Техника парусного эксперимента

Экспериментальные данные по парусным судам нужны и важны, цены им нет, но нет и их самих. Методика экспериментальных исследований не разработана. Мне однажды удалось провести такую работу с “Бризом”, но опыт невелик, и на его основе можно давать только самые общие рекомендации.

Сам по себе парусный эксперимент несложен, но он требует терпения и некоторых специальных навыков, приобретаемых по ходу дела. Причем эта работа оправдывает себя даже тогда, когда у взявшегося за нее по началу не хватает умения или терпения чтобы провести ее в полном объеме. Она позволяет лучше прочувствовать особенности своей лодки, ее ходовые качества, действующие на нее силы и дефекты конструкции, позволяет более уверенно и быстро ее совершенствовать.

Для проведения измерений необходимы приборы. Минимальный комплект включает в себя компас-пеленгатор, два динамометра, линейку и секундомер. Неплохо, конечно, использовать и более совершенное оборудование, но надо ясно понимать, что не оно все решает, важнее мастерство экспериментатора.

Один мой приятель, желая “научным путем” повысить быстроходность швертбота “Мевы”, оснастил ее самодельным цифровым лагом; лодка стала ходить хуже. На это другой приятель заметил, что не надо делать дырку лазером там, где можно обойтись гвоздем.

Компас – пеленгатор – обычный компас для спортивного ориентирования или небольшой авиационный компас, которым можно определять курс судна и направления истинного и вымпельного ветров относительно магнитного меридиана, что позволяет находить как разность двух последних и курсового угла судна углы γ и β, входящие в треугольник скоростей.

Линейка и секундомер требуются для измерения скорости хода судна методом планширного лага; несмотря на весь его примитивизм, этот метод удобен и дает неплохие результаты. Как линейку удобно использовать корпус судна или, на тримаране, его поплавки. Вперед по ходу забрасывается какой-либо плавучий предмет, и секундомером засекают время, за которое судно проходит мимо него. Секундомер удобен тем, что позволяет измерять малые интервалы времени, необходимость в чем возникает на быстроходных судах, проскакивающих свою длину менее чем за секунду.

Ян Телига рекомендовал для измерения скорости судна несколько иной метод: бросать за корму бутылку, привязанную шнурком известной длины.

Динамометры требуются для измерения действующих на судно сил. Удобно использовать десяти, а еще лучше хозяйственные двадцатикилограммовые пружинные весы. Силы, действующие на небольшое парусное судно, достигают нескольких десятков килограммов, что превосходит возможности таких весов; для расширения диапазона измеряемых сил можно использовать измерительные тали.

В походных условиях в качестве динамометров можно использовать любые подручные упругие элементы: резиновые бинты, жгуты, луки и т.п. Конструкция самодельных динамометров изобретается на месте, а откалибровать их несложно, подвесив ведро с водой: литр воды – килограмм силы.

Измерение аэродинамических характеристик судна

При анализе ходовых качеств судна желательно знать угол θ_A0, при котором обращается в нуль тяга парусов. Определить его можно так называемым методом змея, состоящим в том, что судно фиксируется боковой оттяжкой большой длины (50 м) и само с выбранными парусами выбегает на ветер, двигаясь по окружности, радиусом которой является оттяжка. Оттяжку надо привязать к якорю, вбитой в дно свое или, еще лучше, за кол, вбитый на пологом открытом мысочке, вокруг которого бегает судно. У судна оттяжка должна заканчиваться шпрюйтом, разнесенным на его оконечности; судно на шпрюйте фиксируется так, чтобы оттяжка была нормальна его ДП.

Зафиксированное оттяжкой судно идет на ветер и останавливается под некоторым небольшим углом к нему, когда исчезает тяга парусов; в этот момент β=θ_A0.

