FREE WIND FW

+7 963 773-64-27

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Парусное вооружение для обычных лодок

На морях, водохранилищах, реках и озерах широкое развитие получил водный туризм. На туристских лодках применяются разные типы парусных устройств. Конструкции лодок и парусов, основанные на народном опыте, обладают большой надежностью и удобством использования. «Это бесшумный, не отравляющий воздуха и экономящий горючее заменитель подвесного лодочного мотора, он может быть установлен на любой гребной или моторной лодке без какой-либо переделки корпуса», — писал в свое время популярный финский ежемесячник «Мир техники».

Более широкому применению парусов на обычных лодках и катерах способствовало устройство, предложенное в 1974 г. финским конструктором Антеро Катайненом. В России об изобретении А. Катайнена впервые стало известно из публикации, напечатанной в популярном массовом журнале «Катера и яхты». Устройство представляет собой объединенные в одном узле мачту с парусом, руль и струбцину (примерно такую же, как у подвесного мотора) для крепления к транцу лодки (рис. 1). Однако при первом знакомстве с парусом Катайнена, или подвесным парусом, даже опытные яхтсмены сомневались: будет ли лодка устойчива на курсе, пойдет ли круто к ветру. Сомнения эти выглядели достаточно обоснованными: конструктор вроде бы нарушил вековые традиции, которым свято следуют судостроители.


Рис. 1. Подвесной парус Катайнена:
1 — перо руля; 2 — ось с гайкой; 3 — вилка; 4 — тройник; 5 — кормовой выстрел; 6 — резиновый амортизатор; 7 — карабин гика-шкота; 8 — штерт-регулятор; 9 — гик; 10—шпринт; 11 — парус; 12 — мачта; 13 — штерт; 14 — стопор; 15 — гика-шкот; 16 — румпель; 17 — бугель румпеля; 1В — струбцина; 19 — устройство регулировки угла наклона; 20 — сорлинь





Рис.2. Характерные точки корпуса парусной лодки и ее вооружения

Как правило, корпус судна имеет наибольшие ширину и осадку примерно посредине между кормой и носом (рис. 2). Поэтому здесь находится центр объема вытесненной им воды — центр величины (ЦВ) и, следовательно, центр тяжести (ЦТ) корпуса. Однако для парусного судна важна еще одна характерная точка — центр бокового сопротивления (ЦБС) погруженной части корпуса, который должен располагаться в одной поперечной плоскости с центром площади парусов (ЦП), иначе судно трудно удержать на ровном курсе. Таким образом, раз наибольшая осадка находится у среднего сечения корпуса, то и ЦБС должен быть тут же, а мачта должна устанавливаться так, чтобы ЦП оказался в том же среднем сечении.

Примером такого парусника, абсолютно удовлетворяющего этим условиям, был знаменитый «Спрей» — яхта Джошуа Слокама. При постройке своего судна Слокам использовал корпус старого рыбачьего шлюпа, который он заново обшил и надстроил, не изменив, однако, формы подводной части. И результаты оправдали его ожидания: при хороших ходовых качествах судно обладало отличной устойчивостью на курсе. Яхта надежно удерживалась на курсе с закрепленным румпелем практически на всем переходе через Индийский океан, на который отважный моряк затратил 23 дня. Таковы доводы в пользу традиций.

Исследования в области гидроаэродинамики парусной яхты, проводившиеся в связи с усилившимся вниманием к повышению скорости хода таких судов, позволили сформулировать иной подход к выбору формы корпуса и размещению парусов. Движение парусного судна было предложено считать результатом взаимодействия системы крыльев (рис. 3) — воздушного (паруса) и подводного. Корпус при этом рассматривается как вспомогательное устройство, необходимое для поддержания плавучести при отсутствии хода и обеспечения комфорта для экипажа и пассажиров. На скоростные качества судна он оказывает, в целом, отрицательное влияние, создавая дополнительное сопротивление, воздушное и гидродинамическое.


Рис. 3. Идеальный парусник — система воздушного и подводного крыльев

В свете сказанного подвесной парус уже не выглядит чем-то неправильным: его устройство в чистом виде воспроизводит систему паруса и подводного крыла. Теория крыльев дает более полное представление о принципе работы парусного вооружения. Поток воздуха, обтекая под углом атаки парус (рис. 4), рассматриваемый как поставленное вертикально крыло, притормаживается у его вогнутой стороны и образует здесь зону повышенного давления. Огибая выпуклую сторону паруса, поток, наоборот, разгоняется до больших скоростей и разрежается. Разность давлений создает суммарную силу Р, приложенную в ЦП и направленную перпендикулярно хорде AB (сила трения воздуха о парус немного отклоняет ее в сторону задней шкаторины).


