Работа паруса на полных курсах. Если парус поставить поперек ветра, он будет
притормаживать обтекающий его поток воздуха. При этом часть кинетической энергии
воздуха преобразуется в кинетическую энергию движения яхты.
Характер давлений, действующих на парус, показан на рис. 14. Суммарная сила,
развиваемая наветренной и подветренной сторонами паруса, будет общей аэродинамической
силой паруса — Ап. В данном случае это сила лобового сопротивления паруса —
Хп. На рис.14 видно, что разные участки паруса работают с разной эффективностью.
К краям паруса величины давления падают из-за перетекания воздуха с наветренной
стороны паруса на подветренную и соответствующего выравнивания давлений в районах
его шкаторин. Ясно, что на полных курсах эффективнее работают паруса, имеющие
минимальный периметр при определенной площади, — квадратные, прямоугольные небольшого
удлинения, трапециевидные. Хуже работают высокие и узкие паруса.
Рис. 14. Обтекание паруса на полных курсах.
Работа паруса на острых курсах. Если поставить парус под небольшим углом
атаки к потоку воздуха, характер его работы станет принципиально иным. Поток
воздуха будет отклоняться парусом от первоначального направления. В результате
возникнет реактивная сила Yп, называемая подъемной силой
Рис. 15. Обтекание паруса воздухом на острых курсах. Пунктиром показаны давления
на парусе, не имеющем обтекателя мачты. Зоны I — ламинарное обтекание; II —
ламинарно-турбулентное; III — завихрение и срыв потока.
паруса. Она направлена поперек первоначального потока воздуха (рис. 15). Так
как подъемная сила совершает определенную работу в продвижении яхты по курсу,
а энергия на это может браться только из первоначальной кинетической энергии
потока воздуха, воздух за парусом несколько притормаживается. Кроме того, воздух
может значительно притормаживаться просто при обтекании паруса как не идеально
обтекаемого тела. Притормажи-вание воздуха вызывает появление силы лобового
сопротивления паруса — Xп. Общая аэродинамическая сила, развиваемая парусом,
находится как векторная сумма подъемной силы и силы лобового сопротивления:
(1)
Абсолютное значение аэродинамической силы равно:
(2)
Именно эта способность паруса работать не только как тормоз для ветра, но
и как аэродинамическое крыло позволяет яхтам ходить острыми курсами — до 45—30°
к ветру.
На острых курсах суммарная аэродинамическая сила паруса А проявляется на яхте
как сила тяги по курсу — Т и сила дрейфа — Д, которая стремится опрокинуть яхту
Рис. 16. Появление тяги по курсу Т на яхте, идущей под острым углом к ветру:
Y — подъемная сила паруса; Х — сила лобового сопротивления паруса; а — угол
атаки паруса; b — угол между курсом яхты и направлением вымпельного ветра; Vв—
вымпельный ветер, действующий на парус.
и сдвинуть ее вбок (рис. 16). Все парусные суда, рассчитанные на движение
острыми курсами, имеют развитую подводную боковую поверхность, на которой образуется
сила бокового сопротивления яхты (ее подъемная сила) — Ry. Она равна по величине
Д и направлена в противоположную сторону. Эти две силы взаимно компенсируются,
а сила Т двигает яхту по курсу. На острых курсах парус дает тем большую тягу
по курсу, чем больше его подъемная сила и меньше лобовое сопротивление.
Величины аэродинамических сил, развиваемых парусами. Их подсчитывают по формулам:
Y=Су • 0,0625 • S • V2в и (3)
X=Сх • 0,0625 • S • V2в (4)
где Су и Сх — аэродинамические коэффициенты подъемной силы и силы лобового
сопротивления; Vв— скорость вымпельного ветра, действующего на парус идущей
яхты (она получается как векторная сумма скорости истинного ветра, дующего на
акватории, и скорости яхты, взятой с обратным знаком).
Например, на курсе фордевинд каждый квадратный метр паруса, имеющего Сх = 1,2,
при ветрах разной силы будет развивать следующую тягу.
Таблица 1
Vb, м/сек 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12
Aп=Т, кгс 0,3 0,67 1,2 1,87 2,7 3,68 4,80 6,07 7,5 10,8
Влияние угла атаки на работу паруса. На рис. 17 приведен график изменения
коэффициентов Су и Сх в зависимости от угла атаки паруса — поляра паруса. Она
получена Ч. Мархаем при испытании в аэродинамической
Рис. 17. Поляра модели паруса швертбота “Финн” (по Ч. Мархаю).
трубе модели паруса гоночного швертбота “Финн”. Модель была сделана из дакрона
в масштабе 2:5, парус имел по передней шкаторине круглую мачту и во время работы
скручивался по высоте винтом на угол до 13,5°.
При а=0 парус не развивает подъемной силы, но имеет определенную силу лобового
сопротивления, вызванную силой трения воздуха о парусину. Если парус во флюгерном
положении будет заполаскивать, его сопротивление станет значительным.
По мере увеличения угла атаки парус начнет отклонять поток воздуха, и на нем
появится подъемная сила. На малых углах атаки парус обтекается потоком плавно,
без создания значительных завихрений, поэтому его лобовое сопротивление мало.
При угле атаки а = 7,5° тяга паруса по курсу составляет 43,5% от максимально
возможной, а сила дрейфа — лишь 36,5%. На этом режиме парус используют при сильных
ветрах, когда остойчивость и прочность яхты не позволяют поддерживать на парусе
максимальную тягу, при которой парус может опрокинуть или сломать яхту.
При дальнейшем увеличении угла атаки подъемная сила будет расти, но еще быстрее
будет расти лобовое сопротивление паруса из-за появления различных нарушений
плавности обтекающего его потока и расхода энергии на создание завихрений на
отдельных участках паруса и за ним. При угле атаки а ==52° парус дает максимальную
тягу на курсе крутой бейдевинд, но уже при значительной силе дрейфа. На таком
режиме парус работает при слабых и средних ветрах, когда борьба с креном еще
не представляет трудностей.