Дальнейшим развитием метода змея является применение регулируемого шпрюйта, позволяющего фиксировать судно под любым углом к оттяжке. Как бы ни было зафиксировано судно, двигаясь на оттяжке, оно остановится в положении, в котором действующая на него аэродинамическая сила будет уравновешена натяжением оттяжки; последнее для фиксированного судна имитирует отсутствующую в данном случае гидродинамическую силу . На остановившемся судне легко измерить углы β, θ_H, θ_A. Знания ориентации и величины силы достаточно для построения аэродинамической поляры судна. Но чтобы определить безразмерные аэродинамические коэффициенты, необходимо знать еще и скорость ветра при различных углах обдувки судна, что сильно осложняет аэродинамические измерения.

Ветер, дующий над поверхностью воды, это отнюдь не равномерный поток воздуха в аэродинамической трубе; он пульсирует, быстро и хаотически изменяя направление и скорость. Соответственно, пульсируют и действующие на судно силы. Качество измерений в сильнейшей степени зависит от стабильности ветра. Лучшие результаты получаются, когда измерения проводятся на спокойной воде в ровный устойчивый ветер; подобрать такие условия удается на большой акватории у отлогого подветренного берега, прикрытого от волны косой.

Скорость ветра проще всего оценивать по шкале Бофорта, но надо иметь в виду, что стандартная принятая в метеорологии шкала Бофорта определяет скорость ветра на высоте 10м над поверхностью воды или суши. Раньше была принята другая шкала, определявшая скорость ветра на высоте 6 м над поверхностью, но и это не совсем то, что нам нужно, поскольку надо знать скорость ветра на высоте соответствующей положению центра парусности судна, т.е. 3-4 м над поверхностью воды.

Скорость ветра можно измерять анемометром, но он должен быть быстродействующим и располагаться там, где надо. Обычный анемометр с вращающимися чашками неудобен, инерционен; к тому же это капризный прибор, который не следует брать в походы.

Из-за трудностей определения скорости ветра представляет интерес калибровка шкал аэродинамических коэффициентов по данным ходовых испытаний судна.

Измерение гидродинамических характеристик

Самый простой способ измерения сопротивления воды движению лодки – ее ручная буксировка по мелководью. В буксировочный трос ввязывается динамометр; человек, топая босиком по воде, тянет лодку с заданной постоянной силой и засекает время прохождения отмеренной заранее дистанции. Способ вполне работоспособен, применим для малых скоростей и поддается разнообразным усовершенствованиям. Лодку по дистанции можно протаскивать другой лодкой или падающими гирями, как и было в свое время сделано Фрудом в опытовом бассейне. Предлагалось также гонять исследуемую лодку под мотором, закрепив его на специальной подвеске, позволяющей определять развиваемый им упор.

Можно воспользоваться течением на реке или, еще лучше, морским приливным течением, скорость которого на Белом море местами достигает 2-3 м/с и, что удобно, естественным образом изменяется от максимальной до нуля.

Для измерения сопротивления воды судно на течении ставится на якорь с ввязанным в якорный трос динамометром. Динамометр следует располагать так, чтобы его было видно со штатного места рулевого; якорный трос проводится через клюз в носу судна, куда для уменьшения трения следует вставить полиэтиленовую прокладку, и позаботиться, чтобы он ни за что не цеплялся.

Измерения на течении дают возможность найти как сопротивление судна в целом, так и сопротивление отдельных его частей, например, руля как разность сопротивлений судна с поднятым и опущенным рулем. Правда, на практике это плохо получается: судно без руля разворачивает боком, и сопротивление вместо того чтобы падать, возрастает.

При использовании динамометрической подвески, т.е. поставив судно на два якоря – носовой и боковой, можно компенсировать боковой снос судна и определять поперечные силы, возникающие при перекладке руля или постановке шверца. На судне с двумя шверцами создаваемое ими сопротивление легко регистрируется, если поставить их оба сразу, т.е. заставить работать враздрай. При этом не возникает проблем с разворотом судна.

Проводя подобные эксперименты, следует соблюдать осторожность: на быстром течении судно может сорвать с якорей и унести. Во избежание недоразумений рулевой должен находиться на борту судна. Еще одна предосторожность: динамометр следует ввязывать в якорный трос так, чтобы разрыв динамометра не стал разрывом троса.

