За последние несколько лет в яхтенной индустрии было разработано много технологий жестких парусов. Их перфоманс, без сомнения, превосходил классическое парусное вооружение. Используемые в основном в парусных гонках, жесткие паруса по-прежнему остаются очень сложными для повседневного использования и созданы для больших парусных лодок.
Inflated Wing Sails (IWS) предлагает новый плавный и сбалансированный способ движения под парусом. Дутые крылатые паруса стабильны в любых условиях ветра. На конструкцию лодки нет давления. Нет больше лебедок, фалов, вантов или сложного палубного оборудования. Эта технология предлагает ощущение свободы со сбалансированным вооружением, одновременно минимизируя усилия на лодке. Это революция для суперяхт, круизных яхт и транспортных судов, поскольку почти все присущие силы парусу с моноповерхностью исчезают и освобождают палубу от всего ненужного оборудования.
Авиатор Лоран де Калберматтен и яхтсмен Эдуард Кесси создали концепцию, вдохновленную и основанную на парапланах и надувных летательных аппаратах, которые объединяют простоту, перфоманс и удобство использования. Двойной слой образующий симметричный профиль крыла, вентиляторы расположены внутри передней кромки, стабилизируя форму паруса для разных условий ветра и свободно стоящая, убирающаяся мачта, скрытая внутри крыла.
Этот вид паруса можно легко запустить с помощью автоматической системы. Крыло летает вертикально и не создает локального напряжения внутри мембраны, легкие паруса, используемая как для шпангоута, так и для обтекателя. Маленький угол наклона против ветра и более легкие килевые и яхтенные подкрепления, а также требуется меньше средств контроля. Inflated Wing Sails контролируют площадь паруса по высоте мачты. Спуск парусов производится путем спуска крыла и втягивания мачты.
Дутые крылатые паруса идеально подходят для круизных яхт, так как освобождают пространство палубы от оборудования, и упрощают всю конструкцию, что влияет на вес яхты, и улучшает перфоманс. Этот тип оснастки предлагает совершенно новую философию яхтинга.
Скоростной экологически чистый транспорт
Абсолютный мировой рекорд скорости на воде для парусного судна - это 46.52 узла (86.16 км/ч), причем скорость рекордсмена - трехточечного аппарата "Еллоу Пэйджес Энде-вур" превышала скорость ветра (20 узлов) в два с лишним раза.
Мировой рекорд скорости на буере гораздо выше - 230.1 км/ч. Он установлен еще 60 лет назад на одном из североамериканских озер. На колесной (пляжной) яхте рекорд скорости превышает 160 км/ч. Как видим, минимальное сопротивление коньков и отсутствие дрейфа обеспечивают максимальную скорость паруснику, движущемуся по льду.
Для движения под парусами по воде условия наиболее неблагоприятны. Во-первых, это высокое гидродинамическое сопротивление, резко возрастающее с увеличением скорости. Во-вторых, чтобы развить высокую скорость, необходим очень сильный ветер, а чем он сильнее, тем выше волны, увеличивающие сопротивление воды движению яхты. В-третьих, с усилением ветра все более существенную долю сопротивления добавляют крен и особенно - дрейф яхты под ветер. А не препятствовать росту крена и дрейфа - не выставишь паруса на максимальную тягу, не будет скорости.
Вот и приходится для увеличения скорости на воде идти на всякие хитрости. А в результате тот же нынешний рекордсмен мира трехточечный "Еллоу Пэйджес Эндевур" (см."КиЯ" № 159) уже практически ничем не напоминает традиционную килевую яхту, пути совершенствования которой уже в значительной мере исчерпаны.
Характерно, что до "ЕЛЭ" в течение шести лет мировой рекорд скорости на воде под парусом держала парусная доска, также имеющая с классической яхтой очень мало общего. При площади паруса всего 4 м2 такой глиссирующий парусник имеет минимальное водоизмещение и, следовательно, минимальное гидродинамическое сопротивление. И дрейф, и крен доски яхтсмен парирует собственным весом, намного превышающим вес виндсерфера, и гидродинамической силой, возникающей на шверте. Совместить это с управлением, обеспечивающим наивысшую эффективность паруса при достаточно сильном ветре очень трудно, не говоря уже о том, что само удержание паруса в руках требует огромного усилия. Одно хорошо: если не считать разгона, само движение по мерной 500-метровой трассе занимает менее полминуты...
Конечно, на маленькой глиссирующей доске против даже не очень высокой волны не пойдешь. Заезды на побитие рекорда проводят только на узких каналах, на ограниченной поверхности которых волны не успевают развиваться даже при ветре 20 м/с.
Рисунок из " Описания изобретения к Авторскому свидетельству 8 и 1699860 А 1 - Виндг - ляйдер ". Автор - Ю. В. Макаров. Воплощение идеи совмещения виндсерфера и дельтаплана, а - план; 6 - вид сбоку при разгоне левым галсом ", в - вид спереди при у становившемся движении.