Рис. 4. Схема сил, действующих на парус-крыло

Равнодействующую Р в аэродинамике крыла принято раскладывать на силу лобового сопротивления X, направленную вдоль воздушного потока, и подъемную силу У перпендикулярную ему:


где ρа = 0,125 — плотность воздуха кг·с24; S — площадь паруса, м2; W — скорость вымпельного ветра, м/с; Сх, Сy — соответственно коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы, зависящие от угла атаки и формы паруса.

Поясним эти формулы. Сложная размерность для плотности воздуха получена в результате деления объемной плотности (кг/м3) на постоянную ускорения (м/с2). Вымпельный ветер отличается от истинного, дующего относительно неподвижного предмета, на величину скорости движения лодки. На попутных курсах скорость вымпельного ветра меньше истинного (лодка убегает от ветра), на острых курсах, напротив, вымпельный ветер сильнее истинного.
Эффективность паруса, рассматриваемого как крыло, определяется его аэродинамическим качеством к, выражающимся отношением подъемной силы У к сопротивлению X, или в безразмерной форме к = Сy/Сx; к характеризует способность парусного судна ходить круто к ветру.
С увеличением угла атаки а, под которым парус встречает ветер, сила лобового сопротивления возрастает и достигает максимума при а = 90°. В данном случае ветер дует в корму судна, что соответствует курсу фордевинд, а подъемная сила равна нулю. При переходе на более острые к ветру курсы лобовое сопротивление паруса убывает, подъемная сила возрастает и при некотором значении угла атаки достигает максимума. Соответствующий курсовой угол будет характеризовать лавировочные качества лодки, а отношение коэффициентов Cy и Сx — качество ее паруса.
График зависимости коэффициентов Сy и Сx от угла атаки называется полярой паруса (рис. 5). Характер поляры определяется в основном профилем паруса, который принято называть «пузом», и его конфигурацией в плане.


Рис. 5. Поляры бермудских парусов и выбор оптимального угла установки паруса:
1 — пузо 5%; 2 — пузо 14%

С увеличением «пуза» подъемная сила паруса возрастает, но одновременно увеличивается и его сопротивление. Следовательно, «пузо» паруса не должно быть чрезмерно большим. Обычно его величина, вычисляемая в процентах от хорды паруса, выдерживается в пределах 7—14%.

Подъемная сила создается в основном передней третью паруса, поэтому на острых курсах лучше работают узкие паруса (паруса с большим удлинением λ=ln2/S, где ln —длина передней шкаторины), а на попутных — широкие (сравните конфигурацию прямых парусов, которыми вооружались большие парусные корабли, ходившие по линиям постоянно дующих попутных ветров, и современных гоночных яхт, рассчитанных на максимальные лавировочные качества).

Конфигурация паруса имеет значение и для величины сопротивления X. При обтекании паруса под острым углом воздушный поток под нижней шкаториной и через верхнюю кромку его перетекает из зоны повышенного давления в зону разрежения. Возникают вихри, создающие дополнительное сопротивление, называемое индуктивным. Для уменьшения индуктивного сопротивления на гике иногда устанавливаются горизонтальные пластины — шайбы (такие пластины можно видеть и на крыле современного самолета). Высокие узкие паруса имеют меньшее индуктивное сопротивление, чем широкие.

Для практических расчетов результирующую силу давления ветра на парус Р раскладывают на составляющие, направленные в сторону движения судна — силу тяги Т и перпендикулярно ему — силу дрейфа Д (рис. 6). Эти силы могут быть выражены вышеприведенными формулами с подстановкой соответствующих коэффициентов Ст и Сд.

Поляра паруса позволяет определить оптимальный угол его установки, при котором сила тяги Т имеет наибольшее значение. При разложении коэффициента полного давления ветра на парус Ср (см. рис. 5) на составляющие Ст и Сд максимум Ст будет получен в случае, если Сд направлен к поляре по касательной. Зная курсовой угол β и определив по поляре угол атаки а (на острых курсах до галфвинда он составляет α = 12...16°), можно вычислить угол установки паруса к диаметральной плоскости лодки, соответствующий наибольшей величине силы тяги. Для примера, рассмотренного на рис. 5, ε = β — α = 60°—15°=45°.

Проектируя парусное вооружение для гребной или моторной лодки, конструктор лишен возможности изменять обводы корпуса по своему усмотрению. Между тем для ходовых качеств они имеют не меньшее значение, чем парусное вооружение, Приходится искать обходные пути. Главная задача — обеспечить лодке движение с минимальным дрейфом. Оригинальное и эффективное решение нашел Антеро Катайнен. Длинное узкое перо руля подвесного паруса представляет собой крыло с высоким гидродинамическим качеством. Встречный поток воды, к которому оно устанавливается под некоторым углом атаки, создает силу гидродинамического давления R, которую можно разложить на силу лобового сопротивления Rx, ориентированную вдоль потока, и подъемную силу Rv, перпендикулярную ему. При равенстве силы Ry, приложенной к парусу, силе дрейфа Д лодка будет двигаться по курсу без дрейфа.