Если кто-нибудь думает, что предлагаемые эксперименты – плод кабинетного теоретизирования автора, то он весьма ошибается. Я долго и упорно возился с мокрыми тросами, стоя посреди пролива между Русским и Немецким Кузовами, прежде чем мне удалось что-либо измерить. Измерения, особенно бокового сопротивления, достаточно трудны. Странные вещи творятся с динамометрической подвеской: на течении оба ее троса провисают и тянут неизвестно куда, иногда вибрируют и выскакивают из воды. Возникает множество ошибок из-за различных посторонних факторов как то: зацеп троса за форштевень, лопух ламинарии, прилипший к носу или к рулю. Исключение ошибок требует труда, но потратить день на такую работу имеет смысл.

У гидродинамических экспериментов описанного типа имеется нежелательная особенность: надо кого-либо просить, чтобы тебя потаскали другой лодкой либо ехать на Белое море. В принципе, можно поступать и иначе. Силы, действующие на судно, вызывают его крен и дифферент. Откалибровав крен и дифферент соответствующим образом и измеряя их на ходу, можно определять порождающие их силы. Нужен прибор для измерения крена и дифферента способный работать на борту судна; таким прибором может служить и само судно.

Ходовые измерения γβ диаграммы

Для построения γβ диаграммы необходимо на ходу судна определить углы γ и β истинного и вымпельного ветра и скорость хода судна V. Измерять скорость ветра не требуется, поскольку величины u₀ и u рассчитываются по формулам треугольника скоростей; само судно выступает в роли анемометра.

Определение направления вымпельного ветра у яхтсменов затруднений не вызывает, они чувствуют его кожей. Сложнее обстоит дело с определением направления истинного ветра; для этого нужно лечь в дрейф, стать в левентик или перейти на курс фордевинд. Иногда с направлением ветра совпадает направление бега волн или полос ряби на воде. На небольших акваториях таких как Московское море ветер очень нестабилен, и определять направление истинного ветра следует в начале и в конце каждого цикла измерений. Скорость хода судна определяется методом планширного лага, для чего следует заранее на берегу запасаться шишками или щепками.

На практике измерения проводятся следующим образом. Судно ложится в дрейф, направление истинного ветра засекается по компасу. Затем судно выводится на требуемый курс, засекается сам курс и направление вымпельного ветра, вперед по ходу судна забрасывается щепка, засекается время прохождения судна мимо нее. Судно снова ложится в дрейф.

Весь цикл измерений занимает менее минуты. Работать надо быстро и четко, лучше вдвоем. Необходимо набрать до сотни и более таких точек, равномерно распределив их по всем курсам, причем как на сильных так и на слабых ветрах но не меняя парусности судна. Изменение парусности требует проведения нового комплекса измерений.

Экспериментальных точек следует набирать как можно больше, лишними они не бывают. Возможно, многие из них придется забраковать ввиду их явной ошибочности. Пока судно на воде, недостачу нетрудно восполнить, но дома этого не сделаешь.

Далее следует обработка результатов измерений, выполняемая на берегу или уже в домашних условиях. Для обсчета данных надо использовать хороший микрокалькулятор или компьютер, но в походных условиях можно обойтись и логарифмической линейкой.

Составляется таблица с большим числом колонок, в которую заносятся для начала измеренные курсовые углы, пеленги истинного и вымпельного ветра и время прохождения судном своей длины. По этим данным определяются углы γ и β и скорость хода судна V. Далее по формулам треугольника скоростей рассчитываются значения u₀ и u. Разброс точек большой, но когда их много, они укладываются в систему, их можно осреднить и провести кривые β(γ) при различных u₀. Полярную диаграмму V(γ) лучше строить по осредненным данным γβ -диаграммы.