Но вот что интересно. Профессионалы-виндсерфисты, выступающие в соревнованиях по "вейву" - на прибойной волне, не гонятся за скоростью движения, но с парусом в руках демонстрируют чудеса акробатики.
Например, разогнавшись, яхтсмен ставит парус горизонтально на ветер и, взлетев на 2-3 м, продолжает полет в течение 8-10 секунд, при этом держится за гик, как за трапецию дельтаплана. Завершается неуправляемый полет падением виндсерфиста спиной в воду. Оно и неудивительно. Полет неустойчив, аэродинамическое качество такого варианта "летательного аппарата" не превышает 1.5-2.0.
Вид парусной доски во время такого полета под парусом является "дружеским шаржем" на дельтаплан. И действительно. Мы видим то же крыло-парус, только в два раза меньшей площади, а вместо трапеции поперек размаха крыла дельтаплана - гик паруса. Однако на парусной доске - много не полетаешь (балансирное управление не предусмотрено), а на дельтаплане - не разгонишься, используя энергию ветра. Попробуйте манипулировать крылом дельтаплана относительно ветра при размахе крыла 10 м и весе больше 30 кг!
И тут невольно возникает вопрос. А что, если совместить эти два устройства в единую конструкцию для расширения их области применения?
В процессе проектирования действительно удалось так оптимизировать конструкцию дельтаплана, чтобы его можно было использовать в качестве крыла-паруса виндсерфера.
Идеальным парусом является планер-паритель, давно и успешно эксплуатируемый в спортивной авиации. Используя его, можно создать ряд интереснейших парусников. Результаты этой работы были доложены еще в 1979 г. на I Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Исследование, проектирование и постройка современных парусных судов". Во-первых, был спроектирован дельтаплан широкого назначения с новой компоновочной схемой. Это - жесткое составное крыло, центроплан которого имеет малое удлинение и дугообразную заднюю кромку, а консоли пристыкованы под углом 30° к центроплану и соединены подкосом, который и служит трапецией управления.
Такой дельтаплан можно использовать в традиционном варианте, т.е. для полетов со склонов, в качестве мотодельтаплана, но также и как парус с повышенным аэродинамическим качеством для виндсерфера-катамарана или легкого буера. Дельтапланерист на роликовых коньках может разъезжать с большой скоростью, например - по взлетно-посадочной полосе в любом направлении - меняя галс. Зимой на коньках по хорошему льду он может развивать скорость больше 160 км/ч. Можно двигаться и на лыжах, причем возможности выбора площадки для полетов с помощью ветра будут гораздо шире, особенно в северных районах страны.
Достоинство этого многофункционального дельтаплана в том, что его можно использовать для взлета с помощью энергии ветра.
Происходит это так. Дельтапланерист на коньках или лыжах устанавливает крыло-парус (т.е. дельтаплан) вертикально - под углом к ветру и начинает разгон. По мере увеличения скорости он доворачивает крыло на истинный ветер и достигает скорости 80-130 км/ч (в зависимости от условий взлетной полосы - асфальт, лед, плотный снег). Теперь он устанавливает крыло горизонтально и, увеличив его угол атаки, плавно набирает высоту 20-30 м и совершает планирующий полет. Конечно, полет в этом случае существенно отличается от кратковременного полета на парусе виндсерфера. Здесь обеспечено заданное положение центра тяжести относительно хорды крыла (что обеспечивает устойчивость полета) и главное - имеется классическая балансирная система управления с рулевой трапецией. Набор высоты осуществляется за счет высокой скорости движения, набранной перед взлетом. Если учесть, что минимальная(посадочная)скорость полетадельтапланаЗбкм/ч (при нагрузке на крыло около 10 кг/м2), а скорость в момент движения взлета 80-130 км/ч, т.е. в два-три раза выше, то дельтапланерист может продолжать набор высоты, пока скорость не упадет до 40-45 км/ч. Достигнутая высота 30 м - будет являться динамическим потолком дельтаплана для данных условий полета.
Интересно отметить, что довоенный истребитель И-16 после разгона в горизонтальном полете у земли, набрав максимальную скорость (400 км/ч), мог вертикально выскочить на высоту 700 м, выполняя при этом восходящий штопор. А известный летчик Б.К.Подошва на пилотажном планере А-13 на воздушном параде в Тушино проходил над всем полем головой к земле на высоте 3 м на скорости 360 км/ч, а затем вертикально уходил на высоту 400 м.
Конечно,дельтаплану-паруснику такие скорости и динамические потолки не требуются. Ему нужны скорость около 150 км/ч, простор и полет на высоте 1.5-2 м с большим аэродинамическим качеством при легком ветре (какие-нибудь 5-6 м/сек).
И такой экзотический полет над водой уже не фантастика, а действительность, вполне достижимая для экраноплана с парусным вооружением. Парусное вооружение экраноплана - У-образное "качающееся" жесткое крыло площадью 6 м2 и размахом 8 м, установленное на топе короткой мачты. Для управления поворотом крыла служит кольцевой гик, а для перекладки (смены галса) - рукоятка с тягой.
