К вопросу о центровке гоночной яхты.

Центровка – это основная операция по настройке парусной яхты на высокие ходовые характеристики, и на протяжении гонок и тренировок она осуществляется постоянно, так как судно движется в переменной колебательной среде «ветер-волна».

Рассмотрим основные факторы, влияющие на центровку, и способы ее контроля. Парусная яхта представляет собой частично погруженное в воду несимметричное тело, которое влияет на окружающую среду (воздух, вода) и само испытывает ее действие в виде сил и моментов сил [1].

Устойчивое движение яхты обеспечивается при удержании в равновесном состоянии всех аэрогидродинамических сил, возникающих на корпусе, парусе, шверте (киле) и руле – это осуществляется за счет перестройки парусного вооружения и изменения места и позы экипажа (сидя, стоя, откренивая, с креном на трапеции), что вызвано перемещением центра масс.

Еще на стадии проектирования судна при выборе основных размерений и парусного вооружения приходится предусматривать диапазон этих перемещений. Диапазон центровки парусной яхты распространяется от статической поддержки судна на плаву за счет равновесного (на одной вертикальной оси) состояния центра тяжести (ЦТ) и центра величины (ЦВ) до изменения ЦВ гидродинамической подъемной силой при глиссировании.

Паруса атомного века.

 

Пока человек должен транспортировать морем свое

добро и пока на широком океане веет свободный ветер,

на этом свете должно еще найтись место для парусника.

А. Вильерс. «Под парусами».

Прекраснейшие страницы истории парусного флота связаны с клиперами. Невиданно высокие мачты, одетые парусами, названия которых так и манят в простор, перевозки чая и шерсти, трансокеанские гонки, плавания вокруг мыса Горн, достижение фантастической по тем временам (немалой и для наших дней) скорости — это и есть клипера XIX века, высшее достижение эпохи паруса.

В 1854 г. клипер «Соверейн оф си» показал максимальную скорость 22 узла — самую высокую из когда-либо достигнутых коммерческим парусником (как показывают расчеты, чтобы обеспечить такой ход, потребовались бы машины мощностью не менее 6000 л. с.). Клипер — это сочетание отработанных столетиями форм корпуса (как правило — очень узкого; L/В иногда даже превышало 6) и огромной площади парусности, которую было принято нести, не уменьшая, даже при сильных, чуть ли не штормовой силы ветрах.

Очень важной слагающей успеха была квалификация экипажей, особенно капитанов. И не случайно считалось тогда, что хороший капитан — лишние пол — узла хода. Только прирожденный моряк, великолепно «чувствующий ветер», мог использовать высокие ходовые качества клипера в реальных условиях всего длительного рейса.

Ведь далеко не всегда попутный ветер надувал паруса. Подсчитано, например, что на пути из Австралии в Лондон в среднем около 20% времени рейса приходилось на штиль, а 28% — на встречные ветра. Рекорды рекордами, а средняя скорость сравнительно небольших клиперов на коротких рейсах не превышала 8 узлов,  на длинных — 6,5 узла.

Парус в облаках. (проект “SkySails”).

Практически всю массу грузов, перемещаемых в межконтинентальных перевозках (95%), сегодня доставляют по воде. И все эти грузы (98%) перевозят судами на дизельной тяге. Ежегодно, снабжая их топливом, в мире расходуют гигантские суммы — более 20 млрд евро.  Сжигая это топливо, земляне пока еще мирятся с тем, что сопутствующий выброс веществ, загрязняющих атмосферу над Мировым океаном, оказывается выше уровня, признаваемого критическим в грузовых перевозках по суше.

Парус, забытый не навсегда.

Так получилось, что на десятки лет растянулся разрыв между победой паровой машины над парусом и возникновением свежих идей, которые позволяют с определенным  оптимизмом оценивать перспективы продвижения ветроэнергетики в практику мореплавания.

Тот временной интервал был не просто разрывом: по прошествии десятилетий торжества колосников и форсунок профессиональные моряки, увы, едва ли не окончательно утратили навыки общения с океанскими ветрами, потеряли интерес к парусу как таковому.

При всей очевидности и серьезности этого факта, приятные сюрпризы, однако, еще ожидаемы. И тому есть простое объяснение. Интерес моряков к каменному углю и продуктам переработки нефти возник и продолжает крепнуть не в силу какой то особой притягательности этих субстанций.

Их победа на море находит объяснение в том, что использование такого рода концентраторов энергии на коммерческих судах было и остается целесообразным.

Отсюда следует очевидное: любые технические решения, предлагаемые сторонниками внедрения ветродвижения, будь они технологически приемлемы и экономически целесообразны, сразу же со вниманием рассмотрят и реализуют.

