Форма паруса и контроль за нею.

Поперечный профиль паруса. Основным фактором, влияющим на величину аэродинамических сил на парусе и его тяговые характеристики, является его профиль, т. е. форма и размеры "пуза".

На рис. 26 представлены поляры четырех жестких моделей бермудских парусов, имеющих аэродинамическое удлинение =4 и расстояние максимальной глубины "пуза" от передней шкаторины, равное 1/3 хорды. От реальных парусов модели отличались еще отсутствием угла скручивания и постоянством относительной глубины "пуза" по высоте.

На полярах (рис. 26) видно, что с уменьшением глубины "пуза" качество паруса возрастает благодаря снижению коэффициента лобового сопротивления (показано горизонтальной стрелкой). Максимальная подъемная сила паруса, наоборот, увеличивается по мере увеличения глубины "пуза" (показано наклонной стрелкой).

Посмотрим теперь, каким образом могут быть реализованы качества парусов в зависимости от их профиля. Предположим, что яхта идет курсом бейдевинд под углом = 30° к направлению вымпельного ветра. Очевидно, наибольшую тягу даст тот парус, касательная к поляре которого - перпендикуляр к линии пути яхты (см. рис. 24) будет отстоять от точки 0 дальше подобных же касательных к другим полярам. В данном случае наибольшую тягу имеет парус с относительной глубиной "пуза" f/b=1/10. Однако нетрудно заметить, что выигрыш в тяге этого паруса будет минимальным по сравнению с более плоским парусом, имеющим f/b = 1/15. В то же время, более "пузатый" парус (f/b = 1/10) дает значительно большую поперечную силу дрейфа, чем парус с f/b = 1/15. Поэтому небольшое преимущество более "пузатого" паруса может быть реализовано на лавировке только в слабый ветер, когда абсолютная величина силы дрейфа будет невелика. В свежий ветер плавание с таким парусом сопровождается большим креном и соответственно дополнительным сопротивлением движению, так что в конечном счете выигрыша в скорости не получится.

Еще более "пузатые" паруса f/b=1/5 и 1/4 на курсе бейдевинд не только не дают увеличения силы тяги, но и отличаются намного большей величиной силы дрейфа. Однако более высокий коэффициент подъемной силы "пузатых" парусов может быть реализован на других, более полных, курсах по отношению к ветру: например, на курсе галфвинд, когда подъемная сила дает наибольшую составляющую на направление движения (см. рис. 24, б). В практике морских гонок это качество "пузатых" парусов используется благодаря смене на полных курсах лавировочных передних парусов на дрифтергеную, блупер или спинакер.

Следует заметить, что преимущества "пузатых" парусов могут быть использованы в основном при слабых ветрах, когда скорость яхты прямо пропорциональна силе тяги. В сильные ветра, когда яхта развивает свою предельную скорость под обычными лавировочными парусами и дальнейшее повышение тяги практически не увеличивает скорость, постановка "пузатых" парусов не дает эффекта. Более того, большая сила дрейфа "пузатого" паруса обусловливает больший крен и дрейф и соответствующее повышение сопротивления воды движению яхты.

В качестве основных (лавировочных) парусов для среднего ветра (2-4 балла) применяют паруса с "пузом" f/b=9-10%. Для слабого ветра выгодны более "пузатые" паруса - f/b до 12%, а при ветре более 5 баллов - паруса с "пузом" не более 6% (f/b=1/17 -1/25).

В гонках яхтсмены широко пользуются различными способами регулирования величины "пуза" парусов в зависимости от силы ветра. Особенно это относится к настройке грота, так как по правилам IOR замена его во время гонок не допускается, а ветровые условия могут изменяться в довольно широких пределах. Основными средствами регулирования "пуза" грота являются продольный изгиб мачты, натяжение шкаторин (оттяжка Кэнингхэма и грота-шкот), уплощающий риф, натяжение гика-шкота и положение его блока на погоне по ширине яхты, оттяжка гика. Продольный изгиб мачты позволяет контролировать две верхние трети паруса, в то время как другие средства эффективны при изменении профиля у гика.