Корпус экраноплана выполнен в виде крыла малого удлинения с двумя концевыми поплавками, на которых установлены шверты. Третий - центральный, поворотный шверт расположен на задней кромке крыла под вертикальным оперением с воздушным рулем поворота. (Для сухопутного или ледового экраноплана вместо поплавков и швертов устанавливаются колеса или коньки).
Разогнавшись, парусный экранолет сохраняет контакт с водой только концевыми участками трех швертов и совершает полет с использованием экранного эффекта. Кратковременный подлет экраноплана не предвещает аварийной ситуации, так как аппарат имеет аэродинамическую систему управления.
Одноместный экраноплан с V- образным " качающимся " жестким крылом
В этом случае экраноплан совершает планирующий полетнад экраном, но потеря контакта с водой приводит к исчезновению тяги паруса и экранплан, снижаясь, снова идет на контакт с водой швертами. Таким образом, яхтсмен периодически находится то в свободном планировании над поверхностью воды, то в режиме контакта с водой, возобновляющего тягу паруса.
Скорость движения парусного экраноплана 90-120 км/ч при скорости ветра всего 5-8 м/сек; другими словами, скорость движения в три-четыре раза выше скорости ветра, а не в два с половиной, как у "ЕПЭ". На шоссе парусный экраноплан - буер разгоняется до скорости 140-160 км/ч.
Рассмотренные выше паруса и крылатые парусники имеют небольшое, по авиационным понятиям, аэродинамическое качество - порядка 10-15 (ну, пусть 20 - с использованием экранного эффекта). А в активе-то у нас достижимое аэродинамическое качество паруса минимум 40-45! И такой оптимизм имеет практическое подтверждение: современные планеры-парители открытого класса обладают аэродинамическим качеством 63-65!
Жесткий аэродинамический парус типа планерного крыла часто используют на скоростных парусниках, но применяют только одну (левую или правую) консоль. С таким парусом можно ходить только одним галсом, потому что на них используют несимметричный профиль крыла для получения максимальной тяги. Для откренивания приходится применять противовесы - типа вынесенной на ветер кабины экипажа, требуется сложная система управления парусом-крылом.
Схема экраноплана
б - общий вид катамарана с " качающимся " планером - парусом. 1 - серийный двухместный планер, установленный на шарнире 12; 7 - " вертикальное " крыло планера, служащее вы сокоэффективным парусом - крылом; 8 -~ опорный поплавок с поворотным килем; 9 - " гори зонтальное " откренивающее и обеспечиваю щее аэродинамическую разгрузку крыло плане ра; 12 - шарнир; 13 - корпус катамарана; 14 - руль; 15 - V- образный управляемый шверт, в - устройство центрального узла - универсального
Рекордный парусник, если в роли его парусной системы использовать конструкцию стандартного планера, получается до примитивного простым, легким и прочным, с прекрасной устойчивостью и управляемостью парусной системы, с огромным аэродинамическим качеством.
Его,конечно, придется слегка доработать - добавить крыльевую опору, изменить угол поперечной У-образности крыла и установить универсальный шарнир для крепления планера на топе "мачты".
Легкий парусник, предназначенный для рекордных заездов, представляет собою катамаран с глиссирующими корпусами, на короткой мачте которого наунивер-сальном (карданном) шарнире установлен двух-местный планер-парус.При этом шарнир расположен в центре тяжести планера. В кабине размещен штурвал управления по курсу воздушным рулем. Система управления планером остается без изменений, но теперь она является системой управления вооружением.
При смене галса производят "перекладку" крыльев при помощи элеронов: крыло, которое служило парусом, становится горизонтальным - откренива-ющим (с опорным поплавком и управляемым килем(швертом) на конце), а которое было откренивающим - становится почти вертикальным и работает как высокоэффективный жесткий парус большого удлинения.
Разгон и движение парусника выполняют, установив паруса относительно ветра при помощи аэродинамических рулей планера (элеронов, рулей высоты и направления} и рулей направления яхты. Так как планер имеет необходимую устойчивость и совершенную систему управления, рассчитанную на высший пилотаж {а уж на свободный полет - тем более!), то никаких проблем в управлении парусником не возникает.
В случае взмывания (кратковременного взлета) планер может спокойно уйти от "чуждой" ему стихии, в отличие от классического гоночного парусника, когда отрыв от воды для него завершается аварией.
Сила тяги крыльев планера направлена вперед и вверх, что значительно уменьшает момент крена, а подъемная сила горизонтального крыла обеспечивает аэродинамическую разгрузку яхты. Аэродинамическая разгрузка может составлять до 80-100% веса. Парусник в этом режиме касается воды только швертами, а при запасе горизонтальной скорости даже может совершать планирующие полеты над водой; при этом оба крыла относительно поверхности воды устанавливаются симметрично, а поплавки (или буерное шасси) фиксируются по продольной оси планера.
