezért síkot biztosít a test megemeléséhez. Ezek az elemek kompatibilisek és ismétlődőek, gyártásuk és felépítésük igen egyszerű és üzembiztos kell legyen. A testek megemelkedését az elindulás után a menetsebességtől függően önbeálló szárnyakkal befolyásoljuk. Ezek az áramló menetvíz irányával 35-5 -os szöget szárnak be (alapállapotban 35 -ot, teljes menetben 5 -ot). A menetvíz hatására a test megemelkedik, a szárnyak pedig a menetsebességtől függő mértékben vízszintes felé fordulnak. Az vitorláshajó legalább két ilyen vékony testből áll. Az testek egymáshoz való kapcsolását a deck (fedélzet) kialakításával együtt, a víz felett kell megoldani. A kialakításban itt is szokatlan igénybevétel a keresztirányú hajlítóerő (az testet szokásosnál jobban csavaró oldalhullám igénybevétele), melynek felvételéről gondoskodni kell. Ennek legcélszerűbb módja az test megfelelő keresztirányú belső merevítése a felső (konkáv-y) részen, illetve annak többpontos, vagy folytonos csatlakoztatása a fedélzethez. A fedélzet keresztirányú merevítéséről megfelelő kialakítással figyelni kell. A testek hosszirányú beállítását, annak menet közbeni korrekciós lehetőségét az alsó testrészen, a papucsban végigvezetett üregben előre, hátra mozgatható, felfűzött ólom-polisztirol hengersor ballanszttal is lehetséges szabályozni. A gyári ballanszt elhelyezése az test alsó részén kialakított csőüregben, egyenletesen elosztva (fixen, vagy előre-hátra mozgathatóan) kell megoldani. Ezzel egy további igen izgalmas lehetőséget teremt a hajó viselkedésének menet közbeni szabályozhatóságában (például hátszélben az orr megemelése). Az -vitorláshajó érdekessége a szárnyfészkek harántállásba állíthatósága. A szárnyak a lúv oldalon a teljes szárnyfészek 180 -os átfordításával harántállásba állíthatók, azaz a szárnyak az adott testet nem megemelik, hanem vízbehúzzák! Ezzel a loove oldal lehúzható és kevésbé dőlt, közel egyenes állású árbocot eredményez! A hatás fokozható az üzemi ballanszt testenkénti szabályozásával, amikor a loove oldali ballanszt teljesen feltöltött, míg a lee-oldal leürített. Ez az oldalirányú súlyponteltolás az árbóc megdőlése ellen hat, így a vitorla a kapacitását megtartja és lehető legjobb kihasználtságot képes biztosítani, igen kis ellenkormányzási igény (és energiaveszteség) mellett. A fedélzet hegyes orrkialakítása jelentőségét veszti az vitorlásoknál, így az a vitorlázat és a kiszolgálás számára teljesen alárendelhető, szögletesíthető. A hajó szokatlanul magas hossz- és oldalirányú stabilitása miatt alaposan túlvitorlázható, ezzel az amúgy is magasabb menetsebességét még tovább lehet fokozni. A konkáv Y-él alkalmazása a testen itt is hasonló, mint a motoros meghajtásoknál és kellő kialakításban további biztosítékot, támaszt nyújt az oldalirányú stabilitáshoz. A vízbe merülő konkáv Y oldalsó része vízbe nyomódva többlet-felhajtóerőt biztosít. Ha a test konkáv Y része vízre visszahajló, akkor az orr felől beszívott levegő buborékos vizet, ezzel kedvezőbb siklást biztosít. A szárnyak az elindulás után a hajó tömegközéppontját a típustól függően 5-25 cm-rel (belvízi), vagy 50-150 cm-rel (tengeri partihajó), illetve 150-250 cm-rel (tengeri nyíltvízi) kell kiemelje. Ez utóbbinál szintén szóba jöhet -az test magasságától függetlenül- menet közben állíthatóan mélyebbre