В слабый ветер, когда важно иметь грот наиболее "пузатым", мачта должна быть прямой, грота-шкот и оттяжку гика выбирают не до конца, оттяжка Кэнингхэма растравлена. Блок на погоне гика-шкота перемещают от ДП в сторону наветренного борта; гика-шкот втугую не выбирают.

Для увеличения "пуза" стакселя или генуи блок (кипу) стаксель-шкота перемещают вперед и ближе к ДП яхты. При этом "пузо" перемещается вперед, натяжение задней шкаторины ослабляется, зазор между гротом и стакселем увеличивается.

С усилением ветра мачте придают изгиб с выпуклостью, направленной вперед, увеличивая натяжение ахтерштага (при оснастке типа 3/4 или 7/8) или регулируя натяжение промежуточного штага и бакштагов (при топовой оснастке). Благодаря этому излишек паруса убирается в образовавшийся серп у передней шкаторины, "пузо" становится меньше и перемещается ближе к мачте. Оттяжку Кэнингхэма, грота-шкот и оттяжку гика выбираю втугую; блок гика-шкота смещают по погону на подветренный борт. Шкоты выбирают более туго, чем в слабый ветер. При необходимости сделать парус еще более плоским в нижней части берут уплощающий риф, используя люверсы, расположенные вблизи гика.

Профиль генуи может быть сделан более плоским при передвижении блока стаксель-шкота назад и к борту большем натяжении передней шкаторины. Значительное влияние на профиль передних парусов оказывает натяжение штага: для того чтобы парус стал более плоским, необходимо по возможности ликвидировать прогиб штага.

Большое влияние на тяговые характеристики паруса кроме величины "пуза" оказывает место положения максимальной выпуклости от передней шкаторины. На рис. 27 показано распределение разрежения на подветренной стороне жесткой модели паруса с относительной величиной "пуза" f/b =0,188 при отстоянии максимального "пуза" на 40 и 60% хорды от передней кромки и при угле атаки a = 15° (характерный "провал" на эпюре давления являйся следствием развитого вихревого пузыря - см. рис. 21). Как видим, в создании движущей силы главную роль играет передняя часть паруса, где концентрируется разрежение у паруса с "пузом", расположенным на 40% хорды от передней шкаторины. Когда же "пузо" смещено к задней шкаторине, область разрежения охватывает и заднюю часть профиля, вследствие чего увеличивается составляющая R, направленная против движения яхты. Таким образом, при смещении "пуза" к задней шкаторине эффективность паруса снижается как в результате падения подъемной силы в передней части паруса, так и в результате роста сил сопротивления, тормозящих ход судна.

Лавировочные паруса шьют с максимальной глубиной "пуза", расположенной от передней шкаторины на расстоянии от 35-40% ширины паруса b для плоских парусов, до 40-50% b для более полных.

Во всех поперечных сечениях максимальная глубина "пуза" должна находиться в указанных пределах. Поэтому по мере увеличения ширины паруса по направлению к гику соответственно увеличивается и абсолютная величина "пуза". У гика на обезветренном парусе "пузо" образует "мешочек", который в сильный ветер можно убрать в скатку уплощающего рифа.

Форма паруса.С точки зрения аэродинамики крыла наиболее выгодным был бы парус с эллипсовидной верхней частью. Именно в его верхней части образуются потоки воздуха, перетекающего с наветренной стороны на подветренную - в область разрежения. В результате возникают вихри, срывающиеся с кромки паруса и уходящие в пространство. Эти возмущения требуют затрат кинетической энергии ветра, которые выражаются в росте общего аэродинамического сопротивления судна в виде составляющей индуктивного сопротивления.

Очевидно, что наибольшим индуктивным сопротивлением обладает четырехугольный гафельный парус, у которого перетекание воздуха происходит по верхней и нижней широким кромкам. Поэтому коэффициент подъемной силы здесь резко падает (см. рис. 8).

