Справочник по катерам, лодкам и моторам

Глава IV

Парусные яхты и лодки

Элементы механики парусного судна

Курсы относительно ветра. Современные яхты и парусные лодки в большинстве случаев оснащаются косыми парусами. Отличительной их особенностью является то, что основная часть паруса или весь он располагается позади мачты или штага. Благодаря тому, что передняя кромка паруса туго натянута вдоль мачты (или сама по себе), парус обтекается потоком воздуха без заполаскивания при его расположении под довольно острым углом к ветру. Благодаря этому (и при соответствующих обводах корпуса) судно приобретает способность двигаться под острым углом к направлению ветра.

На рис. 190 представлено положение парусника при различных курсах по отношению к ветру. Прямо против ветра обычный парусник идти не может — парус в этом случае не создает силы тяги, способной преодолеть сопротивление воды и воздуха. Лучшие гоночные яхты в средний ветер могут идти в бейдевинд под углом 35—40° к направлению ветра; обычно же этот угол не меньше 45°. Поэтому к цели, расположенной прямо против ветра, парусник вынужден добираться в лавировку — попеременно правым и левым галсом. Угол между курсами судна на том и другом галсе называется лавировочным углом, а положение судна носом прямо против ветра — левентиком. Способность судна лавировать и с максимальной скоростью продвигаться в направлении прямо против ветра является одним из основных качеств парусника.

Курсы от крутого бейдевинда до галфвинда, когда ветер дует под 90° к ДП судна, называются острыми; от галфвинда до фордевинда (ветер дует прямо в корму) — полными. Различают крутой (курс относительно ветра 90—135°) и полный (135—180°) бакштаги, так же как и бейдевинд (соответственно 40—60° и 60—80° к ветру).

Рис. 190. Курсы парусного судна относительно ветра.

1 — крутой бейдевинд; 2 — полный бейдевинд; 3 — галфвинд; 4 — бакштаг; 5 — фордевинд; 6 — левентик.

Вымпельный ветер. Поток воздуха, который обтекает паруса яхты, не совпадает с направлением истинного ветра (относительно суши). Если судно имеет ход, то появляется встречный поток воздуха, скорость которого равна скорости судна. При наличии ветра его направление относительно судна за счет встречного потока воздуха отклоняется определенным образом; изменяется и величина скорости. Таким образом, на паруса попадает суммарный поток, называемый вымпельным ветром. Направление и скорость его можно получить, сложив векторы истинного ветра и встречного потока (рис. 191).

Рис. 191. Вымпельный ветер на различных курсах яхты относительно ветра.

1 — бейдевинд; 2 — галфвинд; 3 — бакштаг; 4 — фордевинд.

v — скорость движения яхты; v_и — истинная скорость ветра; v_в — скорость вымпельного ветра.

Очевидно, что на курсе бейдевинд скорость вымпельного ветра имеет наибольшую величину, а на фордевинде — наименьшую, так как в последнем случае скорости обоих потоков направлены в прямо противоположные стороны.

Паруса на яхте всегда устанавливают, ориентируясь по направлению вымпельного ветра. Заметим, что скорость яхты растет не в прямой пропорциональности от скорости ветра, а гораздо медленнее. Поэтому при усилении ветра угол между направлением истинного и вымпельного ветра уменьшается, а в слабый ветер скорость и направление вымпельного ветра более заметно отличается от истинного.

Поскольку силы, действующие на парус как на крыло, растут пропорционально квадрату скорости обтекающего потока, у парусников с минимальным сопротивлением движению возможно явление «саморазгона», при котором их скорость превышает скорость ветра. К таким типам парусников относятся ледовые яхты — буера, яхты на подводных крыльях, колесные (пляжные) яхты и проа — узкие однокорпусные суда с поплавком-аутригером. На некоторых из этих типов судов зафиксированы скорости, втрое превышающие скорость ветра. Так, наш национальный рекорд скорости на буере равен 140 км/ч, а установлен он при ветре, скорость которого не превышала 50 км/ч. Попутно отметим, что абсолютный рекорд скорости под парусом на воде существенно ниже: он установлен в 1981 г. на специально построенном двухмачтовом катамаране «Кроссбау-II» и равен 67,3 км/ч.