Корабелы начнут менять облик проектируемых ими судов. Моряки, вспоминая навыки, утраченные, вроде бы, навсегда, станут охотно прислушиваться к голосу ветра.

Из новейшей истории.

Наверное, первый всплеск интереса к парусу нетрадиционного вида пришелся уже на 20 — е гг. XX в., когда в натурных испытаниях достойно себя проявили конструктивно простые и в меру надежные “роторы Флетнера”. По нескольким причинам, однако, они не получили прямого продолжения.

Идеей возрождения паруса никто не занимался в годы Второй мировой войны, равно как и сразу после ее окончания.

Следующий заметный всплеск интереса к ветродвижению возник только в      70-е гг. — не столько в силу очевидно проявившегося тогда прогресса прикладной аэродинамики, сколько по причине памятного нефтяного кризиса, захлестнувшего индустриально продвинутый мир.

Кривые удельной себестоимости грузоперевозок на реальных судах и на проектируемых судах     ветроходах стали медленно, но верно сближаться.

Именно на то время пришлись проработки, выполнявшиеся в ЦНИИМФ и ЛКИ (Г.М. Кудреватых, Г.А. Алчуджан, П.С. Митрофанов). К сожалению, не получили достойного  продолжения многочисленные проекты, созданные тогда же в Лаборатории по исследованию судов с экологически чистыми двигателями — ЛИСЭД НКИ (Ю.С. Крючков, И.Е Перестюк и др.).

Чуть более счастливыми оказались опыты японских корабелов. Часть из того, что изобрели они, была испытана в плаваниях нескольких реальных судов. Чуть позже соображения, реализованные в оригинальном натурном проекте, предъявил миру знаменитый Ж. И. Кусто. Однако все это снова отошло на задний план, как только к нормальному уровню вернулись мировые цены на нефть.

По настоящий день не уменьшается число любителей и профессионалов, продолжающих верить в ожидаемое подключение сверхсовременного “паруса” к рутине морских перевозок. В лучах славы купаются красавцы — суда флота STA (Международной ассоциации учебно-парусных судов).

Не привлекая особого внимания, тут и там мелькают имена реальных и виртуальных проектов: “Club MED”, “Indosail”, “Walker”, “Solar Sailor”. И все же по сей день недостижимым остается одно — заставить парус, если не на равных, то хотя бы в одной упряжке с дизелями совершать трудовые подвиги.

Это называется “SkySails”.

При всей скромности видимых перспектив шансы на прорыв паруса на океанские просторы со временем не уменьшаются, а даже возрастают. Чем дальше, тем отчетливей становится понимание главного: парус остается единственным в ряду всех мыслимо возможных пропульсивных комплексов, при использовании которых потребляемая энергия прямым образом — без потерь  — превращалась бы в тяговое усилие.

В этом отношении альтернативы парусу нет. К тому же, пусть не часто, но постоянно и с самых неожиданных сторон возникают дополнительные ар­гументы в пользу паруса.

Очередным поводом для оптимизма, к при­меру, оказывается требуемое сегодня экологами ужесточение норм в отношении выбросов Nox и прочей гадости, производимых судовыми дизелями, неизбежное удорожание традицион­ных технологий, в результате которого те самые “кривые себестоимости” сближаются оконча­тельно и бесповоротно.

На обусловленное этим изменение отношения к парусу, в частности, рассчитывают авторы проекта “SkySails”, хорошо встреченного на недавно состоявшейся в Гамбурге выставке SMM­ 2002 (Международная выставка по судострое­нию, машиностроению и морской технологии).

Существо этого проекта сводится к следую­щему. “Бесплатным” вспомогательным двигателем — буксировщиком обычного моторного судна — служит запускаемый с его палубы змей­ковый парус “kite­sail” — телесный, но практически невесомый — наполненный гелием.

“SkySails” — простота и надежность.

Напор ветра преобразуется в аэродинамическую силу, реализуемую “мягким” газонаполненным крылом. Требуемая форма крыла создается путем выбирания и вытравливания многочисленных “шкотов”, сходящихся в некой гондоле — компактном управляющем блоке. Этот блок со­держит в единой оболочке как грубую механичес­кую, так и тонкую “интеллектуальную” части.

От парящей под парусом гондолы к судну спускается тяговый трос (фал), коренной конец которого скреплен с гондолой, а ходовой — с бортом судна. “Точка” крепления ходового конца фала — на самом деле целое автономное уст­ройство, которое может перемещаться вдоль борта — по длине судна.