У паруса с эллипсовидной верхней частью величина подъемной силы из-за плавного уменьшения площади паруса у верхнего конца также плавно убывает. Благодаря этому плавно убывает и интенсивность перетекания воздуха через кромки, не происходит местного изменения угла атаки и коэффициента подъемной силы.

Попытка приблизить форму паруса к эллипсовидной при существующих ограничениях ширины фаловой доски и эластичности мачты была сделана, например, на английском двенадцатиметровике "Лайонхат" - претенденте на Кубок Америки 1980 г.: верхняя часть мачты на нем была сильно изогнута. Испытания в аэродинамической трубе показали, что грот с гнутой мачтой дает примерно 10-30% увеличения движущей силы по сравнению с обычным бермудским парусом или увеличение скорости лавировки на ветер порядка 4%.

У треугольного паруса основная площадь и, следовательно, нагрузка сосредоточены в нижней трети. По мере приближения к фаловому углу площадь и подъемная сила убывают, что сопровождается соответствующим уменьшением скорости и фактического угла атаки паруса к набегающему потоку. Близ фалового угла также усиливается отрицательный эффект мачты поскольку размеры ее сечения увеличиваются относительно хорды паруса. Эксперименты показали, что если срезать бермудский парус на 15% высоты от вершины, то практически его тяга не уменьшится.

Существенное влияние на характеристики паруса оказывает аэродинамическое удлинение паруса (отношение длины передней шкаторины) к его средней хорде, измеренной на половине высоты, или отношение квадрата высоты паруса и его площади.

На рис. 28 представлены поляры трех парусов различного удлинения - от = 1 до 6, имеющих одинаковое "пузо" f/b=7,4%. Сравнивая поляры можно заметить, что при угле атаки a = 10° наивысшую аэродинамическу силу дает парус с максимальным удлинением = 6. Этот же парус имеет наивыгоднейшее направление аэродинамической силы для получения максимальной тяги на курсе бейдевинд.

Аэродинамическая сила на парус имеющем = 6 достигает максимум при a = 15°, затем падает. При угле атаки около 35°, т. е. на полных курсах, заметное преимущество получай более широкие паруса, имеющие = 1. Таким образом, можно сделать вывод, что парус с большим удлинением при переходе яхты на полный курс становится менее выгодным. На курсе полный бакштаг, например, более быстроходной может оказаться яхта, ocнащенная широкими гафельными парусами с удлинением около 1. Вот почему несмотря на общепризнанное преимущество бермудских парусов, гафельные паруса довольно часто применяют на моторно-парусных яхтах, у которых паруса используются преимущественно при сильных ветрах и на попутных курсах.

У большинства современных яхт лавировочные паруса имеют отношение длин шкаторин от 3 до 5; паруса для полных курсов - дрифтеры, блуперы и спинакеры шьют с соотношением шкаторин, близким к 1.

Пределом для использования парусов большого удлинения является ограниченная остойчивость яхт, не позволяющая чрезмерно повышать положение ЦП. Более высокая парусность требует также рангоута большего сечения, что приводит к распространению влияния мачты на большую часть площади грота.

Взаимодействие парусов.

Мы рассматривали особенности - аэродинамики одиночного паруса как крыла с тонким поперечным профилем. Большинство яхт, однако, оснащены по крайней мере двумя парусами - гротом и стакселем. Поскольку оба паруса расположены в непосредственной близости друг от друга и обтекаются одним потоком воздуха, то естественно предположить наличие их взаимного влияния.

До недавнего времени среди яхтсменов пользовалась популярностью теория Вентури, заимствованная из авиации. Согласно этой теории, основным назначением стакселя считалось создание щели - сопла между стакселем и гротом, входя в которую, поток воздуха увеличивает свою скорость, способствуя тем самым понижению давления на подветренной стороне грота, особенно в районе, где паруса перерывают друг друга. В результате должна увеличиваться аэродинамическая сила на гроте.