Обычные парусные суда, если они не рассчитаны на глиссирование, в редких случаях превышают предел скорости водоизмещающего плавания, равный v = 5,6 √L км/ч (см. главу I).

Силы, действующие на парусное судно. Существует принципиальное различие между системой внешних сил, действующих на парусное судно, и судно, приводимое в движение механическим двигателем. На моторном судне упор движителя — гребного винта или водомета — и сила сопротивления воды его движению действуют в подводной части, располагаясь в диаметральной плоскости и на незначительном расстоянии друг от друга по вертикали.

На паруснике движущая сила приложена высоко над поверхностью воды и, следовательно, над линией действия силы сопротивления. Если судно движется под углом к направлению ветра — в бейдевинд, то его паруса работают по принципу аэродинамического крыла, рассмотренному в главе II. При обтекании паруса потоком воздуха на его подветренной (выпуклой) стороне создается разрежение, на наветренной — повышенное давление. Сумму этих давлений можно привести к результирующей аэродинамической силе A (см. рис. 192), направленной примерно перпендикулярно хорде профиля паруса и приложенной в центре парусности (ЦП) высоко над поверхностью воды.

Рис. 192. Силы, действующие на корпус и паруса.

Согласно третьему закону механики, при установившемся движении тела по прямой каждой силе, приложенной к телу (в данном случае — к парусам, связанным с корпусом яхты через мачту, стоячий такелаж и шкоты), должна противодействовать равная ей по величине и противоположно направленная сила. На паруснике этой силой является результирующая гидродинамическая сила H, приложенная к подводной части корпуса (рис. 192). Таким образом, между силами A и H существует известное расстояние — плечо, вследствие чего образуется момент пары сил, стремящийся привести во вращение судно относительно оси, определенным образом ориентированной в пространстве.

Для упрощения явлений, возникающих при движении парусных судов, гидро- и аэродинамическую силы и их моменты раскладывают на составляющие, параллельные главным координатным осям. Руководствуясь третьим законом Ньютона, можно выписать попарно все составляющие этих сил и моментов:

A	— аэродинамическая результирующая сила;
T	— сила тяги парусов, движущая судно вперед:
D	— кренящая сила или сила дрейфа;
Av	— вертикальная (дифферентующая на нос) сила;
P	— сила массы (водоизмещение) судна;
Mд	— дифферентующий момент;
Mкр	— кренящий момент;
Mп	— приводящий к ветру момент;
H	— гидродинамическая результирующая сила;
R	— сила сопротивления воды движению судна;
Rд	— боковая сила или сила сопротивления дрейфу;
Hv	— вертикальная гидродинамическая сила;
γ·V	— сила плавучести;
Ml	— момент сопротивления дифференту;
Mв	— восстанавливающий момент;
Mу	— уваливающий момент.

Для того чтобы судно устойчиво шло по курсу, каждая пара сил и каждая пара моментов должны быть равны друг другу. Например, сила дрейфа D и сила сопротивления дрейфу R_д создают кренящий момент M_кр, который должен быть уравновешен восстанавливающим моментом M_в или моментом поперечной остойчивости. Этот момент образуется благодаря действию сил массы P и плавучести судна γ·V, действующих на плече l. Эти же силы образуют момент сопротивления дифференту или момент продольной остойчивости M_l, равный по величине и противодействующий дифферентующему моменту M_д. Слагаемыми последнего являются моменты пар сил T — R и A_v — H_v.

Таким образом, движение парусного судна косым курсом к ветру сопряжено с креном и дифферентом, а боковая сила D, кроме крена, вызывает еще и дрейф — боковой снос, поэтому любое парусное судно движется не строго в направлении ДП, как судно с механическим двигателем, а с небольшим углом дрейфа β. Корпус парусника, его киль и руль становятся подводным крылом, на которое набегает встречный поток воды под углом атаки, равным углу дрейфа. Именно это обстоятельство обусловливает образование на киле яхты силы сопротивления дрейфу R_д, которая является компонентом подъемной силы.

