Конструктивные типы парусных судов
В зависимости от того, каким образом обеспечиваются боковое сопротивление дрейфу и остойчивость судна, необходимые для плавания под парусами, различают несколько основных конструктивных типов парусных лодок и яхт.
Килевая яхта имеет киль — глубокий плавник, создающий значительное боковое сопротивление. Для придания большей остойчивости к нижней части этого плавника крепится чугунный пли свинцовый груз, называемый балластным килем или фальшкилем. Киль может быть образован обводами яхты и составлять с корпусом одно целое либо выполнен в виде отдельного плавника, имеющего поперечный профиль крыла, или бульбкиля (вертикальный лист с тяжелой отливкой внизу).
Чем яснее выделен из обводов яхты киль и больше его удлинение, тем эффективнее он противостоит дрейфу, тем относительно меньше может быть принята его площадь. При длинной килевой линии площадь ДП может составлять 1/5 площади парусности S; при нормальных яхтенных обводах — 1/7 S; при плавниковом киле —1/12 S.
Масса балластного фальшкиля составляет от 25 до 40 % водоизмещения судна, благодаря чему центр тяжести яхты оказывается расположенным достаточно низко (чаще всего — под ватерлинией или слегка выше ее). Остойчивость килевой яхты всегда положительна и достигает максимума при крене около 90°, когда паруса уже лежат на воде. Разумеется, в этом случае судно останется на плаву, если оно имеет надежные закрытия всех палубных отверстий и самоотливной кокпит, не сообщающийся с основным помещением. Яхта класса «Дракон», например, заливается водой уже при крене 52°.
Рис. 196. Диаграмма остойчивости килевой яхты.
Момент неустойчивого равновесия, когда восстанавливающее плечо равно нулю, у современных яхт наступает при крене около 130°, когда мачта уже находится под водой, будучи направленной под углом 40° к поверхности (рис. 196). При дальнейшем увеличении крена плечо остойчивости становится отрицательным, опрокидывающий момент способствует достижению второго момента неустойчивого равновесия — при крене 180° (т. е. вверх килем). В этом положении ЦТ оказывается расположенным высоко над ЦВ; достаточно действия небольшой волны, чтобы судно вновь приняло нормальное положение вниз килем. Известно немало случаев, когда яхты совершали полный оборот на 360° и сохраняли свои мореходные качества.
Килевые яхты имеют большую осадку и предназначены для плавания на морях и озерах с глубокой водой и сильными ветрами.
Швертбот — легкое парусное судно, используемое на мелководье. Боковое сопротивление обеспечивается благодаря шверту — плоскому или профилированному тонкому килю, который для уменьшения осадки убирается внутрь корпуса в специальный колодец, установленный в ДП. Масса шверта, даже если он изготовлен из стали, невелика и практически не оказывает существенного влияния на остойчивость лодки. Остойчивость швертботов обеспечивается за счет увеличения ширины корпуса, причем чем меньше судно, тем относительно более широким должен быть корпус. Кроме того, уменьшить крен активно помогает экипаж лодки, располагаясь на планшире или даже откидываясь за борт с помощью трапеции — подвески с поясом, крепящейся к мачте. В этом случае экипажу удается переместить общий центр тяжести настолько, что линия действия силы D пересекается с ДП значительно ниже центра величины и плечо остойчивости веса получается положительным (рис. 197, а).
Рассматривая поперечную остойчивость швертбота, можно заметить, что до входа кромки палубы в воду ширина действующей ватерлинии быстро идет на убыль, вследствие чего метацентрический радиус и высота h резко уменьшаются. При крене порядка 60—80° сила плавучести и сила веса оказываются расположенными в одной вертикальной плоскости — наступает момент положения неустойчивого равновесия, когда восстанавливающее плечо равно нулю. Еще небольшое усилие кренящего момента и момент пары сил D и γ·V становится опрокидывающим, помогающим ветру положить швертбот парусами на воду. При этом метацентр оказывается расположенным ниже ЦТ, а высота h — отрицательной.
Рис. 197. Остойчивость швертбота при больших углах крена:
а — влияние откренивания экипажем; б — момент неустойчивого равновесия.
Сравнивая остойчивость килевой яхты швертбота, можно заметить, что главную роль в создании восстанавливающего момента у швертбота играет остойчивость формы, а у килевой яхты — остойчивость веса (см. стр. 19).
Наибольшее распространение получили вращающиеся шверты секторного типа (см. рис. 215), мечевидные, L-образные, а также втыкающиеся в колодец кинжальные (см. рис. 208). Вращающиеся шверты удобнее втыкающихся, так как они при посадке на мель не так сильно нагружают конструкцию корпуса. В то же время для них требуется колодец больших размеров, загромождающий кокпит лодки. Втыкающиеся шверты применяют в основном на самых малых парусных лодках.
Узкие и длинные мечевидные и кинжальные шверты, как правило, выполняют профилированными — придают им в поперечном сечении форму аэродинамического профиля с относительной толщиной t/b = 0,05÷0,08. Шверты других типов вырезают из металлического листа.
Площадь профилированного шверта, имеющего повышенную эффективность в создании боковой силы сопротивления дрейфу, принимается обычно равной 1/40—1/10 площади парусности S. Если шверт секторный или L-образный, его площадь должна быть не менее 1/20 S.
Разновидностью шверта являются бортовые кили-шверцы (см. рис. 254), которые часто применяют для того, чтобы приспособить уже готовое судно (гребную или моторную лодку) для плавания под парусами. Обычно в воду опускают только подветренный шверц, который боковым давлением воды прижимается к специальной упорной планке, закрепленной на борту лодки.
