Парусное судно как объект, движущийся по поверхности воды, испытывает с ее стороны сопротивление своему движению двойной природы: оно затрачивает энергию на преодоление вязкости воды и на возбуждение колебаний ее поверхности – корабельных волн.
Первая из этих составляющих сопротивления существенна при небольших скоростях хода. С точки зрения гидродинамики обе среды, на границе которых движется судно, вода и воздух, являются жидкостями с малой вязкостью. Молекулы жидкости, непосредственно примыкающие к поверхности движущегося в ней тела, прилипают к ней; в результате вблизи нее формируется переходный пограничный слой, в котором возникает большой градиент скорости. Сопротивление жидкости движению тела определяется характером ее течения в пограничном слое; параметром этого течения является число Рейнольдса Re=VL/ν,
где
ν — кинематическая вязкость жидкости (для воды ν = 1,15•10-6 м2/c), для воздуха ν = 1,5•10-5 м2/c),
L – длина пограничного слоя, отсчитываемая от точки его образования, т.е. от переднего конца тела,
V – скорость движения тела.
Известно, что на плоской пластине при Re < 105 жидкость течет ламинарно в виде отдельных несмешивающихся слоев, параллельных плоскости пластины. При Re > 105 пограничный слой турбулизуется; в нем изменяются структура потока, профиль скоростей и т.п. Для турбулентного течения характерны вихреобразование, перемешивание жидкости, cложные, меняющиеся во времени и в пространстве пульсации скорости и давления. Величина Re, при которой происходит турбулизация пограничного слоя, называется критической; Re критическое достигается на некотором удалении от переднего конца обтекаемой жидкостью пластины; с ростом скорости течения точка турбулизации смещается к переднему краю. На шероховатых поверхностях турбулизация происходит раньше.
Возникновение турбулентности при обтекании тел, движущихся в жидкости, проявляется не только в виде турбулизации пограничного слоя, но и в появлении за телом турбулентного следа, возникающего при отрыве пограничного слоя от поверхности тела. Даже у хорошо обтекаемых корпусов на ходу наблюдается кильватерный след – турбулентная струя, в которой вода совершает вихревое движение. Место отрыва пограничного слоя зависит от кривизны и гладкости обтекаемого тела и характера течения. На выпуклой поверхности корпуса судна ламинарный пограничный слой неустойчив и отрывается вблизи миделя. Турбулентный пограничный слой устойчивее, поэтому турбулизация пограничного слоя сдвигает точку отрыва к корме корпуса. При этом турбулентная струя за корпусом сужается, а его сопротивление оказывается меньше; это явление называется кризисом обтекания.
При большой скорости судна, когда точка турбулизации пограничного слоя лежит впереди миделя, на поверхности корпуса имеются три различных области течения: носовая, где пограничный слой ламинарен, зона турбулентного пограничного слоя и, наконец, вблизи кормы, зона с отрывом пограничного слоя от корпуса. Избежать отрыва можно, если корма судна будет иметь очень плавный выход линии киля к поверхности воды.
Сопротивление трения зависит от того, ламинарен или турбулентен пограничный слой на корпусе судна. На рис.20 приведены данные Крамера, измерявшего коэффициент сопротивления продольно обтекаемого круглого цилиндра с упругой стенкой. В интервале чисел Re = 106—107 происходил переход от ламинарного пограничного слоя к турбулентному, причем оказалось, что на цилиндрах с упругой стенкой он заметно сдвинут к большим числам Re, так что они имеют меньшее сопротивление.
На этом же графике указано значение числа Re для “Бриза” при скорости хода 1 м/с. Видно, что тримаран попадает как раз в область минимума коэффициента сопротивления; на больших скоростях этот коэффициент возрастает в 3-4 раза. По-видимому, именно этим объясняются высокие ходовые качества тримарана на слабых ветрах; возможно, существенна и упругость стенки надувного баллона.
Придание упругости обтекаемой стенке является эффективным способом снижения сопротивления трения. Предполагается, что быстроходность дельфинов объясняется тем, что их кожа устроена так, что гасит турбулентность пограничного слоя даже при больших числах Re; на этом принципе было разработано специальное покрытие для судов “ламифло”, снижающее их сопротивление. На Олимпийских играх многие пловцы использовали специальные гидрокостюмы, позволявшие показывать более высокие результаты.
В свете сказанного ясно, что парусные суда с упругими надувными баллонами имеют кое-какие перспективы повышения ходкости. Возникает вопрос: как зависит ходкость судна от давления в баллонах; что лучше – накачивать их до звона или ходить на мягких баллонах. Воспроизвести шкуру дельфина во всех ее подробностях вряд ли удастся, но посмотреть влияние материала оболочки баллона на ходкость судна есть смысл.
Сопротивление трения корпуса судна существенно зависит и от его шероховатости. Днище яхт с жесткими корпусами всегда стремятся сделать как можно более гладким, для чего его шлифуют и полируют. Как влияет шероховатость на сопротивление упругого баллона, неизвестно, данных нет, но вряд ли она и здесь улучшает дело. Исходя из принципа, что кашу маслом не испортишь, лучше делать оболочки баллонов гладкими.
С ростом скорости судна становится существенной и вторая составляющая сопротивления воды его движению — волновое сопротивление. Корабельные волны — это те же самые гравитационные волны на поверхности воды, но возбуждаемые самим судном. Корабельные волны движутся вместе с судном; с другой стороны, скорость их распространения определяется законами колебаний поверхности воды, связывающими скорость поверхностных волн с их длиной.
Из-за наличия у волн дисперсии картина создаваемых судном корабельных волн достаточно сложна; ее анализ можно найти в книге Лайтхилла “Волны в жидкостях”. Энергия корабельных волн сосредоточена внутри клина с углом полураствора 19,5° (клин корабельных волн Кельвина); внутри этого клина имеются волны, бегущие под различными углами к направлению движения судна. Наиболее заметны волны на границе клина; их гребни составляют с траекторией судна угол 55°.
Интенсивность волнообразования и, соответственно, волновое сопротивление судна зависят от его скорости и от формы его корпуса; весьма существенно удлинение корпуса. Очень интенсивно возбуждают корабельные волны водоизмещающие однокорпусные суда. Длина корабельных волн возрастает с ростом скорости и когда она сравнивается с длиной судна, его волновое сопротивление катастрофически возрастает; возникает волновой барьер, преодолеть который судно не в состоянии. У многокорпусных судов с их длинными узкими корпусами этот эффект менее заметен, но и для них возбуждение корабельных волн существенно увеличивает сопротивление воды.