Парусник для штурма мировых рекордов скорости, выполненный с использованием серийного двухместного планера 1--13 "В!атК" (с аэродинамическим качеством 28), имеет следующие технические данные. Максимальный вес с двумя яхтсменами на борту - 550 кг. Площадь вертикального крыла-паруса - 10м2 (общая площадь крыльев - 20 мг). Максимальное аэродинамическое качество в варианте яхта-катамаран - 10, в варианте буер -18.
Расчеты показывают, что максимальную скорость парусное судно развивает при ветре галфвинд, который дует под углом 90° относительно направления движения. Для идеального парусника (при отсутствии дрейфа, крена и гидродинамического сопротивления) скорость движения судна - V была бы равна скорости ветра V, умноженной на аэродинамическое качество паруса:
у=КУ.
Присмотритесь к этому выражению. Да это же формула определения горизонтальной скорости планера! И поистине - идеальная яхта это и есть планер. А планер является идеальным парусником. Его основная характеристика - аэродинамическое качество. Ведь у него отсутствуют дрейф, крен и гидродинамическое сопротивление. А летит он без снижения под действием восходящих потоков (вертикального ветра). Если восходящих потоков нет, у планера всегда есть для полета "искусственный ветер", причем, всегда дующий в галфвинд: это вертикальная скорость его снижения - Vв. В этом случае скорость горизонтального полета - Vг определяется так:
Vг=КVв.
1 - сила тяги, 2- полная аэродинамическая сила, 3- сила дрейфа
Как видим, оба выражения идентичны. Здесь К - то же самое аэродинамическое качество планера. Недаром на многих языках слова "планер" и "парусник" звучат одинаково.
А теперь идеальную яхту совместим с реальным парусником. Для этого планер надо установить на мачте так, чтобы его крылья (паруса) были в вертикальном положении. Тогда при ветре всего 2 м/с и отсутствии дрейфа (иначе исчезнет сила действия ветра) мы можем получить максимальную скорость движения нашей яхты при К = 50 равной:
2 м/с х 50 = 100 м/с или 360 км/ч
т.е. в 50 раз больше скорости ветра. Так летают планеры. Но нам-то надо часть энергии отдать на борьбу с дрейфом, еще какую-то часть - на преодоление крена и гидродинамического сопротивления. Реально у нас остается около 8 единиц: Кх - 8, где Кх - ходовое качество яхты. Поэтому максимальная и абсолютно реальная скорость движения яхты при ветре 5 м/с будет равна:
5 м/с х 8 = 40 м/с (144 км/ч), т.е. превышает скорость ветра в восемь раз (еще раз напомним: у "ЕПЭ" - в два с лишним раза). Как видим, парус играет роль аэродинамического "усилителя" действия ветра.
Теперь подведем предварительные итоги. Что мы имеем в активе? Мы можем установить два мировых рекорда и получить приз 3 млн. долларов с помощью рекордной яхты - планера-парусника.
Мировой рекорд скорости на буере (230.1 км/ч) можно повысить до 280 км/ч при скорости ветра 5 м/с; для этого требуется Кх -- ходовое качество буера, равное всего 16. Ну а существующий скоростной рекорд парусной яхты будет побит при том же ветре даже при Кх= 6, что обеспечит скорость хода 30 м/с, т.е. 108 км/ч. На сегодня рекорд скорости 86.16 км/ч, но при ветре 10 м/с!
Соревнования на установление мировых рекордов скорости под парусами проводятся в Уэймуте (Англия) ежегодно. Желающим следует спешить!
До сих пор речь шла о спортивных парусниках, которые демонстрируют границы возможных достижений - рекордные результаты. Для транспортных целей на морских грузовых и пассажирских линиях нужны экологически чистые скоростные суда с минимальным расходом топлива, простые и надежные в эксплуатации.
Разработанный в МАИ парусный экра-ноплан, рассчитанный на 40 пассажирских мест, может послужить примером такого экологичного и быстроходного морского экспресса. Скорость его при ветре 5-8 м/с будет около 90-110 км/ч. Максимальный вес крылатого парусника - 5800 кг, вес конструкции - 1800 кг.
Маршрут Нью-Йорк - мыс Лизард (Англия) на этом паруснике можно пройти всего за трое суток, тогда как тримарану-рекордсмену "Джет Сервисез-5" потребовалось вдвое больше.
Экологически чистый транспорт.
Известно, что французская шоколадная фирма "Пуле" объявила о награде в 1 млн.долл. первому яхтсмену-одиночке, который под парусом обогнет земной шар за 100 дней, а нынешние обладатели Трофея Жюль Верна уже совершили кругосветное плавание - пересекли все меридианы и экватор - за 71 день. Но для парусного экраноп-лана предлагаемой конструкции 25 суток "кругосветки" (даже при плавании в одиночку) будут продолжительностью регулярного рейса, указанной в расписании. Ведь экраноплан-парусник предназначен не для рекордов, а для пассажирских рейсов. Например, для челночных рейсов по Черному морю. Сорок пассажиров из Одессы будут в Ялте через 5 часов, а в Стамбуле - через 8 и при этом команда израсходует максимум 10 кг дизтоплива на подходы к причалу в указанных портах.