Основное достоинство швертботов — малая осадка и легкость конструкции, его позволяет транспортировать их на прицепе за легковым автомобилем и хранить на берегу. Однако вследствие сравнительно низкой остойчивости на больших углах крена и характерных обводов корпуса с широким и плоским днищем швертботы имеют ограниченную мореходность и используются для гонок или туристских плаваний по рекам и озерам, а также в прибрежной зоне морей в ограничением по балльности моря и ветра.
Чтобы повысить остойчивость при сохранении малой осадки, иногда строят яхты с тяжелыми швертами («падающими килями»). Такой шверт представляет собой полую сварную коробку из металлических листов, заполненную внутри балластом. Колодец для киля в этом случае выполняется по всей высоте корпуса — от днища до палубы. При необходимости уменьшить габаритную осадку с помощью мощных талей, винтовых домкратов или гидравлических устройств киль, составляющий 18—30 % водоизмещения яхты, втягивается в колодец. Тяжелые литые или вырезанные из толстого стального листа шверты применяют и для повышения остойчивости крейсерских каютных швертботов.
Яхта типа компромисс является промежуточным типом между килевой яхтой и швертботом (см. рис. 225). Благодаря увеличенной по сравнению со швертботом осадке и наличию балластного фальшкиля компромисс более остойчив, чем швертбот. В то же время для его плавания требуется акватория с меньшими глубинами, чем для килевой яхты. Шверт на компромиссе может иметь «потайную» конструкцию, при которой колодец размещается полностью в фальшкиле и не выступает над пайолами в каюте.
Компромиссы используются главным образом в районах, где имеются открытые водные пространства с сильными ветрами, но с малой глубиной воды, а также для комбинированного плавания, когда в одном плавании приходится проходить реку, канал, водохранилище и выходить в море.
Яхты со скуловыми килями, представляющие собой разновидность килевых яхт, строятся с целью уменьшить осадку корпуса при сохранении удовлетворительных лавировочных качеств. Бывают с тяжелыми (балластными) и с легкими килями, когда балласт крепится на центральном киле.
Вследствие большей смоченной поверхности, чем у обычных яхт, суда со скуловыми килями имеют меньшую скорость, поэтому широкого распространения не получили. К их достоинствам относят возможность судна вставать на грунт при отливе, благодаря чему много таких яхточек эксплуатируется у побережья Англии и Франции, где дно в гаванях при отливах нередко полностью обсыхает. Часто невысокие скуловые кили применяют на гребных шлюпках при оборудовании их парусным вооружением (см. рис. 253).
Многокорпусные суда — катамараны, тримараны и проа — составляют особую группу парусных судов со специфическими особенностями остойчивости, сопротивления воды движению вперед и дрейфу. Общим для них является обеспечение поперечной остойчивости за счет силы поддержания, которая создается при крене на погружающемся в воду подветренном корпусе или поплавке. У катамарана водоизмещение распределено поровну между обоими корпусами. Уже при небольшом крене водоизмещение резко перераспределяется: сила плавучести корпуса, погружающегося в воду, увеличивается (рис. 198). Когда другой корпус выходит из воды (при крене 8—15°), плечо остойчивости достигает максимальной величины — оно немного меньше половины расстояния между ДП корпусов. При дальнейшем увеличении крена катамаран ведет себя подобно швертботу, экипаж которого висит на трапеции. При крене 50—60° наступает момент неустойчивого равновесия, после чего остойчивость катамарана становится отрицательной — судно опрокидывается.
Рис. 198. Остойчивость катамарана: а — при малом угле крена; б — при выходе корпуса из воды; в — при большом угле крена.
Катамаран имеет огромную начальную остойчивость, однако быстрое уменьшение восстанавливающего плеча после выхода наветренного корпуса из воды заставляет конструкторов предусматривать специальные меры, предотвращающие опрокидывание двухкорпусных судов. В частности, большинство современных крейсерских катамаранов снабжается автоматическими устройствами для отдачи шкотов по достижении определенного угла крена. На катамаранах меньших размерений на топах мачт закрепляют легкие жесткие или надувные поплавки, которые не дают судну, положенному парусами на воду, опрокинуться вверх килем. В качестве профилактики несчастных случаев при опрокидывании катамаранов и тримаранов морского плавания их снабжают рундуками с аварийно-спасательным имуществом, доступными с нижней части мостика.
На тримаране суммарный объем боковых поплавков составляет обычно 75—100% водоизмещения, поэтому максимальная остойчивость у этого типа судов достигается в момент полного погружения подветренного поплавка в воду; диаграмма их статической остойчивости более плавная, чем у катамарана. На стоянке и на ходу без крена поплавки не касаются поверхности воды.
Преимущества многокорпусных судов перед обычными яхтами и швертботами обусловливаются их узкими и длинными корпусами — соотношение длины корпуса к ширине на катамаране составляет от 10 до 20; средний корпус быстроходного тримарана имеет L/B = 8÷11, а поплавки — 14—18. Благодаря этому, а также отсутствию тяжелого фальшкиля многокорпусные суда испытывают меньшее сопротивление воды движению и могут развивать значительно более высокие скорости (до 20 уз и выше), чем однокорпусные яхты. Кроме того, при небольшом угле дрейфа на узких и длинных корпусах развивается боковая сила сопротивления дрейфу такой величины, что целесообразно отказаться от применения швертов. Таким образом, многокорпусное судно может эксплуатироваться при меньшей глубине на акватории, чем килевая яхта или компромисс.