Параметром, характеризующим волнообразование судна, является его относительная скорость, она же число Фруда 
,
где L – длина судна по ватерлинии.
Практически важно то, что полное сопротивление воды зависит от удлинения корпуса. Теоретический расчет сопротивления сложен; Дж.Норвуд в своей книге приводит упрощенную формулу, полученную для корпусов с продольной и поперечной симметрией и полукруглыми обводами, т.е. близкими по форме к нашим баллонам. В этом случае сопротивление воды оказывается пропорциональным весу судна W. Используя программируемый микрокалькулятор, я численно рассчитал отношение R/W для корпусов с длиной по ватерлинии 5 и 7,6м; результаты представлены на рис.21. Второй график сделан для контроля, он совпадает с приведенным у Норвуда.
Величина 
, указанная на графиках, – это коэффициент полноты корпуса, равный
,
где σ — площадь миделя.
Сравнение графиков дает возможность оценить влияние длины корпуса на сопротивление.
Видно, что наименьшим сопротивлением обладают корпуса с отношением L/B от 8 до 16 и с большим CF, однако выбирать CF более 0,8 не следует, поскольку при этом ухудшается форма оконечностей корпуса. Надо заметить, что исходные формулы, по которым рассчитывались графики, не учитывают возможных срывов обтекания и занижают сопротивление, особенно при малых числах Фруда. С другой стороны, они получены для жестких корпусов и не учитывают “эффекта дельфиньей шкуры”.
Результаты расчета были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными для “Бриза” и оказались близки к действительности; ими можно пользоваться для оценки сопротивления корпусов.
Существенной особенностью многокорпусных судов является интерференция волновых систем, создаваемых их корпусами. Обычное однокорпусное судно гонит волну, гребень которой расходится от его носа. Но когда, как на катамаранах, корпусов два, то имеются две волновые системы; если правильно подобрать ширину катамарана, то гребень одной волны может попасть во впадину другой; это снижает общее волнообразование и, соответственно, волновое сопротивление катамарана. Считают, что выгодно, когда волновые системы корпусов катамарана пересекаются под его мостиком в корму от миделя. То же самое верно и для тримаранов.
Как уже было сказано, я могу претендовать на изобретение надувных проа и тримарана. Если с проа проблем не возникает, лодка экзотическая, и таких никто кроме меня не строил, то с надувным тримараном сложнее, можно противопоставить “Нонпарелль” Джона Майкса. Напомню, что “Нонпарелль” – это надувной плот, представлявший собой деревянную раму, поставленную на три длинных уложенных рядом баллона. Возникает вопрос: что же такое тримаран, и чем он отличается от плота. То же самое относится и к катамарану: слово “катамаран” означает “связанные деревья”, плот – тоже связанные деревья.
Очевидно, что непроходимой конструктивной границы между плотом и многокорпусным судном нет. Баллоны на “Нонпарелли” можно поставить и пошире, а на “Бризе”, наоборот, поуже, вплотную друг к другу; архитектура судна изменяется при этом не очень существенно. Можно по разному нагрузить заглубить баллоны; тот же “Бриз’ посадить как и “Нонпарелль” равномерно на все три его баллона. Нужен какой-то новый критерий, позволяющий отличить трех баллонный плот от тримарана.
Ясно, что при таких манипуляциях с судном изменяются две его важные характеристики: поперечная остойчивость, определяющая способность нести паруса, и сопротивление воды его движению. Широкий мелкосидящий плот и узкий длинный корпус тримарана с приподнятыми боковыми поплавками обтекаются водой по разному, причем сопротивление тримарана значительно меньше за счет уменьшения смоченной поверхности корпуса и снижения его волнообразования.
У многокорпусных судов имеется еще одна составляющая сопротивления, возникающая из-за взаимодействия потоков воды, обтекающих тесно поставленные корпуса. Что это такое, я хочу показать на примере построенного мной в начале семидесятых годов трехточечного тримарана “Янтарь ”.
В начале нашей конструкторской деятельности было вовсе не ясно, что многокорпусное судно надо ставить именно на длинные надувные баллоны. Рассматривались и другие варианты, в частности, такой, когда ходовая часть судна представляет собой три или четыре кинжальных шверта или коротких жестких поплавка, создающих боковое сопротивление судна и одновременно имеющих нужное водоизмещение.
Лучшей из конструкций такого типа был “Янтарь”, выполненный по схеме треногой табуретки. Он имел три двухметровых корпуса, выклеенных из стеклопластика; корпуса были сверху открыты и вкладывались друг в друга как матрешки, в боковой проекции они имели клиновидную форму. Два корпуса стояли впереди судна острым концом клина вперед с боковым разносом в два метра, третий корпус был развернут задом наперед сдвинут на полкорпуса назад по средней линии судна; на нем был навешен руль. Клиновидность корпусов обеспечивала нужное положение центра бокового сопротивления.
Рама “Янтаря” была деревянной; он имел три поперечные балки: носовую, подмачтовую и заднюю, и мост, набранный между средней и задней балками из деревянных реек. Весил он 35кг, мачта, паруса и руль использовались от “Мевы”.
“Янтарь” хорошо смотрелся, бегал, лавировал, был удобнее “Мевы” в транспортировке; я ходил на нем по Московскому морю и по Черному морю в Сочи, он оказался неплохой пляжной машиной. Но в его гидродинамике выявилась особенность, из-за которой от такой схемы тримарана пришлось отказаться. “Янтарь” греб воду; между задними оконечностями передних корпусов и бортами заднего корпуса возникал гидравлический скачок: уровень воды поднимался сантиметров на десять, возникала резкая водяная ступенька, возраставшая с увеличением скорости хода, вода переливалась через нее как через гребень водослива. Это сильно подтормаживало судно; стало ясно, что целесообразнее тримаран с одним длинным несущим корпусом.
Еще одной неприятной особенностью “Янтаря” была тенденция, как и у всякой треногой табуретки, опрокидываться по диагонали назад.