Путешествовать "дешевле" и с меньшим влиянием на окружающую среду можно, пожалуй, только дрейфуя на льдине! Используя энергию воздушного океана, мы не загрязняем атмосферу окислами углерода, азота и углеводородами, и главное - не бросаем деньги на ветер, сжигая энергетические ресурсы. Одна заправка крупнотоннажного океанского судна стоит 1.5-5 млн.долл. Судно водоизмещением 20 тыс.т при скорости 16 узлов затрачивает 35-40 т топлива в сутки. А ведь указанные выше цифры можно уменьшить в 5-10 раз!
Разработано вспомогательное парусное вооружение, которое обеспечивает высокую тягу паруса и позволяет при ветрах 5-10 м/с сократить средний расход топлива во время движения грузового судна на 50-70 %, а при ветрах большей силы - вообще исключить потребность в работе силовой механической установки, не снижая скорости движения. Такое вооружение можно использовать, в первую очередь, на судах-навалочниках дедвейтом 10-25 тыс.т.
На рисунке изображено грузовое судно водоизмещением 37 000 т (дедвейт 23 000 т) с тремя жесткими поворотными парусами-крыльями планерного типа1. Каждое крыло имеет размах 60 м и хорду - 10 м. Общая площадь парусности около 1800 м2. Расчетная скорость судна при ветре 7 м/с - 16 узлов, при 12 м/с - 23 узла. Уменьшение необходимого запаса топлива (в 20 раз) увеличивает полезные объемы судна. Максимальную мощность судовых двигателей можно снизить в 10 раз, используя их только для подруливания и в аварийных ситуациях.
Парусное вооружение планерного типа в штормовую погоду или при ураганном ветре нет необходимости убирать; надо поставить стабилизаторы на нулевые углы и освободить фиксацию парусной установки, тогда она станет обычным флюгером, сопротивление которого меньше сопротивления корабельной мачты.
Парусное вооружение планерного типа позволяет снизить сопротивление воды движению судна, так как обеспечивает некоторую аэродинамическую разгрузку его благодаря появлению подъемной силы на парусах-крыльях. Такие паруса повышают остойчивость судна, поскольку сила тяги парусов проходит через его ЦТ, что исключает появление крена. А большая площадь самих парусов при качке демпфирует судно: при большом волнении паруса не способны мгновенно перемещать большие массы воздуха. Корабль как бы висит на парусах-крыльях, что обеспечивает до 5 % аэродинамической разгрузки судна.
Огромную экономическую эффективность парусов-крыльев планерного типа подтверждают и расчеты, выполненные в МАИ при разработке парусного сухогруза водоизмещением 170тыс.т для "пассатных" направлений перевозок. Крылатый сухогруз может иметь полностью автоматизированную систему даже дистанционного - с берега - управления парусом. С помощью спутниковой связи в центр поступают все данные о погоде и обстановке, ЭВМ оптимизируют курс и график движения судна и передают команды на бортовой пульт управления. Корабль-"скиталец" может ходить в автоматическом режиме - без экипажа. Ветер в соответствии с программой пригонит его в заданную точку земного шара для встречи с экипажем, который с вертолета или служебного судна высаживается на борт перед его заходом в порт или для прохождения сложного участка трассы.
Современные достижения науки и техники позволяют обеспечить полную безопасность такого варианта "Летучего голландца" для судоходства с использованием традиционных плавсредств.
Все рассмотренные в этой статье парусники защищены патентами на изобретения, Проекты судов с аэродинамическим парусным вооружением для скоростного экологически чистого морского транспорта экспонировались на XXV Международном Салоне изобретений в Женеве в 1997 г. и были удостоены диплома и бронзовой медали.
Определим, каким образом на парусе возникает тяговое усилие, которое сообщает движение парусному судну.
Все рассуждения являются чисто качественными. При изложении делаются допущения и не рассматриваются детали не принципиальные, с торчки зрения физических основ работы паруса, но упрощающие как изложение вопроса, так и понимание излагаемого материала.
На парус набегает воздушный поток, определяемый скоростью и направлением вымпельного ветра.
При этом определяем, до начала рассмотрения, что парус является вертикальным крылом и разделяет поток набегающего воздуха на две части. Одна часть воздушного потока проходит по подветренной стороне паруса, а вторая часть по его наветренной стороне. Оба потока смыкаются за задней шкаториной паруса. На подветренной стороне паруса (выпуклой) поток проходит большее расстояние, чем вдоль наветренной. Следовательно, скорость потока на подветренной сто рис. 6 роне паруса выше.