Устойчивость движения и центровка парусного судна. Вследствие крена сила тяги парусов T и сила сопротивления R оказываются действующими в разных вертикальных плоскостях. Они образуют пару сил, приводящих судно к ветру — сбивающих с прямолинейного курса, которым оно следует. Этому препятствуют момент второй пары сил — кренящей D и силы сопротивления дрейфу R_д, а также небольшая по величине сила N на руле, которую необходимо прикладывать для того, чтобы корректировать движение яхты по курсу.

Очевидно, что реакция судна на действие всех этих сил зависит как от их величины, так и от соотношения плеч a и b, на которые они действуют. При увеличении крена плечо приводящей пары b также увеличивается, а величина плеча уваливающей пары a зависит от взаимного расположения центра парусности (ЦП — точки приложения результирующей аэродинамических сил к парусам) и центра бокового сопротивления (ЦБС — точки приложения результирующей гидродинамических сил к корпусу яхты).

Точное определение положения этих точек является довольно сложной задачей, особенно если учесть, что оно изменяется в зависимости от многих факторов: курса судна относительно ветра, покроя и настройки парусов, крена и дифферента яхты, формы и профиля киля и руля и т. п.

При проектировании и перевооружении яхт оперируют с условными ЦП и ЦБС, считая их расположенными в центрах тяжести плоских фигур, которые представляют собой паруса, поставленные в ДП, и очертания подводной части ДП с килем, плавниками и рулем (рис. 193). Центр тяжести треугольного паруса, например, находится на пересечении двух медиан, а общий центр тяжести двух парусов располагается на отрезке прямой, соединяющей ЦП обоих парусов, и делит этот отрезок обратно пропорционально их площади. Если парус имеет четырехугольную форму, то его площадь делят диагональю на два треугольника и получают ЦП как общий центр этих треугольников.

Рис. 193. Определение условного центра парусности яхты.

Положение ЦБС можно определить, уравновешивая на острие иголки шаблон подводного профиля ДП, вырезанный из тонкого картона. Когда шаблон расположится горизонтально, игла будет находиться в точке условного ЦБС. Однако этот способ более или менее применим для судов с большой площадью подводной части ДП — для яхт традиционного типа с длинной килевой линией, судовых шлюпок и т. п. На современных яхтах, обводы которых проектируются на основе теории крыла, основную роль в создании силы сопротивления дрейфу играют плавниковый киль и руль, устанавливаемый обычно отдельно от киля. Центры гидродинамических давлений на их профилях могут быть найдены достаточно точно. Например, для профилей с относительной толщиной δ/b около 8 % эта точка находится на расстоянии около 26 % хорды b от входящей кромки.

Однако корпус яхты определенным образом влияет на характер обтекания киля и руля, причем это влияние изменяется в зависимости от крена, дифферента и скорости судна. В большинстве случаев на острых курсах к ветру истинный ЦБС перемещается вперед по отношению к центру давления, определенному для киля и руля как для изолированных профилей. Вследствие неопределенности в расчете положения ЦП и ЦБС конструкторы при разработке проекта парусных судов располагают ЦП на некотором расстоянии a — опережении — впереди ЦБС. Величина опережения определяется статистически, из сравнения с хорошо зарекомендовавшими себя яхтами, которые имеют близкие к проекту обводы подводной части, остойчивость и парусное вооружение. Опережение задается обычно в процентах длины судна по ватерлинии и составляет для судна, оснащенного бермудским шлюпом, 15—18 % L. Чем меньше остойчивость яхты, тем больший крен она получит под действием ветра и тем большее необходимо опережение ЦП перед ЦБС.

Точная корректировка относительного положения ЦП и ЦБС возможна при испытаниях яхты на ходу. Если судно стремится увалиться под ветер, особенно в средний и свежий ветер, то это является большим дефектом центровки. Дело в том, что киль отклоняет стекающий с него поток воды ближе к ДП судна. Поэтому если руль стоит прямо, то его профиль работает с заметно меньшим углом атаки, чем киль. Если же для компенсации тенденции яхты к уваливанию руль приходится перекладывать на ветер, то образуемая на нем подъемная сила оказывается направленной в подветренную сторону — туда же, что и сила дрейфа D на парусах. Следовательно, судно будет иметь повышенный дрейф.