Продольная состав­ляющая тяги, передаваемой судну фалом, и есть то тянущее усилие, ради которого существует система. Такому парусу полагается парить на высоте 100—500 м, там, где дуют ветры посильнее подторможенных приземных ветров.

Собственно парусу полагается работать не только при попутных ветрах: если верить расчетам, судно, вооруженное системой “SkySails”, сможет хо­дить и острыми курсами: до 50° к направлению кажущегося ветра.

Потенциал технологии “SkySails”.

Члены команды, представляющей систему “SkySails”, высоко оценивают ее потенциальные возможности. Многое из того, что они говорят, может быть принято на веру.

Компактность.

В собранном виде парус “SkySails” (в развернутом состоянии имеющий размеры футбольного поля) занимает мало места: он несравненно более компактен, нежели любая другая привычная система, включающая в себя мачты, реи, такелаж…

Универсальность.

В силу того, что систе­ма не занимает ни одного квадратного метра па­лубы, она может быть применена  на судне прак­тически любого типа. Соответственно система может работать как на “моторно­парусном”, так и на “парусно­моторном” варианте судна.

Возобновляемость.

Система допускает многократное ее разворачивание и сворачивание. Наполняющий парус гелий при каждом сворачивании без больших потерь может быть со­бран для последующего его использования.

Безопасность.

Важно, что в критической ситуации судно может быть освобождено от системы мгновенно. В нормальных условиях она, в отличие от традиционного паруса, практически не создает кренящего момента. Сделанная здесь оговорка “практически” возникает в связи с неточностью, допущенной авторами рисунка: результирующая сила вдействительности должна быть направлена по линии фала.

Глядя на схему, соответственно, нельзя не отметить, что какой­то кренящий момент, пусть и небольшой, практически все­ гда будет существовать, хотя, конечно же, его величина несопоставима с тем, что наблюда­ ется при работе традиционных парусов.

Метеопрогнозы и “SkySails”.

Система ав­томатического управления комплексом хорошо стыкуется с системой восприятия оперативных метеосводок, а также системой автоматичес­кого выбора оптимального курса.

 Маркетинг во благо “SkySails”.

Коман­да, продвигающая проект “SkySails”, менее всего похожа, как это бывает, на нищих изобретате­лей или гонимых всеми городских сумасшедших. На самом раннем этапе ей удалось зару­читься поддержкой значимых организаций, авторитетных специалистов, ее действия под­ чинены хорошо продуманному плану.

Спонсорам предлагают приобщиться к про­грамме оборудования системой “SkySails” в течение ближайших 10 лет порядка 1200 судов (это 3% действующего мирового флота; экономия расходов на топливо должна составить 50%).

Все это должно означать для созданной в 2001 г. компании “SkySails” GmbH” суммарную продажу защищенного патентом продукта в объеме свыше 2.2 млрд евро. Первый вклад получен от национального инновационного фонда “IdeenFONDS”(Гамбург).

Три фактора послужили основанием для откры­тия финансирования: наличие инновационных признаков, отличающих проект; профессиона­лизм менеджмента; основательность прогно­зируемого рыночного потенциала.

В качестве стратегических партнеров новой компании удалось заполучить более чем внушительные структуры: “Oldendorff Carriers” (Любек, судовладелец, обладающий собственными су­достроительными мощностями); две мощные судоходные компании: “Flensburger Schiffbau­ Gesellschaft” и “Rickmers Reederei”.

В качестве технического консультанта выс­тупает P. Шенцле — сотрудник Гамбургского опытового бассейна, который известен как эксперт по системам парусного вооружения и профессиональный сюрвейер. Консультации по части метеорологии дает M. Шрадер.

В команду также входят легендарная яхтсмен­ка Э. Макартур и Х. Платнер — промышленник и владелец гоночной яхты международного класса. Одна из самых ярких фигур, с симпатией относящихся к деятельности “SkySails GmbH”, — Ф. Шмидт­Блеек, совсем недавно бывший вице­президентом Института климата, энергии и защиты окружающей среды.

Показательно, что положительные оценки проект уже получает и со стороны. Одна из них, прямо на выставке, прозвучала из уст представителей Ветроэнергетического союза.

 Автора!

Для полноты картины остается на­звать имена тех, кто стоял у истоков проекта, а сегодня выступает его основной движущей силой.  Это — молодые и амбициозные: инже­нер Стефан Сраге и экономический менеджер Сюзанна Мёкс­Кароне. Публикация подготовлена  на основании материалов, предоставленных компанией “SkySails GmbH”.

В. М.

Источник:  «Катера и Яхты»,  №182.

К чему приводит наклон паруса?