Гидравлический скачок между корпусами тримарана, по существу, превращает его в плот. На мой взгляд, следует определить тримаран как трехкорпусное судно, у которого нет заметного вредного гидравлического взаимодействия между корпусами. Становится ясно, что “Нонпарелль” и “Бриз” не одно и то же, а суда разного типа.
Зависимость сопротивления воды движению судна от скорости у однокорпусных судов имеет характерные горбы, обусловленные ростом волнового сопротивления. Но у многокорпусных судов этих горбов нет, и на больших скоростях хода их буксировочная кривая близка к квадратичной параболе.
В предположении, что R=aV2, где a — константа, можно получить некоторые полезные формулы для оценки скоростных возможностей судна.
При R =aV2 скорость судна оказывается пропорциональной скорости вымпельного ветра; последняя возрастает с усилением истинного ветра. Однако ясно, что с усилением ветра скорость хода возрастать до бесконечности не будет, рано или поздно судно опрокинется. Рассмотрим ограничения, накладываемые конечной остойчивостью судна.
Действующие на судно в поперечном направлении сила дрейфа 
и сила бокового сопротивления RБ уравновешены, но приложены в разных по высоте точках судна, отстоящих на расстояние h. В результате действия этой пары сил возникает кренящий момент, закренивающий судно на подветренный борт. У многокорпусных судов допускаемый угол крена не очень велик, и, для простоты, им можно пренебречь. Тогда наибольшая величина кренящего момента определяется соотношением
 | (8) |
где BK — конструктивная ширина судна (для тримарана – по осям аутригеров).
Сопротивление воды движению судна равно силе тяги, развиваемой его парусами, и пропорционально u2. Сила дрейфа также пропорциональна u2. Остойчивость судна ограничивает величину силы дрейфа, соответственно, ограничена и допустимая сила вымпельного ветра и, следовательно, скорость судна. Имеем:
 | (9) |
Подставляя сюда параметры “Бриза”, найдем его предельную скорость (без откренивания). Полагая, что a=1,7; cT=0,6; cD=1,2; BK=2,8; W=280кг; h=2,7м, имеем V=6,5 м/с.
Поскольку тримаран на практике не достигает такой скорости, его поперечная остойчивость на сильных ветрах гарантирована, и можно спать, не опасаясь переворота.
Форма баллонов многокорпусных судов определяет их грузоподъемность, ходкость и мореходность. Можно дать следующие рекомендации.
Надувные баллоны, если внутрь их не вставлены жесткие элементы-оформители, имеют в поперечном сечении круглую форму. Гидродинамический расчет сопротивления таких баллонов с учетом сопротивления трения и волнового сопротивления показывает, что оно минимально, когда баллон имеет большое удлинение (от 10 до 15) и сидит в воде на миделе не менее чем на половину своего диаметра. Соответственно, баллоны получаются тонкими малого диаметра.
Резерв плавучести должен быть сосредоточен в оконечностях; применение баллонов в виде толстого веретена с острыми законцовками сомнительно.
Чтобы обтекание баллона было плавным и безотрывным, линия киля, начиная от миделя, должна плавно выводиться из воды. Задняя оконечность баллона должна иметь прямо срезанный транец. Длинные задние свесы или заострения смысла не имеют.
Передняя оконечность баллона может быть выполнена по разному. В частности, баллон может иметь длинный передний свес, приподнимающий его нос над волной. При этом, однако, укорачивается длина судна по ватерлинии, а, как известно, длина – бежит. Кроме того, баллон с передним свесом сильно расплескивает воду и создает сильное брызгообразование. Другой вариант – баллон с жестким форштевнем-волнорезом; чтобы получить такую форму носа используют жесткие элементы-оформители, вкладываемые в баллон или накладываемые на него.
В продольном направлении баллону придается погибь, позволяющая плавно вывести из воды не только его транец, но и форштевень; это необходимо, поскольку баллон бревном – без погиби существенно ухудшает поворотливость судна и затрудняет поворот оверштаг.
Пока не ясно, каким – большим или малым должно быть оптимальное давление в баллоне. Баллон не должен болтаться на волне, но использование высокого давления требует более прочных и тяжелых материалов оболочек баллонов. Возможно также, что баллоны высокого давления обладают большим сопротивлением.
Материал оболочек баллонов должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать рабочее давление с учетом температурных колебаний. Нижняя подводная часть оболочки должна быть гладкой, в надводной части гладкое покрытие не обязательно. Это позволяет делать оболочки комбинированными из разных материалов для подводной и надводной частей, снижая их вес.
Известно несколько способов конструктивного выполнения баллонов. Простейший вариант – цельноклееный баллон, представляющий собой, по существу, большой пузырь из прорезиненной ткани. Такие баллоны не отличаются надежностью.
Для повышения надежности применяют различные схемы резервирования. В частности, надувные лодки и баллоны промышленного производства делают многосекционными, вклеивая внутрь их поперечные перегородки. Однако вклеивание этих перегородок – технологически сложная операция, которую качественно можно осуществить только в промышленных условиях.
Благодаря простоте изготовления широкое распространение получили баллоны, состоящие из прочной оболочки и внутренней воздухонепроницаемой камеры. На практике оболочки делают из любой прочной и желательно гладкой с наружной стороны ткани. Можно использовать парусную и палаточную ткань, тонкий брезент, широко применяют тентовые ткани типа “Тезы”. На днище баллонов не должно быть швов, поскольку там они быстро истираются.
Камеры баллонов делают по размеру больше оболочек, поэтому они не напряжены. Основным материалом для камер являются тонкие прорезиненные ткани: аэростатная ткань “500’ или “1000’ – серебрянка, прорезиненный капрон БЦК. Способность камеры удерживать воздух зависит от толщины слоя резины на тканевой основе; камеры из БЦК держат воздух существенно лучше, но и значительно тяжелее.
Камеры баллонов делали и из полиэтиленовой пленки (рукава), но полиэтилен ничем не клеится, и возникали трудности с герметизацией торцов камер. Более подходящий материал – ПВХ-пленка.
Наличие у баллона оболочки и камеры не избавляет от необходимости резервирования. Хотя сейчас применяют более прочные материалы чем раньше, аварии, связанные с однокамерными баллонами, продолжаются. Простейший и достаточно надежный способ резервирования – вкладывать в баллон две одинаковые длинные камеры. Использовать апробированную на “Бризе” многокамерную систему резервирования целесообразно в тех случаях, когда необходима особо высокая живучесть баллонов.