Техника не стоит на месте, и сейчас в распоряжении парусных туристов появились карманные приборы спутниковой системы навигации (GPS), позволяющие определять свои координаты с точностью до нескольких метров. Эти приборы очень инерционны и для измерений мгновенных значений скорости непригодны, но жизнь нам они могут облегчить. Во-первых. Можно точно определять длину мерного отрезка, по которому бегает или буксируется судно. Во –вторых, можно точно выставить полигон из центрального буя и десятка расположенных вокруг него по окружности других буев; на полигоне мерную дистанцию можно проходить под любым углом к ветру

Работа паруса

Режимы работы паруса

В зависимости от угла постановки паруса к ветру, т.е. от его угла атаки α имеют место три различных режима его работы: заполаскивание, когда он стоит по ветру, безотрывное обтекание потоком воздуха, когда парус работает подобно крылу, создает большую подъемную силу и имеет высокое аэродинамическое качество, и, наконец, случай, когда на больших углах атаки обтекание паруса сорвано, и он действует как плохо обтекаемое тело, стоящее поперек ветра.

Как показывают аэродинамические поляры жестких изогнутых пластинок, подобных парусу по своей форме, такая пластинка, будучи поставлена под нулевым углом атаки, создает подъемную силу, направленную в сторону ее выпуклости. Для паруса с тем же пузом случай α = 0 означает точку бифуркации, направление его выпуклости не определено, и она может быть ориентирована в обе стороны. Если шкот растравлен, парус будет заполаскивать, если шкот выбран, парус будет пощелкивать. Выпуклое состояние паруса неустойчиво, и даже если почему-то пузо паруса выпучило в одну сторону, достаточно малейшей флуктуации в потоке воздуха, чтобы его перебросило в другую сторону.

Чтобы парус однозначно выбрал свою ориентацию, он должен стоять под некоторым начальным углом атаки, превышающим наибольшие углы мгновенных заходов ветра. Величины этих углов неизвестны, но чем порывистей ветер, тем они больше и обычно составляют несколько градусов. Бывает, что на крутом бейдевинде туго выбранный парус, обычно стаксель, прощелкивает, и происходит непроизвольный поворот оверштаг; судно вынуждено переходить на другой галс.

С неустойчивостью паруса на малых углах атаки связан и непроизвольный поворот фордевинд, но тогда шкаторины паруса меняются местами, и угол атаки паруса отсчитывается по его задней шкаторине. Когда на курсе фордевинд парус стоит поперек судна, и ветер на порыве заходит так, что начинает задувать в заднюю шкаторину паруса парус прощелкивает, и его перебрасывает на другой борт. Последствия могут быть неприятными. Однажды на Азове я на сильном ветре на фордевинде подходил к берегу, и в полосе прибоя непроизвольный фордевинд произошел у меня пять раз подряд, грот летал с борта на борт как хлопающая дверь. Хорошо, что я был на тримаране, а не на швертботе.

Наличие области неустойчивости паруса вблизи α = 0 ограничивает снизу значение возможного угла атаки. Другая причина такого ограничения в том, что даже у жестких пластинок с устойчивым профилем при уменьшении угла атаки до некоторого минимального значения составляющего 5—7°, при котором максимально аэродинамическое качество, обращается в нуль аэродинамический коэффициент тяги C_Т. Круче 5—7° к вымпельному ветру не может идти никакое парусное судно.

На углах атаки, не слишком больших, но превышающих критические для устойчивости пуза, парус безотрывно обтекается потоком воздуха. При этом на него действует сила, слагающаяся из проинтегрированных по его поверхности касательных и нормальных напряжений. Сила, обусловленная касательными напряжениями, - это сопротивление трения, вызванное наличием вязкости воздуха и его трением о парус. Сила, обусловленная нормальными напряжениями на поверхности паруса, имеет более сложную природу; обычно различают следующие ее составляющие.

А) Подъемная сила. Она представляет собой компоненту полной силы в направлении нормали к потоку воздуха и своим появлением обязана порождению на поверхности паруса завихренности воздуха. Из-за асимметрии обтекания паруса вокруг него возникает вращательное движение воздуха, характеризуемое циркуляцией скорости , где интеграл берется вокруг профиля паруса. При наличии циркуляции на парус в поступательном потоке действует поперечная подъемная сила . Проекция этой силы на направление движения судна – нужная нам сила тяги.

