Критерии оценки остойчивости яхт.

Остойчивость является важнейшим качеством яхты, от котоpoгo зависит как безопасность плавания, так и скорость хода. При крене 15 — 20° и выше сопротивление воды у большинства яхт заметно возрастает. Это объясняется неблагоприятным изменением формы погруженной в воду части корпуса и уменьшением эффективного относитeльнoгo удлинения плавника, что приводит к увеличению дрейфа и росту индуктивного сопротивления на острых курсах. Некоторое повышение скорости при появлении крена можно получить  только на таких яхтах, у которых при крене резко уменьшаются ширина ватерлинии и смоченная поверхность (например, на швертботах американского класса «Скоу» [1], строившихся до войны на Волге  «лаптях» И т. п.).

Однако  снижение скорости при крене в основном зависит даже не столько от увеличения сопротивления сколько от уменьшения тяги парусного вооружения. Сила тяги парусного вооружения  F_X и кренящая сила F_yz (рис. 1) могут быть определены по формулам:

Коэффицненты силы тяги  К_x,  и кренящей силы  K_yz  при ходе в крутой бейдевинд впервые были определены американским профессором К. Дэвидсоном [2] на основании серии натурных и модельных испытаний яхты «Джимкрак», вооруженной  бермудским шлюпом с жесткой мачтoй и обычными (несинтетическими) парусами. Эти коэффициенты (тал.1. 1) за границей широко используются для различного рода расчетов.

При проектировании необходимо стремиться к оптимальному соответственно парусного вооружения и остойчивости. Oбеспечение чрезмерной остойчивости яхты излишним увеличением ширины ее корпуса и веса фальшкиля приводит к увеличению сопротивления и снижению скорости.  Недостаточная остойчивость даже при незначительном  усилении ветра приведет к появлению сильного крена и опять – таки снижению скорости.

Кроме того, яхта с недостаточной остойчивостью, естественно, будет вынуждена paньше уменьшать площадь парусов — рифиться, чем яхты с нормальной остойчивостью.

Приближенно оценить способность яхты  нести парyca можно по безразмерному соотношению  S_Об / V^3/4,  где  V — объемное  водоизмещение яхты, м³;  S_об —  обмерная площадь парусности, м².

Среднестатистические значения этого соотношения показаны на гpaфике  (рис. 2).

Более точную оценку соответствия остойчивости яхты ее парусному вооружению можно произвести по yглам  крена, приобретаемым   яхтой при заданном давлении ветра на паруса или при заданной скорости ветра. Для получения тaкoгo рода данных автором были выполнены расчеты остойчивости ряда разнотипных яхт.

В приводимую табл. 2  сведены значения критериев:

1. Угол крена при давлении на паруса, равном  1кг / м². и положении парусов в ДП, определенный по формуле:

где  l_кр —  плечо кренящего момента,  принимаемое  равным вертикальному расстоянию от геометрического центра парусности до вaтеpлинии плюс 0.42 осадки, м;

S —  фактическая площадь лавировочных парусов, м²;

D —  весовое водоизмещение яхты, т;

h₀  —   начальная поперечная метацентрическая высота, м.

Недостаток этого критерия, основанногo на метацентрической формулe, заключается в том, что он не учитывает остойчивости яхты на больших углax крена:

2. Статические углы крена при скорости вымпельного ветра 6,  9,  и 12 м/сек. на  курсе крутой бейдевинд,  полученные по точкам пересечения кривых восстанавливающих и кренящих моментов.

Диаграммы  статической остойчивости строились в предположении, что скорость, яхты не влияет на ее остойчивость, но с учетом откренивающего  действия экипажа. Предполагалось, что весь экипаж гоночных яхт и половина экипажа крейсерско – гоночных яхт располагается на кромке наветренногo борта. Таким образом восстанавливающий момент pacсматривался как алгебраичская суммa моментов остойчивости формы, веса и дополнительного момента от перемещения экипажа, т. е.

Кренящая сила определялась по вышеприведенной формуле.  Плечо кренящего момента принимапось тaкнм же, как н при расчете первого критерия.

В качестве примера на рис, 3 показано определение yглa крена для яхты Л6.

Из приведенных в табл. 2 данных видrно, что углы крена при равных условиях уменьшаются с увеличением размеров яхт. Довольно большие углы крена   «Звездника» и «Teмпеста» объясняются условностью расчета. Если учесть уменьшение «пузатости» парусов этих яхт при усилении ветра вследствие гибкости мачт, а также практикуемое в гонкax увеличение плеча открснивающего момента за счет перемещения экипажа за нaвeтpeнный борт, то yглы крена таких яхт будут ближе к средним значениям. Для оценки остойчивости можно использовать гpафик (рис. 4), построенный на основе данных таблицы.