Оценим требуемый для многокорпусного судна объем баллонов. В первом приближении можно считать, что центральный баллон тримарана или основной баллон проа, т.е. их корпуса, принимают на себя полностью вес судна; их поплавки-аутригеры не загружены. У катамарана каждый из его корпусов несет на себе половину веса судна. На сильном ветре, когда судно закренивается, нагрузка перемещается у тримарана и проа атлантической схемы на подветренный поплавок, а у катамарана – на подветренный корпус. Полноценные тримаран и проа способны полностью встать на свой аутригер и идти на нем, а катамаран – на одном подветренном корпусе.
Особый случай – тихоокеанское летучее проа с наветренным страховочным поплавком, который нагружается только в нештатных ситуациях, когда проа почему-либо оказывается стоящим не тем бортом к ветру. Но и здесь желательно, чтобы поплавок выдерживал весь вес судна.
Отсюда следует, что объем поплавка-аутригера тримарана и проа или корпуса катамарана не может быть менее водоизмещения судна. Соответственно, тримаран имеет, как минимум, тройной запас плавучести, а проа и катамаран – двойной. Следует учитывать также требование продольной остойчивости судна – судно не должно рыть воду носом своего корпуса или аутригера, а это требует не только вытянутой формы корпусов и аутригеров, но и дополнительного запаса плавучести, сосредотачиваемого в оконечностях; он же обеспечивает всхожесть судна на волну. На практике оказывается, что суммарный объем баллонов многокорпусных судов с хорошей мореходностью в 4—5 раз превышает их водоизмещение.
Чем больше запас плавучести судна, тем легче оно всходит на волну и тем спокойнее ведет себя на волнении. По оценкам В.Перегудова, если объем каждого из баллонов катамарана составляет 1,8 - 2 полного водоизмещения, катамаран выдерживает любое волнение на внутренних водоемах; если же это отношение составляет 2 - 2,2, то он спокойно выдерживает и морское волнение. Однако разгонять объем баллонов сверх необходимого тоже нельзя, поскольку это портит ходкость судна.
Примем для оценок, что баллоны катамарана имеют удлинение 12 с коэффициентом полноты c P = 0,8, а объем каждого из них вдвое превышает водоизмещение судна. Тогда имеем:
Длина баллона, м | 4 |
4—4,5 | 5 | 5—5,5 | 6 |
7 | 8 |
Диаметр баллона, м |
0,33 |
0,38 |
0,42 |
0,46 |
0,5 |
0,57 |
0,67 |
Объем баллона, л. |
280 |
400 |
545 |
720 |
960 |
1500 |
2240 |
Полный вес судна |
140 |
200 |
272 |
360 |
480 |
750 |
1120 |
Собственный вес судна (по прототипу), кг. |
40 |
60 |
70 |
80 |
100 |
200 |
300 |
Необходимая нагрузка, кг |
100 |
140 |
200 |
280 |
380 |
550 |
820 |
Требуемый экипаж, чел. |
1 |
1-2 |
2 |
2-3 |
4 |
5-6 |
8 |
В походном варианте экипаж судна составляет обычно2-3 человека; отсюда следует, что для туристских целей оптимальны катамараны длиной 4,5-5,5м; более крупные суда недогружены экипажем. Для катамаранов – монстров и тримаранов типа “Касатки” набрать требуемый им экипаж из 5-8 человек вообще нереально, да и делать такому экипажу на судне нечего, разве что использовать судно в качестве парома.
На тяжелых, глубоко сидящих в воде парусных судах противостоящее дрейфу боковое сопротивление создается непосредственно корпусом. Корпус судна действует как крыло малого удлинения и, чтобы такое крыло работало, судно должно идти с некоторым углом дрейфа. На легких судах с незначительным заглублением угол дрейфа оказывается столь большим, что судно дрейфует боком. Для уменьшения угла дрейфа применяют дополнительные элементы: шверты и шверцы. Считают, что парусное судно хорошо уцентровано, если в средний ветер на курсе бейдевинд оно слегка приводится при поднятом руле. Чтобы обеспечить это, шверт или шверцы располагают по длине судна так, чтобы центр бокового сопротивления судна находился несколько впереди его центра парусности.
На швертботах обычно применяют плоские секторные шверты не устраняющие дрейф судна, но и не выламывающие швертовый колодец при наезде на мель. Среди яхтсменов бытует мнение, что дрейф неустраним в принципе. Однако это неверно. Дрейф яхт возникает из-за применения на них для создания силы бокового сопротивления килей и швертов симметричного профиля ориентированных в ДП судна. Если тот же киль развернуть под углом к диаметральной плоскости, то он создаст необходимую силу бокового сопротивления без дрейфа самой яхты. Такие самоустанавливающиеся шверты используют на надувных катамаранах.
Еще проще проблема дрейфа разрешается навеской на борта судна шверцев асимметричного профиля. Дж.Норвуд, рекомендующий шверцы, не без язвительности замечает:
— Просто удивительно, почему шверцы до сих пор не нашли применения на гоночных многокорпусных судах; наверное, единственной тому причиной является то, что конструктора не представляют их иначе как в сочетании с тихоходными баркасами по сей день плавающими по реке Темзе.
Шверцы применяют на байдарках, надувных лодках, катамаранах, они использованы на шверцботе у Наумова и на моем тримаране. Шверцы могут иметь как симметричный, так и асимметричный профиль, причем применение выпукло-вогнутых асимметричных профилей позволяет существенно уменьшить габариты и вес шверцев. При подвеске шверцев на борту судна, им задают –начальные установочные углы атаки, что позволяет избавиться от дрейфа.
Руль на хорошо уцентрованных судах используется в основном для изменения курса и может иметь небольшую площадь, что улучшает ходкость судна. Руль тем эффективнее, чем больше плечо на котором он работает; шверт и руль стараются разнести как можно дальше. Однако на судах с маленькими рулями возникают осложнения на полных курсах. Парус, стоящий поперек судна и вынесенный на фордевинде за борт, создает значительный приводящий момент, противодействовать которому кроме как рулем нечем; для уверенного управления парусным судном на полных курсах необходимы рули большей площади чем на лавировке. Некоторые суда плохо делают поворот оверштаг, увеличение площади рулей помогает и в этом случае.