На специально сконструированных парусных судах для противодействия дрейфу под днищем устанавливаются либо фальшкиль (на яхтах), либо подъемный шверт (на швертботах). В: отличие от шверта — руля, примененного Катайненом, эти устройства не могут менять своего положения относительно встречного потока воды. Для того чтобы на неподвижном киле возникла подъемная сила, как это ни парадоксально, необходим дрейф. Благодаря вызванному дрейфом косому обтеканию корпуса яхты водой, возникает угол атаки, необходимый для создания подъемной силы, противодействующей сносу (см. рис. 6).


Рис. 6. Схема аэрогидродинамических сил, действующих на парусную лодку

Расчет шверта или фальшкиля производят по тем же зависимостям, что и паруса. В формулах для подъемной силы и сопротивления ρw — плотность воды, а она на три порядка больше, чем воздуха. Следовательно, площадь киля будет значительно меньше площади паруса.

Кроме названных устройств, для уменьшения дрейфа используют еще одно - выдвижные кили, навешиваемые по бортам лодки, шверцы. Конструктивно шверц выглядит менее совершенным, чем шверт, выдвигаемый из колодца, устроенного в диаметральной плоскости лодки. Как и навесной руль, шверцы подвержены аэрации — прорыву воздуха на стороне разрежения, при которой эффективность их действия резко падает.

Есть, однако, у шверцев и исключительно им присущие достоинства, которые делают их особенно привлекательными для изобретателей парусных лодок. Главное из них — возможность сохранить в неприкосновенности корпус лодки, а следовательно, и полноценно использовать его под веслами или мотором. Да и возможность аэрации для большинства парусных лодок мала.

В последнее время шверцами стали вооружать и некоторые типы быстроходных парусников, например, проа — суда с боковыми поплавками — аутригерами. Конструкторов привлекла возможность устанавливать шверцы под некоторым фиксированным углом атаки, благодаря чему парусник может ходить практически без дрейфа. В  связи с тем, что идея использования аутригера имеет хорошие перспективы и для переоборудования обычных лодок, то применение таких «гидродинамически активных» шверцев также заслуживает внимания.

Остановимся еще на одной специфической для парусного судна задаче — обеспечении остойчивости при наличии большого кренящего момента, создаваемого парусным вооружением. Как было отмечено, эффективные при лавировке высокие узкие паруса в тоже время активно заваливают лодку. Чтобы понизить центр парусности и тем самым уменьшить плечо кренящего момента, конструкторы вынуждены пренебрегать преимуществами такого парусного вооружения и использовать менее эффективные типы парусов.

Для компенсации кренящего момента используют два способа: установку под днищем тяжелого балластного фальшкиля - для яхт, или увеличение ширины корпуса - для швертботов. И тот, и другой способ неприменимы при оснащении парусом обычной лодки без потери ее основных качеств. Именно остойчивость лодки является главным ограничением при выборе площади и типа парусного вооружения. Для открытых гребных лодок с высотой надводного борта с грузом не менее 0,3 м, а также для лодок, имеющих хотя бы узкую палубу вдоль бортов, площадь парусов S = 1,3 LB, где L — длина, В — ширина лодки по ватерлинии. При меньшей высоте бортов или на очень валкой лодке величина паруса ограничится до S = LB. Это же распространяется и на очень узкие лодки, у которых L/B≥3,5.

Существует возможность обойти эти ограничения и установить на лодке, независимо от ее ширины, парусное вооружение более эффективного бермудского типа. Речь идет о превращении лодки в многокорпусное судно. Кроме названной выше лодки с балансиром — проа, это катамараны и тримараны.

Говоря о сопротивлении воды движению многокорпусного судна, следует учитывать, что кроме сопротивления каждого корпуса в отдельности, имеет значение их взаимное влияние. Считается, что расстояние между корпусами (поперечный клиренс) должно быть таким, чтобы расходящиеся от них боковые волны смыкались в корму от середины длины корпуса. В противном случае по величине сопротивления многокорпусное судно будет приближаться к плоту.
Механика откренивания многокорпусного судна показана на рис. 7.

Восстанавливающий момент у тримарана достигает максимума при выходе из воды наветренного поплавка и погружении подветренного. Общий центр величины при этом смещается к ЦБ  подветренного поплавка, в результате резко возрастает плечо восстанавливающего момента. У однокорпусного судна плечо восстанавливающего момента при таком крене будет значительно меньше. Правда, в отличие от многокорпусных судов остойчивость обычной лодки при увеличении крена будет возрастать до момента, когда наветренный борт начнет черпать воду. Из соображений безопасности лучше не доводить судно до таких кренов, тем более, что эффективность парусов на них уменьшается на 25—30%.


Рис. 7. Схема образования восстанавливающего момента у тримарана и швертбота