При угле атаки а == 30°, который для данного паруса будет критическим углом
атаки, на парусе начинается обширный срыв плавного потока в завихренный, и его
обтекание будет напоминать обтекание простого плохо обтекаемого тела. При этом
возрастает лобовое сопротивление паруса и падает его подъемная сила. Интересно
отметить, что при угле атаки а = 42° (в таком режиме может работать нижняя часть
скрученного грота при постановке его гика вдоль яхты) тяга по курсу такая же,
как при угле атаки 7,5°, а сила дрейфа в 3,25 раза больше.
Влияние пуза паруса на его характеристики. Плоская пластина, даже поставленная
под оптимальным углом атаки к ветру, создает небольшую подъемную силу. Ее Су,
в зависимости от удлинения и шероховатости поверхности, не превышает 0,6—0,9,
но она имеет большое лобовое сопротивление. Объясняется это тем, что поток не
плавно обтекает пластину, а завихряется сразу за ее атакующей кромкой.
Если пластину изогнуть, поток на ее подветренной стороне, наиболее важной для
создания подъемной силы, станет плавным — соответственно возрастет подъемная
сила и уменьшится лобовое сопротивление. Величину выпуклости называют пузом
паруса и характеризуют процентным отношением стрелки прогиба паруса к его ширине
в этом месте. Пузо реальных парусов лежит в пределах 2—15%.
Поляры жестких пластин, сделанных из жести и имеющих разное пузо, показаны на
рис. 18. Поляры реальных парусов будут несколько иными, но общие тенденции сохраняются.
Здесь следует обратить внимание на следующее.
В общем случае, с увеличением пуза растет величина максимальной тяги паруса
на курсах, близких к галфвинду,
Рис. 18. Поляры моделей парусов с разным пузом. Паруса жесткие, не скручиваются
винтом и не имеют по передней шкаторине мачты l.=5 (по Ч. Мархаю).
но на очень крутых и полных курсах преимущество очень пузатых парусов перед
парусами со средним пузом невелико.
С ростом пуза растет сила дрейфа.
На острых курсах пузатые паруса очень чувствительны к изменению угла атаки,
ибо дают максимум тяги только в узком диапазоне этих углов. Кроме того, у пузатых
парусов угол между хордой паруса и парусиной в районе передней шкаторины близок
к критическому углу атаки паруса. Это ведет к тому, что при случайных увеличениях
угла атаки, например при периодических отходах ветра, поток по всей высоте паруса
срывается в завихренный. А при заходах ветра, когда угол атаки уменьшается,
поток ударяет в подветренную поверхность паруса, и он начинает заполаскивать,
что тоже ведет к срыву потока и соответствующему уменьшению Yп и росту Хп. То
есть паруса с большим пузом требуют очень точного управления и могут работать
лишь в двух крайних режимах — с созданием максимально возможной тяги или, при
срыве потока, с большой силой лобового сопротивления. Все это приводит к тому,
что паруса с большим пузом используются только на курсах полный бейдевинд, галфвинд
и бакштаг и только при слабых ветрах.
Паруса с малым пузом (2—5%) хороши в сильный ветер, ибо могут работать на малых
углах атаки с созданием небольшого безопасного для яхты кренящего момента и
умеренной тяги, не перенапрягающей силовую конструкцию судна.
Универсальные паруса со средним пузом (5—10%) используются при средних ветрах.
Большое значение величины пуза паруса для его тяговых характеристик и безопасности
яхты заставило туристов разрабатывать, создавать и совершенствовать различные
устройства для регулировки пуза парусов на ходу яхты, из кокпита. Многие паруса,
применяющиеся на разборных судах, позволяют за несколько секунд менять пузо
от 0—2 до 10—12% без какого-либо заметного искажения своей формы.
§4. АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ПАРУСА И ЯХТЫ
Аэродинамическое качество (К) паруса — отношение его подъемной силы к силе
лобового сопротивления:
(5)
Для вспомогательных парусов, которые используются только при попутных ветрах,
К паруса не имеет большого значения, но для основных парусов лавирующих яхт
это важнейшая характеристика, определяющая работоспособность паруса на острых
курсах.
Кроме аэродинамического качества паруса — Кп различают аэродинамическое качество
всей яхты — Кя. Оно равно отношению подъемной силы паруса к общему лобовому
сопротивлению яхты, которое складывается из силы лобового сопротивления паруса
и сопротивления надводной части корпуса и экипажа яхты, — Хк:
(6)
Значение аэродинамического качества паруса для ходкости яхты на острых курсах.
Для разборных парусных судов вопрос о качестве парусов стоит гораздо острее,
чем для больших яхт. Если большие яхты при снижении К их парусов просто медленней
пойдут в лавировку, то легкие яхты с плохими парусами вообще лавировать не смогут.
Объясняется это тем, что разборные суда имеют относительно небольшую площадь
парусности (лишь тогда они получаются действительно легкими и транспортабельными)
и большую площадь паразитного лобового сопротивления корпуса и экипажа, что
существенно ухудшает общее Кя и позволяет им лавировать только с достаточно
совершенными парусами.
Поясним это конкретным примером (рис. 19). Реальный тримаран на основе байдарки
имеет паразитную парусность 1,5 м2 и грот площадью 4,5 м2, который в режиме
создания максимальной тяги имеет К = 6. При среднем ветре на курсе крутой бейдевинд
парус дает тягу 53,5 н (5,3 кгс), но с учетом значительного сопротивления корпуса
и экипажа яхты тяга составит лишь 31,5 к. Это обеспечит тримарану скорость на
галсе около 4,5 км/час и скорость продвижения по генеральному курсу (прямо на
ветер) 3 км/час. Такая скорость для байдарок вполне приемлема.
Рис. 19. Тяга по курсу на реальном тримаране (Sn = 4,5 м2, Кп= 6, Sк= 1,5
м2, Кя= 2).