По мере совершенствования туристских парусных судов было заметно, как возрастают на них площади рулей. Обусловлено это было тем, что судно с небольшим рулем хотя и неплохо управляется на слабых ветрах, на сильных управляемость теряет и выходит из под контроля. Выдувание парусов сильным ветром нарушает центровку судна, оно глухо приводится, и небольшой руль не в состоянии этому противодействовать.
Площадь большого руля на лавировке оказывается излишней. На некоторых судах, например, на коротких швертботах таких как “Мева”, когда по конструктивным причинам не удается разместить шверт там, где это необходимо по условиям центровки, сознательно идут на использование рулей большой площади для создания дополнительного бокового сопротивления, т.е. как шверт-рулей.
Дальнейшее развитие этой идеи привело к мысли о возможности полного отказа от швертового устройства, что позволяет упростить и облегчить судно. Были катамараны с одним шверт-рулем, закрепленным на задней балке моста, и даже такое чудо как подвесной парус А.Катайнена, в котором шверт-руль и мачта с парусом объединены в компактном едином узле, навешиваемом на транец любой лодки. Но то, что в подвесном парусе Катайнена шверт-руль недостаточно отнесен от мачты, дает парусное судно с нарушенной центровкой, ходкость и управляемость которого оставляют желать лучшего.
Недавно я сам опробовал подобную схему на своем новом летучем проа. Длина проа 4м, оно имеет три поперечные балки, на средней поставлена свободностоящая без вант мачта, поддерживаемая двумя раскосами. Мачта сдвинута на подветренный борт проа и наклонена на ветер под углом 20°. Парусное вооружение – бермудский кэт 6 м2; парус одет карманом на мачту и перекидывается на ту или иную оконечность лодки при смене галса. Управляется проа двумя шверт-рулями установленными на крайних поперечных балках; шверт-рули имеют асимметричный выпукло-вогнутый профиль. На ходу передний шверт-руль откинут назад под лодку и поднят из воды, работает только задний. Смена шверт-рулей при смене галса осуществляется легко, хотя это слегка занудливая процедура.
Получилась легкая – вес менее 40 кг разъездная лодка, на которой хорошо ходить в хорошую погоду, хотя в свежий ветер на волнении не обходится без подмоченного зада.
Должен сказать, что опробовав на практике обе известные схемы проа, тихоокеанскую и атлантическую, я пришел к выводу, что атлантическая схема, когда аутригер стоит под ветром, - не что иное, как европейский замуреж на полинезийские темы. На атлантическом проа непроизвольный поворот оверштаг вызывает опрокидывание лодки, поскольку с подветра у нее ничего нет и противодействовать перевороту нечем. На тихоокеанском летучем проа с наветренным страховочным поплавком непроизвольный оверштаг не опасен, хотя и создает лишние хлопоты.
В постановке парусов проа и управлении им имеются особенности; надо всегда помнить, с какого бока дует ветер. Принципиальной особенностью проа является то, что при смене галса лодка должна менять на обратное направление своего движения, т.е. остановиться и снова набирать ход. Поворот делается медленно; за время поворота лодку заметно сносит. Чтобы удостовериться, что на такой лодке все-таки можно лавировать в узостях, я устроил ей экзамен: с сильным попутным ветром глубоко зашел в реку Созь, а затем, взяв два рифа на парусе, выходил оттуда в лавировку. Повертеться пришлось, но выбрался.
Наклон мачты проа на ветер оказался необходим по условиям центровки лодки, но в нем имеется и другой смысл. При таком наклоне возникающая на парусе аэродинамическая сила имеет составляющую, направленную вверх; это создает аэродинамическую разгрузку лодки, парус вытаскивает ее из воды. На практике эффект аэродинамической разгрузки пока незначителен, но его следует иметь ввиду, поскольку он открывает новые возможности в парусном деле.
На тримаране “Бриз” боковое сопротивление создается откидными шверцами выпукло-вогнутого профиля установовленными под углом к продольной оси судна. Тримаран лавирует без дрейфа; на лавировке работает только подветренный шверц, плотно прижатый потоком воды к баллону корпуса. Наветренный шверц, не несущий нагрузки, отбрасывается от корпуса и поднимается из воды. Прижатие шверца к мягкому баллону предотвращает ухудшение обтекания корпуса из-за наличия шверца и вентиляцию самого шверца.
При смене галса на тримаране следует производить смену шверцев; это как и на проа затрудняет лавировку в узостях. Однако оказалось, что на такой короткой лавировке можно идти поставив оба шверца и не трогая их при смене галса. Наветренный шверц, стоящий под небольшим отрицательным углом атаки, не создает своей подъемной силы и не несет нагрузки, а его сравнительно небольшим сопротивлением в данном случае можно пренебречь.
Шверц работает как крыло и при движении судна создает силу бокового сопротивления
 | (10) |
где Sш — заглубленная, находящаяся в воде площадь шверца.
Гидродинамические коэффициенты шверца, его подъемная сила и индуктивное сопротивление, как крыла конечного размаха, определяются приводившимися ранее соотношениями
(7),
где λш — эффективное удлинение шверца.
На ходу шверц создает силу бокового сопротивления, равную аэродинамической силе дрейфа D. Соответственно, отношение площади шверца Sш к площади парусности Sп будет равным
 | (11) |
Входящее сюда отношение скоростей судна и вымпельного ветра выражается через углы γ и β с помощью формулы (2) треугольника скоростей. Имеем:
 | (12) |
Для шверцев целесообразно использовать выпукло-вогнутый профиль К-2, поляра которого показана на рис.23; он при угле атаки α=5° и эффективном удлинении λэф=6 имеет СY=0,95 и гидродинамическое качество KH=12,5. Приняв для оценки, что CD=1,2 , имеем γ = 50°, β = 30°.