По закону Бернулли давление ниже, там, где выше скорость потока. Таким образом, на подветренной стороне паруса возникает разрежение, которое вызывает смещение паруса в сторону более низкого давления (рис. 6). Величина разряжения возникающего на подветренной стороне паруса пропорциональна скорости потока.
Смещение парусного судна происходит под действием аэродинамической силы, которая является результатом действия на парус двух сил – силы сопротивления воздуха движению паруса и подъемной силы (рис. 7), которая сообщает парусу это движение. В свою очередь, результирующая аэродинамическая сила может быть разложена на две составляющие – вектор в направлении движения судна и пер -
рис. 7 пендикулярный ему вектор. Первый вектор, направленный по движению судна это сила тяги, которая и сообщает движение парусу и через него судну, а вторая - это сила дрейфа (кренящая сила), вызывающая дрейф в подветренную сторону (рис. 8). В литературе и на рисунке сила, перпендикулярная силе тяги, очень часто называется кренящей силой. Это утверждение не является правильным и им авторы заменяют кренящий момент, который возникает в результате взаимодействия судна не только с ветром, но и с водой. Этот вопрос будет рассмотрен позднее, при рассмотрении результирующей гидродинамической силы и плеча между силой бокового сопротивления судна и силой дрейфа.
Исходя из того, что величина
рис. 8 подъемной силы пропорциональна скорости набегающего потока, можно сделать вывод о том, что более скоростное судно может двигаться острее к вымпельному ветру. Это объясняется тем, что при меньшем отношении силы тяги к силе дрейфа, значение силы тяги, при высоких скоростях вымпельного ветра, будет достаточным для обеспечения движения судна. Для судов двигающихся в водоизмещающем режиме этот выигрыш будет незначительным так как возрастающая скорость судна будет вызывать увеличение силы лобового сопротивления и наступит баланс сил тяги и лобового сопротивления. Для глиссирующих судов, имеющих низкое лобовое сопротивления возможен режим движения под очень острыми углами к вымпельному ветру.
Для эффективной работы паруса он должен быть поставлен под определенным углом к набегающему воздушному потоку. Этот угол называется углом атаки паруса и определяется как угол между направлением ветра и хордой паруса.
Угол атаки паруса очень сильно зависит от поперечного профиля паруса. Оптимальным углом атаки для большинства парусов является угол около 15 градусов (рис. 9).
При углах атаки больше 15 градусов, начинается срыв потока и нарушается ламинарность потока на подветренной стороне паруса. При этом нарушается обтекание паруса (поток становится турбулентным), что приводит к уменьшению скорости потока и, соответственно, уменьшению
разряжения на подветренной стороне паруса. Кроме того, турбулентный поток увеличивает трение о парус, и изменяет поперечный профиль паруса в
рис. 9 районе задней шкаторины (рис. 10). Все эти явления, возникающие при увеличении угла атаки паруса, приводят к снижению эффективности работы паруса как крыла и уменьшению тяги паруса.
При углах атаки менее 15 градусов срывается поток на наветренной стороне паруса. Так как парус является мягким крылом и его форма обеспечивается рис. 10 только потоком набегающего воздуха, то в пределе, при очень малых углах атаки парус теряет форму и перестает работать.
И в том и в другом случае ухудшается эффективность работы паруса, что
рис. 11 рис. 12
приводит к снижению силы тяги паруса. Поэтому при каждом изменении курса необходимо производить настройку парусов.
Парусное судно может двигаться под углами к ветру в диапазоне от 30-40 градусов до 180 в сторону каждого борта. При этом паруса расположены под разными углами к ДП судна, но всегда под углом к вымпельному ветру, обеспечивающим эффективную работу паруса.
На рис. 11 показано изменение положения парусов относительно ДП при уваливании яхты по ветру. При этом используется термин идти полнее.
На рис. 12 показано изменение положения парусов относительно ДП при приведении яхты к ветру. При этом используется термин идти круче (или острее) к ветру.
На рис. 13 показаны курсы яхты относительно вымпельного ветра и положение парусов на каждом курсе.
Этот рисунок можно разделить на две половины по диаметру перпендикулярному направлению вымпельного ветра. Это направление движения судна (90 градусов к ветру) называется галфвинд (полветра).
Курсы, расположенные выше этой линии называются острыми, а ниже этой линии - полными.
К острым курсам относятся бейдевинд (от 30-40 до 90 градусов к ветру) и левентик (0 градусов к ветру).
Левентик не является рабочим курсом, так как парусное судно не может двигаться строго против ветра (о чем говорит заполаскивающий парус на рисунке).
Красный сектор в верхней половине курсовых углов является нерабочим, так как движение в этой зоне возможно, но не эффективно.
К полным курсам относятся бакштаг (от 90 до 180 градусов к ветру) и фордевинд (180 градусов к ветру).