Теперь допустим, что при тех же условиях тот же парус работает с более низким
качеством — К = 2. Сделав аналогичные построения, можно убедиться, что его тяга
на курсе крутой бейдевинд составит только 10 н (1 кгс). Конечно, для настоящей
лавировки он не годится. Нет никакого смысла часами ходить галсами, когда тот
же участок на легкой байдарке можно быстро пройти на веслах. Для более тяжелых
разборных парусников, которые имеют водоизмещение 350— 500 кг, паразитную парусность
2,5 м2 и больше и потому очень тяжело идут против ветра на веслах, паруса с
низким К опасны, ибо не позволяют судну при необходимости достигнуть наветренного
берега. (На Азовском море автору однажды пришлось около двух часов буквально
по метрам приближаться к берегу под неудачным экспериментальным вооружением
при отжимном ветре, который неожиданно усилился до 10—12 м/сек. В противном
случае пришлось бы отстаиваться на якоре, а уверенности, что ветер не усилится
до шторма, не было.)
Реальная возможность движения на легких разборных парусниках против ветра на
веслах, возможность вооружать их гораздо более простыми и легкими вспомогательными
парусами, рассчитанными только на полные курсы, и опасность несовершенных парусов
для более тяжелых судов делают бессмысленной установку на них лавировочных парусов
с низким К. В то же время серьезные работы по совершенствованию малых парусов,
которые были вынуждены провести строители разборных парусников, позволили делать
их не только легкими и транспортабельными, но и достаточно ходкими на острых
курсах.
На рис. 20 показана зависимость тяги по курсу парусов реальных тримаранов в
зависимости от их К. Из графика видно, что тяга на лавировке быстро растет при
росте К до 5—7. Таким К обладают средние паруса, имеющие обтекатели мачт, правильный
аэродинамический профиль и внешне напоминающие крылья птиц. Для достижения такого
качества оправданы все усовершенствования лавировочных парусов.
Увеличение К свыше 7 уже не дает значительного роста тяги, и при дальнейшем
совершенствовании своего паруса, например до формы крыла планера, надо смотреть,
не ухудшаются ли при этом другие важные характеристики паруса: его кренящий
момент, управляемость, вес, простота постановки, уборки и рифления, время сборки.
Определение аэродинамического качества яхты. При самостоятельном проектировании
и постройке парусов желательно знать их К и его изменение при различных усовершенствованиях
паруса. В любительских условиях точно определить К паруса довольно трудно, поэтому
Рис. 20. Зависимость тяги (Тя) реальных тримаранов от К их парусов на курсе
крутой беидевинд.
Рис. 21. Определение качества яхты в натурных условиях (при Тя = 0 и Кя= ctgb,)
обычно ограничиваются оценкой паруса в прикидочных гонках с эталонными судами.
Есть и второй путь — в реальных условиях с достаточной точностью определить
аэродинамическое качество всей яхты и по этим данным оценить К паруса. Для определения
качества яхты надо с помощью хорошего компаса-пеленгатора замерить угол между
истинным ветром и продольной осью яхты, заякоренной лагом и приведенной так
круто к ветру, что парус уже не дает тяги по курсу и яхта останавливается (рис.
21). В таком случае:
(7)
Замеры осуществляют в ровный устойчивый ветер у наветренного берега, чтобы
исключить влияние волны. Парус должен стоять под рабочим углом атаки, при котором
он дает максимальную тягу на лавировке. Замерять надо при ветрах разной силы.
В зависимости от жесткости конструкции паруса при усилении ветра Кя будет быстрее
или медленнее падать. Кя хорошо лавирующих яхт с экипажем на борту должно лежать
в пределах 1,8 — 2,5. Чем больше отношение площади парусности к площади лобового
сопротивления яхты, тем выше должно быть ее качество.
Хороший самодельный парус невозможно сделать, лишь слепо копируя паруса больших
яхт: во-первых, в любительских условиях трудно сшить парус столь же качественно,
как это делают специалисты на верфях, а во-вторых, аэродинамическое качество
парусов больших яхт не всегда может удовлетворить любителя. Например, модель
паруса швертбота “Финн” площадью 1,68 м2 на режиме создания максимальной тяги
имеет К = 3,34 (см. рис. 17), что для разборных судов очень мало.
Чтобы создавать более совершенные паруса, надо хорошо понимать их работу, и
мы советуем читателям ознакомиться с трудами по аэродинамике и изготовлению
парусов (в первую очередь с книгой Ч. Мархая “Теория плавания под парусами”.
М.: ФиС, 1970). Ниже описаны лишь основные методы повышения качества парусов.
Общие положения. Чтобы повысить качество паруса, надо увеличить его подъемную
силу и уменьшить силу лобового сопротивления, которая слагается из сопротивления
трения воздуха о парусину (Хтр), сопротивления формы паруса как не абсолютно
обтекаемого тела (Хф) и индуктивного сопротивления (Хинд) которое возникает
из-за перетекания воздуха с наветренной стороны паруса на подветренную по его
шкаторинам.
В общем случае подъемная сила и сила лобового сопротивления определяются характером
потока, обтекающего парус. Чем плавнее поток, чем меньше завихрений возникает
на отдельных участках паруса и за ним, тем больше подъемная сила и меньше лобовое
сопротивление.
Это легко понять, если представить, что движется не воздух относительно паруса,
а буксируется парус относительно неподвижного воздуха. Возникновение любых завихрений
на парусе или за ним, на создание которых нужно затратить определенную энергию,
по закону сохранения энергии требует увеличения буксировочной силы, в нашем
случае — силы лобового сопротивления паруса.
Если завихрения возникают на самой поверхности паруса, то они не только увеличивают
его лобовое сопротивление, но и уменьшают подъемную силу, ибо завихренный поток,
обтекая поставленный под углом к нему парус, меньше отклоняется от своего первоначального
направления.
Таким образом, борьба за повышение К паруса в значительной степени сводится
к созданию условий, при которых весь парус, или хотя бы значительная часть его,
обтекался плавным потоком воздуха (см. рис. 15).