helyezhető, leengedhető támaszokon való szárnyrögzítések különböző módozatai. A megoldás lényeges eleme, hogy a szárnyak csatlakozása, a rugós rögzítés szerepe és módja jelentős kihatású az vitorláshajó viselkedését illetően. Teljesen új lehetőség a testeken külön-külön alkalmazható szárny-harántállás, mely a haladást segíti egy teljesen új lehetőséggel. Előny továbbá, hogy a két testet összekötő fedélzet szabadabb mozgást enged a személyzetnek és kedvezőbb a merevítések és vitorla-elhelyezés tervezhetősége szempontjából is. Nem zárható ki az egymás melletti kétárbócos kivitel sem. Az adott szélenergia mellett a menetellenállás igen nagy jelentőségű a vitorlásoknál. Nagy előny tehát, hogy a test kis kiemelésével - 10 -
egy rendkívül áramvonalas, kis ellenállású és nagy sebességű állapot biztosítható. Valamennyi esetben a nyugodtvíz szintre kell tervezni a szárnyakat. Versenyhelyzetben ilyen tervezés mellett, túl a szárnyak megemelő hatásán, az üzemi ballanszttal való testmegemelés lehetősége is kihasználható. Talpszárnyak formája A vitorláshajóknál a talpszárnyak kialakítása szívgörbe-szerű elemekből áll, egy sorba rendezve, egymással lehetőleg kompatibilis kialakításban. A talpszárnyakat oldalirányban a felső konkáv-y test oldalának kell védeni, attól kijjebb nem lóghatnak. A szárnyak szélességét (felületét) a típushoz, az adott testhez, a tervezett sebességhez kell méretezni. Emiatt lassabb típusoknál szélesebbek, nagy tervezési sebességeknél keskenyebbek lehetnek. A testek számának az adott terheléssel természetesen összhangban kell lennie. Speciális esetben a torziós-rugó rögzítésű talpszárnyakat nem is kell a testeken folyamatosan és teljes hosszban elhelyezni, elegendő azt például háromtámaszú kialakításban lenyújtott lábakra helyezni. Ilyen esetben a szárnyak mérete nagyobb, mert a testenként négy elhelyezhető szárny helyett csak testenként két szárny nyújt támaszt. Jellemző kialakítást látható a mellékelt képen. Ez az eset már tulajdonképpen már szárnyas hajó kialakítás (azaz határeset), azzal a különbséggel, hogy a szárnyak rögzítése sebességtől függő szögbeállású kell legyen, azaz torziós rögzítéssel kerülnek alkalmazásra, nem merev rögzítésűek. Új tulajdonságok, megváltozott menetviselkedés Az testekkel épített hajó hullámbarát. A többtámaszú test miatt a hajó menetben stabilabb, egyenletes futású. Ha a szárnyak nem nyugodtvíz szinten futnak, hanem a tervezettnél magasabban és erősebb hullámzásban, vagy álló helyzetben vagyunk, akkor is egy stabilabb helyzetet vesz fel a test, mert a szárnyakat mindig a körülötte létrejövő vízmozgás állítja, szabályozza. A felfelé áramló vízre a szárny a torziós rugó hatása miatt ráfékez, a kifutó vízre pedig rácsap, rátámaszt. Ezzel a hullámmozgást lefékező folyamatos állapotsor jön létre, melynek működése minden test mind a négy pontján automatikus, így jelentősen lecsökkentett, kismértékű bólintó mozgás következhet be. Mivel a hullámmozgás sebessége és a hajó haladási sebessége nagyságrenddel különbözik, a hullámzás hatása is ezzel arányosan csökken. Ha a szárnyak a hullámzás alatti nyugodt vízrétegbe beleérnek (mely a tervezés célja), akkor a hajó biztosan és egyenletesen siklik ezen a vízfelületen, függetlenül a felszín hullámzásától. Az -hajó típusok stabilabbak, mint a hagyományos