В настоящее время взаимодействие парусов рассматривается на основании вихревой теории крыла - исходя из наличия циркуляции вокруг обоих парусов (рис. 29). Основная роль в паре грот - стаксель принадлежит стакселю. Бесспорно, что воздух, протекающий в щели между гротом и стакселем, имеет повышенную скорость. Однако это прежде всего сказывается на скорости потока, обтекающего подветренную сторону стакселя. Частицы воздуха, вырываясь из щели, увлекают с собой воздух с подветренной стороны стакселя подобно эжектору. Соответственно ускоряется поток вдоль всей подветренной поверхности стакселя, увеличивается циркуляция вокруг его профиля и возрастает аэродинамическая сила. И что еще важно - парус может работать без срыва потока на больших углах атаки.

Вызванная скорость (поперечная составляющая вследствие циркуляции) у передней шкаторины грота увеличивает угол атаки, под которым поток натекает на стаксель. Благодаря этому аэродинамическая сила растет и отклоняется вперед - на более выгодный угол. На курсе бейдевинд, к слову сказать, большой генуэзский стаксель дает на 30% большую движущую силу, чем грот, и на 45% меньшую силу дрейфа.

Грот работает в области потока, отклоняемого вызванными скоростями у задней шкаторины стакселя. Это приводит к уменьшению угла атаки грота. Однако воздух, отраженный от стакселя, как бы прилипает к подветренной поверхности грота, благодаря чему предотвращается отрыв от нее пограничного слоя.

Стаксель влияет и на положение критической точки: она перемещается с наветренной стороны мачты ближе к ее передней кромке. В результате уменьшается скорость потока с подветренной стороны грота и сильно снижается пик разрежения у передней шкаторины. Поэтому тенденция к отрыву пограничного слоя и образованию завихрений на гроте ослабевает, парус более эффективно работает на больших углах атаки, чем без стакселя. Скорее этим, а не ускорением потока в щели между гротом и стакселем, по теории Вентури, можно объяснить положительное действие стакселя на работу грота.

Чем больше выбирают стаксель, тем меньше становится разность давлений на подветренной и наветренной сторонах грота. Когда они сравняются, выпуклая форма паруса уже не может поддерживаться - парус заполаскивает. Поскольку стаксель более эффективен, чем грот, и дает меньшую кренящую силу, то экипажи крейсерско-гоночных яхт уделяют большое внимание подбору стакселей для различных курсов и силы ветра. В гонках при усилении ветра целесообразно уменьшат площадь парусности рифлением грота продолжая по возможности нести стаксель. На отдельных порывах крен можно уменьшать, потравливая грот.

Поскольку Правила обмера I0R прямо не ограничивают длину нижней шкаторины стакселей, то обычно стараются шить их с максимальным перекроем (заходом стакселя за мачту). Существуют, однако, вполне определенные пределы перекроя, далее которых парус теряет свою эффективность и начинает отрицательно влиять на работу грота.

Прежде всего это обеспечение оптимального угла установки стакселя относительно ДП яхты, который равен для лавировки 12-18°. Это труднодостижимо при большой длине нижней шкаторины стакселя и сравнительно небольшой ширине палубы яхты. Как правило, кипы стаксель-шкотов удается разместить при несколько меньших углах установки паруса - 9-12°. По этому при слишком "пузатом" стакселе возможен сток потока воздуха с него на переднюю шкаторину грота и заполаскивание ее по всей высоте. Кроме того, возможно сильное скручивание стакселя: в верхней части ветер будет выдувать из паруса и он перестанет работать.