Интересно рассмотреть зеленый сектор в районе курса фордевинд. Это тоже нежелательный сектор курсовых углов, так как в этом секторе движение парусного судна с косым вооружением (крыло) не эффективно. Парус работает как парус (за счет площади парусности, а не за счет свойств крыла). Скорость движения судна по ветру ограничена скоростью ветра и управляемость судна на этом курсе, особенно на волнении, не высокая.
рис. 13 Второй интересной линией разделения данного рисунка является вертикальный диаметр, совпадающий с направлением ветра, который делит этот рисунок на две половины. В левой половине рисунка судно идет правыми галсами относительно ветра, а в правой половине – левыми галсами.
1. Галс это курс судна относительно ветра:
Ветер с левого борта – левый галс;
Ветер с правого борта – правый галс.
2. Галс это часть пути судна между поворотами.
На рис. 14 показаны направления вымпельного ветра при тех же курсах относительно истинного ветра и положение парусов на каждом курсе.
Из анализа ри 
сунка следует, что при равных скорости истинного ветра и скорости движения судна при курсовом угле 45 градусов к истинному ветру парусное судно имеет курсовой угол к вымпельному ветру равный ~ 22 градуса.
А при движении курсом бакштаг относительно истинного ветра судно идет в бейдевинд относительно вымпельного ветра. И только при курсе бакштаг вымпельный ветер отходит до галфвинда
Кроме положения паруса относительно ДП судна интересно рассмотреть форму паруса в зависимости от условий движения судна.
Очень большое значение имеет поперечный профиль паруса – «пузо» паруса, которое измеряется в процентах от длирис. 14 ны паруса по хорде (рис. 15).
Пузатые паруса обеспечивают большую подъемную силу, но имеют большое лобовое сопротивление (рис 15).
Плоские паруса не обеспечивают большой подъемной силы, но, при этом, имеют небольшое лобовое сопротивление (рис. 15).
Из этого следует, что для тяжелых судов, имеющих большое лобовое сопротивление подводной части корпуса целесообразно использование парусов с большой глубиной паруса, обеспечивающие «большую тягу» при небольших скоростях вымпельного ветра. А для спортивных судов, особенно глиссирующих, рассчитанных на высокие скорости движения, целесообразно использование более «плоских» парусов, имеющих небольшое лобовое сопротивление воздушному потоку, но обеспечивающих «хорошую тягу» при высоких скоростях вымпельного ветра.
Большое значение имеет форма паруса в районе передней шкаторины – «лоб паруса». При смещении «пуза» паруса вперед парус становится «лобастым», а при смещении назад получаем парус «с плоским входом».
При «плоском входе» острота курса выше, но парус критичен к изменению угла атаки. Требуется высокая точность в управлении и при любом изменении курса необходимо производить настройку парусов (рис. 12).
рис. 15 рис. 16
При лобастом парусе (пузо смещено вперед) увеличивается сопротивление паруса и уменьшается острота курса относительно ветра, но увеличивается диапазон изменения курса без дополнительной настройки парусов (диапазон подруливания или курсовой сектор) за счет увеличения диапазона углов атаки паруса, при которых он продолжает работать эффективно (рис. 12).
рис. 17
Парус с пузом, смещенным вперед, целесообразно использовать в сложных рис. 18
погодных условиях, при большом волнении, когда требуется обеспечить возможность постоянного, незначительного изменения курса для обеспечения остойчивости и безопасности судна (например, пересечения под прямым углом гребня волны или невозможности точного удержания яхты на курсе при порывистом ветре).
Изменение пуза грота достигается изгибом мачты. При прогибе мачты происходит раздвигание передней и задней шкаторин паруса и парус за счет этого становится более плоским (рис. 17) при этом происходит смещение назад пуза паруса. Пузо грота в его нижней части изменяют набивкой грота-шкота. Для смещения пуза вперед с целью восстановления правильного его положения в районе 40-50 процентов хорды производят набивку грота фала. При дальнейшей набивке грота фала происходит смещение пуза дальше вперед и увеличение лобастости паруса.
Аналогично производится настройка стакселя. Набивка штага изменяет глубину пуза, а набивка стаксель-фала изменяет положение пуза и лобастость паруса.
Кроме поперечного профиля паруса, большой интерес и большое значение имеет его продольный профиль (изменение профиля паруса по высоте). Для обеспечения правильной работы паруса парус должен иметь скручивание по высоте, которое обеспечивает постоянный угол атаки паруса относительно вымпельного ветра.
Так как скорость ветра увеличивается с увеличением расстояния от палубы судна, а скорость перемещения паруса в горизонтальной плоскости не изменяется, происходит изменение направления вымпельного ветра (увеличивается угол между курсом судна и направлением вымпельного ветра – ветер «отходит») и его усиление (рис. 18).
Для компенсации изменения направления вымпельного ветра необходимо изменять положения паруса по высоте – угол атаки паруса. Это достигается откло-
рис. 18 рис. 19
нением к подветренной стороне верхней части паруса больше чем нижней (рис. 20).
Скручивание грота обеспечивается изменением «набивки» оттяжки гика и положением каретки гика-шкота на погоне.