Б) Индуктивное сопротивление. Ничто не дается даром, и возникновение на парусе подъемной силы сопровождается появлением за парусом вихревой пелены, тянущейся вниз по ветру. Создавая подъемную силу, парус вызывает затрату энергии ветра как упорядоченного воздушного потока на турбулизацию этого потока. Эта затрата определяет сопротивление паруса известное как индуктивное.

Индуктивное сопротивление зависит от удлинения паруса λ = L²/S , где L — его размах по высоте.

В теории крыла конечного размаха показано, что при данном коэффициенте подъемной силы наименьшим индуктивным сопротивлением обладает крыло с эллиптическим распределением циркуляции скорости по размаху: , где .

Аэродинамические коэффициенты такого крыла или паруса определяются соотношениями

	(7a)
	(7b)

В) Сопротивление формы – параллельная ветру компонента результирующей силы давления за вычетом индуктивного сопротивления; она зависит от глубины пуза паруса и существенна на полных курсах.

Полное сопротивление паруса составляет сумму сопротивлений: .

Аэродинамическое качество паруса .

Чтобы парус хорошо тянул круто к ветру, необходимо повышать его аэродинамическое качество, увеличивая его удлинение, а также снижать сопротивления трения и формы. Последнее достигается изготовлением паруса из гладкого материала и приданием ему правильной аэродинамической формы, но какова эта форма – вопрос темный. На практике добиваются формы паруса приятной для глаза, хотя хорошо тянуть и хорошо выглядеть – не одно и то же.

С увеличением угла атаки паруса создаваемая им подъемная сила возрастает, но ее рост ограничен нарушением его обтекания. Когда обтекание срывается, подъемная сила паруса падает, но растет его сопротивление, так что в целом действующая на парус сила мало изменяется по величине, хотя и изменяется ее ориентация: она оказывается направленной по нормали не к ветру, а к плоскости паруса.

Когда парус стоит поперек ветра, он действует как плохо обтекаемое тело. За ним возникает интенсивное вихреобразование, причем картина обтекания нестационарна; появляется периодический срыв вихрей с передней и задней шкаторин. На сильном ветре на фордевинде это вызывает поперечную раскачку судна, что на швертботах достаточно неприятно. Чтобы обеспечивать хорошую тягу на фордевинде, парус должен иметь малое удлинение и глубокое пузо.

Требования, предъявляемые к парусу, противоречивы; нельзя сразу иметь и большое и малое удлинение. На крупных яхтах основные паруса потому и называют лавировочными, что они специализированы для работы на острых курсах; на полных курсах ставят дополнительный пузатый парус – спинакер. У нас спинакеров нет, и паруса должны хорошо работать на всех курсах. Приходится идти на компромисс; обычно то, как работает парус на полных курсах, мало кого волнует; тянет на бакштаге и фордевинде, и ладно. Гораздо больше хлопот и трудностей доставляет обеспечение хорошей тяги на острых курсах.

Как показала практика, приемлимым для нас типом парусного вооружения является бермудское. Высокие косые треугольные они же бермудские паруса удобны в обращении и неплохо тянут на острых курсах; на полных курсах они хуже прямых парусов, но с этим можно мириться. Тяга, создаваемая косыми парусами, зависит от угла атаки, под которым они поставлены к ветру, их профиля, т.е. пуза, и их формы в плане. Паруса шьют из дакрона, но когда его нет, сойдет и тик для пера.

Аэродинамика паруса из ткани имеет свои особенности. Парус тянется и изменяет свой профиль под нагрузкой, скручивается по высоте винтом, в отличие от авиационных профилей имеет острую переднюю кромку, образованную тонким материалом, крепится передней шкаториной на штаг или к мачте, что существенно влияет на его работу.

Тонкие аэродинамические профили типа паруса являются самотурбулизующимися. Набегающий на них поток воздуха вынужден огибать острую переднюю кромку; при этом на подветренной стороне паруса вблизи этой кромки возникает зона турбулентности, разрастающаяся с увеличением угла атаки и при α ≈ 10° захватывающая всю ширину паруса. В отличие от толстых авиационных профилей на парусе не возникает пика разрежения у передней кромки; он размазан по всей ширине паруса, а точка приложения к парусу аэродинамической силы с ростом угла атаки смещается назад.