Стремление человека двигаться быстрее преодолеть невозможно – это в полной мере касается и яхтсменов. Наиболее простой способ увеличения скорости – увеличить мощность двигателя и эффективность движителя. Но на ветер нам влиять трудно. Поэтому приходится экспериментировать с движителем – парусом. И тут возникает одна проблема. Чтобы увеличить скорость, надо увеличить силу тяги FT. Но тяга – это проекция аэродинамической силы F, возникающей на парусе, т.е. надо увеличить ее. Пути, позволяющие этого добиться, известны. Беда в том, что у этой силы есть еще одна проекция – поперечная FД. Она у нас называется силой дрейфа.

Особенность работы паруса на острых курсах заключается в том, что сила дрейфа превышает, иногда значительно, силу тяги. Но поперечная проекция не только пытается сдвинуть яхту вбок, но еще и кренит ее, т.к. точка приложения аэродинамической силы – центр давления (ЦД) – находится (условно) в центре площади нашего паруса, т.е. достаточно высоко над палубой.

Получаем следующую схему (рис. 1). Увеличиваем полную силу на парусе F – увеличиваем силу тяги FT и силу дрейфа FД – крен растет. Но с ростом крена ухудшаются условия работы паруса и сила на нем падает. Это происходит до тех пор, пока кренящий момент не сравняется с восстанавливающим. Сила F на яхте с креном становится меньше по сравнению с яхтой, идущей без крена, а значит, уменьшается тяга.

В результате эффект от улучшения характеристик паруса оказывается меньше, чем мы ожидали. Напрашивающийся выход – использовать вместо высокого и узкого паруса низкий и широкий, чтобы понизить ЦД – не перспективен. Из теории крыла известно, что низкие и широкие паруса создают значительно меньшую силу в сравнении с высокими и узкими.

Поэтому у конструкторов появилась идея увеличить силу F, но использовать часть ее для уменьшения кренящего момента. Если развернуть плоскость паруса относительно горизонта, то появится вертикальная проекция полной силы. Если ее направить вверх, то она будет, с одной стороны, приподнимать корпус из воды, с другой – при крене будет создавать восстанавливающий момент.

Такая идея была реализована в ряде проектов, в частности на SailRocket (рис. 5). Это судно недавно обновило рекорд скорости под парусами. Но наклоняя парус мы, как было указано раньше, уменьшаем полную силу, которая на нем возникает. Кроме того можно предположить, что и сила тяги будет меняться в зависимости от угла наклона паруса к горизонту.

Чтобы выяснить, что же происходит при использовании подобных конструкций, на кафедре Гидроаэромехники и морской акустики Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета одним из авторов статьи выполнена дипломная работа, в рамках которой был проведен численный эксперимент.

В нем анализировалось влияние угла наклона паруса на величину аэродинамических сил и моментов. Поскольку любая численная модель содержит достаточно много допущений и упрощений, параллельно были выполнены продувки крыла в аэродинамической трубе.

Сравнение результатов численного и физического эксперимента позволило внести поправки в данные, полученные расчетом. Нужно уточнить, что в расчетах предполагалось безотрывное обтекание крыла. При продувках в трубе это предположение подтвердилось. Было использовано прямоугольное в плане крыло удлинением 3 (рис. 6).

В эксперименте анализировались три угла атаки а: 10°, 15° и 20°. Угол наклона крыла к вертикали изменялся от 0° до 90° с шагом 15° в диапазоне от 30° до 90° и с шагом 5° от 0° до 30°. За нулевой угол было принято вертикальное положение крыла. Для примера в таблице 1 и на рисунке 7 приведены экспериментальные и расчетные данные, полученные для угла атаки 10°.

Коэффициент боковой силы приведен в поточной системе координат. Ось Y направлена на правый борт, ось Z – вверх.  Из приведенного графика видно, что на малых углах наклона паруса, примерно до 20°, подъемная сила быстро растет, а боковая уменьшается, но гораздо медленнее.

Наклон паруса приводит к тому, что кренящий момент сохраняется, хотя и несколько уменьшается, но появляется вертикальная сила, стремящаяся приподнять корпус из воды. Для подавляющего большинства яхт ее величина пренебрежимо мала, по сравнению с весом корпуса. Но для виндсерфингистов она уже вполне ощутима.

И на досках давно используют поперечный наклон паруса для ускорения выхода на глиссирование. А иногда и для подлетов и кульбитов на различных шоу. А к чему это приводит на обычных яхтах? Рассмотрим несколько вариантов возможного наклона паруса (рис. 8).