П. С. Якшаров.

Источник:  «Катера и яхты»,  №36.

Литература.

1.Мархай Ч. , Теория плавания под парусами, «Физкультура и спорт», 1970г.

2. Dаvidsоn KSM, Some Ехреrimепtаl studies of the Sailing Yacht, SNAME, vol, 44, 1936.

Всегда ли хорош плавниковый киль яхты?

В наше время дизайнеры яхт все чаше используют результаты исследований, проводимых в гидродинамических лабораториях. Не отрицая положительных сторон этого, заметим, что в каждом конкретном случае необходима критическая оценка имеющихся результатов. Другими словами, объект проектирования —  яхта —  должен pacсматриваться в целом, в совокупности взаимосвязанных качеств и свойств.

Одним из вопросов, возникающих при разработке проекта, является выбор типа киля и руля. В последние годы предпочтение отдается плавниковым килям и отдельно от них размешенным рулям. Применение тaкoгo киля позволяет уменьшить смоченную поверхность корпуса и снизить сопротивление трения. Если корпусу придать соответствующие обводы, судно можно будет перевести в режим глиссирования  серфинга на попутной волне в свежий ветер. Однако на некоторых яхтах повысить скорость не удается. На волнении сопротивление плавникового киля может возрасти в несколько раз по сравнению с тихой водой. Возможно также явление аэрации киля и руля, при котором резко падают их гидродинамические характеристики.

Причины неудовлетворительного поведения яхт мoгут быть разными, но прежде вceгo их следует искать в неправильном применении результатов испытаний яхт в опытовом бассейне. Особенно, если нспытывался так называемый «голый коpпус» —  без киля и руля. Хотя методы гидродинамики позволяют приближенно рассчитать сопротивление изолированных килей и рулей и даже учесть влияние корпуса на их характеристики, необходимо учесть и влияние выступающих частей на гидродинамику корпуса.

Сложным также является вопрос о положении киля по длине. Киль желательно располагать с учетом минимального влияния «гидродинамической тени», но это может противоречить требованиям устойчивости, умерения качки и особенно управляемости. Управляемость судна определяют eгo поворотливость и устойчивость на курсе. Если при движении яхты на тихой воде эти качества являются противоположными, то на сильном попутном волнении устойчивость может быть достигнута только за счет достаточной поворотливости. Последняя в свою очередь обеспечивается высокоэффективным рулевым комплексом, способным и предотвратить резкое приведение судна к ветру брочинг, возникающий при оголении руля. Эффективность комплекса зависит от места расположения, типа, формы и площади руля.

Ряд авторов считает критерием эффективности расстояние между центрами тяжести площадей геометрических фигур киля и руля (такая точка зрения высказывается, например, в известной российским читателям книгe К. Рейнке, Л. Лютьена и И. Муса «Постройка яхт».). С этим можно было бы согласиться, если бы эффективность работы рулей различных типов не зависела от состояния поверхности моря —  существование такой зависимости не вызывает сомнений.

При анализе причин немореходного поведения современных яхт ряд авторов справедливо указывает на влияние поверхностных течений в волнах, к которым относят ветровые течения и орбитальные движения частиц в волнах [1, 3).  Эти течения иногда существенно изменяют скорость обтекания пера руля и угол атаки, а следовательно и действующие на руле гидродинамические силы.

Частицы воды приобретают орбитальное движение под воздействием ветра, причем частицы, расположенные на поверхности, совершают движение по максимальному радиусу, равному половине высоты волны. Они же приобретают наибольшие скорости V_0. По мере удаления от поверхности радиус траектории уменьшается, как и орбитальная скорость частиц (1). Например, на глубине  0,1H  орбитальная скорость частиц воды оказывается вдвое меньше, чем на поверхности. На гребне волны вектор скорости совпадает с направлением бега воли. В районе подошвы он направлен в противоположную сторону. Скорость поверхностных течений зависит от высоты и длины волны и оказывается соизмеримой со скоростью движения яхты.

Влияние повepхностнoгo течения можно нaглядно представить, рассматривая движение яхты под углом к попутной волне (см. рис.). Предположим, что длина волны  _/\ = 30 м;  высота H = 3 м. При таких размерах максимальная скорость поверхностного течения составляет  V₀ = 4,2 уз.  Построим треугольники скоростей потока воды, обтекающего корпус яхты, в положении близ вершины волны и у ее подошвы. Сложение векторов скоростей даст результат, объясняющий, почему яхты с плавниковым килем сильно зарыскивают на попутной волне и раскачиваются с борта на борт: угол атаки набегающего потока изменяется от  а — — 30⁰  до  а — + 10⁰,  и величина eгo скорости  от  3,8 уз  на вершине до 11 уз  близ подошвы (при скорости яхты V₀ =  7 уз).