Влияние профиля паруса, т.е. пуза, проявляется в том, что с увеличением угла атаки растет и сила, действующая на парус, но падает его аэродинамическое качество. Лавирововочные паруса должны иметь пузо 5-10% от своей ширины с максимумом пуза на 35-40% ширины считая от передней кромки. Отношение длин шкаторин у лавировочных парусов туристских судов составляет 2,5-4.

Крепление паруса передней шкаториной к мачте ухудшает его работу. Парус крепится к мачте либо ликпазом, но в этом случае мачта должна быть поворотной, либо надевается на мачту карманом – обтекателем; такой вариант применяется на небольших лодках со свободно стоящей мачтой, но при расчалке мачты вантами возникают сложности. Практика показала, что вооружение типа бермудский кэт со свободностоящей мачтой и надетым на нее карманом парусом является лучшим для судов с парусностью до 7 м²; на них легко и удобно делать поворот оверштаг, и они хороши на лавировке.

Как справедливо заметил В.Перегудов, паруса должны быть жесткими и управляемыми. Под жесткостью паруса понимается его способность сохранять заданными форму, угол атаки и величину пуза по всей своей площади во всем рабочем диапазоне ветров. Взятие рифов на парусах вызвано не столько тем, что их площадь оказывается излищней, сколько выдуванием парусов на сильных ветрах и неконтролируемым ростом и смещением пуза, из-за чего силы, действующие на парус, оказываются чрезмерными, нарушается центровка судна, оно становится трудно управляемым. Пузатые паруса хороши на слабых ветрах, но на сильном ветре парус должен быть почти плоским. Хороший парус способен изменять свое пузо от 0-2% до 10-15% без заметного искажения своей формы.

С жесткостью парусов тесно связана их управляемость, под которой понимается возможность по желанию рулевого быстро, точно и в широких пределах изменять развиваемые парусом силы. Жесткие паруса обладают хорощей управляемостью. Жесткость и управляемость парусов обеспечиваются конструктивными мерами, раскроем самого паруса, жесткостью рангоута, на котором он поставлен, схемой проводки такелажа, жесткостью судна в целом и разлитчными устройствами для регулировки формы парусов.

Парусное вооружение судна должно быть тщательно продумано и прежде всего для случая сильных ветров. То, что вы не слишком быстро поедете на трех баллах по Бофорту, малосущественно, но потеря контроля над судном на шквале может обойтись дорого. Штормовые паруса должны быть небольшими, очень жесткими и безусловно управляемыми на любых ветрах.

Мне довелось попасть в девятибалльный шторм, и то, что я удачно оттуда выбрался, во многом объясняется высоким качеством штормовых парусов тримарана.

Форма паруса в плане

В парусной литературе много путаницы в вопросе об индуктивном сопротивлении парусов. Как уже было сказано, наименьшим индуктивным сопротивлением обладает крыло с эллиптичным законом распределения циркуляции скорости потока воздуха по его размаху. Это можно осуществить разными способами: соответствующим распределением по размаху крыла формы его профиля, угла атаки или выбором формы крыла в плане. Обычно используют последний вариант, когда углы атаки и форма профиля по размаху постоянны, а хорда крыла изменяется по эллиптическому закону. Вид передней кромки крыла малосущественен; ее можно выбрать в виде прямой линии, тогда крыло в плане приобретает форму половинки эллипса, в частном случае полукруга.

Эллиптическая форма крыла оптимальна при отсутствии закрутки воздушного потока. Но, в отличие от крыла самолета или планера, парус обдувается ветром, скорость которого возрастает с высотой. При наличии ветра вблизи поверхности воды формируется пограничный слой толщиной в несколько сотен метров, в котором скорость ветра при приближении к поверхности воды спадает до нуля. Спад скорости ветра, так называемый профиль ветра, зависит от его скорости и стратификации атмосферы; та определяется разностью температур воды и воздуха над ней. Стратификация нейтральна, если температура воды равна температуре воздуха, неустойчива, когда вода теплее воздуха, и устойчива, если вода холоднее воздуха. Профили ветра для всех этих случаев различны; они показаны на рис.15.