Для нас представляет интерес, можно ли и при каких условиях, наклоняя парус (по сути – наклоняя мачту в плоскости мидель-шпангоута), уменьшить или сделать нулевым кренящий момент от паруса на судне. Понятно, что простого наклона паруса недостаточно. Для обычного треугольного паруса (рис. 8а) вертикальная сила, приложенная в центре давления, создаст ничтожный момент относительно точки вращения судна.

Более того, увеличивая наклон, мы получим дополнительный кренящий момент от вертикальной силы при незначительном уменьшении момента от силы дрейфа. На катамаране, в зависимости от конструкции, мы можем получить разные результаты. Для случая, изображенного на рис. 2, и для симметричного прямоугольного паруса, использованного в эксперименте, момента от вертикальной силы не будет вообще.

Для таких судов, как на рис. 3–5, эффект уменьшения кренящего момента от паруса будет иметь место (см. рис. 8б). Но полностью ликвидировать его не удастся из-за неблагоприятного соотношения вертикальной и горизонтальной проекций. Еще один вариант, позволяющий достигнуть поставленной цели, приведен на рис. 8в.

В данной конструкции одновременно с наклоном паруса мы наклоняем мачту на подветер. Судов такой конструкции в реальности не встречалось. Что-то подобное можно представить лишь для судна с кайтом в качестве движителя. Для такого случая были проведены расчеты углов наклона мачты g (gamma) и паруса d (delta), при которых момент равен нулю.

Нужно учитывать, что увеличивая наклон паруса, мы уменьшаем силу тяги, которая является проекцией полной аэродинамической силы F на направление движения яхты. В таблице 2 приведены значения углов наклона мачты и паруса, при которых выполняется условие равенства нулю кренящего момента от паруса.

Там же показана величина коэффициента силы тяги для каждого случая и отношение этого коэффициента к базовому, имеющему место при вертикальном положении паруса. Т.е. величина потери тяги в процентах. Эти данные приведены для угла атаки паруса 10°. Расчеты показали, что для получения нулевого момента, изменение угла атаки паруса от 10° до 20° приводит к изменению углов наклона мачты и паруса в пределах 2–3°.

На рисунках 9 и 10 приведены зависимости изменения коэффициента силы тяги от угла наклона паруса для случаев, соответствующих нулевому моменту. И величина потери тяги для этих вариантов. Из графиков видно, что наклоняя парус на 30°, мы теряем около 20% тяги. Нужно не забывать, что наклон паруса требует соответствующего наклона мачты.

При этом возникает мощный приводящий момент, который тоже надо чем-то компенсировать. Казалось бы, на основании полученных результатов можно предположить, что, установив парус и мачту в положение нулевого момента, можно увеличивать площадь паруса, чтобы компенсировать потерю тяги. Это не совсем так.

В данной постановке задачи мы рассматриваем момент, создаваемый парусом, относительно точки крепления мачты к корпусу (шпора мачты). Но на подводную часть судна действуют свои силы, которые тоже будут создавать свой кренящий момент. Мы о них не говорим, но они зависят от силы дрейфа, создаваемой парусом.

Кроме того, в данной модели не учитывается вес рангоута и паруса. Он должен компенсироваться вертикальной составляющей силы на парусе. Для этого ее придется увеличить. За счет тяги. И предполагается, что мачта прикреплена к парусу в центре давления.

Это ограничивает возможность увеличения вертикального размера паруса из-за близости поверхности воды. Поэтому конструкцию надо отрабатывать с учетом большого количества различных ограничений. Кроме того, надо рассматривать все судно в комплексе, с учетом подводной части.

Полученные результаты позволяют предположить, что использование наклона паруса вряд ли целесообразно на однокорпусниках. Но может, после соответствующих исследований, принести пользу на катамаранах и судах типа проа. Подтверждением этому является упомянутая выше SailRocket. Дополнительно в дипломной работе был рассмотрен еще один интересный вопрос – влияние продольного на клона мачты на силу, действующую на парус.

Спортсмены очень часто при настройке яхт наклоняют мачту в плоскости, совпадающей с ДП. Обычно это делается для обеспечения поперечной центровки яхты. А как наклон повлияет на скорость? Для оценки этого влияния также были проведены расчеты и продувка модели паруса.

Модель представляла собой плоскую пластину со скругленной передней и клиновидной задней кромками. Парус установлен под углом атаки, равном 15°. Наклон осуществлялся от -20° до 20° с шагом 5°. Наклон вперед соответствовал отрицательным значениям угла. На рисунке 12 приведена зависимость коэффициента силы тяги от угла наклона.