Улучшение формы атакующей кромки паруса. Обтекание передней части паруса имеет
решающее значение для его качества. При благоприятных условиях именно на ней
создается основная доля подъемной силы паруса. В то же время, если на передней
кромке паруса возникнут завихрения, они распространятся на всю ширину паруса,
и значительная площадь его не сможет работать в оптимальном режиме.
На небольших парусах в средние ветра теоретически можно сохранить плавное ламинарное
обтекание по всей их площади. Но для этого надо обеспечить плавное, без завихрений
обтекание передней кромки паруса. Стаксели, не имеющие по передней шкаторине
толстой мачты, работают именно в таком режиме, чем и объясняется их эффективность.
Сложнее обстоит дело с гротами, которые передней шкаториной крепятся к мачтам.
Если не принять специальных мер, мачта, будучи плохо обтекаемым телом, резко
завихрит набегающий на парус поток, и вся передняя, наиболее важная часть паруса
будет работать с низким К. Давления, возникающие на парусе, имеющем по передней
шхаторине круглую мачту, показаны на рис. 15 пунктирной линией.
Характер обтекания передней части грота определяется способом его крепления
к мачте (рис. 22). Самые невыгодные способы крепления — такие, когда между парусом
и мачтой остается щель (с помощью сезневки, ко-лец-сегарсов или с помощью рельса
на мачте и ползунов
Рис. 22. Крепление гротов к мачтам с помощью: слева — колец-сегарсов; в центре
— ликтроса в ликпазе мачты; справа — мачтового кармана-обтекателя мачты или
двухслойного грота.
на парусе). В этих случаях работа паруса ухудшается не только из-за завихрения
потока за мачтой, но и из-за энергичного перетекания воздуха через щель с наветренной
стороны паруса на подветренную, что приводит к выравниванию давлений на сторонах
паруса и еще большему завихрению потока. По данным Ч. Мархая, тяга таких гротов
на острых курсах падает до 50% от тяги стакселя.
Более выгодно крепление грота к мачте с помощью ликтроса, помещенного в ликпазе
на мачте. Щель между парусом и мачтой ликвидируется, но вредное влияние мачты
на работу грота остается. В зависимости от диаметра мачты, потери тяги грота
составляют 20—40%.
Можно значительно ослабить влияние мачты на работу грота, если сделать ее поворотной.
Значительные завихрения будут возникать только на наветренной стороне паруса,
но поскольку роль этой стороны в создании подъемной силы меньше, чем подветренной,
потери тяги не превышают 15—25%.
Чтобы при смене галса мачта поворачивалась автоматически, точку крепления к
ней вант относят несколько вперед. Наветренная ванта всегда натягивается сильнее
подветренной и разворачивает мачту в нужную сторону (рис. 23).
Наиболее совершенно крепление паруса к мачте с помощью широкого кармана — обтекателя
мачты, сделанного из материала паруса (рис. 22, справа). Ширина кармана 5—8
диаметров мачты. При этом удается почти полностью устранить вредное влияние
мачты на работу грота и добиться полной самонастраиваемости обтекателя мачты
при переменах галсов и изменениях угла атаки паруса.
Рис. 23. Обтекание парусов с не поротной и поворотной мачтами.
Если карман-обтекатель мачты сделать очень широким и довести его до задней
шкаторины, получится новая разновидность паруса — двухслойный грот. Двухслойные
гроты и гроты с широкими обтекателями мачты, впервые примененные именно на разборных
парусниках в начале 60-х годов, по эффективности превосходят стаксели: они имеют
более жесткую переднюю кромку, и у
Рис. 24. Горизонтальное сечение паруса:
а — неправильная форма пуза; б — распределение давлений (условно); в — правильная
форма пуза и распределение давлений.
них мачта помещена внутрь паруса, а при стаксельном вооружении мачта площадью
0,2—0,3 м сама создает значительную силу лобового сопротивления.
Форма горизонтального сечения паруса. На рис. 24, а показано, как работает парус,
имеющий одинаковую кривизну по всей ширине. Разные участки паруса работают с
разным качеством из-за разного направления давлений, которые всегда направлены
перпендикулярно парусине. При этом низкое К задней части паруса существенно
ухудшает его общее К. Более того, сразу за задней шка-ториной воздух устремляется
из зоны повышенного давления в зону пониженного, и за парусом по всей высоте
задней шкаторины возникает мощный вихрь, как за простым плохо обтекаемым телом.
Еще больше ухудшаются лавировочные характеристики паруса при заворачивании на
ветер его задней шкаторины (рис. 25).
Чтобы давления по мере приближения к задней шка-торине паруса постепенно уменьшались
(см. рис. 24, в), заднюю часть паруса стремятся делать максимально плоской.
Если при этом удастся у задней шкаторины полностью выровнять давления на сторонах
паруса, то за ним не возникнет значительных завихрений и его лобовое сопротивление
уменьшится.
Основной способ уплощения задней части паруса — усиление ее короткими латами.
Именно их эффективностью во многом объясняется хорошее качество современных
бермудских гротов. К сожалению, самодеятельные
Рис. 25. Обтекание паруса с загнутой на ветер задней шкаториной.
Рис. 26. Возникновение индуктивных вихрей за парусом (слева) и распределение
давления по его краям; на левом рисунке заштрихованы части паруса, работающие
с пониженной эффективностью, на правом — пунктирной линией показаны реальные
давления на парусе.
судостроители недооценивают значения коротких лат, делают их недостаточно
длинными и применяют только на гротах с положительными задними горбами. На самом
деле короткие латы повышают качество всех парусов (в том числе с прямой и вогнутой
задней шкаториной), и даже стакселей.
Более простой, но менее совершенный способ уплощения задней части паруса — его
раскрой с отрицательным серпом по задней шкато-рине. На парусах с ярко выраженным
силовым каркасом вдоль задней шкаторины пропускают туго натянутый булинь. Стремясь
распрямиться, он оттягивает от мачты прилегающую к нему часть парусины и тем
самым уплощает заднюю часть паруса. На парусах, имеющих латы, отрицательные
серпы делают на участках между латами.