Изменение гидродинамических сил не происходит мгнoвeннo. Они достигают значений, присущих новому углу атаки, только через некоторое время, необходимое для установления постоянного потока. Этот интервал временн (гистерезис) тем больше, чем больше хорда крыла (в нашем случае — хорда плавника киля). На «длинном» киле яхт традиционного типа моменты сил, вызывающих рыскание, растут гораздо медленнее, чем на узких плавниках современных яхт, и при движении яхты на коротких волнах часто успевают сменить свой знак прежде, чем резко изменится курс яхты. Это одна из причин лучшей устойчивости на курсе яхт с «длинным килем».

Другой возможной причиной ухудшения управляемости на волнении, по нашему мнению, может явиться аэрация киля и руля. При нeкоторых углах атаки обтекание стороны разрежения плавников происходит с отрывом, образующаяся полость сообщается со свободной поверхностью. Это может происходить, несмотря на экранирующее действие корпуса, при частичном оголении руля и плавника на волне. Возможен также просос воздуха в зону разрежения из волновой впадины. В этом случае эффективность рулевого комплекса резко падает, яхта становится неуправляемой.

В статье А. А. Оскольского, опубликованной в «КЯ», №1 за 1984 г., дана оценка управляемости ряда яхт с помощью предложенного в ней коэффициента рулевого комплекса и сделан вывод о том, что данный коэффициент для малых яхт должен быть выше, чем для больших. Последнее по существу подтверждает влияние на управляемость соотношения размеров яхт и размеров волны в районе плавания. Это значит, что для достижения равноценной управляемости яхт различных размеров, эксплуатируемых в одинаковых условиях нужно стремиться к примерно одинаковому заглублению пера руля. Поскольку на практике это требование не выполняется , то, как правило, меньшие по размерам яхты больше подвержены брочингу, чем крупные.

Совершенно очевидно, что у яхт традиционного типа руль, опирающийся на пятку в нижней точке фальшкиля, оказывается углубленным на полную осадку яхты в отличие от отдельно стоящего руля на яхте с плавниковым килем. В этом вторая причина лучшей устойчивости на курсе «старых» яхт.

Если следовать мнению о зависимости управляемости яхты от расстояния между центрами тяжести геометрических фигур плавника и руля, то для улучшения управляемости достаточно увеличить это расстояние. В соответствии с этим у многих современных яхт руль навешен на транец. Однако на крутых попутных волнах такой руль иногда в значительной степени выходит из воды, в результате чего ухудшается его эффективность и уменьшается возможность противодействия рысканию яхты. Критерий, справедливый для случая движения яхты на спокойной воде, здесь оказывается неправильным.

Можно было бы упомянуть еще некоторые свойства, присущие яхтам с «длинным» или с плавниковым килями. У последних можно, например, отметить возможность достижения большей мaксимальной скорости и более высоких лавировочных качеств, технологичность постройки.

Нужно, по-видимому, критически относиться к наблюдаемой в настоящее время тенденции использования плавниковых килей на всех без исключения яхтах. Часто приходится слышать безапелляционные высказывания о том, что плавниковый киль заведомо более предпочтителен. Однако это не так: при проектировании крейсерской яхты, особенно предназначенной для эксплуатации в тяжелых условиях, традиционный корпус с «длннным» килем представляется гораздо более выгодным.

Да и для гоночной яхты можно представить ситуации, когда потери скорости от брочинга превзойдут выигрыш, обеспечиваемый более совepшенной, с точки зрения гидромеханики «спокойной воды», формой корпуса с плавниковым килем по сравнению с традиционными обводами. По нашему мнению, необходимо перейти от поиска универсального к обоснованному выбору оптимального типа киля с учетом назначения яхты и особенностей района ее эксплуатации.

Я. Фарберов, Г. Эпов.

Источник:  «Катера и яхты», №119.

Литература.

1. Тоnу Маrсhаi. Direclional slabilily. Praclical Воаl Owner, № 202. Oclober, 1983.

2. Рейнке К. Лютьен Л., Мусс И. Постройка яхт. Л, Судостроение, 1982.

3. Оскольский А.А. Эффективность рулевoгo комплекса. «Катера и яхты», 1984, № 1.

4. Перельмутр  А. С. Материалы для проектнрования обводов и выступаюшнх частей быстроходных катеров. Труды ЦАГИ. с. 554, 1944г.