hajók. A vízvonali konkáv Y-szerű, éles vonalú testkialakítás oldalirányú kidomborítása előnyös a dőléseknél is, mert a felhajtóerőt növelik és homorú kialakítású részen a légbuborékokat a test alá terelik, ezzel a test felső részének bemerülésekor menetellenállást is kellően csökkentik. Hasznos új szerkezet a kopoltyúfék További szerkezeti elem lehet a fék, mely a kis menetellenállás és nagy sebesség miatt szükséges biztonsági berendezés a far meghosszabbításában, a test külön egységeként elhelyezve. A közel függőleges kialakítású, kopoltyúszerűen nyitható oldallapok a vízfalba kapaszkodva fejtenek ki dinamikus fékezőerőt. A középen kiképzett üregbe beáramló víz egyben a kormánylapátra lőhető, annak hatásfokát jelentősen megemelve. Az egy testen való kétoldali elhelyezés miatt a kopoltyúfékek egyrészt testoldalanként, másrészt testenként külön-külön (vagy természetesen akár valamennyi testen egyszerre) nyithatók. Szimmetrikusan nyitva a féket a hajó egyenes vonalban lassul, aszimmetrikusan nyitva (egy vagy több testen) egyszerre fordul és lassul is. A nyitás fokozatosságának megengedése a fékmechanikát tovább finomítja. Lényeges, hogy a fékszerkezet geometriája olyan kialakítású legyen, hogy a vízsugarat növelt sebességgel a kormánylapátra nyomja. Emiatt ugyanis a hajó már fékezés - 11 -
közben is igen gyorsan megfordulhat, pördülni képes. Mivel a menetellenállás igen kicsi, a fordulók utáni felgyorsulás jóval gyorsabb a szokásosnál. Az hajókkal szokatlan gyors fordulók végezhetők és más vezetési stílust igényelnek, mint a hagyományos vitorláshajók. Gazdaságos üzemeltetés Az testek rendkívül kis menetellenállása miatt a normál üzemi sebesség jóval kisebb meghajtás mellett biztosítható. Az erre vonatkozó konkrét számításokat is elvégeztük, és a műszaki indoklás fejezetben mellékeljük. E szerint fele akkora teljesítmény szükséges azonos sebességhez. Mivel a meghajtó motorok ára ma már többszöröse a test előállítási költségének, a hagyományos hajókhoz képest az előállítási költség is és az üzemeltetés is olcsóbb. Nagy teljesítményű motorokkal az elérhető sebesség értelemszerűen jelentősen megnő és a hajó menetviselkedése miatt teljesen új, biztonságos, stabil és egyben sportos feeling -et képes nyújtani. testek gyártása - 12 -
A tervezett testek gyártása célszerűen modul-rendszerű kell legyen, igy az elkészült sablonokkal ugyanis újabb és újabb hajótípusok állíthatók elő. A modulrendszer kialakításának bemutatására tanulmánytervet készítettünk, melyet a későbbiekben részletesen bemutatunk. Ebben hat hosszúsági mérettel, az ezekhez tartozó testmagasságokkal 2,4-12,0 m hosszú kishajók építhetők. A 2/1, 3/2, 4/3, 5/4 és 6/5 jelű elemek hosszabbítottak azonos magassággal, és nyújtott középső testnek alkalmasak. Eggyel hosszabb elem is illeszthető középre azonos, vagy egy mérettel magasabb testmagassággal. A testek gerincvastagsága 8-35 cm között változik, a testmagasság pedig 80-180 cm között. A testek vízkiszorítása 0,15-7,6 tonnáig terjed testenként. A 6+5 db modul-méretű testből összesen 24-féle testkombináció állítható elő az elemek felhasználásával, katamarán, vagy trimarán kialakítással, nyitott, vagy zárt fedélzettel. A kombináció tovább bővül a vitorlás vagy motoros meghajtással, annak elhelyezésével, illetve ezek altípusaival, a