Усиление истинного ветра по высоте паруса влечет за собой усиление вымпельного ветра в 1,2-1,5 раза и, что весьма существенно, изменение его угла β на 5—8°. Соответственно, на ту же величину изменяется угол атаки паруса, что нарушает эллиптическое распределение циркуляции воздуха вокруг него. Чтобы оно оставалось эллиптичным, необходима коррекция формы паруса в плане путем изменения распределения его хорд по высоте.

На рис.17 показано семейство форм паруса с различным удлинением, имеющих минимальное индуктивное сопротивление в закрученном потоке вымпельного ветра и полученных из исходной эллиптичной формы путем такой коррекции. Видно, что они близки к форме хорошего бермудского грота, имеющего небольшой серп по задней шкаторине.

Сказанное справедливо для паруса не имеющего скручивания по высоте. Реальный парус всегда скручен, и его верхняя часть отваливает под ветер; величина скручивания регулируется натяжением шкотов и оттяжки гика. Изменение силы ветра по высоте непостоянно и зависит от погодных условий; сделать парус, который будет одинаково хорош для всех условий, невозможно, поэтому его скручивание используют для тонкой настройки на конкретные условия.

Скручивание или твист паруса по высоте и его регулировка – вопрос весьма тонкий, особенно для косых бермудских парусов; искусство пошива парусов во многом в этом и состоит. В этом плане представляют интерес паруса джонок, имеющие большое число сквозных лат, каждая из которых управляется свои шкотом.

Парусное вооружение “бермудский шлюп” как аналог разрезного крыла

При вооружении парусного судна бермудским шлюпом его грот и стаксель, расположенные в непосредственной близости, влияют друг на друга; возникает общая для них циркуляция воздушного потока. Такая система из двух взаимодействующих парусов аналогична применяемому в авиации разрезному крылу.

Разрезное крыло состоит из предкрылка и основного крыла; в более сложных конструкциях имеется еще и закрылок. Подъемная сила крыла растет с увеличением угла атаки, но у простого крыла на углах атаки 14—15° происходит отрыв пограничного слоя воздуха от верхней поверхности крыла; обтекание крыла нарушается, его подъемная сила падает, сопротивление растет. У разрезного крыла воздух, вырывающийся из щели между предкрылком и основным крылом, сам сдувает образовавшийся на предкрылке пограничный слой прежде чем тот успевает оторваться; на основном крыле возникает новый пограничный слой, который без отрыва достигает его задней кромки. Это позволяет отодвинуть отрыв до значительно больших углов атаки и, соответственно, получить большую подъемную силу. Эффект возрастает, когда имеется еще и закрылок, действующий аналогично предкрылку. Приведенные на рис.18 поляры разрезных крыльев показывают, что они действительно создают большую подъемную силу чем простое крыло.

Парусное вооружение судна бермудским шлюпом вроде бы должно быть более эффективно чем бермудским кэтом. Однако имеется особенность, состоящая в том, что разрезное крыло – сложная аэродинамическая система, требующая тщательной настройки. Взаимное расположение частей разрезного крыла должны быть подобраны оптимальными, фиксированы и сохраняться на всех углах атаки. У обычного бермудского шлюпа это условие не выполняется из-за жесткой привязки парусного вооружения к корпусу судна. При изменении курса судна относительно ветра изменяется взаимное расположение стакселя и грота, что сбивает их настройку системы; практически их эффективная взаимная работа может быть обеспечена лишь на острых курсах.

Интересное решение было продемонстрировано на большом катамаране “Эльф Акитен-2”, участвовавшем в трансатлантических гонках одиночек. Катамаран имел необычный крестообразный мост, соединявший корпуса, и парусное вооружение типа бермудский шлюп но оторванное от ходовой части судна. На мачте была установлена поворотная аэродинамическая шайба, перекрывавшая нижние шкаторины грота и стакселя; на нее были выведены их шкоты. Парусное вооружение в целом могло разворачиваться под нужным углом к ветру; взаимное расположение грота и стакселя при этом не изменялось. “Эльф Акитен” оказался быстроходным судном и успешно выступил в гонках.