Остановимся на расположении максимума пуза паруса по его ширине. По данным Ч.
Мархая, разница в тяге на лавировке у парусов с максимумом пуза на 1/3, 1/2
и 2/3 ширины от мачты составляет лишь несколько процентов. Однако очевидно,
что паруса с передним расположением пуза быстрее заполаскивают при работе с
пониженной тягой. Паруса с задним расположением пуза и с недостаточной жесткостью
конструкции при усилении ветра могут легко превратиться в паруса с завернутой
на ветер задней шкаториной. На практике максимум пуза паруса обычно располагают
по его середине или немного ближе к мачте.
Снижение индуктивного сопротивления паруса. Если парус по всей своей высоте
работает в одинаковом режиме (рис. 26), то на его верхнем и нижнем краях образуется
большой перепад давлений. Воздух по верхней и нижней шкаторинам паруса начинает
энергично перетекать с наветренной стороны на подветренную. За парусом возникают
мощные спиралеобразные вихри, на образование которых тратится значительная часть
первоначальной энергии потока. Эта доля лобового сопротивления паруса называется
его индуктивным сопротивлением — Хинд.
Второе, не менее важное следствие перетекания воздуха через горизонтальные шкаторины
— выравнивание давлений на сторонах паруса в районах этих шкаторин и соответствующее
падение его подъемной силы. Действительное значение давлений на сторонах паруса
показано на рис. 26, справа пунктирной линией.
В общем случае индуктивное сопротивление равно:
(8)
где К — коэффициент, зависящий от формы паруса; l — удлинение паруса, отношение
его высоты к средней ширине:
(9)
Увеличивая высоту паруса (его удлинение) и снижая гем самым длину горизонтальных
шкаторин, можно прямо снизить общие индуктивные потери — индуктивное сопротивление
и уменьшение подъемной силы. Но этот метод имеет свои пределы. Очень высокие
паруса получаются тяжелыми с большим опрокидывающим моментом. Удлинение реальных
парусов туристских судов лежит в пределах 3,5—4,5.
На больших яхтах изредка применяют еще два способа: расположение нижней шкаторины
паруса вплотную к палубе (тем самым перекрывается щель, через которую может
перетекать воздух) и установку по горизонтальным шкаторинам широких аэродинамических
шайб. На разборных судах шайбы не используют: они громоздки и сами имеют значительное
лобовое сопротивление. А опускание нижней шкаторины паруса до палубы используют
в ограниченных случаях, ибо низко расположенный парус создает экипажу массу
неудобств.
Эффективный метод снижения индуктивного сопротивления (но не потери подъемной
силы!) — аэродинамическая закрутка паруса, т. е. уменьшение его угла атаки и
пуза в районах горизонтальных шкаторин с целью снижения перепада давлений на
этих участках паруса. Так как давления по краям паруса без закрутки все равно
выравниваются из-за перетекания воздуха, то при этом способе подъемная сила
практически не падает, зато ликвидируется сама причина возникновения индуктивных
вихрей, и лобовое сопротивление паруса значительно уменьшается. Это приводит
к росту тяги на острых курсах.
В простейшем случае закручивают лишь верхнюю часть гротов — угол атаки верхней
части паруса составляет 50—20% угла атаки в районе гика. Так работают эффективные
бермудские гроты, у которых верхняя часть отваливается под ветер и действует
под углом атаки лишь в несколько градусов. У парусов со средним расположением
гика удается закрутить и нижнюю часть. При этом средняя часть паруса может работать
с большим пузом на критических углах атаки (с максимально высоким Су) без риска
существенно увеличить индуктивное сопротивление.
Загибание назад верхней части мачты. Паруса с загнутыми назад верхними частями
мачт, повторяющие по форме крылья хорошо планирующих птиц, совершеннее парусов
с прямыми передними шкаторинами. Объясняется это меньшими индуктивными потерями,
ибо у них задние шкаторины направлены более вертикально, а через наклонную переднюю
шкаторину воздух не может перетекать на подветренную сторону паруса из-за большого
динамического напора атакующего потока. На быстроходных спортивно-прогулочных
судах, а иногда и на типично туристских разборных парусниках загнутые назад
мачты применяют довольно часто.
Значение качества парусины. Качество парусины оценивается по трем показателям:
прочности, гладкости, не-продувае мости. Парус из легкой недостаточно прочной
парусины при усилении ветра начинает вытягиваться, на нем вредно увеличивается
пузо, происходит общее искажение формы. На таких парусах быстро появляются местные
вытяжки и остаточные деформации. Если прочность парусины не соответствует прикладываемым
к ней нагрузкам, изготовленный из нее парус хорошо работать не будет.
Очень важна гладкость парусины. При прочих равных условиях на гладкой парусине
переход потока из ламинарного в турбулентный происходит позже, чем на шероховатой,
т. е. парус из гладкой парусины дает большую тягу на лавировке. При турбулентном
обтекании коэффициент трения воздуха о парусину прямо зависит от ее шероховатости,
значит, и в этих условиях гладкий парус имеет меньшее сопротивление. По данным
Ч. Мархая, потери тяги на острых курсах из-за шероховатости парусины могут достигать
50%.
Продуваемость парусины приводит к тому, что воздух начинает фильтроваться с
наветренной стороны на подветренную по всей площади паруса. При этом не только
уменьшается разность давлений на его сторонах, но и нарушается правильность
обтекания паруса, что ведет к заметному падению тяги.
Гладкость парусины сильнее сказывается в сильные ветра, ибо сопротивление трения
воздуха о парусину пропорционально квадрату скорости ветра, а продуваемость
парусины наиболее вредна при слабых ветрах. При усилении ветра не происходит
заметного увеличения фильтрации воздуха из-за резкого роста сопротивления самих
пор при увеличении скорости фильтрации. По этой причине штормовые паруса можно
изготовлять из прочного, хотя и продуваемого, брезента, а паруса для слабых
ветров выгоднее делать из непродуваемых пленок.