Скручивание стакселя обеспечивается набивкой стаксель шкота и положением каретки стаксель шкота на погоне. При смещении каретки вперед парус становится полнее и уменьшается скручивание паруса по высоте. При смещении каретки назад парус становится более плоским, а скручивание паруса по высоте увеличивается.
Яхтинг с самого начала преследовал, если так можно выразиться, развлекательные цели. Однако тяга к развлечению людей на воде подвигла конструкторскую мысль к поиску новых форм судов для достижения новых скоростей, для более комфортного и безопасного плавания. Конструкторы парусов тоже не отстают иразрабатывают совершенно новые формы паруса.
В яхтостроении постоянно разрабатываются и применяются новые материалы и технические решения. Стоит только посмотреть на изменение формы корпусов яхт, которые произошли всего за 50 лет, да что там говорить, почти каждый год появляются новые смелые решения. На сегодня, можно сказать, что яхтинг в конструкторском и исследовательском плане не только не стоит на месте, а напротив, является полигоном для опробования новых концепций и технических решений. Это касается ипарусов. Мы можем наблюдать, как появляются совершенно новые паруса - асимметричные спинакеры, такие например, как Code Zero. Сегодня мы поговорим ещё об одном новшестве - парасейлоре. Этот удивительный парус уже можно видеть на некоторых яхтах и что самое интересное - его разрешили использовать в гонках по классификации IRC.
История создания
Яхтсмены знают, что применяя спинакер, возможны следующие негативные явления - «дергание» лодки и создающийся под действием сил дифферент на нос. Част онекотролируемое приведение локди к ветру и брочингю. Лодка становится рыскливой, падает скорость, рулевому приходится прилагать дополнительные усилия, часто, для компенсации этого явления экипаж «кучкуется» на транце. При слабых ветрах спинакер может вообще перестать держать свою форму, опасны для него и резкие порывы ветра. Для борьбы с этим явлением было предложено снизить давление ветра на спинакер, для этого делались попытки - сделать сквозные щели и создать тканевые трубки вшитые в парус, слегка направленные вниз (смотрим от кормы), чтоб возникающая реактивная тяга на них направленная вверх, уменьшала вертикальную составляющую, направленную вниз. Этo так называемый Venturi spinnaker, попытки применения которого были ещё в 50-х годах 20-го века. Этот парус работал уже устойчивей, однако эффект оказался очень низким и почти не ощущался. Удачным оказался гибрид паруса и крыла, похожего на летающее крыло - парасейл. Этот парус представлял из себя спинакер снабженный щелью в верхней части паруса с крылом. Его и назвали по аналогии — парасейлор.
Редкий Venturi spinnaker не получил распространения
Что такое парасейлор
Этот парус представляет из себя спинакер, в который вшито самонастраивающееся крыло. Это крыло состоит из двух частей, при набегании потока воздуха оно принимает выпуклую форму и самоподдерживается в таком состоянии. Несмотря на кажущуюся сложность и обилие деталей, постановка и работа паруса не вызывает никаких проблем. А надо сказать, что количество деталей в несколько раз больше, чем на обычном парусе. Что самое интересное — возникающая сила, направленная вверх ощутимо уменьшает дифферент на нос - до 20%, при этом, несмотря на наличие большой щели, занимающей примерно 25% площади всего спинакера, это не сильно отражается на уменьшениитяги. На испытаниях было зафиксированы падение всего на единицы процентов. Чудо? Нет, всего лишь удачная конструкторская мысль сочетать парус и крыло. Этот парус создал Хартмут Шедлих, яхтсмен с большим стажем, основатель компании Parasailor. Парус создавался не просто, это стало возможным благодаря наличию современной вычислительной техники, так как требовалась масса расчетов трехмерного обтекания крыла воздушными потоками. Но результат превзошел ожидания.
Преимущества паруса
Итак, что дает использование крыла на парусе?
1. Отверстие дает стабилизацию работы паруса - избыточное давление попросту сбрасывается.
2. Наличие щели в верхней части перенаправляет усилие на нижнюю часть паруса, тем самым уменьшая крен
3. Крыло работает в виде латы, поддерживая правильную форму паруса, что благоприятно сказывается при слабых ветрах. Но все же этот парус для хорошего ветра.
4. Крыло создает тянущий вверх и вперед момент, разгружающий нос яхт и компенсирующий потерю площади паруса из-за отверстия.
Многие путешественники, особенно те, кто двигается с попутными ветрами, избирают парасейлор, так как этот парус не нуждается в особой настройке и позволяет спокойно жить экипажу на борту. Недаром его можно увидеть на катамаранах, этих судах, которые двигаются преимущественно с попутными ветрами.
Что является негативным во всей этой истории, так это цена. Несмотря на рекламные заверения производителя, что парус будет лишь немного дороже, реально его цена в три раза дороже обычного спинакера. Несмотря на это, мастерская, изготавливающая такие паруса, уже перегружена заказами.