Иное дело легкая тенденция яхты приводиться. Переложенный на 3—4° в подветренную сторону руль работает с таким же или несколько большим углом атаки, что и киль, и эффективно участвует в сопротивлении дрейфу. Поперечная сила H, возникающая на руле, вызывает значительное смещение общего ЦБС к корме при одновременном уменьшении угла дрейфа. Однако, если для удержания яхты на курсе бейдевинд приходится постоянно перекладывать руль в подветренную сторону на больший чем 2—3° угол, необходимо перенести ЦП вперед или сместить назад ЦБС, что сложнее.

На построенной яхте перенести ЦП вперед можно, наклонив вперед мачту, сместив ее вперед (если позволяет конструкция степса), укоротив грот по нижней шкаторине, увеличив площадь основного стакселя. Для перемещения ЦБС назад требуется установить плавник перед рулем или же увеличить размеры пера руля.

Для устранения тенденции яхты к уваливанию необходимо применить противоположные меры: перенести ЦП назад или сместить вперед ЦБС.

Роль составляющих аэродинамической силы в создании тяги и дрейфа. Современная теория работы косого паруса основывается на положениях аэродинамики крыла, элементы которой были рассмотрены в главе II. При обтекании паруса, поставленного под углом атаки α к вымпельному ветру, потоком воздуха, на нем создается аэродинамическая сила A, которую можно представить в виде двух составляющих: подъемной силы Y, направленной перпендикулярно потоку воздуха (вымпельному ветру), и лобового сопротивления X — проекции силы A на направление потока воздуха. Эти силы используются при рассмотрении характеристик паруса и всего парусного вооружения в целом.

Одновременно силу A можно представить в виде двух других составляющих: силы тяги T, направленной по оси движения яхты, и перпендикулярной ей силы дрейфа D. Напомним, что направление движения парусника (или путь) отличается от его курса на величину угла дрейфа β, однако при дальнейшем анализе этим углом можно пренебречь.

Если на курсе бейдевинд удается увеличить подъемную силу на парусе до величины Y₁, а лобовое сопротивление останется неизменным, то силы Y₁ и X, сложенные по правилу сложения векторов, образуют новую аэродинамическую силу A₁ (рис. 194, а). Рассматривая ее новые составляющие T₁ и D₁, можно заметить, что в данном случае с увеличением подъемной силы увеличиваются и сила тяги и сила дрейфа.

Рис. 194. Роль подъемной силы и лобового сопротивления в создании движущей силы.

При аналогичном построении можно убедиться, что при увеличении лобового сопротивления на курсе бейдевинд сила тяги уменьшается, а сила дрейфа увеличивается. Таким образом, при плавании в бейдевинд решающую роль в создании тяги парусов играет подъемная сила паруса; лобовое сопротивление должно быть минимальным.

Отметим, что на курсе бейдевинд вымпельный ветер имеет наивысшую скорость, поэтому обе составляющие аэродинамической силы Y и X имеют достаточно большую величину.

На курсе галфвинд (рис. 194, б) подъемная сила является силой тяги, а лобовое сопротивление — силой дрейфа. Увеличение лобового сопротивления паруса на величине силы тяги не сказывается: увеличивается только сила дрейфа. Однако поскольку скорость вымпельного ветра на галфвинде снижается по сравнению с бейдевиндом, дрейф на ходовых качествах судна сказывается уже в меньшей степени.

На курсе бакштаг (рис. 194, в) парус работает на больших углах атаки, при которых подъемная сила оказывается значительно меньше лобового сопротивления. Если увеличить лобовое сопротивление, то тяга и сила дрейфа также увеличатся. При возрастании подъемной силы тяга увеличивается, а сила дрейфа уменьшается (рис. 194, г). Следовательно, на курсе бакштаг увеличение и подъемной силы и (или) лобового сопротивления повышают тягу.

При курсе фордевинд угол атаки паруса близок к 90°, поэтому подъемная сила на парусе равна нулю, а лобовое сопротивление направлено по оси движения судна и является силой тяги. Сила дрейфа равна нулю. Следовательно, на курсе фордевинд для увеличения тяги парусов желательно увеличивать их лобовое сопротивление. На гоночных яхтах это делается путем постановки дополнительных парусов — спинакера и блупера, имеющих большую площадь и плохо обтекаемую форму. Отметим, что на курсе фордевинд на паруса яхты действует вымпельный ветер минимальной скорости, что обусловливает сравнительно умеренные силы на парусах.