Для регулирования положения кип стаксель-шкотов в зависимости от величины стакселя и курса относительно ветра используют специальный фальшборт из металлического угло-бульбового профиля с большим числом отверстий или крепят кипы на передвижных ползунах, скользящих по прочному палубному рельсу. При настройке стакселя стараются получить равномерный зазор между гротом и стакселем по всей высоте и "пузо" стакселя, смещенное к передней шкаторине. При перемещении кипы вперед тяга шкота сильнее натягивает заднюю шкаторину. В результате "пузо" увеличивается по всей площади, парус меньше скручивается, но возможно заворачивание задней шкаторины на ветер. При перемещении кипы назад, увеличивается натяжение нижней шкаторины; натяжение задней шкаторины будет недостаточным, парус сильно скрутится и может заполаскивать в верхней части. Иногда полезно применить дополнительную снасть - оттяжку шкота (рис. 30) для осаживания задней шкаторины. Выбрав втугую парус по нижней шкаторине за шкот, с помощью оттяжки добиваются нужного натяжения задней шкаторины и положения "пуза" по ширине паруса, устраняют сильное скручивание. Правильно отрегулированный стаксель должен давать поток воздуха, направленный по касательной к поверхности грота и при приведении яхты заполаскивать сразу по всей высоте. Хорошую службу при настройке могут оказать индикаторы (см. рис. 22-23).

Большое влияние на полноту стакселя оказывает прогиб штага. Чем сильнее при усилении ветра прогибается штаг, тем больше становится "пузо" паруса и он начинает задувать на грот. В известной мере прогиб компенсируется специальным раскроем стакселя с выпуклостью в нижней части передней шкаторины и вогнутостью (отрицательным серпом) в верхней. Многие яхты за рубежом снабжают мощными гидравлическими, винтовыми устройствами или талями для увеличения натяжения ахтерштага и даже наклона мачты назад.

Лобовое сопротивление яхты.

Влияние лобового (воздушного) сопротивления яхты на ее ходовые качества исключительно велико. На курсе бейдевинд при ветре 4 балла на преодоление воздушного сопротивления яхты затрачивается около одной трети силы тяги, развиваемой парусами. Поэтому снижение лобового сопротивления так же важно, как и снижение сопротивления воды.

В общем балансе воздушного сопротивления на долю парусов и рангоута приходится 70-78%, такелажа - 3-5%, корпуса- 15-18%, экипажа- 4-6%. Поскольку основную роль играют паруса и рангоут, рассмотрим причины, обусловливающие появление на них сил сопротивления.

Воздушное сопротивление, как и сопротивление воды, считают возможным разделить на несколько компонентов. Для парусов их два: индуктивное сопротивление и сопротивление формы (или профильное). Как мы уже говорили, индуктивное сопротивление является неизбежным следствием действия на парусе аэродинамической подъемной силы. По мере роста скорости вымпельного ветра и соответственно величины подъемной силы растет и величина индуктивного сопротивления. В средний ветер в области оптимальных углов атаки паруса (a = 5-15°) индуктивное сопротивление существенно выше сопротивления формы. Проявляется оно в виде двух вихревых дорожек, стекающих с нижней шкаторины и близ фалового угла паруса.

Основные факторы, влияющие на индуктивное сопротивление,- аэродинамическое удлинение и форма парусов, угол скручивания и распределение "пуза" по высоте паруса. Чем больше удлинение паруса (т.е. чем меньше относительно высоты паруса длина нижней шкаторины и верхней части паруса, через которые происходит перетекание воздуха из зоны повышенного давления на сторону разрежения), чем ближе к форме эллипса форма верхней части паруса, тем меньше индуктивное сопротивление. От угла скручивания и величины "пуза" в верхней части паруса зависит величина подъемной силы и ее распределение на этом участке. У треугольного бермудского паруса в верхней части желательно получить большую подъемную силу на единицу площади, чем на середине высоты мачты, потому что тогда характер распределения нагрузки приближается к эллиптическому крылу, имеющему минимальное индуктивное сопротивление. Вот почему в верхней части паруса часто выкраивают с несколько большим "пузом", а скручивание паруса допускается лишь на незначительные углы. Корпус яхты, в непосредственной близости от которого располагаются нижние шкаторины парусов, является своеобразной аэродинамической шайбой, в известной мере снижающей перетекание воздуха через нижние шкаторины.

