Управляемость и путевая устойчивость парусных судов

Под центровкой парусного судна понимается уравновешенность действующих на него в горизонтальной плоскости моментов аэродинамической и гидродинамической сил , 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 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 в два раза больше чем у заднего . Полная сила дрейфа приложена на одной трети расстояния между парусами; она компенсируется силой бокового сопротивления , которая при соответствующей постановке шверт-рулей приложена в той же точке по длине судна.

Если проа увалит под ветер, то угол вымпельного ветра возрастет на величину , на ту же величину 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 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 , 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 , 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 на судне не имеющем руля паруса. 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.

Литература

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

Часть 3. Мы и море

Ну и ну!

Адмирал держал речь:

-Один сукин сын, суперкапитан , (в зале: Хи-хи!) прошел на надувнушке Тихий океан и обогнул мыс Горн. Но мы не будем обращать внимания на такие эксцессы (в зале гул одобрения). Положение нашей секции крепко как никогда. Вот только промышленность накидала “Янтарей” и начала делать “Альбатросы”. На Пироговке стали киляться “чайники”. В ГИМСе бардак, того и гляди “чайники попрут к нам (гул неодобрения в адрес “чайников”).

-Для нас главное – порядок. За бузотерство на Парусном берегу бюро пожизненно дисквалифицировало Кольку Лохматого (гул одобрения в адрес бюро и неодобрения в адрес Кольки Лохматого). А еще мы выпустили инструктивный материал по безопасности плавания на туристских парусных судах. 5000 экземпляров рассылаются по всей стране. (В брошюрке изображена “Мева”, на которую через борт с помощью паруса и шкотовой лебедки втаскивают утопленника. “Мева” не шелохнется, словно ее приколотили к дну гвоздями).

Но самый главный для нас вопрос – благоустройство на Парусном берегу. Нам необходим сортир…извините, туалет. (В зале оживление. Собрание два часа обсуждает проблему данного удобства: где его делать, из чего делать, как варить каркас, сколько платить левакам и как транспортировать. Кандидат архитектуры демонстрирует план благоустройства Парусного берега, на котором “дорога жизни” ведет туда куда надо. Переизбирается бюро с наказом окончательно решить эту проблему. Для разнообразия дамы предлагают устроитьеще и парусный бал).

От автора

Виноват, слегка преувеличил: упоминался не мыс Горн, а Каспий. Остальное списано с натуры. Три часа шло отчетно-перевыборное собрание N-ской парусной секции, и ни разу не произнесли слов “парусный туризм”. Зато вопрос об удобствах обсудили досконально. Поскольку в новый состав бюро попали и наши люди, пожелаем им успеха в решении этой жгучей проблемы.

Но я, правда, никак не возьму в толк, почему сортир важнее мыса Горн.