Результаты показывают наличие максимума при угле наклона мачты примерно на 10° в корму. Это можно объяснить увеличением относительного удлинения паруса за счет опускания вниз шкотового угла. Стоит заметить, что это предварительные выводы. Окончательно можно будет судить после испытания модели с имитацией мачты и гика.

В заключение хочется выразить благодарность сотруднику кафедры Теории корабля Д. А. Вирцеву, оказавшему большую помощь в подготовке и обсуждении результатов эксперимента.

А. Р. Бесядовский, М. Ч. Наумова

Источник:  «Катера и Яхты»,  №245.

Характеристика паруса как движителя яхты.

Основным типом  паруса, которым сейчас оснащаются прогулочные, туристские и спортивные суда, является бермудский. Этот парус имеет высокие аэродинамические качества на ocтрых курсах к ветру, прост в постановке и управлении. К его недостаткам относят  сравнительно большую высоту мачты, а также скручивание паруса по высоте, проявляющееся в различии значений угла атаки eгo нижней и  верхией части. Подавляющее число мaлых парусных судов оснащаемых шлюпом — одномачтовым вооружением с двумя парусами – гротом и стакселем.

Передней шкаториной  грот крепится к мачте посредством ликпаза  —  продольной выемки в виде желоба, в который входит  ликтрос, или при помощи ползунков скользящих по рельсу, закрепленному вдоль мачты. Нижняя шкаторина чаще всего крепится такими же способами к гику. Стаксель присоединяется к штагу  посредством ракс — карабииов или же егo передняя шкаторина заводится  в ликпаз обтекателя штага.

Площадь основнoгo стакселя, который ставится в средний ветер составляет от 30 до 40 % общеи площади паpycноcти. В слабый ветер этот стаксель заменяют генуэзским с большой площадью, а в свежий —  ставят сменные штормовые паруса, имеющие меньшую площадь и сшитые из прочной ткани. Стаксель играет важную роль в создании силы тяги, Во – первых, он не имеет по передней шкаторине такого источника, как мачта, которая отрицательно влияет на работу грота.

Во – вторых, благодаря ускорению потока воздуха в щели между стакселем и гротом увеличивается разрежение на подветренной стороне грота и предотвращается образование здесь завыхрений. В связи с этим в последние годы дизайнеры яхт стараются  как можно больше увеличить площадь стакселя , тем самым распространяя его влияние по всей высоте грота. Часто применяется оснастка с топовым стакселем , фал которого проводится не топ мачты. Традиционный тип оснастки с проводкой штага на верхнюю четверть мачты получил название вооружения  «3/4» или «7/8» в зависимости от положения точки крепления штага на мачте.

                                                             Бермудский грот.

Современная теория косого паруса основывается на положениях аэродинамики крыла. Если рассматривать движение яхты острыми курсами к ветру, то эффективность паруса как движителя зависит от тех же параметров, что и эффективность жесткого крыла в создании подъемной силы:

—  площадь поверхности паруса;

—  профиль его поперечного сечения;

—  аэродинамического удлинения и формы контура паруса;

—  угла установки паруса по отношению к вымпельному ветру;

—  скорости вымпельного ветра.

При изготовлении парусам придается правильный выпукло вогнутый профиль поперечного сечения по всей высоте , называемый яхтсменами «пузом».  Такой парус хорошо работает при малых углах атаки, обтекание его происходит плавно, без срыва вихрей на подветренной стороне. Благодаря выпуклости поток воздуха получает здесь дополнительное ускорение, что сопровождается понижением давления и ростом подъемной силы. Относительная величина «пуза»,  т. е. отношение стрелки вогнутости f к хорде паруса b, оказывает существенное влияние на аэродинамические силы, действующие на паруса и, следовательно, на тягу и силу дрейфа.

При обтекании плоского паруса на его подветренной стороне образуются выхри и срывы струи, на что затрачивается энергия ветра, а условия для создания пониженного давления здесь ухудшаются. Поэтому плоский парус имеет гораздо более низкие тяговые характеристики, чем «пузатый». В то же время при увеличении «пуза» возрастает и лобовое сопротивление паруса, что ограничивает его рациональную величину значениями f/b = 1/8 – 1/10. Кроме того, приходится считаться и с силой дрейфа, которая при увеличении «пуза» возрастает в гораздо большей степени, чем сила тяги. Поэтому паруса с f/b = 1/10 применяют лишь в слабые ветра, когда абсолютная величина силы дрейфа невелика.