Профильное сопротивление парусов, в свою очередь, можно разделить на сопротивление трения и давления. Сопротивление трения вызвано вязкими свойствами воздуха и подчиняется тем же законам, что и сопротивление трения воды, хотя коэффициент кинематической вязкости воздуха в 860 раз меньше, чем воды. Нормальным режимом обтекания парусов является турбулентный, при котором коэффициент сопротивления трения в большой степени зависит от степени гладкости поверхности. Более ворсистые и имеющие крупную текстуру хлопчатобумажные ткани обладают большим сопротивлением трения, чем лавсановые или дакроновые, особенно пропитанные смолой.

Сопротивление трения повышается при наличии на парусах большого количества швов, поперечных морщин складок, различных нашивок. Особенно важно иметь гладкую поверхность близ передней шкаторины паруса, где возможно ламинарное обтекание и где формируется поток вдоль подветренной стороны паруса. Наличие здесь морщин или нашивок способствует турбулизации потока и его отрыву от поверхности паруса, в результате чего падает подъемная сила.

Сопротивление давления зависит от формы поперечного сечения - профиля паруса и угла атаки его относительно вымпельного ветра. Очевидно, что сопротивление плоской пластины при нулевом угле атаки во флюгерном положении будет полностью обусловлено трением. По мере увеличения угла атаки появится дополнительное сопротивление, которое при расположении пластины перпендикулярно потоку будет максимальным и полностью представит собой сопротивление давлений. Если при a = 0° коэффициент сопротивления пластины Cх = 0,004 - 0,008, то при a = 90° Cх = 1,9. Это означает, что сопротивление давления может в 250-500 раз превышать сопротивление трения, однако влияние трения на режим обтекания паруса и его подъемную силу заставляет парусных мастеров экипаж яхты уделять качеству отделки парусов достаточно большое внимание.

Сопротивление давления паруса, имеющего "пузо", при малых углах атаки превышает сопротивление плоской пластины. Чем больше относительная величина "пуза" и чем дальше передней кромки оно располагается, тем больше профильное сопротивление. На его величине сильно сказываются искажения правильного профиля - складки, слишком туго набитые в карманах латы, свободно болтающаяся или, наоборот, слишком перебранная задняя шкаторина и т. п.

О вредном, но неизбежном влиянии мачты на тяговые характеристики паруса мы уже говорили. Кроме того, мачта сама по себе является далеко не идеально обтекаемым телом, обладает довольно значительным профильным сопротивлением, которое возрастает с увеличением скорости ветра. Немало случаев, когда в сильный попутный ветер яхта под одним рангоутом развивает достаточную скорость, чтобы слушаться руля.

Иное дело обтекатели штага, снабженные ликпазом, которые в последнее время все чаще находят применение на крейсерско-гоночных яхтах (см. рис. 46). Выполняемые обычно в виде хорошо обтекаемого алюминиевого или пластикового профиля с толщиной, равной 24-29% хорды, они примерно на 20% снижают профильное сопротивление стакселя и на 5% повышают его подъемную силу. Главный эффект состоит в оформлении и утолщении входящей кромки стакселя как аэродинамического профиля. Критическая точка (см. рис. 22) перемещается ближе к подветренной стороне обтекателя, благодаря чему пик разрежения вблизи передней шкаторины становится плавнее и достигается при несколько больших углах атаки. Кроме того, обтекатели способствуют уменьшению прогиба штага, отрицательно влияющего на профиль паруса.

В отличие от сопротивления парусa, создающего движущую силу, сопротивление мачты, краспиц, гика, стоячего и бегучего такелажа относят к так называемому паразитному сопротивлению. Оно занимает 10-12% общего воздушного сопротивления, поэтому сокращение длины и уменьшение диаметра всех тросов на яхтах очень важно. Мачты желательно "очистить" от большинства фалов и электропроводки, убрав их внутрь. По возможности внутри мачты следует расположить крепления стоячего такелажа и блоки фалов.