Качество хлопчатобумажной парусины, наиболее доступной для любителей, можно
существенно улучшить, если осторожно обжечь паяльной лампой ворс на ее поверхности
и устранить продуваемость с помощью специальных пропиток и последующего проглаживания
паруса горячим утюгом. Как правило, используются пропитки на восковой основе
с различными мягчителями. Конкретный состав пропитки для конкретной ткани подбирают
опытным путем. Кусок ткани пропитывают, сушат, гладят, выставляют на несколько
дней на солнце, трут его, мнут, мочат, сушат, а уже потом судят о возможности
и целесообразности применения данной пропитки.
Другие способы повышения К парусов. Значительно снизить качество паруса могут
мелкие, но многочисленные дефекты его поверхности — незаглаженные швы, торчащие
лат-карманы, пришитые, а не нарисованные личные номера, которые присваиваются
владельцам судов тур-клубами, семейства мелких морщинок. Эти дефекты устраняются
аккуратным изготовлением паруса и последующим его вьгхаживанием. Радикальный
метод повышения гладкости поверхности паруса — изготовление его двухслойным,
т. е. из двух одинаковых полотнищ. В таком парусе все выступающие детали — швы,
лат-карманы, боуты — помещаются внутри полотнищ.
Значительно повышает лобовое сопротивление паруса его рангоут. Мачты, гики,
рейки, гафели сами являются плохо обтекаемыми телами и, кроме того, нарушают
правильное обтекание паруса потоком воздуха. Для снижения лобового сопротивления
все детали рангоута стремятся помещать в широкие карманы-обтекатели.
Развитый стоячий такелаж тоже может существенно увеличить сопротивление яхты.
Общая площадь сечения вант, штагов, ромбовант невелика (порядка 0,15 м2), но,
если такелаж недостаточно обтянут и вибрирует, его эффективная площадь может
возрасти в 6 раз, что будет уже существенной потерей. Из-за малой жесткости
разборных парусников на них трудно хорошо набить стоячий такелаж, поэтому надо
стремиться к снижению длины и количества снастей, поддерживающих мачту. Дополнительное
преимущество простых вооружений — их надежность в работе и малое время сборки-разборки.
Особое место занимает сопротивление фалов, проходящих вдоль мачты. Они снижают
К грота в основном за счет завихрения потока, атакующего его переднюю шка-торину.
Чтобы избежать этого, фалы проводят внутри мачтовых карманов-обтекателей.
Выше, рассматривая эффективность работы парусов, мы подразумевали, что паруса
при рабочих нагрузках по всей своей площади сохраняют заданными угол атаки и
пузо. В частности, поляры, приведенные на рис. 18, определены именно для жестких
парусов, сделанных из жести. Реальные паруса из ткани, поставленные на не абсолютно
жесткий рангоут, под действием ветровой нагрузки всегда больше или меньше изменяют
свою форму — скручиваются винтом, увеличивают пузо, отдельные их участки заполаскивают.
Чем выше формоустойчивость, жесткость паруса, тем при ветрах большей силы он
может сохранять форму крыла и хорошо работать. И наоборот, чем мягче парус,
тем быстрее ветер при своем усилении превратит его из крыла в бесформенную конструкцию,
не способную тянуть яхту на острых курсах.
В дальнейшем под степенью жесткости паруса, или просто под его жесткостью, будем
понимать способность паруса сохранять заданными форму, угол атаки и величину
пуза по всей своей площади и во всем диапазоне расчетных для даннного паруса
ветров.
Влияние жесткости паруса на его лавировочные характеристики. Количественно оценим
потерю тяги паруса на острых курсах лишь от одного вредного фактора — его скручивания
винтом под действием ветра. При этом речь идет не о полезной аэродинамической
закрутке верхней части паруса, а именно о скручивании на 20—30° и больше, которое
можно наблюдать на парусах туристских яхт, особенно если они сделаны из хлопчатобумажных
тканей.
Рис 27 Влияние скручивания паруса на его характеристики (угол скручивания
30°): Тж — тяга жесткого паруса (при Су = 1,5 и К == 6,5); Гм — тяга скрученного
паруса (при Су = 11,9 и К = 2,62).
Возьмем парус с пузом 10% (рис. 27). Чтобы его поляра соответствовала поляре
жесткого паруса (см. рис. 18,III), сделаем его двухслойным, устранив тем самым
вредное влияние мачты на его работу. В качестве парусины используем аэродинамически
совершенно гладкую лавсановую пленку. Уберем на парусе все мелкие морщинки и
другие нарушения его формы. Допустим, что этот потенциально очень эффективный
парус во время работы скручивается так, что средние углы атаки каждого из его
пяти участков равной площади отличаются от соседних на 7,5°. По поляре жесткого
паруса найдем направления и величины аэродинамических сил, развиваемых каждым
из его участков, сложим их и получим суммарную аэродинамическую силу скрученного
(мягкого) паруса — Ам. Спроецировав ее на курс яхты, найдем тягу по курсу мягкого
паруса — Тм. Сравнивая эту тягу с тягой жесткого паруса, который всей своей
площадью работает под оптимальным углом атаки, убедимся, что жесткий парус тянет
в 1,75 раза лучше мягкого. А если учесть влияние аэродинамического сопротивления
корпуса и экипажа яхты, то при S = 4,5 м2 и .Sк = 1,5 м2 тяга по курсу мягкого
паруса будет в 2,6 раза меньше, чем жесткого. Из этого следует, что несмотря
на принятые радикальные меры для повышения К паруса, мягкий парус из-за своего
скручивания будет работать неудовлетворительно.
Если учесть, что мягкие паруса при усилении ветра не только скручиваются, но
и увеличивают свое пузо (на больших стакселях, поставленных на слабо набитые
штаги, оно достигает 20—30%), то станет ясно—уверенно лавировать можно только
на достаточно жестких парусах. Это обязательное условие.