 Такие паруса используют также в качестве дополнительных на полных курсах, начиная от галфвинда, когда подъемная сила дает наибольшую составляющую на направление движения. В качестве же основных парусов для средних ветров (3 – 4 балла) применяют более плоские паруса                         (f/b = 1/12); для сильных ветров оптимальны паруса с «пузом»  1/17 – 1/20. В свежий ветер судно с более плоским парусом идет круче к ветру, с меньшим креном и дрейфом, чем оснащенное «пузатым» парусом.

Кроме величины пуза, большое влияние на тяговые характаристики паруса оказывает расположение максимальной выпуклости профиля относительно передней шкаторины . На рисунке показано распределение разрежения на подветренной стороне жесткой модели паруса с пузом                  f/ b = 0,188 при отстоянии максимального пуза на 40 и 60 % хорды от передней кромки при угле атаки 15 градусов. Нетрудно сделать вывод о том, что в создании движущей силы главную роль играет передняя часть паруса. Именно здесь концентрируется разрежение у паруса с пузом, расположенным в 40% b от передней шкаторины.

У второго паруса (максимальное пузо расположено в 60% b от передней шкаторины) область разрежения охватывает в основном заднюю часть профиля, вследствие чего увеличивается составляющая давления R, направленная против движения яхты. Таким образом, при смещении пуза к задней шкаторине эффективность паруса снижается как вследствие падения подъемной силы, так и роста сил сопротивления.

Лавировочные паруса поэтому и шьют с максимальной глубиной пуза, расположенной на расстоянии от 35 – 40% хорды для плоских парусов до  40 – 50% хорды для более полных, рассчитанных на слабые ветра. Особенно недопустим такой дефект парусов, как слишком тугая  и заворачивающаяся в наветренную сторону задняя шкаторина, на которой образуются тормозящие движение лодки силы. Поэтому для поддержания задней части паруса используют плоские гибкие линейки  —  латы.

В верхней части паруса и гика образуются потоки воздуха, перетекающего с наветренной стороны на подветренную  —  в область разрежения. Вследствие этого образуются вихри, срывающиеся с кромок паруса. Эти возмущения потока 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 широким верхней и нижней шкаторинам. Чем больше длина этих шкаторин по отношению к высоте паруса (следовательно, меньше удлинение паруса, тем больше потери энергии ветра на завихрения и меньше тяга паруса). Поэтому, для того чтобы развить достаточную тягу на острых курсах, парус должен иметь аэродинамическое удлинение в пределах  l = 4 — 5. Кроме того, индуктивное сопротивление меньше у паруса, контур которого в верхней части близок к очертанию плуэллипса.

Следует, однако, иметь в виду, что на высоком парусе точка приложения аэродинамических сил располагается довольно высоко и создается большой кренящий момент на единицу площади, чем у низкого паруса. Поэтому удлинение парусов выбирают в соответствии с остойчивостью судна: чем она выше, тем более высокая парусность может быть применена на яхте. Если же парус используется в основном при попутных ветрах, то требуется, чтобы он создавал большое сопротивление набегающему потоку воздуха. Иными словами, форма его должна быть плохо обтекаемой. Низкий широкий парус в этом случае дает наибольшую тягу при умеренном кренящем моменте. Такой парус может иметь четырехугольную трапециевидную форму с рейком и гафелем.

Большое влияние на аэродинамические качества грота оказывает мачта, которая является источником образования вихрей, попадающих как на наветренную, так и на подветренную стороны паруса. Особенно неблагоприятно это сказывается на подветренной стороне, где вихревой след мачты уменьшает разрежение; вследствие этого величина подъемной силы падает. Кроме того, и сама мачта обладает довольно большим лобовым сопротивлением. Мачта с большим поперечным сечением может снизить подъемную силу паруса на 25% по сравнению с парусом поставленным на штаге. Большую роль играет форма поперечного сечения мачты. Важно, чтобы на курсе бейдевинд, когда судно идет под углом 25 – 30 градусов к направлению вымпельного ветра, вихревая дорожка, срывающаяся с подветренной стороны мачты, имела минимальную ширину. Наибольшее распространение на парусных судах получили мачты овального поперечного сечения с соотношением размеров по ДП к размеру по траверзу около 3/2. Каплевидные и другие типы обтекаемых профилей целесообразны только в том случае, если мачта вращается для установки под наивыгоднейшим углом к вымпельному ветру при перемене галса. Такими мачтами снабжаются обычно буера и катамараны.

От угла установки паруса  по отношению к вымпельному ветру зависит режим обтекания его подветренной стороны, величина разрежения и подъемной силы. Опыты показывают, что при определенном угле атаки происходит отрыв пограничного слоя от подветренной поверхности паруса, а при дальнейшем увеличении – a т. е. выбирании шкотов, здесь образуется обширная вихревая полость. Это сопровождается падением разрежения и его перераспределением вдоль хорды паруса; в итоге подъемная сила паруса резко падает, а лобовое сопротивление возрастает.