Профиль |
Х% |
0 |
2,5 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
NASA - 0012 |
Ув |
0 |
2,6 |
3,6 |
4,7 |
5,7 |
6,0 |
5,8 |
5,3 |
4,6 |
3,7 |
2,6 |
!.5 |
0 |
|
Ун |
0 |
2,6 |
3,6 |
4,7 |
5,7 |
6,0 |
5,8 |
5,3 |
4,6 |
3,7 |
2,6 |
1,5 |
0 |
К – 2 |
Ув |
0,4 |
3,0 |
4,4 |
6,1 |
8,0 |
8,5 |
8,6 |
8,3 |
7,7 |
6,6 |
4,5 |
2,9 |
0,2 |
|
Ун |
0,4 |
3,0 |
0,7 |
1,5 |
2,9 |
3,4 |
3,7 |
3,8 |
3,5 |
3,1 |
2,2 |
1,1 |
0 |
Эффективность работы шверцев или шверта зависит от формы их профиля и их удлинения, но в любом случае потребная площадь шверцев невелика. Это обусловлено тем, что вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, а также возможностью применения для шверцев специальных профилей высокой эффективности. Хотел бы заметить, что большое число всевозможных профилей и методики несложных расчетов крыльев можно найти в литературе по авиамоделизму; они могут быть полезны при проектировании швертов и рулей парусных судов.
На многих катамаранах для создания бокового сопротивления используют один центральный шверт, который, поскольку он должен работать на обоих галсах, по необходимости имеет симметричный профиль; обычно применяют профили типа NASA-0006 и NASA-0009. Для таких швертов используют специальную тросовую расчалку, позволяющую им свободно разворачиваться на несколько градусов в обе стороны; разворот шверца потоком воды обеспечивает необходимый установочный угол атаки. Рули парусных судов также должны работать на обоих галсах; для них можно рекомендовать толстый симметричный профиль NASA-0012. Поляра и таблица ординат которого даны на рис.36. Его достоинство в том, что на нем срыв обтекания отодвинут до больших углов перекладки чем на тонких профилях, а тем более на плоской пластине. Руль с таким профилем получается тяжелым, но работает эффективно. Площадь руля “Бриза” с профилем NASA-0012 составляла 0,15 м2, причем руль длинный; это необходимо, чтобы избежать потери управляемости тримарана при движении на крупной попутной волне из-за оголения пера руля.
На всех парусных судах традиционно применяют рули, шверты и шверцы, изготовленные из жестких материалов. Они громоздки и некомпактны; к тому же их симметричные профили малоэффективны. На ранее упоминавшемся гребном катамаране-велосипеде В.Полетайкина на транце одного из баллонов установлен для подруливания при гребле небольшой рулек, представляющий собой металлическую рамку, обтянутую тканью "Теза”. Такой руль работает как парус: при перекладке его в ту или иную сторону ткань прогибается, и руль приобретает тонкий асимметричный профиль.
То, что рули и шверты можно делать мягкими из ткани по типу паруса, было осознано давно, но на практике дело до этого так и не дошло. Руль катамарана В.Полетайкина – первый реально работающий образец гидропаруса. Были также попытки сделать жесткие шверты изменяемого профиля, но их конструкция получается очень сложной.
Для шверцев, работающих только на одном галсе, целесообразно применять эффективные выпукло-вогнутые профили. В свое время я сделал для “Бриза” из стеклопластика выпукло-вогнутые шверцы с профилем G-361 с рабочей площадью каждого из шверцев около 1% от площади парусов. Шверцы небольшие, легкие и никаких претензий к ним не было. Стеклопластик хорош тем, что если выпукло-вогнутый шверц оказывается недостаточно жестким, его легко нарастить с выпуклой стороны профиля.
Выпукло-вогнутые шверцы можно делать и из дерева; такие шверт-рули проа вытесаны топором и стамеской из обычной толстой доски –сороковки, отшлифованы, лакированы и вполне удовлетворительно работают.
Следует заметить, что на эффективных шверцах или швертах выпукло-вогнутого профиля, имеющих большую подъемную силу, возникает значительное разрежение, и возможен прорыв воздуха вниз по выпуклой стороне шверта; вокруг шверта может образоваться воздушная каверна. Она часто наблюдается, когда шверт работает на слишком больших углах атаки, особенно, если сорвано его обтекание. На “Бризе” вентиляция шверцев предотвращается тем, что они прижаты к мягкому баллону корпуса, действующему как уплотнитель. Там, где такого уплотнения нет, возможны осложнения.
Шверты, шверцы и рули – крылья конечного размаха, на оконечностях которых возникают краевые вихри, определяющие их индуктивное сопротивление; эффективность их работы зависит от их эффективного удлинения, которое, в свою очередь, определяется тем, как установлен шверт. Для свободного крыла полностью находящегося в воде или в воздухе, имеющего прямоугольную в плане форму, площадь Sш и хорду профиля b, удлинение равно геометрическому λ=Sш /b. Если шверт стоит под днищем судна, и перетекание воды через его верхнюю кромку отсутствует, его эффективное удлинение вдвое больше геометрического.
Возникающие за крылом, парусом или швертом вихревая пелена и краевые вихри, с которыми связаны их подъемная сила и индуктивное сопротивление, в однородной среде, в воде или в воздухе, невидимы, но их можно наблюдать, если свободно стоящий шверт пересекает поверхность воды. По разным сторонам такого шверта возникает разность уровней воды; обтекающие его струи смыкаются за ним с перепадом уровней, и за швертом возникает мощная спирально закрученная струя воды – вышедший на поверхность краевой вихрь. Хотя перетекание воды через верхнюю кромку шверта в данном случае отсутствует, приповерхностный краевой вихрь дает свой значительный вклад в индуктивное сопротивление шверта. Эффективное удлинение шверта, пересекающего поверхность воды, существенно меньше, чем у шверта, прикрытого сверху днищем судна.
Эффективность боковых шверцев катамаранов и шверт-рулей проа, имеющих выпукло-вогнутые профили, можно еще более увеличить, если делать их по типу разрезного крыла самолета с предкрылком и закрылком с большим удлинением. Это позволяет еще в 2-3 раза уменьшить их потребную площадь, но на практике такой вариант пока еще не испытывался. Смущает то, что шверты и шверцы должны быть не только эффективными, но и прочными; то же проа при подходе к берегу часто садится на свой шверт-руль; надо разрабатывать достаточно прочную конструкцию разрезного шверт-руля.
В своей книге В.Перегудов отмечал, что шверты и шверцы парусных судов плохо работают на малых скоростях хода и им недостает площади на слабых ветрах. Это действительно так, и связано с кризисом обтекания профиля швертов.