Определение необходимой степени жесткости паруса. С увеличением жесткости парусов
растет диапазон ветров, при которых их можно использовать, и повьциается безопасность
плаваний, но повышение жесткости всегда ведет к увеличению веса парусного вооружения,
на что туристы идут неохотно. Поэтому надо придерживаться принципа — жесткость
каждого конкретного паруса должна быть достаточной лишь для ветра такой силы,
на которую он рассчитан.
Например, при слабых ветрах сохраняют форму крыла и хорошо работают все паруса,
в том числе и большие стаксели на слабо набитых штагах. Следовательно, вспомогательные
стаксели, которые используются только на слабых ветрах, незачем делать особо
жесткими. При усилении ветра их просто убирают.
Жесткость рабочих стакселей должна быть такой, чтобы они сохраняли свою форму
при ветрах до 8—10 м/сек. Всепогоднь е гроты, которые несут в любой ветер и
даже при шквалах, делают максимально жесткими, ибо в подобных условиях степень
жесткости грота во многом определяет безопасность плавания.
Именно по этому принципу сделано парусное вооружение катамарана “Аргонавт” (прототип
промышленного катамарана “Альбатрос”). Для обеспечения безопасности плавания
он вооружен небольшим очень жестким гротом, рассчитанным на нормальную работу
при ветрах, во время которых туристы еще выходят на воду, и большим вспомогательным
стакселем, который при усилении ветра до 6 м/сек убирают. Поскольку такому стакселю
не нужна высокая жесткость, он сделан облегченным, мягкой конструкции, без увеличения
продольной жесткости корпуса и прочности мачты.
На практике степень жесткости конкретного паруса определяют опытным путем при
расчетных ветрах. Для этого судно вытаскивают на берег, выбирая шкот, устанавливают
парус под рабочими углами атаки и визуально оценивают степень искажения его
формы. Жесткость парусов, имеющих автономно работающие силовые каркасы, можно
прикинуть еще в процессе их изготовления, для чего парус ставят на рангоут,
располагают его горизонтально и, двигая нок гика вверх-вниз с разной скоростью,
имитируют действие на парус ветра разной силы.
Управляемость парусов. С жесткостью паруса тесно связано другое его важное свойство
— управляемость, под которой в дальнейшем будем понимать возможность, по желанию
рулевого, точно и в широких пределах изменять развиваемые парусом силы.
О достижении максимальной тяги по курсу было сказано выше. Чем жестче парус,
тем проще, немного подбирая и потравливая шкот и ориентируясь по ходу яхты,
найти оптимальный угол установки паруса относительно ветра на каком-либо конкретном
курсе. Чем выше жесткость паруса, тем четче он реагирует на движение шкотом.
Это наглядно видно из сравнения поляр, показанных на рис. 17 и рис.18.
В других случаях часто возникает необходимость заставить парус работать с пониженной
тягой, чтобы он не сломал или не опрокинул яхту. При усилении ветра в 2—3 раза
аэродинамическая сила паруса возрастает в квадратичной зависимости, т. е. в
4—9 (!) раз. Разборные парусники в отличие от больших яхт открытого моря строятся
с небольшими запасами прочности и остойчивости (только в этом случае их удается
делать легкими), и они не могут выдержать такого увеличения аэродинамических
сил. Следовательно, парус должен иметь возможность работать вполсилы, треть
силы и т. д. Чем шире возможности изменения силы паруса, тем при большем диапазоне
ветров его можно использовать (рис. 28).
Жесткие паруса обладают хорошей управляемостью. Даже при очень сильных ветрах,
уменьшая угол атаки паруса и его пузо, рулевой может поддерживать на нем
Рис. 28. Расширение диапазона ветров, при которых парус остается безопасным,
в зависимости от возможного уменьшения развиваемой им аэродинамической силы
(п == 1 — Vв до 6 м/сек; п = 2 — Vв до 8,4 м/сек; п=3 — Vв до 10,4 м/сек; п=4—Vв,
до 12 м/сек).
именно такую силу, которую он сочтет безопасной и, что не менее важно, достаточной
для продвижения по курсу (как правило, к берегу).
Если парус имеет высокую управляемость, яхта перестает бояться неожиданных шквалов
на острых курсах. Как только ветер ударит в парус, рулевой, потравив шкот на
необходимую величину, может сохранить его тягу на безопасном уровне. Ясно, что
никакими другими способами уменьшить за 1 сек. тягу паруса во много раз не удастся.
При очень сильных шквалах пузо жестких парусов уменьшают почти до нуля и несут
их под углом атаки лишь в несколько градусов, лишь бы судно сохраняло небольшой
ход вперед.
Мягкие паруса плохо управляемы. При потравливании шкота аэродинамическая сила
паруса уменьшается медленно (см. поляру на рис. 17), ибо значительная площадь
паруса продолжает работать под большими углами атаки и, как правило, с большим
пузом. При дальнейшем потравливании шкота верхняя часть паруса начинает заполаскивать,
т. е. выпадает из работы по созданию подъемной силы, но создает большую силу
лобового сопротивления. При этом К паруса и его тяга на острых курсах скачком
падают, а общая аэродинамическая сила, стремящаяся опрокинуть или разрушить
яхту, остается значительной. Это затрудняет использование мягких парусов при
средних и сильных ветрах.
На шквалах яхты с мягкими парусами становятся беспомощными — часто опрокидываются,
ломаются, при отжимном ветре не могут самостоятельно достигнуть берега, т. е.
попадают в положение терпящих бедствие. В частности, на парусно-туристских соревнованиях
при свежих ветрах неоднократно приходилось возвращать в лагерь на буксире тримараны
с модным одно время стаксельным вооружением.
Диапазон возможного уменьшения аэродинамических сил конкретного паруса определяют
опытным путем, на берегу, в сильный ветер. При этом минимальную силу замеряют,
когда парус еще сохраняет форму крыла, не полощет и способен тянуть яхту против
ветра.