Величина критического угла атаки, при котором подъемная сила начинает падать , зависит от глубины  f профиля и аэродинамического удлинения  l паруса, размеров сечения мачты или диаметра штага. Чем более пузат парус и чем больше его удлинение, тем при меньшем угле атаки происходит срыв потока. В слабый ветер поток срывается с паруса при меньших углах атаки, чем в сильный ; такой же эффект дает наличие мачты.

При постановке стакселя перед гротом благодаря повышению скорости воздушного потока в зазоре между парусами срыв потока с грота происходит при больших углах атаки , парус можно выбрать сильнее без ущерба для его подъемной силы. Опыт показывает, что для бермудских парусов средней полноты наивыгоднейшие углы атаки на полных курсах вплоть до бакштага находятся в пределах  6 – 10 градусов ; на острых курсах они уменьшаются до  5 – 8 градусов. При увеличении угла атаки сверх критического подъемная сила падает при одновременном росте лобового сопротивления.  При  a = 90 градусов подъемная сила на парусе не возникает; он обладает только лобовым сопротивлением.

При выбирании шкотов удается контролировать угол атаки нижней трети паруса, а в верхней  —  ткань может отклоняться под ветер, уменьшая тем самим угол атаки между нижней и верхней частью паруса может достигать 20 градусов. А так как парус выбирают, ориентируясь на поведение его верхней части (пока не перестает заполаскивать ткань у передней шкаторины), то нижняя часть чаще чего оказывается работающей  с избыточным углом атаки. Здесь может происходить срыв потока с соответствующим падением подъемной силы. Следовательно, тяга скрученного паруса оказывается меньше, чем если бы каждое его сечение по высоте работало с оптимальным углом атаки.

Для уменьшения скручивания паруса применяют оттяжки гика, препятствующие задиранию нока гика вверх, а также проводку гика – шкота с одним или двумя поперечными погонами, простирающимися по всей ширине яхты. При смещении ползуна гика – шкота к борту тяга шкотов становится почти вертикальной, благодаря чему удается держать заднюю шкаторину паруса на острых курсах более тугой. С этой же целью на стакселях применяют дополнительные оттяжки шкотов и регулируемые кипы.

Было бы ошибкой думать, что парус вообще не должен иметь скручивания, т.е. чтобы по всей его высоте поперечные сечения были повернуты на один и тот же угол. Известно, что по мере увеличения высоты над уровнем воды скорость ветра повышается. Это явление вызвано силами трения воздуха о воду, затормаживающими поток вблизи ее поверхности. Например на высоте 10метров над уровнем воды скорость ветра в 1,4 раза превышает его скорость на уровне 2 метра.

Построив треугольник скоростей для различных сечений паруса по высоте, можно убедиться, что в верхней части на парус действует ветер большей скорости и направленный под большим углом к ДП судна, чем на уровне гика. В зависимости от высоты парусности и скорости ветра эта разность в углах составляет от  3 – 5 градусов на курсе бейдевинд и до 10 – 12 градусов на курсе бакштаг. Следовательно, скручивание паруса в небольших пределах не только допустимо, но и способствует более эффективной работе паруса.

Поляра паруса. Характеристикой аэродинамических качеств паруса является поляра  —  график изменения подъемной силы в зависимости от лобового сопротивления и угла атаки. Для того чтобы поляру можно было применить к парусу любых размеров, по осям координат откладывают не значения сил, а безразмерные коэффициенты подъемной силы.

Cy = Y/ 0.5p*v2 *S.

                                                                 и лобового сопротивления.

Cx = X / 0.5p*v2*S.

Данные для построения поляр получают в результате продувки моделей парусов в аэродинамических трубах. С помощью поляры, помимо величин подъемной силы и лобового сопротивления, можно определить и их составляющие  — силу тяги Т и дрейфа D.  Опустив, например, из точки поляры, соответствующие углы атаки  а = 20 градусов, перпендикуляр на ось движения яхты, можно найти коэффициент силы тяги Ст как отрезок прямой  ОА. Длина самого перпендикуляра является коэффициентом силы дрейфа  Сd.

Поляра паруса позволяет определить наивыгоднейший угол установки паруса на данном курсе по отношению к ветру, т. е. таким образом, чтобы сила тяги имела максимальную величину. Для этого необходимо, чтобы перпендикуляр к оси движения яхты одновременно являлся касательной к поляре (наивыгоднейший угол атаки паруса равен около  14 градусов  — точки касания  C на поляре).