Применительно к нашим судам с их небольшой парусностью такое парусное вооружение можно существенно упростить. Возможен такой вариант: ставится свободностоящая мачта, гик на нее надевается карманом; внизу на мачте закрепляется длинный реек, задняя часть которого используется как гик грота, к передней крепится штаг стакселя; желательно, чтобы он был жестким, из металлической трубки, а стаксель был надет на него также карманом- обтекателем. Стаксель должен быть автоматическим и сам переходить с борта на борт при смене галса; для этого внизу на рейке следует закрепить поперечный погон с подвижной кареткой для стаксель шкота. Настраивается такая парусная система натяжением грота и стаксель шкотов, управляется обычным образом гика шкотом.

На практике такое парусное вооружение пока не испытывалось; оценка его возможностей показывает, что оно будет не хуже обычного бермудского шлюпа или кэта на лавировке, лучше шлюпа на фордевинде и эффективнее как шлюпа так и кэта на боковых ветрах. Данное вооружение представляет интерес и для проа, позволяя улучшить его центровку.

Баланс энергии парусного судна. Ветроходы

Возможности парусного судна определяются энергией ветра и площадью парусов. При расчете его энергетики следует исходить из мощности вымпельного ветра, зависящей от курса и скорости судна; на острых курсах она на порядок больше чем не фордевинде. Через нормальную вымпельному ветру площадку площадью в единицу времени переносится кинетическая энергия ; такова мощность, которой, в принципе, располагает парусное судно.

Обдувая судно, ветер расходует свою энергию; частично она идет на движение судна, но в основном затрачивается на трение ветра о паруса и на вихреобразование в самом воздушном потоке. То, что достается судну, определяется его КПД .

По приведенным выше данным “Бриза” были рассчитаны его энергетические характеристики; результаты представлены на рис.19. При скорости истинного ветра и площади парусов 11 м² мощность вымпельного ветра в зависимости от курса судна составляла 0,4- 4,5 л.с., расходуемая им мощность 0,2-2 л.с. КПД тримарана на всех рабочих курсах составлял 0,4-0,5, и он использовал около 1/3 мощности ветра на полных курсах и примерно 1/8 ее на бейдевинде. Наибольшая развивавшаяся тримараном мощность составляла 0,8 л.с., что не превышает возможностей одной лошади.

У парусных судов на острых курсах возникают энергетические проблемы. Уменьшается площадь проекции парусов на площадку, нормальную ветру; соответственно, судно с ним слабее взаимодействует. Когда судно идет очень круто к ветру, его КПД вообще падает до нуля. Отсюда следует, что, несмотря на все достоинства паруса как движителя судна, использовать на острых курсах для движения судна непосредственно давление ветра – не лучший способ применения ветровой энергии.

В этом аспекте представляют интерес упоминавшиеся ранее ветроходы, использующие энергию ветра более сложным образом. Ветроход имеет ветродвигатель соединенный с гребным винтом. Ветер, раскручивая ветродвигатель, создает на нем осевое давление F_x и отдает на его вал мощность ,
где - КПД ветродвигателя.

Эта мощность передается на гребной винт, создающий упор , где - КПД гребного винта. В отличие от тяги парусов упор гребного винта не исчезает и тогда, когда ветроход идет против ветра; чтобы это стало возможным, упор винта должен превышать давление ветра на ветродвигатель, т.е. должно быть T ≥ F_x, откуда следует, что

.

Опытные образцы ветроходов существуют и действительно ходят против ветра, но у них свои проблемы. Вращающийся воздушный винт большого диаметра создает вибрации и тряску; на маленьком судне он неудобен и опасен. Ветроход вообще сложная машина, и есть подозрение, что машинный подход к парусному делу способен испортить всю романтику парусов, заменив ее заботой о смазке подшипников. Конструкции пригодного для наших целей ветрохода все еще не придумали, но саму эту идею следует иметь в виду.

Дальше
Вернуться к оглавлению