Способы повышения жесткости парусов. Прежде всего разберемся, чем обусловливается
устойчивость формы паруса. На рис. 29 видно, что задняя шкаторина грота под
действием ветровой нагрузки стремится прогнуться под ветер и приблизиться к
мачте, что соответственно вызывает скручивание паруса и увеличение его пуза.
Таким образом, увеличение жесткости паруса из нетянущейся парусины можно свести
к обеспечению стабильности формы его шкаторин и их положения относительно друг
друга.
Конструктивными методами можно обеспечить жесткость любых парусов, в том числе
бермудских гротов и больших стакселей. Чтобы эти методы стали понятнее, рассмотрим
парус как комплексную систему, состоящую из каркаса — силовой рамы паруса —
и мягкой парусины. Если силовая рама достаточно жесткая, не деформируемая, то,
закрепив на ней нетянущуюся парусину и придав ей при раскрое желаемую форму,
в нашем случае форму крыла, можно ожидать, что парусина сохранит ее при всех
реальных ветрах.
В предельном случае силовую раму треугольного грота можно сделать из трех соединенных
между собой прочных труб — мачты, гика и трубы по задней шкаторине. Треугольная
рама из труб практически не скручивается. Парусина, опирающаяся на три жестко
зафиксированные от-
Рис. 29. Изменение формы мягкого паруса при ветре: а — слабом; б — сильном;
в — расстояние, на которое задняя шкаторина приблизилась к мачте; j— угол скручивания
паруса.
Рис. 30. Искажение формы паруса из-за недостаточной жесткости рангоута:
1 — морщины; 2 — увеличение пуза из-за прогиба задней шкаторины.
носительно друг друга опоры, не может самопроизвольно прогибаться и искажать
форму пуза. Такой парус по своим характеристикам приближается к настоящему крылу
асимметричного профиля.
Однако установка трубы по задней шкаторине связана с рядом неудобств, и ее не
ставят, а туго натягивают саму парусину вдоль задних шкаторин гротов. На самодельных
парусах из низкокачественной хлопчатобумажной парусины, которая не может выдержать
требуемых нагрузок, приходится вводить дополнительный силовой элемент — булинь
задней шкаторины из нетянущегося троса. Чем сильнее натянут трос, тем труднее
ветру прогнуть его к мачте и вперед, тем стабильнее будет форма паруса. На реальных
парусах булини задних шкаторин натягивают с силой 30—50 н (3—5 кгс) на 1 погонный
метр их длины.
Рассмотрим конкретные требования к парусному вооружению, выполнение которых
позволяет обеспечить необходимое натяжение задних шкаторин, и некоторые дополнительные
способы повышения жесткости паруса.
1. Обеспечение жесткости рангоута. Это обязательное условие обеспечения требуемого
натяжения задней шкаторины. Действительно, если рангоут будет гибким, то при
возрастании давления ветра на парус нок гика и топ мачты пойдут навстречу друг
другу, как показано на рис. 30, и задняя шкаторина прогнется. Жесткость рангоута
увеличивают, делая его из труб большого диаметра (с ростом диаметра жесткость
трубы растет в кубической зависимости, а с ростом толщины стенки — в линейной)
или подкрепляя мачту краспицами и ромбовантами, превращая ее тем самым в объемную
ферму.
2. Предварительный изгиб деталей рангоута. Гики и мачты без ромбовант, даже
сделанные из толстых труб, все же остаются гибкими. Под нагрузкой они хотя и
немного, но прогнутся, что ведет к прогибу задней шкаторины и перекосу паруса
(см. рис. 30). Чтобы избежать этого, детали рангоута предварительно изгибают
в пределах их упругих деформаций булинями задних шкаторин или другими снастями
и уже по этой форме рангоута кроят парус. Детали рангоута изгибают до величины,
до которой они сами бы прогнулись под действием максимального расчетного для
данного паруса ветра. Этим простым способом удается ликвидировать все люфты
в узлах соединения колен разборной мачты и секций "гика.
3. Повышение эффективности оттяжки гика. При шарнирном креплении гика к мачте
натяжение задней шкаторины прямо определяется натяжением оттяжки гика. Для повышения
эффективности работы оттяжки в ее конструкцию вводят тали и увеличивают расстояние
между пяткой гика и точкой крепления к мачте нижнего конца оттяжки. Чем больше
это расстояние, тем меньшие силы развиваются в системе мачта — гик — оттяжка
при определенном натяжении задней шкаторины грота, тем более легким можно делать
рангоут.
4. Уменьшение действующей длины задней шкаторины. Чем короче задняя шкаторина
грота, тем с меньшей силой ее надо натягивать, тем менее мощным можно делать
рангоут. Существуют искусственные методы уменьшения действующей длины задней
шкаторины. Например, на парусе Е. Кузнецова (см. рис. 41) она разделена гиком
на две самостоятельные короткие части — верхнюю и нижнюю.
5. Применение парусов с горбами, подкрепленными короткими латами. Короткие
латы не только выгодно уплощают заднюю часть паруса, но и уменьшают фактическое
скручивание его средней части. На рис. 31 видно, что хорда средней части такого
паруса почти совпадает по направлению с гиком, хотя сам парус скрученный. Его
верхняя часть все же отваливается под ветер и работает на пониженных углах атаки,
но с этим можно мириться, ибо потеря подъемной силы в верхней части паруса в
значительной
Рис. 31. Уменьшение угла скручивания паруса с помощью коротких лат, поддерживающих
задний горб паруса:
1 — сквозная лата; 2 — короткая лата; 3 линия, соединяющая шкотовый и фаловый
углы.
степени компенсируется уменьшением его индуктивного сопротивления. Чтобы исключить
быстрое за-поласкивание верхней части грота при потравливании шкота, ее подкрепляют
довольно Жесткой сквозной латой. По этому принципу сделаны паруса многих гоночных
яхт. Так же был сделан эффективный бермудский грот для байдарок и “Мев”, разработанный
Г. Сариным из Николаева и ленинградцем Р. Пирским.