Сопротивление дрейфу. Как было показано выше, сила дрейфа зависит от курса яхты относительно ветра. При плавании в крутой бейдевинд она примерно втрое превышает силу тяги T, движущую судно вперед; на галфвинде обе силы примерно равны; на крутом бакштаге тяга паруса оказывается в 2—3 раза больше силы дрейфа, а на чистом фордевинде сила дрейфа отсутствует вообще. Следовательно, для того чтобы парусник успешно продвигался вперед курсами от бейдевинда до галфвинда (под углом 40—90° к ветру), оно должно обладать достаточным боковым сопротивлением дрейфу, намного превышающим сопротивление воды движению яхты по курсу.

Функцию создания силы сопротивления дрейфу на современных парусных судах выполняют в основном плавниковые кили или шверты и рули. Механика возникновения подъемной силы на крыле симметричного профиля, каковыми являются кили, шверты и рули, была рассмотрена в главе II (см. стр. 67). Отметим, что величина угла дрейфа современных яхт — угол атаки профиля киля или шверта — редко превышает 5°, поэтому, проектируя киль или шверт, необходимо выбрать его оптимальные размеры, форму и профиль сечения в расчете на получение максимальной подъемной силы при минимальном лобовом сопротивлении именно на малых углах атаки.

Испытания аэродинамических симметричных профилей показали, что более толстые профили (с большей величиной отношения толщины сечения t к его хорде b) дают бо́льшую подъемную силу, чем тонкие. Однако на малых скоростях движения такие профили обладают более высоким лобовым сопротивлением. Оптимальные результаты на парусных яхтах можно получить при толщине киля t/b = 0,09÷0,12, так как подъемная сила на таких профилях мало зависит от скорости судна.

Максимальная толщина профиля должна располагаться на расстоянии от 30 до 40 % хорды от передней кромки профиля киля. Хорошими качествами обладает также профиль NACA 664‑0 с максимальной толщиной, расположенной на расстоянии 50 % хорды от носика (рис. 195).

Рис. 195. Профилированный киль-плавник яхты.

Ординаты рекомендуемых профилей сечений яхтенных килей и швертов

Профиль; относительная толщина δ	Отстояние от носика x, % b
	2,5	5	10	20	30	40
	Ординаты y, % b
NACA—66; δ = 0,05	2,18	2,96	3,90	4,78	5,00	4,83
Профиль для швертов; δ = 0,04	2,00	2,60	3,50	4,20	4,40	4,26
Киль яхты NACA 664—0; δ = 0,12	—	3,40	5,23	8,72	10,74	11,85
Профиль; относительная толщина δ	Отстояние от носика x, % b
	50	60	70	80	90	100
	Ординаты y, % b
NACA—66; δ = 0,05	4,41	3,80	3,05	2,19	1,21	0,11
Профиль для швертов; δ = 0,04	3,88	3,34	2,68	1,92	1,06	0,10
Киль яхты NACA 664—0; δ = 0,12	12,00	10,94	8,35	4,99	2,59	0

Для легких гоночных швертботов, способных выходить на режим глиссирования и развивать высокие скорости, используют шверты и рули с более тонким профилем (t/b = 0,044÷0,05) и геометрическим удлинением (отношением углубления d к средней хорде b_ср) до 4.

Удлинение килей современных килевых яхт составляет от 1 до 3, рулей — до 4. Чаще всего киль имеет вид трапеции с наклонной передней кромкой, причем угол наклона оказывает определенное влияние на величину подъемной силы и лобового сопротивления киля. При удлинении киля около λ = 0,6 может быть допущен наклон передней кромки до 50°; при λ = 1 — около 20°; при λ > 1,5 оптимальным является киль с вертикальной передней кромкой.

Суммарная площадь киля и руля для эффективного противодействия дрейфу принимается обычно равной от ¹/₂₅ до ¹/₁₇ площади основных парусов.