Уже упоминавшийся кризис обтекания, при котором сопротивление какого-либо тела, стоящего в потоке жидкости, резко падает с увеличением скорости потока, связан с переходом течения в пограничном слое на поверхности тела из ламинарного в турбулентное. Ламинарный пограничный слой неустойчив на выпуклых поверхностях и отрывается от них; срыв пограничного слоя вызывает за телом сильное вихреобразование и, соответственно, рост сопротивления. Турбулентный пограничный слой более устойчив, тело обтекается безотрывно с меньшим сопротивлением.
Параметром течения является число Рейнольдса Re. На крыльевых профилях критическое значение Re, при котором происходит кризис обтекания, составляет 50000–80000 в зависимости от формы профиля. При этом скачком изменяется не только сопротивление профиля, но и его подъемная сила; с уменьшением скорости течения при достижении критического числа Re она падает в несколько раз. Для шверта, имеющего к примеру ширину 20см, кризис обтекания наступает при скорости хода судна 0,5 м/с, из-за чего на слабых ветрах при малых скоростях хода судно оказывается практически без руля и без шверта, плохо управляется и не идет круто к ветру.
Явление кризиса обтекания хорошо известно в авиамоделизме и, поскольку летающие модели с их небольшими размерами и малой скоростью полета попадают как раз в кризисную зону, обязательно учитывается при выборе профилей их крыльев. Известно, что на моделях нельзя использовать авиационные самолетные профили, поскольку они теряют свои качества при малых скоростях полета. Нельзя слепо использовать приводящиеся в различных справочниках аэродинамические характеристики и поляры профилей, поскольку они верны только для тех чисел Re, при которых измерены. Применяемые на катамаранах шверцы плосковыпуклого профиля при малых Re ведут себя плохо; авиамоделисты предпочитают тонкие выпукло-вогнутые самотурбулизующиеся профили, сохраняющие свои характеристики и в кризисной зоне; такие профили пригодны и в нашем случае.
Стоит сказать и о форме шверцев в плане. Часто практикуемое придание им трапецевидной или эллиптичной формы гидродинамически не оправдано, поскольку понижает критическое значение числа Re; шверц должен иметь прямоугольную в плане форму; углы нижней кромки надо скруглять, но только для того, чтобы не обламывать их при посадке на мель.
Под центровкой парусного судна понимается уравновешенность действующих на него в горизонтальной плоскости моментов аэродинамической и гидродинамической сил FA, FH, уваливающих или приводящих судно, а под управляемостью – способность судна четко реагировать на все действия рулевого по поддержанию или изменению заданного курса и не выходить из-под контроля в любых, в том числе и в экстремальных условиях.
Основным органом управления парусным судном является руль, но они могут ходить и без рулей. Например, виндсерфер руля вообще не имеет; им управляют смещаясь взад-вперед по его длине и изменяя наклон мачты и постановку паруса. Когда у меня в Чупинской губе на яле отвалился руль, ял и без него уверенно пошел в бейдевинд, причем в каких-то пределах его курс –можно было изменять постановкой парусов; этот ял не имел ни шверта, ни шверцев и был вооружен бермудским шлюпом. Аналогичный случай произошел и на тримаране, который, как оказалось, тоже неплохо ходит в бейдевинд без руля, причем управлять им проще чем ялом, поскольку имеются шверцы, которыми можно манипулировать, к тому же тримаран хорошо чувствует изменение дифферента.
Изменяя дифферент, можно управлять и ялом, но для этого требуется большой и тяжелый экипаж; в военно-морском флоте проводятся гонки на парусных шлюпках со снятыми рулями.
Во всех перечисленных случаях изменение курса судна вызывается смещением по его длине центра парусности либо центра бокового сопротивления; судно идет прямолинейно когда точки приложения сил FA, FH совпадают, и момент этой пары сил равен нулю. Но помимо сознательного желания рулевого существуют и случайные факторы, сбивающие судно с курса: порывы ветра, волнение и т.п. Все такие случайные изменения обычно компенсируются работой руля, но при этом весьма существенно, устойчиво судно на курсе или нет.
Парусные суда, построенные по обычной схеме, т.е. имеющие бермудское вооружение, шверт или шверцы и руль, обычно устойчивы на курсе, хотя попадаются и неустойчивые. Такое судно может быть быстроходным и маневренным, но в обиходе очень неудобно. Рулевой вынужден все время держаться за румпель, стоит на мгновение отвлечься, даже закрепив румпель, как судно сбивается с курса и идет куда-то не туда. Если в обычных плаваниях с этим еще можно мириться, то для дальних одиночных плаваний такое судно непригодно вообще; там требуется, чтобы оно могло идти по курсу без участия рулевого. На больших яхтах самоуправление обеспечивается флюгерными подруливающими устройствами, но у нас они применения не нашли из-за своей громоздкости; насколько я знаю, никто вообще не пробовал их применять, а самоуправление судов всегда обеспечивается конструктивными мерами.
Судно идет по курсу, когда уравновешены все действующие на него силы и моменты сил, что достигается соответствующей постановкой парусов, швертов и рулей судна. Оно будет устойчиво на курсе, если при случайных отклонениях будет возникать момент пары сил возвращающий его на прежний курс. Рассмотрим принцип обеспечения путевой устойчивости на примере двухмачтовой проа “Чиез” конструкции Ньюика, вооруженной двумя одинаковыми полноворотными гротами (рис.24). Управляется проа двумя кинжальными шверт-рулями.
Пусть проа идет курсом бейдевинд. Установим ее паруса так, чтобы угол атаки переднего паруса был больше чем у заднего; пусть создаваемая передним парусом аэродинамическая сила дрейфа D1 в два раза больше чем у заднего D2. Полная сила дрейфа D = D1 + D2 приложена на одной трети расстояния между парусами; она компенсируется силой бокового сопротивления RБ, которая при соответствующей постановке шверт-рулей приложена в той же точке по длине судна.
Если проа увалит под ветер, то угол вымпельного ветра β возрастет на величину Δβ; на ту же величину Δα=Δβ возрастут углы атаки каждого из парусов. Различие в коэффициенте сил дрейфа создаваемых парусами уменьшится, задний парус станет играть большую роль в создании дрейфа, точка приложения силы дрейфа сместится назад по длине судна. Поскольку она больше не совпадает с точкой приложения бокового сопротивления, возникает момент пары сил, возвращающий проа на прежний курс.