fedélzetkialakítás módozataival. Ezzel egy rendkívül széles 48-72 darabos (!) kishajóválaszték nyújtható, mely úgyszólván minden egyedi igény kielégítésére alkalmas. A típusterv bővítése a qvadromarán-típusok felé a választék további bővítését jelentheti. Új, egyéb vízi sporteszközök kialakításának lehetőségei Az testekkel épített hajókon túl a szabadalmaztatott elv más sportokban, egyéb területen is alkalmazható. Ilyen a szárnyas vízisí, szárnyas szörfdeszka, szárnyas vízimotor (egytestű hajótest tőkesúllyal). Ezek elvi kialakításai a leírtakhoz hasonlóak és új hóbortok, új extrém sportok meghonosítására is alkalmasak. A hullámzó víz felületétől való elszakadás, a torziós-rugó elvén működő szárnyrögzítés ezeknél a sporteszközöknél egy sima menetű, térdkímélő, mégis berugózható (dobbantható) sporteszközöket eredményez azzal, hogy a szárnyak nyugodtvíz szinten futnak. Különösen előnyös ezek alkalmazása a kis hullámmagasságú belvizeken, vagy általában a parti tengervízen, a nyári vakációk idején. Összefoglalás Az testek új kialakítású, kedvező menettulajdonságú, különlegesen gazdaságos üzemű hajók és eddig nem ismert, új sporteszközök kialakítását teszi lehetővé. A testeken elhelyezett szárnyak kialakításuk és rögzítési módjuk miatt jelentősen befolyásolják a menetviselkedést. Az eddigi gyakorlatban, a mai hajóépítésben ilyen test nincs konzolos, torziórugós-stabilizálószárny nincs nyugodtvíz-szint nem volt ismeretes kopoltyúfék nincs hullámbarát hajó nem ismeretes Műszaki előnyei: igen gyors, fordulékony, borulásbiztos, álló helyzetben alacsony merülésű, gyorsulása kiemelkedően jó, fékezhető. A motor a súlyponthoz közelebb, vagy akár a súlypontba is helyezhető. Hullámzásra érzéketlen. Alkalmas vitorlás hajók, motoros hajók kialakítására, egytestűként tőkesúlyos vízimotornak. Gazdasági előnyei: nagy sebesség, kis fogyasztás. Meghajtási igény igen alacsony, 50%-kal kisebb teljesítményű motorral hajtható, illetve ugyanolyan meghajtással kétszeres menetsebesség érhető el. Alkalmazási területe: Sporthoz, mentéshez, hadseregnek, rendőrségnek olcsó üzemű, de gyors hajó, civileknek jó hobby és teljesen új feelinget biztosító sportágak sora teremthető. - 13 -
Vélemények Vass Tibor okl. Nautikai szakértő, tengerészmérnök, 16 hajó tervezője, 120.000 tmf-et hajózott hajós, oktató: Nagyon nagy ötletnek tartom. Olyan megoldás, mely a hajótesteket, hajózást alapjaiban változtatja meg! Litkey Farkas többszörös győztes versenyző és a Hajó c. újság szerkesztője: Motoros hajóknál biztosan működő lehetőség. A vitorlás hajóknál a szárnyak okozta menetellenállás miatt szerintem legalább akkora a fékező hatás, mint amekkora előnyt jelent a testkialakítás. Hegyi András hajómérnök, hajózási műszaki szakértő: a választott megoldás igen érdekes, különösen a konkáv Y kiképzésű hajótest, mely megkönnyíti a részleges vízből való kiemelkedést és elszakadást a vízszinttől. Hajómérnöki szemmel nézve a számos hajóelméleti probléma, ezek technikai bonyolultsága és költségei megkérdőjelezhetik az egyébként jó elgondolás gyakorlati értékét. Minden érdeklődést, kérdést, véleményt szívesen veszünk. Kapcsolat, információ: Subert István ANDREAS Kft +36(1)424-7487, vagy +36-70-381-4554 E-mail: mail@andreas.hu, vagy andreas@andreas.hu Tibor Breuer Swissland E-mail: tbreuer@mydiax.ch - 14 -