В авиации аналогичным образом обеспечивается продольная устойчивость самолетов. На самолетах обычной схемы роль заднего крыла выполняет стабилизатор, у которого угол атаки меньше чем у основного крыла. На самолетах типа “утка” стабилизатор стоит впереди основного крыла и имеет больший чем у того угол атаки. На самолетах типа “летающее крыло”, благодаря стреловидности крыльев центральная часть крыла находится впереди концевых частей. Меньшие углы атаки концевых частей обеспечиваются круткой крыла. Если “летающее крыло” имеет обратную стреловидность, то оно будет устойчиво лишь при обеспечении обратной крутки, т.е. когда угол атаки законцовок больше угла атаки центральной части крыла.
На самолетах типа “летающее крыло” в дополнение к крутке крыла, чтобы обеспечивать их продольную устойчивость, применяют и специальные профили крыльев с отогнутой вверх задней кромкой; на таком профиле с ростом угла атаки центр давления сильнее смещается назад.
Судно тем устойчивей на курсе, чем больше смещение силы дрейфа; в этом отношении парусное вооружение проа “Чиез” очень удачно. Парусное судно вооруженное шлюпом, можно рассматривать как аналог самолета типа “утка”. Оно будет устойчиво на курсе, если угол атаки стакселя, играющего роль вынесенного вперед стабилизатора, будет больше угла атаки грота. Если стаксель имеет небольшие размеры и не перекрывает грот, сделать это нетрудно, хотя такая постановка стакселя может ухудшить работу грота. При большом стакселе, перекрывающем грот, дело обстоит сложнее; оба паруса – стаксель и грот объединяются в единый аэродинамический комплекс аналогичный разрезному крылу и манипулировать ими по отдельности нельзя. Куда смещается центр давления на таком разрезном крыле при изменении его угла атаки, неясно, и этот вопрос требует дополнительного исследования. На практике суда устойчивы на курсе и в данном случае.
Судно с вооружением кэт, имеющее только один грот, является аналогом летающего крыла с обратной стреловидностью. Для обеспечения его путевой устойчивости необходимо, чтобы угол атаки грота в его узкой верхней части был больше чем в широкой нижней; это обеспечивается естественной аэродинамической закруткой вымпельного ветра. С ростом угла β точка приложения силы дрейфа смещается вниз и назад. Плечо возвращающего момента невелико, и ясно, что судно с одним гротом может оказаться менее устойчивым на курсе чем многопарусное. Тем не менее и здесь удается получить приемлемую путевую устойчивость. Примером может служить “Авоська” Наумова, имевшая очень широкий грот; насколько я знаю, при пересечении на этой лодке Каспия проблем с путевой устойчивостью не возникало.
С вопросом о путевой устойчивости парусных судов связаны и другие представляющие интерес явления. Например, ял, на котором я без руля, мачты и парусов дрейфовал на шквале по Пулонгскому плесу Чупинской губы самопроизвольно встал боком к ветру и устойчиво шел в этом положении, хотя хорошего в этом было мало. Почему это происходило?
Пусть ял стоит носом к ветру; тогда он дрейфует назад, и на него действуют только две силы лобового сопротивления, аэродинамического – в надводной части и гидродинамического – в подводной. Они равны по величине, направлены навстречу друг другу и лежат на одной прямой. Разворачивающего момента этой пары сил нет, но данное положение может оказаться неустойчивым. В зависимости от конкретной конфигурации надводной и подводной частей корпуса яла точки приложения данных сил могут располагаться по разному; существенно, какая из них находится впереди, а какая сзади. При небольшом развороте яла от первоначального положения возникает момент этой пары сил либо возвращающий ял в исходное положение, либо ставящий его боком к ветру.
С другой стороны, корпус яла, частично сидящий в воде, представляет собой не что иное, как совокупность двух крыльев малого удлинения – надводного и подводного. Подъемная сила таких крыльев невелика, но она возрастает с увеличением угла атаки до 40—50°, а точка ее приложения, центр давления, на малых углах атаки находится в передней части крыла, а на больших смещается к его середине, где и оказывается, когда крыло устанавливается поперек потока. Этим, в частности, объясняется и то, почему прямые паруса всегда норовят встать поперек ветра.
Даже небольшое отклонение корпуса яла от положения носом к ветру достаточно для появления на нем пары поперечных сил FA, FH, момент которых разворачивает судно поперек ветра. Поперечное же положение яла напротив устойчиво, поскольку при отклонении от него тот же самый момент возвращает его в исходное положение.
Мораль, вытекающая отсюда, общеизвестна: чтобы судно на шквале стояло носом к ветру и волне, следует соответствующим образом разнести точки приложения действующих на него сил, поставив судно на плавучий якорь и подняв на его корме бизань. Но когда их нет, дело плохо.
Поднимем теперь паруса на судне, не имеющем руля. При растравленных парусах дрейф под ветер только возрастет, хотя само судно встанет под каким-то другим углом к ветру. Если паруса подобрать, судно получит ход. Стоять в левентике с выбранными парусами оно не может и сваливается под ветер; идти без руля на фордевинде тоже не может, его приводит. Между этими двумя неустойчивыми направлениями движения имеется устойчивое, когда судно идет таким курсом, с такой скоростью и с таким углом дрейфа, на которых уравновешены действующие на него силы, а их момент равен нулю. Подбирая и потравливая паруса, можно изменять курс судна.
Полинезийское летучее проа, не имеющее ни рулей, ни швертов, но имеющее специальный плосковыпуклый и заглубленный корпус и вооруженное похожим на дельтаплан парусом, управляется именно аэродинамическим способом; его рулевые весла поставлены так, что прок от них может быть только на фордевинде и близких к нему курсах. Тем не менее, проа способно менять галс и ходить всеми курсами к ветру.
1. Дж.Норвуд. Быстроходные парусные суда. Л. Судостроение. 1983
2. Школа яхтенного капитана. М.ФиС.1983
3. В.М.Перегудов. Туристские разборные парусные суда. М.ФиС. 1987
4. Х.Баадер. Разъездные, туристские и спортивные катера. Л.Судостроение. 1976
5. Дж. Бетчелор. Введение в динамику жидкости. М.Мир.1978
6. Ю.С.Крючков, И.Е.Перестюк. Крылья океана. Л.Судостроение. 1983
7. Дж. Лайтхилл. Волны в жидкостях. М.Мир. 1981